ISSN 1733-8670
ZESZYTY NAUKOWE NR 5(77)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
OBSA
UGIWANIE MASZYN I URZ
DZEC
OKR
TOWYCH
OMi UO 2005
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak, Monika Kijewska
Eksploatacyjna metoda analizy rozkładu obciążeń użytecznych
silników napędu głównego statku
Słowa kluczowe: okrętowe wolnoobrotowe silniki wysokoprężne,
główne napędy statków, eksploatacja statku
Okrętowe wolnoobrotowe silniki wysokoprężne stanowią zdecydowaną większość
głównych napędów dla statków handlowych. Instalowane są one w najprostszych
układach napędowych, gdzie silnik jest bezpośrednio połączony ze śrubą. Taki układ
zapewnia najwyższą sprawność i najniższe z możliwych zużycie paliwa. Warunkiem
uzyskania najlepszych rezultatów w tym zakresie jest utrzymywanie w czasie eksploatacji
statku określonych zasad eksploatacji głównego napędu statku. W artykule
przedstawiono uproszczoną metodę analizy istotnych wskaz
ników pracy głównego
układu napędowego statku. Metoda może być stosowana w eksploatacji silników
wyposażonych w standardowe urządzenia pomiarowe.
Effective Load Analysis Method
of the Ship Main Propulsion Unit
Key words: marine slow speed diesel engines, ship propulsion, vessel maintenance
The marine diesel engine today is the prime mover for ship propulsion. The most
typical marine propulsion plant of modern merchant ships is a single, slow-speed
turbocharged, two stroke diesel engine, directly coupled to the vessel s single, fixed or
controllable pitch propeller. This configuration can provide high power outputs and
improved fuel economy. The paper deals with basic ship propulsion factors used for fuel
consumption calculations.
121
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak, Monika Kijewska
Wstęp
Najbardziej popularny współczesny układ napędowy statków to układ bez-
pośredni z wysokoprężnymi silnikami wolnoobrotowymi. Silniki te są dobierane
i wyregulowane pod względem jednostkowego zużycia paliwa, aby minimum
przypadało w obszarze przewidywanych parametrów eksploatacyjnych. Zależnie
od wzajemnych relacji (opory kadłuba, śruba lub skok śruby, prędkość pływa-
nia) przyjęte jest zapotrzebowanie mocy eksploatacyjnej. Przewidywane para-
metry eksploatacyjne (CSR1) mieszczą się zazwyczaj w granicach 0,85  0,95
mocy kontraktowej (CMCR2), gdyż w przeciętnych warunkach eksploatacji
statku taka moc jest wykorzystywana [4, 5]. Jeżeli takie warunki nie zostaną
określone, producent przyjmuje standardowo moc eksploatacyjną jako 0,9 mocy
kontraktowej. Podawane wskaz
niki pracy silników wymagają przeprowadzenia
korekty osiągów, jeśli warunki ich pracy odbiegają od warunków standardo-
wych. Przykładowo, zużycie paliwa wymaga uwzględnienia również jego jako-
ści oraz tolerancji pomiaru, dokonywanego w czasie próby zdawczo-odbiorczej
[6]. W artykule przedstawiono sposób eksploatacyjnej oceny osiągów silnika
napędu głównego statku. Wykorzystano do tego celu zbiór danych, zebranych
w pierwszym okresie eksploatacji statku.
1. Charakterystyka statku i układu napędowego
Omawiany statek jest zbiornikowcem przystosowanym do przewozu
ładunków chemicznych lub substancji ropopochodnych. Podstawowe dane
techniczne statku przedstawia tabela 1.
Tabela 1
Charakterystyka statku
Vessel specification
Długość całkowita 164,34 m
Szerokość 23 m
Zanurzenie 9,5 m
Nośność 19980 dwt
Silnik główny, 6 cyl. MAN B&W 6S46MC-C, Pn 7860kW, nn 129 obr/min
Prądnica wałowa 700 kW
Silniki pomocnicze  dwa MAN B&W typ 6L23/30, Pn 960 kW, nn 720 obr/min
1
Continous Service Rating
2
Contract Maximum Continous Rating
122
Eksploatacyjna metoda analizy rozkładu obciążeń użytecznych silników napędu głównego statku
Do napędu jednostki służy śruba nastawna, która wraz z prądnicą wałową
stanowi odbiornik mocy silnika głównego. Układ napędowy zaprojektowano
jako stałoprędkościowy, co pozwala czerpać korzyści płynące z wykorzystania
prądnicy wałowej podczas podróży morskiej i praca silnika głównego zawsze
odbywa się przy stałej, nominalnej, prędkości obrotowej wynoszącej
129 obr/min. Schematyczne zobrazowanie układu silnik-śruba-prądnica, wraz
z miejscami pomiaru wielkości charakterystycznych, przedstawia rysunek 1.
