Brodski pogonski strojevi 2. predavanje

1. Brodski pogonski strojevi 2. predavanje

2. UVOD

4. Brodske teretne linije Na polovici dužine, na boku broda označene su teretne linije («Plimsoll Mark») sukladno IMO (International Maritime Organisation) i lokalnoj upravi. One označavaju gaz do kojega se brod može sigurno krcati. Dubina gaza ovisi o godišnjem dobu i slanosti vode. Tako su naznačene linije za plovidbu u slatkoj i morskoj vodi s daljnjom podjelom na tropske, ljetne, zimske i polarne uvjete. Sukladno pravilima, nazivni gaz za proračun trupa broda je gaz na ljetnoj liniji (S). Zimski gaz je manji zbog većeg rizika od nevremena.

5. Oznake za brodske teretne linije

6. Dimenzije broda Istisnina (displacement) i masa tereta (deadweight, dwt) Kada je brod nakrcan on plovi na proizvoljnoj vodnoj liniji. Istisnina odgovara masi vode koja je istisnuta uranjanjem trupa u vodu. Istisnina prema tome odgovara ukupnom teretu nakrcanog broda (podrazumijeva se u morskoj vodi s gustoćom 1025 kg/m3). Istisnina (displacement) sadrži teret same strukture broda (lightweight) i ukrcanog tereta (deadweight) zajedno s potrebnim gorivom i drugim tvarima potrebnim za rad broda. Masa ukrcanog tereta (deadweight) prema tome odgovara razlici istisnine i mase strukture broda. deadweight = displacement – lightweight Ponekad «tona» ne predstavlja masu od jedne tone. Pored metričke tone (1000 kg), koristi se engleska tona (1016 kg), koja se često naziva «long ton». «Short ton» odgovara masi od 907 kg.

7. Masa strukture broda (lightweight) ne koristi se kao pokazatelj veličine broda, dok se masa ukrcanog ukupnog tereta (zajedno s pogonskim gorivom itd.) vrlo često koristi. Često se nosivost broda (max. masa ukrcanog tereta (deadweight)) odnosi na projektni gaz broda. U tablici 2 dati su orijentacijski podaci za omjer između nosivosti i drugih masa. Istisnina broda može se izraziti i kao volumen istisnute vode V u m3.

8. Opis oblika trupa broda Oblik podvodnog dijela broda ključan je za njegov pogon. Dimenzije broda odnose se na nazivni gaz broda i pripadnu vodnu liniju. Izbor nazivnog gaza broda ovisi o opterećenosti broda (tj. dali će u radu brod biti lako ili teško opterećen). Najčešće se govori o gazu pri punom opterećenju. Dužina među okomicama je dužina među najudaljenijim okomicama na trup broda, obično na vodnoj liniji pramca i na osi vratila kormila. Općenito je ta dužina nešto manja od dužine na vodnoj liniji te se može približno izraziti kao: Lpp = 0.97 LWL Gaz broda (D ili T) definira se kao okomita razlika dna trupa od vodne linije. Gaz broda na pramcu DF i na krmi DA su često jednaki kod nakrcanog broda. Širina (Breadth) na vodnoj liniji BWL predstavlja sljedeći važni faktor. Ona se mjeri na najširem mjestu vodne linije.

9. Dužina među okomicama Dužina na vodnoj liniji Dužina preko svega Širina na vodnoj liniji Gaz Površina poprečnog presjeka Dimenzije trupa broda

10. Tip broda Dimenzije Nosivost Gaz do: Ukupna dužina broda: Širina broda: Ukupna dužina broda (radi luka): Ukupna dužina broda (radi ustava): Dopušteni gaz: AFRA – American Freight Rate Assesment Širina broda: Dopušteni gaz broda: Dopuštena širina broda: Gaz x širina do: Ukupna dužina broda do: Preko Dužina broda: Više od Dimenzije različitih tipova tankera

11. Za prikaz oblika trupa broda koriste se različiti koeficijenti. Koeficijent punoće (Block coefficient) CB je najvažniji od koeficijenata. On se definira kao omjer volumena podvodnog dijela broda Ili volumena istisnine) i volumena paralelopipeda čije su stranice jednake širini, dužini i gazu broda: Ovaj je koeficijent punoće izračunat s dužinom na vodnoj liniji. Vrlo se često koristi koeficijent punoće izračunat na dužini među okomicama: Niska vrijednost koeficijenta punoće ujedno znači i manji otpor trupa broda u plovidbi, osobito pri većim brzinama.

