Hagyományos meghajtás

 

Propellerek működése

 

A hajó haladásának a biztosítására mechanikai munkát kell kifejtenünk. A fellépő ellenállások legyőzésére azonos nagyságú erőt kell biztosítanunk, melynek létrehozására szolgáló gépet propellernek, a hajtás folyamatát pedig propulziónak nevezzük.

A hajtás (propulzió) folyamata során felhasznált energiát általában a hajón elhelyezett erőgép, a hajó főgépe (belsőégésű motor, gőzturbina, gázturbina) szolgáltatja. A hajón elhelyezett belső erőforrással működő propellerek a hajócsavar, gyűrűs hajócsavar, vízsugárhajtómű, esetleg légcsavar vagy gázsugárhajtómű stb. lehet.

A hajó hajtásához külső erőforrást is felhasználhatunk. Ilyen hajtási mód a vontatás (parttól vagy másik hajó által), a vitorlázás és a folyóvíz energiájának a hasznosítása.

 

A hajón elhelyezett erőforrás energiáját hasznosító valamennyi propeller működésének alapelve azonos: A propeller a hozzá érkező vizet (levegőt) felgyorsítja és gyorsításhoz kifejtett erőhatás haladásirányú reakciója adja a tolóerőt. Így a különféle típusú propellerek működése során az energiaátalakulás is hasonló. A propeller a felvett teljesítményt az általa megmozgatott víz (légcsavarnál levegő) energiatartalmának növelésére fordítja, (szivattyúként működik), azaz a működő propeller előtt a nyomás csökken (szívás), mögötte pedig növekszik és ezen nyomáskülönbségek hatására hátrafelé a víz felgyorsul (Ca). A nyomás és a sebesség változását a bal oldali ábrán láthatjuk egy Dp átmérőjű propelleren.
        
A propulzió folyamata során tehát a propeller által felvett mechanikai munkából folyadék mozgási energia lesz. A víz felgyorsulását, az energia átadása a propeller két oldala közötti nyomáskülönbség, azaz a propeller és a víz között fellépő erőhatás hozta létre. Ez az erőhatás a propeller tengelyén keresztül átadódik a hajótestnek.

 

A hajótest és a propeller kölcsönhatása

 

A propeller működése miatt a hajó környezetében, a nyomás másként alakul, mint vontatott állapotban. A propelleres hajó és a vontatott hajó ellenállásának különbségét, a propeller által okozott többletellenállást a szívási tényezővel jellemezzük.

A szívási tényező függ a propeller által okozott sebességnövekedéstől, azaz a propeller terhelési tényezőjétől, továbbá a hajótest alakjától, a propellernek a hajótesthez viszonyított méreteitől és helyzetétől.

A hajóra szerelt propeller a hajótest által is zavart vízben működik és emiatt a v sebességgel haladó hajón kifejtett tolóerővel azonos tolóerőt azonos fordulatszámon a nyíltvízi állapotában a hajó sebességétől eltérő vA propeller haladási sebességnél fejt ki. E két sebesség eltérését kifejező tényezőt nevezzük sodortényezőnek.

A szívási tényezőhöz hasonlóan a sodortényező is a propeller terhelési tényezőjétől függ és mindkettőt a hajó kisminta kísérleti eredményeiből határozhatjuk meg.

A hajótest és a propeller kölcsönhatását testhatásfoknak is nevezik, mely 1-nél nagyobb értéket is elér és ezáltal javítja a h-p propluziós tényezőt.

 

A hajócsavar kiválasztása

 

A hajón elhelyezett belső erőforrás energiáját leggyakrabban hasznosító propeller a hajócsavar. 
A hajó tervezése során, amikor a főgép típusa még ismeretlen, akkor a hajócsavart a hajó tolóerőigénye alapján választjuk ki. Amikor a főgép teljesítménye ismert, akkor pedig a motor teljesítményéből indulunk ki.

A hajócsavar üzemi jellemzői a (hajótest nélkül) nyíltvízi állapotban kifejtett tolóerő, a felvett forgatónyomaték, a fordulatszám és a nyíltvízi haladási sebesség összetartozó értékeit csak kis mintakísérlettel lehet meghatározni.

A hajókísérleti intézetekben sorozatméréseket végeztek a hajócsavar kismintáival. Jelenleg világszerte a legkorszerűbb, úgynevezett wagemingeni B típusú hajócsavarokat alkalmazzák. E típus jelleggörbéit a szakirodalomban közzétették, melyek a mért értékek helyett dimenzió nélküli tényezőket ábrázolnak és pedig kT(J) és kM(J) alakban.

 

Mivel a legkisebb motorteljesítményhez tartozó fordulatszám az optimális és ez a legjobb csavarhatásfoknál érhető el, mely P/D =1,2 emelkedésű B5.60 csavartípusra J=1-nél közel 75% hatásfokot eredményez. A szükséges teljesítményt pedig a kM diagramból leolvasott értékére a (63)-as képletből számítjuk.

Tehát adott tolóerő és sebesség (vagy ehhez hasonlóan, adott teljesítmény és sebesség esetén minden átmérőhöz tartozik egy optimális fordulatszám, mely a legjobb hatásfokú propulziót biztosítja.

Az elmondottak alapján az is belátható, hogy minden fordulatszámhoz egy optimális átmérő érték tartozik és az adott szállítási feladatra tervezett hajóhoz mindig tudunk megfelelő paraméterű hajócsavart választani.

 

A hajócsavar kavitációja

 

A hajó által igényelt tolóerő biztosításához a legnagyobb nyomáskülönbség a cél a hajócsavar két oldalán ezt a szárnymetszet alakjának (íveltségének, vastagságelosztásának) változtatásával el tudjuk érni.