2 3
1
CPP
GS
Main engine
MAN B&W
Rys. 1. Schemat układu napędowego statku: 1  pomiar kąta skoku śruby nastawnej Sw [%],
2  pomiar mocy prądnicy wałowej Pel [kW], 3  pomiar przemieszczenia listwy nastawy
paliwowej hw [%]
Fig. 1. Ship propulsion unit arrangement
Prądnica wałowa (2) jest napędzana poprzez nierozłączne sprzęgło
elastyczne typu Vulkan i przekładnię multiplikującą. Takie rozwiązanie wymaga
wysokiej dokładności stabilizacji prędkości obrotowej silnika, którą zapewnia
cyfrowy regulator obrotów i serwomotor (3) w postaci silnika krokowego.
Czteroskrzydłowa śruba nastawna sterowana jest hydraulicznie za pomocą
serwomotoru (1).
2. Struktura zbioru danych
Jednym z celów głównych analizy obciążenia użytecznego silnika oraz
wynikających z tego aspektów ekonomicznych w postaci zużycia paliwa, jest
możliwie najlepsze określenie dopasowania silnika układu napędowego statku
do warunków, w jakich jest on eksploatowany. Zebrany zbiór danych
pochodzących ze statku posłużył do wykonania analizy trafności doboru układu
napędowego, który został zaprojektowany do wykonywania określonego zadania
w ramach, wcześniej podpisanej, długoletniej umowy czarterowej. Ponieważ
planowana jest budowa dalszych sześciu jednostek tego typu, również podjęta
została próba oceny stopnia wykorzystania głównego układu napędowego
statku, pierwszego już zbudowanego i wprowadzonego do eksploatacji.
Na potrzeby niniejszej pracy zostały zdefiniowane i zarejestrowane dane
tworzące zbiór wykorzystany do analizy i zawierający następujące wielkości:
123
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak, Monika Kijewska
Sw  względny skok śruby nastawnej; stosunek wartości eksploatacyj-
nego skoku śruby do skoku nominalnego wyrażony w procentach;
hw  względna wartość położenia listwy paliwowej; stosunek eksploata-
cyjnego przesunięcia listwy paliwowej, odpowiadającego eksploatacyj-
nej dawce paliwa do przesunięcia odpowiadającego dawce paliwa dla
mocy nominalnej, wyrażona w procentach;
Pel  moc prądnicy wałowej;
Pelp  względna moc prądnicy wałowej, moc wyrażona jako stosunek
mocy eksploatacyjnej do jej mocy nominalnej;
Bv  dobowe, średnie zużycie paliwa przez silnik napędu głównego,
pomierzone przepływomierzem objętościowym.
Dane służące do przeprowadzenia analizy zostały zarejestrowane w ciągu
pierwszych 546 dni eksploatacji statku i obejmują: skok śruby nastawnej,
położenie listwy paliwowej, moc prądnicy wałowej oraz dobowe zużycie paliwa.
Z powyższej ilości próbek zostało wybranych 409, obejmujących wyłącznie stan
eksploatacyjny zwany podróżą morską. Można zatem obciążenia układu
napędowego traktować jako niezmienne w dłuższym przedziale czasu, a
następnie z tym związaną próbkę obciążenia układu napędowego, raz w ciągu
doby uznać za wystarczającą i reprezentatywną dla przedziału 24 godzinnego.
Ponieważ rozpatrywany jest okres pierwszych 546 dni eksploatacji statku,
podczas których silnik główny przepracował około 10 000 godzin, główny układ
napędowy statku uznano za bardzo dobry, eliminując wpływ stanu technicznego
na jego osiągi. Strukturę zbioru danych obrazuje, w formie przykładowej 
fragmentarycznej, tabela 2.
