CHARAKTERYSTYKA I ZAKRES ZASTOSOWANIA

Siłownie z turbinami parowymi (paliwo konwencjonalne)

Rzadkie zastosowanie w ubiegłych latach turbin parowych do napędu głównego stat­ków jest wynikiem niższej sprawności tych układów napędowych w stosunku do napędu silnikiem spalinowym, spowodowanej niską sprawnością termiczną obiegu. Dla najbar­dziej nowoczesnego i ekonomicznego rozwiązania siłowni okrętowej turboparowej przy zastosowaniu elementów układu turboparowego o najnowszych konstrukcjach i najwyż­szych sprawnościach jednostkowe zużycie paliwa wynosi około 238 kg/MWh dla układu o mocy na wale 20 MW (dla aktualnie oferowanych silników wolnoobrotowych: ~160 kg/MWh). Napędy turboparowe stosowano w ubiegłych latach do napędu statków wymagających dużych mocy, z reguły powyżej 40 MW. Duże zbiornikowce, duże i szybkie kontenerowce, gazowce (z uwagi na spalanie gazu odparowującego z przewożonego ładunku), okręty wojenne - lotniskowce, krążowniki, niszczyciele. Również zastosowane na dawniej budowanych dużych liniowcach pasażerskich (United States, France, Normandie, Queen Elizabeth). Stosowana jest do redukcji obrotów przekładnia mechaniczna lub elektryczna. Z przekładnią elektryczną: napęd zbiornikowców (Victory) budowanych w czasach II wojny światowej.

Zalety: możliwość realizacji dużych mocy, lepsze wykorzystanie mocy turbiny w po­gorszonych warunkach pływania, niski poziom hałasu i drgań.

Wady: niska sprawność energetyczna, długi czas uruchomienia siłowni, konieczność zastosowania albo śruby o skrzydłach nastawnych albo turbiny biegu wstecz.

Rys. Przykładowe schematy układów napędowych

Siłownie z parowymi silnikami tłokowymi

Dawniej powszechnie stosowane do napędu statków. (Liberty). Moce do około 4 000 kW. Kotły opalane węglem. Niska sprawność silnika.

Siłownie jądrowe

Jednostki z napędem nuklearnym posiadają praktycznie nieograniczony zasięg pływania. Nie jest wymagany tlen do spalania, stąd znalazły zastosowanie na łodziach podwodnych, lodołamaczach i dużych okrętach wojennych. Napęd statku turbiną parową, przy czym para wodna jest wytwarzana za pomocą reaktora jądrowego. Trzy zbudowane statki handlowe: Savannah 1962-1971, 22 000 shp, Otto Hahn 1968-1979, 11 000 shp, Mutsu 1972-1993, 10 000 shp. Lodołamacze arktyczne: Lenin, Arktika, ...(9 jednostek) o mocy 50 ÷ 75 000 shp, napęd turboelektryczny. Łodzie podwodne, w 1999r.- (USA/Rosja): 127/205 = 356 jednostek o mocach 9 000 ÷ 15 000 kW, lotniskowce - 5/0, krążowniki 8/3 =11.

Napęd mechaniczno-żaglowy

Kryzys paliwowy lat siedemdziesiątych wywołał zainteresowanie wykorzystaniem energii wiatru do wspomagania napędu na statkach handlowych. Pierwsze statki handlowe z pomocniczymi pędnikami wiatrowymi zbudowano na poczętku lat osiemdziesiątych, przede wszystkim w Japonii (ponad 10 jednostek). Największym z nich był masowiec USUKI PIONEER, 26 000 dwt. Instalowane na tych statkach pędniki wiatrowe miały obniżyć zużycie paliwa. Spadek ceny ropy naftowej w drugiej połowie lat osiemdziesiątych wpłynął negatywnie na rozwój tego typu napędu. Z uwagi na działania szeregu państw na rzecz ochrony środowiska ponownie pojawiło się zainteresowanie pędnikami wiatrowymi, czego przejawem był zakończony w 1996 roku duński program badawczy “Modern Windships”, w ramach którego opracowano projekt budowy masowca 50 000 dwt. Masowiec wyposażony byłby w ożaglowanie o powierzchni ~10 000 m², oprócz dwóch sterośrub napędzanych silnikami elektrycznymi o mocy po 2 500 kW. Mimo niewątpliwych korzyści dla środowiska naturalnego, z obliczeń ekonomicznych wynikało, że łączne koszty eksploatacji tego masowca, przy aktualnych cenach paliwa byłyby o 10% wyższe od kosztów eksploatacji statku ze spalinowym silnikiem tłokowym, nie został zatem zbudowany.