12. U tablici su prikazane vrijednosti koeficijenta punoće i odgovarajuće brzine plovidbe. Iz tablice se vidi da brodovi s manjom brzinom plovidbe imaju i veći koeficijent punoće. Koeficijent površine na vodnoj liniji CWL predstavlja omjer površine AWL na vodnoj liniji i pravokutnika sa stranicama dužineLWLi širine BWL broda na vodnoj liniji:

13. Površina vodne linije Volumen istisnine Površina poprečnog presjeka (na srednjaku) Koeficijent punoće Koeficijent srednjaka Uzdužni prizmatički koeficijent Koeficijent površine na vodnoj liniji Koeficijenti trupa broda

14. Općenito je vrijednost ovog koeficijenta za oko 0.10 veća od koeficijenta punoće broda: CWL = CB + 0.10 Ova je razlika nešto veća kod brzih brodova s malom vrijednosti koeficijenta punoće. Koeficijent srednjaka broda (Midship section coefficient) CM dodatno opisuje oblik trupa broda. On je jednak omjeru površine AM poprečnog presjeka uronjenog dijela broda na mjestu najveće širine i površine pravokutnika sa stranicama jednakim širini broda i gazu: Kod brodova za prijevoz rasutog tereta i tankera ovaj koeficijent ima vrijednosti od 0.98 do 0.99. Za kontejnerske brodove on je jednak 0.97 do 0.98.

15. Uzdužni prizmatički koeficijent (Longitudinal prismatic coefficient) Cp je omjer istisnine (kao volumena) i produkta površine srednjaka i dužine na vodnoj liniji: Kao što se može vidjeti, Cp nije nezavisna veličina već ovisi o vrijednosti koeficijenta punoće CB i koeficijenta srednjaka broda CM.

16. Nosivost, tdw Glavne dimenzije brodova za opći i rasuti teret i tankera

17. Glavne dimenzije kontejnerskih brodova

18. Promjer brodskog vijka ili gaz, m Prosječni gaz, m Promjer brodskog vijka D, m Istisnina, tdw Prosječni gaz i maksimalni promjer brodskog vijka

19. SILA OTPORA VOŽNJE BRODA

20. Da bi brod mogao ploviti potrebno je svladati silu otpora broda u plovidbi. Tu silu mora stvoriti propulzor broda. Proračun sile otpora broda R ima značajno mjesto u projektu broda i utječe na odabir pogonskog postrojenja, odabir glavnog pogonskog stroja i brodskog vijka. • Na otpor broda utjecaj imaju brzina plovidbe, istisnina i oblik trupa broda. Ukupna sila otpora broda posljedica je djelovanja tri različita otpora: • otpora viskoznog trenja, • otpora valova, • otpora vrtloga (iza istaknutih dijelova broda i krme), • otpora vjetra.

21. Voda gustoće  pri brzini v ima dinamički tlak: Ako bi vodu potpuno zaustavili trupom broda, voda bi djelovala ovim tlakom na uronjeni dio. Ova se funkcijska povezanost uzima kao temelj za izračunavanje otpora viskoznog trenja na uronjenom dijelu broda. Ova sila otpora izračunava se pomoću bezdimenzijskog koeficijenta otpora C. Sila otpora viskoznog trenja računa se s ovim koeficijentom koji množi dinamički tlak i ukupnu površinu uronjenog dijela broda (zajedno s kormilom): Na temelju brojnih ispitivanja u bazenima brodarskih instituta i pomoću koeficijenata za opis trupa, razvijene su različite metode proračuna sile viskoznog otpora. Svaki od tih proračuna mora biti i eksperimentalno ispitan na modelu broda prije konačnog projekta broda.