Tabela 2
Zbiór danych zarejestrowanych i wykorzystanych do analizy
Recorded ship propulsion parameters data set
Sw hw Pel Pelp Bv
Nr.
próbki
[%] [%] [kW] [%] [dm3/24 h]
1 70 64 0 0 26 670
2 75 66 380 54,3 259 800
... ... ... ... ... &
408 78 64 385 55 269 100
409 78 62 360 51,4 266 700
124
Eksploatacyjna metoda analizy rozkładu obciążeń użytecznych silników napędu głównego statku
3. Metodyka obliczeń
Eksploatacja statku w ramach umowy czarterowej zawierała warunek
pokrywania kosztów zaopatrzenia statku w paliwo przez czarterującego. Z tego
względu zwykle starano się dobierać prędkość statku w zakresach najniższego
zużycia paliwa przez silnik napędowy statku. Wartość skoku śruby nastawnej
w tym przypadku jest wielkością zadawaną bezpośrednio przez obsługę statku
i ma związek z prowadzeniem podróży z założoną prędkością jednostki
względem dna. Zależy ona też od aktualnych warunków atmosferycznych 
stanu morza i siły wiatru, dryfu i załadowania statku. Ponieważ statek operuje na
regularnych liniach, wpływ takich czynników jak przeciwne prądy morskie
niwelują się w dłuższym czasie obserwacji. Na tej podstawie można założyć
zależność chwilowej charakterystyki pracy układu napędowego [7]:
Ps(Sv ,n,v,k) = k(Sv ,v) �" nm(v) (1)
gdzie:
Ps  moc zapotrzebowana przez śrubę,
n  prędkość obrotowa śruby,
k  współczynnik zależny od skoku śruby, warunków pływania,
sprawności śruby i prędkości statku,
m  współczynnik zależny od charakterystyki oporowej kadłuba, jego
stanu i prędkości statku.
Można również w pewnym przybliżeniu założyć, że dla stałej prędkości
obrotowej śruby, moc przez nią zapotrzebowana jest liniową funkcją jej skoku.
Założenie to nie uwzględnia takich zjawisk jak zmienna sprawność śruby czy
zmiana warunków pływania (zanurzenie, warunki meteorologiczne), lecz na
potrzeby niniejszej pracy zostało uznane za dopuszczalne, uwzględniając tym
samym potrzeby eksploatacyjne. Wówczas, w celu umożliwienia porównywania
wielkości, można traktować wartość procentową skoku śruby jako tożsamą z jej
zapotrzebowaniem na moc wyrażonym w procentach, w stosunku do jej
zapotrzebowania na moc w warunkach nominalnych. Moc użyteczną silnika
można wyznaczyć, korzystając z zależności:
Pe = Be �"Wr �"�e [kW] (2)
gdzie:
Be  sekundowe zużycie paliwa, kg/s,
Wr  wartość opałowa paliwa użytkowanego, kJ/kg,
�e  sprawność ogólna silnika.
125
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak, Monika Kijewska
Dla rozpatrywanego przypadku przyjęto stałą, średnią wartość opałową
zużywanego paliwa, należącego do kategorii ISO-F-RME25 według zależności
[1]:
Wr = (52,190 - 8,802g2 �"10-6 + 3,167g �"10-3)
(3)
�"[1- 0,01(x + y + s)]+ 0,01(9,420s - 2,449x)
gdzie:
g  gęstość paliwa w temperaturze 15�C, kg/m3,
x  zawartość wody, % (m/m),
y  zawartość pozostałości po spopieleniu, % (m/m),
s  zawartość siarki, % (m/m).
Paliwo zwykle pochodziło od jednego dostawcy i zawsze było bunkrowane
jako produkt tej samej klasy jakościowej. Zatem, uwzględniając stałą sprawność
ogólną silnika pracującego przy stałej prędkości obrotowej, można zapisać
następującą zależność:
Pe Be
E" (4)
Pnom Bnom
gdzie:
Pe  moc użyteczna eksploatacyjna silnika, kW,
Pnom  moc nominalna silnika, kW,
Be  zużycie paliwa dla eksploatacyjnego obciążenia silnika, kg/s,
Bnom  zużycie paliwa dla nominalnego obciążenia silnika, kg/s.