JEDNORODNE

Siłownie jednorodne, czynnik roboczy - spaliny, silniki tłokowe

Siłownie z silnikami wysokoprężnymi i napędem bezpośrednim

W siłowniach tego typu głównymi silnikami napędowymi są wolnoobrotowe dołado­wane wodzikowe silniki spalinowe, bezpośrednio nawrotne. Napęd ten jest aktualnie naj­bardziej rozpowszechniony ze względu na najwyższą sprawność silnika głównego (powy­żej 50 %) wynikającą z niskiego jednostkowego zużycia paliwa przez silnik. W silnikach może być spalane najgorsze a zatem i najtańsze paliwo). Stosowany na: zbiornikowcach, masowcach, kontenerowcach, ....(małe silniki również na statkach rybackich, np. S26MC). Światowi producenci to firmy MAN-B&W (silniki typu MC), Wärtsilä (silniki RTA) oraz Mitsubishi (silniki UEC). Układy napędowe prawie zawsze są jednowałowe, tylko na kilku jednostkach zastosowano dwa silniki, każdy napędzający jedną śrubę. Podstawowe zróżnicowanie związane jest ze sposobem napędu prądnicy wałowej.

Zwiększając stosunek skoku tłoka do średnicy cylindra obniżono obroty silnika a tym samym i śruby, co pozwala w wielu przypadkach dobrać śrubę o największej średnicy (ograniczonej wymiarem okna śrubowego), czyli o jak najwyższej sprawności.

Podstawowymi zaletami tego typu siłowni są:

1. najwyższa sprawność

2. spalanie paliw pozostałościowych (o najniższych cenach),

3. możliwość zastosowania układów głębokiej utylizacji ciepła odpadowego, co pozwala uzyskać wysoką sprawność energetyczną siłowni,

4. duża niezawodność i żywotność (długie okresy międzyremontowe),

5. prostota i łatwość obsługi głównego układu napędowego.

Wadami są

1. duża jednostkowa masa silnika i siłowni,

2. duża objętość siłowni spowodowana dużą wysokością silnika,

3. większy koszt montażu (powtórny montaż na statku).

Producenci silników wolnoobrotowych dopasowali programy budowy silników stosownie do potrzeb rynku okrętowego. Programy te są przy tym stale modyfikowane.

Pola parametrów kontraktowych silników MC i RTA – przykłady

Z rozkładu pól para metrów kontraktowych widać, że dla wszystkich obecnie zamawianych typów i wielkości statków, o ile nie ma ograniczeń gabarytów silnika wynikających z ograniczonych gabarytów siłowni, można zawsze dobrać silnik wolnoobrotowy. Stąd statki nie wymagające dużej koncentracji mocy ani nie mające ograniczenia np. wysokości siłowni (statki ro-ro, promy pasażersko-samochodowe itp.) z reguły zawsze będą miały napęd bez pośredni. Ponadto dla ww silników producenci silników oferują standardowe rozwiązania układów energetycznych, które pozwalają na utylizację ciepła strat, a więc możliwe jest zwiększenie sprawności energetycznej siłowni.

