oddawana przez silnik, jest mniejsza od mocy indykowanej (wewnętrznej). Określa to współczynnik sprawności mechanicznej silnika
Pe - moc użyteczna (efektywna) silnika mierzona na końcówce wału poboru mocy.
Następne straty występują w przekładni i sprzęgle. Określa to współczynnik sprawności przekładni (mechanicznej, elektrycznej, hydraulicznej) sprzęgła.
Pw - moc na wale (mierzona za przekładnią).
Można również dzielić straty w samej przekładni - ηrp i w sprzęgle - ηsp, wprowadzając sprawność przekładni i sprawność sprzęgła.
Wówczas:
W przypadku przekładni elektrycznej:
ηg - sprawność prądnicy (generatora)
ηsc - spraw siwci elektr
ηsp - spraw silnika elektrycznego
Z kolei straty w linii wałów (tarcie w łożysku oporowym, w dławnicach, w łożyskach nośnych, w łożyskach pochwy i uszczelnieniach wału śrubowego) ujmuje współczynnik sprawności linii wałów.
Ps - moc na stożku śruby - pobierana przez śrubę.
Występują również straty napędowe wynikające z faktu, że tylko część energii dostarczanej na stożek śruby wykorzystywana jest do wytworzenia siły naporu. Pozostała jej część zużyta zostaje nieefektownie m.in. na pokonanie oporów tarcia skrzydeł śruby i nadanie przyspieszenia wodzie. Określa to współczynnik sprawności napędowej śruby lub pędnika.
Ph - moc holowania statku.
Mocą holowania - Ph nazywamy iloczyn oporu statku holowanego (bez śruby) R [N] i
prędkości v [m/s].
W przypadku napędu statku ze śrubą, jeśli ma on poruszać się z prędkością v, śruba musi wytworzyć siłę naporu T, przy czym:
T ≥ R
Wielkość strat i sprawności rzutuje bezpośrednio na jednostkowe zużycie paliwa, które jest ilością paliwa zużytego przez silnik w ciągu l godziny na l kilowat mocy. Zwykło się używać następujących oznaczeń dotyczących jednostkowego zużycia paliwa przez silniki główne w siłowniach okrętowych:
bi - jednostkowe zużycie paliwa odpowiadające mocy indykowanej w ciągu godziny [g/kW⋅h]
be - jednostkowe zużycie paliwa odpowiadające mocy użytecznej (efektywnej) w ciągu godziny [g/kW⋅h],
bw - jednostkowe zużycie paliwa odpowiadające mocy na wale w ciągu godziny [g/kW⋅h].
gdzie:
Bh - godzinowe zużycie paliwa przez silnik [kg/h],
Pi - moc indykowana (wewnętrzna) [kW],
Pe - moc użyteczna (efektywna) [kW],
Pw - moc na wale [kW].
Sprawność ogólna silnika i jego jednostkowe zużycie paliwa zależą od typu silnika i jego rozwiązania konstrukcyjnego. Współzawodnictwo pomiędzy różnymi rodzajami silników głównych
Ten sposób pomiaru może być obarczony błędem nawet do ok. 3%.
Podobnie jak o moc, dzielimy moment obrotowy silnika i wyróżniamy:
moment użyteczny,
moment na wale,
moment na stożku śruby.
Między momentem a mocą oraz prędkością obrotową zachodzi zależność:
Ttq - [Nm],
Pe - [N],
ω - [rad],
n - [s-1].
IV. WSKAŻNIKI ENERGETYCZNE OKRĘTOWYCH NAPĘDÓW GŁÓWNYCH
Stopień wykorzystania energii dostarczonej do wykonania pracy mechanicznej nazywany jest sprawnością. Sprawność jest miernikiem strat zachodzących w siłowni jako całości, bądź w poszczególnych maszynach i urządzeniach wchodzących w jej skład. Zwykle wyodrębnia się straty o podobnym charakterze, nadając im odpowiednie nazwy.
Sprawność jest wskaźnikiem energetycznym, a pośrednio eksploatacyjnym i ekonomicznym, gdyż stopień wykorzystania energii świadczy o walorach eksploatacyjnych maszyny i o kosztach jej eksploatacji.
Punktem wyjścia dla określenia sprawności siłowni okrętowej jest ilość energii Qp [kJ] jaką można by uzyskać z zupełnego i całkowitego spalenia dostarczonego paliwa, przy czym z reguły przyjmujemy dolną wartość opałową paliwa.
B - ilość spalanego paliwa [kg],
Wd - dolna wartość opałowa paliwa [J/kg].
Niezależnie od jego rodzaju silnika cieplnego, przetwarzającego energię cieplną na energię mechaniczną, dostarcza się w czynniku roboczym ilość - Qd energii cieplnej. W wyniku procesów termodynamicznych część tej energii zostanie zamieniona na energię mechaniczną. Zgodnie z II zasadą termodynamiki sprawność teoretyczna (termodynamiczna) tej zamiany wyrazi się wzorem:
Lt - teoretyczna praca obiegu [Nm],
Qd - energia doprowadzana do czynnika w rzeczywistym obiegu pracy [J].
Przy czym:
Qns - straty cieplne spowodowane niezupełnym i niecałkowitym spalaniem paliwa i ewentualną dysocjacją w cylindrze silnika podczas jednego obiegu pracy [J].