22. Sila otpora broda zbog viskoznog trenja proporcionalna je kvadratu brzine plovidbe. Ova sila otpora predstavlja najveći dio ukupne sile otpora broda, gotovo 70 do 90% kod brodova manje brzine plovidbe (tankeri, brodovi za rasuti teret) ili ponekad manje od 40% kod brodova za velike brzine plovidbe (vitki putnički brodovi). Sila otpora viskoznog trenja je: Sila otpora valova i drugih otpora sadrži otpor zbog stvaranja površinskih valova i podvodnih vrtloga (zbog odvajanja graničnog sloja). Sila otpora valova pri malim brzinama plovidbe proporcionalna je kvadratu brzine. Kod većih brzina plovidbe ona raste mnogo brže. Kod deplasmanskih trupova broda imamo graničnu brzinu kod koje otpor valova raste tako jako da je gotovo nemoguće prijeći tu graničnu brzinu. Što je dužina broda veća, to je veća i ta granična brzina.

23. Udio sile otpora valova u ukupnoj sili otpora kod sporih brodova je 8 do 25%, dok je kod brzih brodova taj udio jednak 40 do 60%. Plovidba u plitkoj vodi isto tako može povećati sile viskoznog otpora vožnje zbog većeg gradijenta brzine između morskog dna i dna trupa broda. Izračunavanje sile otpora valova vrši se na sličan način kao i kod sile trenja, primjenom koeficijenta otpora valova Cu uz napomenu da vrijednost toga koeficijenta ovisi o brzini plovidbe i dužini broda:

24. Sila otpora vjetra ovisi o brzini vjetra i izloženoj površini i obliku nadvodnog dijela. Kod mirnog vremena otpor vjetra je približno proporcionalan kvadratu brzine broda i površini sjene nadvodnog dijela broda u smjeru vožnje. Otpor vjetra u takvim uvjetima predstavlja oko 2% ukupnog otpora broda. Kod kontejnerskih brodova, pri većim brzinama vjetra, otpor vjetra može narasti i do 10% ukupnog otpora vožnje. Otpor vjetra se može izraziti kao: gdje je W gustoća zraka, a AW je površina poprečnog presjeka nadvodnog dijela broda.

25. Ukupna sila otpora vožnje ili sila teglja broda (Towing resistance) RT jednaka je sumi svih sila otpora: RT = RF + RW + RA Odgovarajuća snaga za vožnju ili tegalj broda je: PT = v RT Snaga za pogon broda je najvećim dijelom porporcionalna trećoj potenciji brzine broda: PT: : v3 Ova se ovisnost najčešće naziva karakteristika broda

26. Vrsta otpora % od ukupne sile otpora Spori brodovi 90 5 3 2 Brzi brodovi 45 40 5 10 RF Sila otpora viskoznog trenja RW Sila otpora valova RE Sila otpora vrtloga RA Sila otpora zraka Brzina broda V Sile otpora vožnje broda i njihov udio u ukupnoj sili poriva broda Brzina broda V

27. Snaga za propulziju “Valni” zid Nova radna točka Normalna radna točka Brzina broda, čv Ovisnost snage o brzini za kontejnerski brod kapaciteta 600 TEU

28. Granična (max.) vrijednost omjera brzine i dužine plovila deplasmanske forme

29. Oblici valova duž deplasmanske forme

30. Slika valova pri plovidbi velikom brzinom za plovilo deplasmanske forme

31. Deplasmanska forma Poludeplasmanska forma Gliserska forma Vrste formi brodskih trupova

32. Približno određivanje brzine gliserske forme

33. Primjeri brzih plovila

34. Povećanje otpora vožnje tijekom eksploatacije broda Tijekom eksploatacije broda može doći do otpadanja boje s oplate. Na tim će mjestima započeti erozija i obraštanje broda različitim živim organizmima (alge, trava, školjke). Nevrijeme zajedno s neodgovarajuće ukrcanim teretom može izazvati savijanje limova oplate broda, što može dodatno promijeniti silu otpora vožnje. Isto tako i površina krila brodskog vijka može postati hrapava i obraštena. Povećanje ukupnog otpora vožnje može narasti za 25 do 50% tijekom životnog vijeka broda. Otpor broda može se povećati u nevremenu na teškom moru, zbog pojačanog vjetra ili zbog jakih morskih struja. Ukupni otpor vožnje broda može u jakom nevremenu općenito narasti za 50 do 100% obzirom na ono koje brod ima pri mirnom moru.