Siłownie z silnikami spalinowymi średnio i szybkoobrotowymi, napęd bezpośredni

Przy coraz większych prędkościach pływania oraz przy malejącej wielkości jednostki, ze względu na chęć uzyskania jak najwyższej sprawności śruby stosuje się coraz wyższe prędkości obrotowe śrub napędowych. Dlatego też na małych i szybkich jednostkach występuje bezpośredni napęd śrub silnikami średnio lub szybkoobrotowymi, bez zmniejszania prędkości obrotowej śruby w stosunku do silnika

Siłownie z silnikami wysokoprężnymi i napędem pośrednim

Główne silniki napędowe stanowią średnio- lub wysokoobrotowe silniki spalinowe, rzędowe i widlaste rozmaitych firm. Znaczącymi producentami są: Wrtsil, MAN-B&W, MaK, Akasaka, Deutz-MWM i Caterpillar. Po siłowniach z silnikami wolnoobrotowymi, jest to najbardziej rozpowszechniony typ układu napędowego. Silnik (lub silniki) są sprzężone ze śrubą poprzez przekładnię. W siłowni może znajdować się jeden lub więcej silników napędzających jedną lub więcej śrub poprzez przekładnię redukującą obroty. Najczęściej jest stosowana przekładnia mechaniczna, rzadziej elektryczna lub hydrauliczna.

Przy zastosowaniu przekładni mechanicznej, pomiędzy silnikiem a przekładnią instaluje się zawsze sprzęgło elastyczne, aby ochronić przekładnię przed przedwczesnym zużyciem spowodowanym nierównomiernym momentem obrotowym silnika. Jeżeli więcej niż jeden silnik jest połączony z przekładnią, to instaluje się również sprzęgło rozłączne. Zmianę kierunku obrotów śruby zapewnia zastosowanie albo silnika nawrotnego, albo przekładni redukcyjno-nawrotnej (mniejsze moce) albo śruby o skrzydłach nastawnych.

Przekładnia elektryczna zapewnia bardzo dobre właściwości manewrowe oraz możliwości elastycznego gospodarowania energią, posiada jednak niższą sprawność, stąd koszty inwestycyjne i eksploatacyjne takiego układu są jednak droższe w stosunku do układu z przekładnią mechaniczną. Stosowany na lodołamaczach, statkach badawczych, statkach wiertniczych, kablowcach, niektórych łowczych statkach rybackich i holownikach. Na statkach towarowych zastosowanie tego typu napędu jest nieopłacalne.

Przekładnie hydrauliczne zostały zastosowane na nielicznych małych jednostkach

Głównymi zaletami napędu pośredniego w porównaniu do siłowni z silnikiem wolnoobrotowym (napęd bezpośredni) są:

• niższy koszt oraz skrócenia czasu montażu siłowni (silniki są wstawiane w całości);

• mniejsza masa i wysokość silnika a tym samym i siłowni; elementy silnika o wymiarach wygodnych do ręcznej manipulacji podczas remontów;

• duża elastyczność w obciążaniu silników i uniwersalność w doborze układu wielosilnikowego w celu sprostania zróżnicowanemu zapotrzebowaniu mocy do napędu statku i celów pomocniczych dla różnych stanów eksploatacji (np. układy "Ojciec i syn);

• większa niezawodność układów wielosilnikowych w przypadku np. awarii jednego z silników, wynikająca z faktu zastosowania wielu silników tego samego typu do napędu głównego jak i do celów pomocniczych;

Wadami są:

• większa awaryjność, mniejsza żywotność (krótsze okresy międzyremontowe) a tym samym i większe koszty remontów;

• niższa sprawność silnika oraz dodatkowe straty w linii wałów - wyższe koszty paliwa;

• wymóg stosowania lepszych (droższych) gatunków paliw w silnikach szybkoobroto­wych. Silniki napędu głównego oraz duże silniki agregatowe są przystosowane do spalania paliw ciężkich;

• wyższe jednostkowe zużycie oleju smarowego;

• wyższy poziom hałasu;

Układy wielosilnikowe stosowane na niektórych. typach statków omówiono na przykładach istniejących rozwiązań.

Układ napędowy o zróżnicowanych mocach silników - układ "ojciec i syn" (CODAD)

Układ napędowy dwuśrubowy składający się z silnika większego ("ojciec") i silnika mniejszego ("syn") napędzających śrubę poprzez przekładnię mechaniczną. W układzie tym silnik większy powinien być wykorzystywany dla zapewnienia normalnej prędkości eksploatacyjnej, podczas gdy silnik mniejszy napędza prądnicę od strony wolnej końcówki wału korbowego. Przy małej prędkości statku silnik mniejszy może być użyty do napędu statku, a energia elektryczna dostarczana jest z osobnych spalinowych zespołów prądotwórczych. Układy "Ojciec i syn" są preferowane na: jednostkach rybackich, promach i statkach wycieczkowych, które muszą spełniać szeroki zakres wymagań oraz na statkach pracujących zarówno w lodach jak i na wodach otwartych.