W przypadku tłokowych silników spalinowych wielkość wyżej wymienionych jest stosunkowo niewielka i w praktycznych obliczeniach przewważnie przyjmuje się, że Qd = Qp
Wtedy:
Wskutek nieuniknionych strat wewnętrznych w silniku cieplnym, część energii zostaje rozproszona (wymiana ciepła z otoczeniem, nieszczelności, zawirowania czynnika roboczego, straty dławienia przy jego przepływach itp.). Ujmuje to współczynnik sprawności wewnętrznej (indykowanej).
Li - praca indykowana
Straty mechaniczne w silniku, takie jak tarcie w łożyskach wałów silnika, tarcie w cylindrach itp. oraz pobór mocy przez mechanizmy zawieszone na silniku powodują że moc użyteczna (efektywna) silnika,
Stosunkowo często stosowany jest wskaźnik długości siłowni względem długości statku. Na rys. 1.24 przedstawiono, jak kształtuje się ten wskaźnik dla statków handlowych o siłowniach spalinowych z napędem bezpośrednim oraz pośrednim spalinowo-elektrycznym, dla siłowni na rufie i na śródokręciu. Przedstawione na tym rysunku zależności mają charakter tylko orientacyjny, gdyż nie występuje na nim parametr prędkości statku.
Rys: Możliwości rozmieszczenia różnego rodzaju siłowni na rufie statku i orientacyjne jej wielkości
napędem turboparowym poprzez przekładnię elektryczną 70÷90 kg/kW,
dla małych szybkich statków wypornościowych i półślizgowych z napędem turbozespołami spalinowymi 3÷10 kg/kV,
dla wodolotów z napędem turbozespołami spalinowymi 2÷3 kg/kW,
dla poduszkowców z napędem turbozespołami spalinowymi 1÷1,5 kg/kW.
Wskaźniki te będą nieco większe w razie uwzględnienia masy płynów w siłowni (bez zapasów), co stanowi dodatkowo na przykład ok. 4-8% masy siłowni suchej przy napędzie silnikami wolnoobrotowymi i ok. 6-15%, gdy napęd jest pośredni silnikami średnioobrotowymi.
Natomiast uwzględnienie masy zapasów paliwa, jakie statek musi zabierać na rejs, w sposób istotny rzutuje na łączny wskaźnik masy siłowni i zapasów.
Masa zapasów paliwa dla statków o dużym zasięgu pływania może być większa od masy całej siłowni suchej. To może powodować zmiany hierarchii wskaźników różnych rodzajów napędów. Ma to miejsce np. w przypadku napędu wolnoobrotowymi tłokowymi silnikami spalinowymi i napędu turboparowego. Na rys. pokazano, jak układają się względem siebie łączne wskaźniki masy siłowni oraz zapasy paliwa tych dwóch rodzajów napędu statków. Sytuacja przedstawia się odwrotnie niż u dołu rysunku - dla siłowni suchych. Pomijając nawet aspekt ekonomiczny różnicy kosztów eksploatacji tych dwóch rodzajów siłowni, mniej sprawna siłownia turboparowa spala na tyle więcej paliwa, że dla rejsów dłuższych od ok. dwóch tygodni konieczność większych zapasów paliwa niweczy cały zysk ciężarowy siłowni parowych.
Rys: Zależność wskaźnika łącznej masy siłowni (wraz z zapasami paliwa) od mocy napędu głównego i czasu trwania rejsu
TSS - dla siłowni z wolnoobrotowym tłokowym silnikiem spalinowym,
TSP - dla siłowni z turbiną parową
Na przestrzeni lat w budownictwie okrętowym obserwuje się ciągłe zmniejszanie się jednostkowych współczynników masowych silników, mechanizmów, urządzeń, instalacji i całych siłowni. Pozwoliło to na koncentrację coraz większych mocy w siłowniach i na pływanie z większymi prędkościami. To zmniejszenie mas jednostkowych uzyskiwano poprzez:
stosowanie nowych materiałów konstrukcyjnych,
dokładniejsze obliczenia wytrzymałościowe,
stosowanie nowych konstrukcji elementów i całych maszyn czy też urządzeń,
doskonalenie rozwiązań energetycznych i utylizację ciepła odpadowego,
zwiększanie niezawodności pracy, co prowadzi do zmniejszenia ilości części zapasowych na statku.
Podczas projektowania statku, już na etapach początkowych pojawia się konieczność oszacowania wielkości (objętości, powierzchni i długości) siłowni. Pomocne w tym są wskaźniki objętościowe (gabarytowe) zwane też wskaźnikami nasycenia siłowni mocą.
Wskaźniki te zazwyczaj odniesione są do objętości siłowni Vs jej powierzchni Fs, i do długości Ls. O długości siłowni decyduje przede wszystkim długość silnika napędu głównego, o powierzchni dodatkowo szerokość statku w obrębie siłowni, a o objętości także wysokość. Wymagana minimalna szerokość i wysokość siłowni, a tym samym i ewentualne miejsce jej na statku, zależy głównie od rodzaju napędu.
Na przykład w razie napędu bezpośredniego siłownia musi być wysoka, gdyż silniki sięgają nawet powyżej pokładu głównego. Podobna sytuacja może występować w siłowniach turboparowych z powodu wysokich kotłów.
Ponieważ o powierzchni, a nawet o długości siłowni w jakimś stopniu decyduje także wielkość elektrowni okrętowej (niezależnych zespołów prądotwórczych), wielkość ta nie może być pomijana. Najczęściej stosowane wskaźniki gabarytowe mają postać:
[kW/m3]
[kW/m2]
[kW/m]