Ponieważ zużycie paliwa w wąskim zakresie mocy silnika jest liniową
funkcją położenia listwy paliwowej, można powyższy związek zapisać w
postaci:
Pe he
(5)
E"
Pnom hnom
gdzie:
he  nastawa listwy paliwowej w warunkach eksploatacyjnych, %,
hnom  nastawa listwy paliwowej w warunkach nominalnego obciążenia,
%.
Powyższa zależność może być uważana za prawidłową tylko w przypadku
zasilania silnika paliwem standardowym. Wartość jednostkowego zużycia
paliwa silnika w eksploatacji (inny rodzaj paliwa) można określić według
zależności:
Wstd
be E" bstd �" (6)
Wr
126
Eksploatacyjna metoda analizy rozkładu obciążeń użytecznych silników napędu głównego statku
gdzie:
be  jednostkowe zużycie paliwa w warunkach eksploatacyjnych,
g/kW�"h,
bnom  jednostkowe zużycie paliwa przy zasilaniu paliwem standardowym
dla parametrów nominalnych pracy i dla warunków otoczenia ISO,
g/kW�"h.
Zależność umożliwiająca wyznaczenie rzeczywistego jednostkowego
zużycia paliwa dla dowolnego punktu chwilowej charakterystyki śrubowej
powinna uwzględniać dodatkowe czynniki eksploatacyjne i przyjmie postać:
beot Wstd
ń#
(7)
be E" [bnom + "b]Ą#1+ �" �"1,03
ó#
100Ą# Wr
Ł# Ś#
gdzie:
"b  poprawka jednostkowego zużycia paliwa wynikająca z innego
położenia punktu optymalizacji, g/kW�"h,
beot  poprawka jednostkowego zużycia paliwa uwzględniająca warunki
otoczenia, g/kW�"h.
W przypadku stosowania gorszych gatunków paliwa również osiągi silnika
ulegają zmianie stosownie do jego jakości (ciepła spalania i wartości opałowej).
Jeśli dawki objętościowe paliwa podawane do cylindrów silnika pozostają
niezmienione, moc użyteczna silnika ulega zmianie. Gdy silnik w warunkach
eksploatacyjnych obciążany jest programowo  według nastawy skoku śruby lub
prędkości statku, wówczas zależność (5) należy zastąpić równaniem:
Pe Wstd
he E" �" �" hstd (8)
Pstd Wr
gdzie:
Pstd  moc użyteczna silnika przy zasilaniu paliwem standardowym, kW.
Ostatecznie można zatem traktować względne położenie listwy paliwowej
jako tożsame z względną mocą silnika [2, 3].
4. Analiza wyników zarejestrowanych zdarzeń
Przebieg dobowych zmian skoku śruby, z pominięciem okresów nie należą-
cych do zbioru określonego jako podróż morska, ilustruje rysunek 2. Na przed-
stawionym wykresie zaznaczono częstości występowania nastawy skoku
w charakterystycznych przedziałach czasu, oraz liniową aproksymację trendu
przebiegu zmian wartości nastaw. Dodatkowo, na wykresie wbudowanym
127
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak, Monika Kijewska
zaznaczono histogram rozkładu ilości obserwacji n, nastawy skoku śruby wzglę-
dem ich wartości. Największe natężenie występowania ma wartość z przedziału
74  78%  150 próbek. Jednak wartości wyższe, z przedziału 78  93% charak-
teryzują się wysokim natężeniem, malejącym w miarę wzrostu nastawy skoku
śruby.
100
90
80
70
60
200
150
50
100
50
40
0
50.7 54.6 58.6 62.5 66.4 70.4 74.3 78.3 82.2 86.1 90.1 94.0
30
Sw [%]
20
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Liczba dni jazdy m orskiej
Rys. 2. Przebieg zmian nastawy skoku śruby i histogram rozkładu nastawy śruby
Fig. 2. Pitch propeller settings history and pitch value position histogram
Przestawiony na rysunku 3 histogram wartości obciążenia użytecznego
wskazuje na charakterystyczny wąski przedział (59  65%) wysokiej intensyw-
ności występowania i przedział wyższego obciążenia (65  90%) silnika, z wy-
raz
ną malejącą gęstością występowania wraz ze wzrostem wartości obciążenia.