Układy napędowe z silnikami o jednakowych mocach

Układy napędowe z silnikami o jednakowych mocach są również stosowane na promach i statkach ro-ro jeżeli nie jest wymagana duża elastyczność w dostosowaniu do bardzo zróżnicowanych zapotrzebowań na moc. W układach tych silniki główne mogą napędzać dodatkowo prądnice poprzez przekładnię główną.

Układy napędowe spalinowo-elektryczne

Układy spalinowo-elektryczne są stosowane przeważnie na statkach pasażersko-wycieczkowych o dużym i bardzo zróżnicowanym w czasie rejsu zapotrzebowaniu na energię elektryczną oraz o zróżnicowanych mocach wymaganych do napędu statku. Rozkład energii zapotrzebowanej na napęd i wytworzenie energii elektrycznej jest jak 60:40%. Stosowanie takich układów w połączeniu z zastosowaniem silników spalinowych o zróżnicowanych mocach sprawia, że układy takie dają możliwość bardzo dobrego dostosowania się do zmiennych obciążeń i są idealne dla statków wycieczkowych.

Przedstawiony na rys. 9 układ napędowy składa się z 6 spalinowych zespołów prądotwórczych dużej mocy umiejscowionych w centralnej elektrowni obejmujący 4 zespoły z silnikami 12ZA40S w wersji V i 2 zespoły z silnikami 8ZA40S w wersji L dające całkowitą moc 42 240 kW.

Turbiny gazowe

Turbina gazowa (nazywana także turbiną spalinową lub silnikiem turbospalinowym) - silnik cieplny, który energię napędową pobiera z przepływających spalin lub innego gazu roboczego, zwanego czynnikiem termodynamicznym lub roboczym. Określenie "turbina gazowa" odnosi się domaszyny składającej się ze sprężarki i turbiny (połączonych zwykle wspólnym wałem), oraz komory spalania umieszczonej pomiędzy nimi.

Siłownie z turbinami gazowymi

Turbiny gazowe są stosowane zazwyczaj na jednostkach o bardzo ograniczonej przestrzeni siłowni, przy jednoczesnym dużym zapotrzebowaniu mocy (koncentracji). Siłownia z turbinami gazowymi ma najmniejszą masę spośród omawianych rodzajów oraz charakteryzuje się prostotą instalacji pomocniczych, niskim kosztem montażu i stosunkowo szybkim czasem uruchamiania. Ich zastosowanie ograniczone jest wysokimi kosztami eksploatacji (wysokie jednostkowe zużycie paliwa) oraz wymaganiami co do jakości i czystości paliwa (destylaty). Wadą turbin gazowych jest również znaczny spadek sprawności przy obciążeniach częściowych. Stosowane przede wszystkim na okrętach wojennych takich jak niszczyciele, krążowniki, kutry torpedowe, fregaty, w układach wielośrubowych. Stanowią często tzw. napęd “szczytowy”. Są to turbiny gazowe typu lekkiego, będące w zasadzie morską adaptacją turbin lotniczych. Na typowych statkach handlowych, ze względu na koszty paliwa zastosowane zostały w nielicznych przypadkach (metanowce i pojemnikowce). Stosowane dość często na poduszkowcach i wodolotach. Najczęstsze zastosowanie turbin gazowych ma miejsce w siłowniach kombinowanych (przeważają układy „or” ze względu na znacznie prostsze rozwiązania konstrukcyjne przekładni). Jednostkowe zużycie paliwa ma wartość ~230÷250 g/kWh. Zmianę kierunku obrotów śruby uzyskuje się stosując przekładnię rewersyjną lub śrubę o skrzydłach nastawnych.