35. Na rutama po sjevernom Atlantiku prvi postotak odnosi se na ljetni period, a druga vrijednost na zimski period. Analiza podataka plovidbe uobičajenog broda za rasuti teret nosivosti 140 000 dwt pokazuje da na nekim rutama, osobito na ruti između Japana i Kanade kod nakrcanog broda, povećanje otpora plovidbe (sea margin) može narasti do ekstremnih povećanja od 220% sa srednjom vrijednosti od 100% povećanja. Kod nevremena utjecaj na povećanje otpora plovidbe imaju morske struje, jačina vjetra i visina valova. Ako je relativna visina valova velika, oni mogu imati značajniji dio utjecaja na povećanje otpora vožnje. Vrlo često je zbog ograničene snage pogonskog stroja brod prisiljen voziti manjom brzinom u nevremenu.

36. POGON BRODSKIM VIJKOM

37. Vrste brodskih vijaka • Brodske vijke možemo podijeliti u dvije glavne skupine (slika 7): • brodski vijci s fiksnim krilima (Fixed pitch propeller) FPP, • brodski vijci sa zakretnim krilima (Controllable pitch propeller) CPP • Brodski vijci s fiksnim krilima se lijevaju u jednom komadu zajedno s glavčinom. Oni se izrađuju iz legura bakra (olovna bronza, legura bakra, nikla i aluminija CuNiAl). Kutni položaj krila i uspon brodskog vijka ne mogu se mijenjati tijekom rada. Oni su fiksirani zauvijek. To znači da kad brodski vijak radi u teškim uvjetima plovidbe, npr. u nevremenu, možda će zbog promjene u krivulji otpora vožnje doći do nepotpunog iskorištenja raspoložive snage motora. Većina brodova od kojih se ne traže dobra manevarska svojstva opremljena je danas brodskim vijcima s fiksnim krilima

38. Brodski vijak s fiksnim krilima Brodski vijak s promjenljivim usponom krila Monoblok izvedba s fiksnim krilima (izrađen ljevanjem iz bronze) Glavčina s mehanizmom za nagibanje krila (s hidrauličkim pogonom)

39. Brodski vijak s 6 fiksnih krila (FPP)

40. Za uobičajene trgovačke brodove, kao što su kontejnerski brodovi, brodovi za rasuti teret i tankeri, koji najveći dio vremena plove konstantnom brzinom, ugrađuje se mnogo jeftiniji FPP. Brodski vijci s promjenljivim usponom krila (CPP) imaju glavčinu koja je relativno veća nego kod brodskih vijaka s fiksnim krilima da bi se smjestio mehanizam za zakretanje krila. Ovaj je brodski vijak skuplji od FPP, ponekad 3 do 4 puta. Zbog povećanog promjera glavčine, stupanj djelovanja takvog brodskog vijka je nešto manji nego kod FPP. CPP se jako koristi kod Ro-Ro brodova, malih tankera za distribuciju (shuttle tankers) i sličnim brodovima koji iziskuju dobra manevarska svojstva. CPP je mnogo složeniji po svojoj konstrukciji i iziskuje daleko veće troškove na njegovo održavanje.

41. Brodski vijak s promjenljivim usponom krila Controlable Pitch Propeller CPP

42. Klip u hidrauličkom cilindru za pomak krila Mehanizma za prekret krila na CPP

43. Uvjeti strujanja oko brodskog vijka Kada brod plovi u moru, oko njega se stvara pojas vode koju brod «vuče» za sobom zbog viskoznog trenja. Brzina kojom ova voda nastrujava brodski vijak je manja od brzine plovidbe broda. Na određenoj udaljenosti od trupa broda brzina vode obzirom na brod će biti jednaka brzini plovidbe. Debljina pojasa trenja (graničnog sloja) povećava se odpramca prema krmi broda. Ona je prema tome najveća na krmi broda. Najveća debljina je približno proporcionalna dužini broda. To znači da će na disk brodskog vijka na mjestu pojasa trenja brzina nastrujavanja biti manja nego na ostalim dijelovima. Položaj sloja trenja mijenjati će se zbog utjecaja strujanja na pramcu broda, razbijanja i stvaranja valova itd.