Azonban a nyomáskülönbség növelésének hatása van.

Ha a legkisebb nyomású helyen a nyomás értéke eléri a telített vízgőz nyomását. akkor a vízben gőzbuborékok keletkeznek. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezzük.

Tehát a hajócsavar szárnyának szélességét (a szárnymetszetek hosszát) a jobb hatásfok elérése érdekében csak addig csökkenthetjük amíg a megfelelő tolóerő biztosításához szükséges nyomása alá, azaz amíg nem lép fel a kavitáció.

A gőzbuborékok a vízzel együtt haladnak. Így előbb-utóbb olyan helyre keri.ilnek, ahol a nyomás már nagyobb a telített vízgőz nyomásánál. Itt a buborékokat kitöltő gőz ismét folyékony halmazállapotba kerül. Így a térfogata közelítően 1/800 részére csökken. E lecsapódás igen rövid idő alatt következik be. Ha a gőzbuborék a hajócsavar szárnyának felületén omlik össze, a buborék külső oldalát határoló vízrészecskék rendkívül nagy gyorsulással haladnak a megszűnt buborék helyén, s nagy sebességgel ütköznek a szárny felületéhez. Ha folyamatosan keletkeznek, s összeomlanak buborékok, akkor a sok egymás utáni ütögetés hatására a szárny anyagok roncsolódik. Ezt a roncsolódást nevezik kavitációs eróziónak.

Nagyobb mértékű kavitáció (az időegység alatt több buborék keletkezése és összeomlása) esetén előfordult, hogy néhány száz üzemóra alatt a hajócsavar szivacsos szerkezetűvé vált, s az így legyengült szárny rövidesen eltört.

A gőzbuborékok összeomlásakor keletkező erőhatások, az ütögetések a hajócsavar szárnyát rezgésbe is hozhatják. a rezgés fokozott igénybevételt jelent, s így töréshez vezethet.

A hajócsavar szárnyainak rezgése hangjelenséggel járhat együtt. Ilyenkor fütyülő vagy éneklés-szerű hangot hallhatunk a hajófar közelében. Ez a hangjelenség gyakran csak időszakosan jelentkezik, például bizonyos sebességgel való fordulás közben.

A hajócsavar kiválasztását kavitációs szempontból is igen kürűltekintően kell kezelni. a kavitációt az üzemi paramétereken működő hajócsavar esetén feltétlenül el kell kerülni.

 

Voith-Schneider propeller

 

A "Voith-Schneider-Propeller" egy egyedülálló hajtómű rendszer, mely lehetővé teszi a meghajtás teljes vezérlését, és a fokozatmentes, pontos és gyors irányítást. Az elv rendkívüli, de egyszerű: A Voith-Schneider propelleren a a lapátok a hajótest alatt, abból kiemelkedve találhatóak és körbe forognak egy függőleges tengely körül, miközben rezgő mozgást is végeznek a saját tengelyük körül. A lapátok rezgő mozgása meghatározza a tolás nagyságát és a tolás irányát. Az tolás iránya 0 és 360 fok között tetszőleges irányú lehet. A két változó - az irány és a tolóerő nagysága - egy hidraulikus rendszerrel vezérelhető, melynek energiaigénye minimális.

 

A lapátok tehát körpályán mozognak és minden lapát síkjának merőlegese egy ponton halad keresztül. Ez a pont alapesetben a forgás középpontja. Ha ez a pont a forgás középpontjától eltér, akkor a lapátok tolóerőt fejtenek ki adott irányban. A lapátok szöge tehát a forgás közben folyamatosan változik (lásd rajzok). A hajtóművet forgató motor fordulata mindig állandó.

 

Ez a megoldás rendkívül jó manőverezhetőséget ad a hajónak. A meghajtás irányának váltása szinte azonnali. Más megoldásoknál jóval több időt vesz igénybe a kormányzás és a meghajtás irányának váltása. Például a hajócsavar és a motor közti irányváltó néhány másodperc alatt képes csak előremenetből hátramnetebe kapcsolni, a Z-hajtóműveknél pedig 10 másodperc feletti a hajócsavar függőleges tengelye körüli körülfordulási ideje, a kormánylapátok mozgása is másodpercekben mérhető. A Voith-Schneider propeller hátránya, hogy a hajó sebességben nem kellően hatékony, azaz ugyanolyan teljesítményű motor hajócsavrral nagyobb sebességet lenne képes elérni ugyanazon hajótesttel, valamint sekély vízben nem működik megfelelően. Elsősorban olyan helyeken célszerű alkalmazni, ahol a hajóval sokat kell manőverezni, vagy nagy pontossággal kell parthoz állni, és a hajó a hosszú távolsági útjai pedig nem jelentősek. A leggyakoribb alkalmazás kikötői vontató és egyéb kiszolgáló hajókon, kompon. A Balatonon: a négy motoros kompon alkalmazzák őket. Elhelyezésük: a téglalap alakú hajótest két ellentéses csúcsúcsában.

 

Z-hajtómű

 

A Z-hajtómű egy 360 fokos szögben körbeforgatható hajócsavar, melyet egy ún. Kort-gyűrű vesz körül (lásd rajz). A hajóknak rendkívül jó manőverezőképességet ad. Ha a hajó két Z-hajtóművel rendelkezik, akkor minden irányban mozoghat, nem található kormánylapát sem a hajón. Hátránya, hogy a hajtómű forgása normál üzemben kissé lassú, teljes körbefordulása általában 20-40 másodperc. Néhány esetben "gyorskormánnyal" javítják ezt a hibát, bár ennek folyamatos tartós alkalmazása nem lehetséges.

Alkalmazása a Balatonon: katamarán típusú hajókon, önjáró uszályokon és munkagépeken.