100
90
50% Pnom 75% Pnom
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1731.9 3036.0 4340.2 5644.4 6948.5
Pe [kW]
Rys. 3. Rozkład wartości obciążeń użytecznych silnika napędu głównego
Fig. 3. Main engine effective load histogram
Sposób eksploatacji układu napędowego statku w rozpatrywanym okresie
obserwacji pozwala wnioskować o wzrastającym oporze kadłuba i wynikające-
mu z tego przesuwaniu się charakterystyki napędowej. Tendencje te potwierdza-
128
w
n [- ]
Nastawa skoku śruby - S
[%]
Liczba próbek
Eksploatacyjna metoda analizy rozkładu obciążeń użytecznych silników napędu głównego statku
ją liniowe aproksymacje przebiegu zmian obciążenia silnika na rysunku 4 oraz
analogiczna funkcja na rysunku 2, dotycząca zmiany nastawy skoku śruby.
8000 400
Pe
350
7000
300
6000
250
5000
200
4000
150
3000
100
2000
50
be
1000 0
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Liczba dni jazdy morskiej
Rys. 4. Przebieg zmian obciążenia silnika i jednostkowego zużycia paliwa w czasie
Fig. 4. Main engine effective load and specific fuel oil consumption history
Wnioski
Przedstawiona w artykule metoda oceny wskaz
ników pracy silników
napędowych statku odznacza się prostym i efektywnym sposobem realizacji.
Uzyskane wyniki wskazują na prawidłowy dobór zasobu roboczego układu
napędowego wyrażający się przewidywanym wzrostem oporu konstrukcyjnego
kadłuba. Wzrost ten ma przewidywaną wartość 9  12% w pierwszych kilku
latach eksploatacji, stąd odnotowany relatywnie mniejszy wzrost efektywnego
obciążenia układu napędowego.
150
100
50
0
300
250
200
bemin
150
Peopt
100
0 50 100 150
3000 4000 5000 6000 7000
Liczba
Pe [kW]
próbek
Rys. 5. Rozkład obciążenia użytecznego i jednostkowego zużycia paliwa przez silnik
Fig. 5. Effective load and specific fuel consumption histogram
129
e
Pe [kW]
b [g/kWh]
Liczba
próbek
e
b [g/kWh]
Tadeusz Borkowski, Przemysław Kowalak, Monika Kijewska
Adekwatne zmiany jednostkowego zużycia paliwa, pokazane na rysunku 5,
mają tendencję malejącą i osiągają wartość 185 g/kWh. Wartość ta wydaje się
być zawarta w przedziale optymalizacyjnym dla tego układu napędowego.
Ostatecznie można stwierdzić, że w pierwszym okresie eksploatacji statku układ
napędowy statku mógł pracować pod wyższym obciążeniem (ok. 8%), co
przyniosłoby nieznacznie większą średnią prędkość statku (0,15  0,20 węzła)
przy niższym jednostkowym zużyciu paliwa niż miało to miejsce.
Literatura
1. ISO, Standard reference conditions and declarations of power fuel con-
sumptions and lubricating oil consumption, ISO 3046/1-1986 (E).
2. ISO, Test measurements, ISO 3046/III  1979 (E).
3. ISO, Test methods, ISO 3046/II-1977 (E).
4. MAN B&W, Basic Principles of Ship Propulsion, 3rd Edition June 2004.
5. MAN B&W, S46MC-C Project Guide Two stroke Engine, 2nd Edition
March 2003.
6. Rattenbury N., Development of Standards for Marine Engines  Prescriptive
to Performance Based, paper No: 40, CIMAC Congress 2004, Kyoto, Japan
2004.
7. Wojnowski W., Okrętowe siłownie spalinowe, Wydział Oceanotechniki
i Okrętownictwa Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1992.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2005 r.
Recenzenci
doc. dr inż. Vladimir Puchov
dr hab. inż. Jerzy Listewnik, prof. AM
Adresy Autorów
dr inż. Tadeusz Borkowski
mgr inż. Przemysław Kowalak
Instytut Technicznej Eksploatacji Siłowni Okrętowych
Zakład Siłowni Okrętowych
mgr Monika Kijewska
Instytut Matematyki, Fizyki i Chemii
Zakład Matematyki
Akademia Morska w Szczecinie
ul. Wały Chrobrego1/2, 70-500 Szczecin
130