KOMBINOWANE

Siłownie kombinowane, czynnik roboczy - spaliny

Siłownie kombinowane stosowane są przede wszystkim na okrętach wojennych, gdzie celowe jest zastosowanie dwóch rodzajów silników napędu głównego: wysokosprawnych silników o mniejszej mocy dla realizacji obciążeń małych i średnich (przy małych lub średnich prędkościach pływania) oraz silników o dużej mocy (mających mniejszą sprawność) dla realizacji rzadziej występujących dużych obciążeń. Pożądane jest, aby silniki dużej mocy były możliwie lekkie i o małych gabarytach. Granica podziału mocy tych różnych silników w układzie napędowym a tym samym i uzyskiwanych prędkości pływania zależy od rodzaju, przeznaczenia i wielkości okrętu. Warunki te dobrze spełniają układy kombinowane złożone ze spalinowych silników tłokowych oraz turbin gazowych z przełożeniem mechanicznym lub elektrycznym. Oba rodzaje napędu głównego mogą pracować jednocześnie (układy “and”) lub przemiennie (układy “or”). Dla jednostek, które poruszają się również na lądzie, stosowany jest dodatkowy napęd odrzutowy lub śmigłowy.

Silniki marszowe: na około 50 % prędkości maksymalnej. Ponieważ w przybliżeniu N~v³, to moc silników marszowych może wynosić N_ek ~ 0.5³ × N_max = 0.125 × N_max

Siłownie kombinowane, czynnik roboczy - spaliny i para wodna

Na dużych statkach, gdzie nie ma ograniczeń gabarytowych siłowni, np. na dużych wycieczkowcach mogą znaleźć zastosowanie siłownie kombinowane z dwoma czynnikami roboczymi: spalinami i parą wodną. Stosując siłownię turbinową kombinowaną parowo-gazową uzyskuje się zmniejszenie gabarytów siłowni, zmniejszenie liczebności załogi maszynowej oraz zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa do wartości uzyskiwanych w siłowni spalinowo-elektrycznej z silnikami tłokowymi. Siłownia taka może być atrakcyjna przy restrykcyjnych przepisach dotyczących środowiska naturalnego.

Zastosowane warianty rozwiązań są następujące:

COGAS - napęd główny stanowią turbiny gazowe typu lotniczego. Turbiny parowe napędzane parą uzyskaną z utylizacji ciepła spalin odlotowych z turbin gazowych (t_spalin=600÷800°C) wspomagają napęd główny. Rozwiązanie zastosowane na kilku statkach handlowych przed 1973r. Obecnie siłownie COGAS są ponownie analizowane, w tym w układach z przekładnią elektryczną - wytwarzanie energii elektrycznej ma miejsce w prądnicach napędzanych turbinami gazowymi i parowymi (COGEAS).

COSAG - moc marszową zapewniają turbiny parowe, natomiast moc maksymalną uzyskuje się włączając dodatkowo turbiny gazowe. Nieliczne duże okręty wojenne starszej generacji (lata 70-te). Układy praktycznie już nie stosowane.

NIETYPOWE ROZWIĄZANIA UKŁADÓW NAPĘDOWYCH

Napędy dla holowników, statków przybrzeżnych, statków dostawczych, małych promów

W tej grupie mieszczą się np. napędy Voith-Schneidera (pędnik cykloidalny ciągnący lub pchający), napędy ze sterośrubami.

NAPĘD AWARYJNY

Awaryjne układy napędowe są coraz częściej instalowane na jednostkach pasażerskich i zbiornikowcach - ponad 60 % wszystkich wypadków zbiornikowców to zderzenia i wejścia na mieliznę. Większości tych wypadków można by zapobiec, gdyby statek dysponował napędem awaryjnym, który pozwoliłby na opuszczenie zagrożonego rejonu w przypadku awarii napędu głównego. Najprościej jest uzyskać napęd awaryjny w układach wielosilnikowych. Propozycją są pędniki wodnoodrzutowe (Schottel Pump Jet), instalowane w kadłubie statku i stosowane jako ster strumieniowy (propozycja dotyczy zbiornikowca E3, 2 pędniki po 2600 kW, co zapewnia prędkość 5 węzłów przy 5°B, koszt - 4% ceny statku). Proponowane i stosowane są także rozwiązania układów napędowych o różnym stopniu redundacji: rys.