44. Srednja brzinavW kojom će voda nastrujavati brodski vijak je zbog utjecaja pojasa trenja manja od brzine broda. Brzina broda je v. Brzina vA vode koja nastrujava na disk brodskog vijka (jednaka brzini napredovanja brodskog vijka) biti će jednaka prosječnoj brzini vW, manjoj od brzine broda v. Efektivna brzina vWna brodskom vijku je jednaka: vW = v - vA i može se izraziti u bezdimenzionalnom obliku s koeficijentom traga (wake) w. Uobičajeni koeficijent traga po Tayloru se definira kao: Vrijednost koeficijenta traga ovisi najviše o obliku trupa broda, ali isto tako i o položaju i veličini brodskog vijka. Ovaj koeficijent ima veliki utjecaj na korisnost brodskog vijka.

45. Promjer brodskog vijka ili čak i bolje omjer promjera brodskog vijka d i dužine broda LWL ima određeni utjecaj na koeficijent traga, obzirom da omjer d/LWLukazujena utjecaj koji sloj trenja ima na rad brodskog vijka. Što je omjer d/LWL veći to je manji utjecaj sloja trenja, odnosno vrijednost koeficijenta traga w će biti manja. Obraštanjem broda povećava vrijednost w. Za brodove s jednim brodskim vijkom vrijednost w = 0.20 – 0.45, što odgovara brzini strujanja vA na brodskom vijku od 80 do 55% od brzine broda. Što je veći koeficijent punoće broda to je veća i vrijednost od w. Kod brodova s dva brodska vijka i tradicionalnom izvedbom krmenog dijela, brodski vijci će biti smješteni izvan sloja trenja, tako da će koeficijent traga w biti mnogo manja.

46. Izvedba pogona broda pomoću dva vijka (Rotacija oba vijka je uzajamno nasuprotna)

47. Velika vrijednost koeficijenta traga istovremeno znači i veći rizik od kavitacije na brodskom vijku, obzirom da je kod velikih vrijednosti od w izuzetno nehomogeno polje strujanja kroz koje se vrte krila brodskog vijka. Homogenije polje strujanja ili čak i povećanje brzine nastrujavanja vA možemo postići primjenom sapnica. Najbolji način pomoći je da već u fazi projekta osiguramo da krma broda čim manje ometa rad brodskog vijka. Rad brodskog vijka uzrokuje da se dio vode izbačen iza brodskog vijka ponovno vraća na usis (prednju stranu) brodskog vijka. To se manifestira kao povećani otpor vožnje broda ili, ako bi gledali na silu poriva T, kao smanjenje te sile. To znači da porivna sila koju stvara brodski vijak mora pokriti silu otpora vožnje broda i dodatno «gubitak poriva» F. Gubitak poriva F može se izraziti u bezdimenzijskom obliku pomoću koeficijenta smanjenja poriva t: ili Koeficijent smanjenja poriva t može se izračunati po korelacijama temeljenim na istraživanjima provedenim na različitim modelima trupa.

48. Vrijednost koeficijenta smanjenja poriva t se povećava s povećanjem koeficijenta traga w. Oblik trupa broda ima značajni utjecaj. Bulb na pramcu u određenim uvjetima (pri manjim brzinama broda) smanjuje vrijednost od t. Vrijednost koeficijenta smanjenja poriva t za brod s jednim brodskim vijkom obično je u rasponu t = 0.12 – 0.30 Koeficijent smanjenja poriva za brod s visokom vrijednosti koeficijenta punoće ima veću vrijednost.

49. Brzine Snage Brzina broda Brzina nastrujavanja br. vijka Efektivna brzina traga Koeficijent traga (skliz) Efektivna snaga Snaga koju br. vijak predaje vodi Snaga predana br. vijku Snaga na spojci motora Sile Stupnjevi djelovanja Sila otpora teglja Sila poriva Gubitak poriva Koeficijent gubitka poriva St. djelovanja trupa Rotacijski st. djelovanja St. dj. vijka u slobodnoj vodi St. dj. propulzije St. dj. vijka iza trupa St. djelovanja vratila Ukupni st. djelovanja

50. Stupnjevi djelovanja (Korisnosti) Korisnost brodskog trupa definira se kao omjer efektivne snage PE predane brodu (snage za čisti tegalj broda) i snage PT koju brodski vijak predaje vodi: Za brodove s jednim brodskim vijkomH = 1.1–1.4, s višim vrijednostima kod broda s višim koeficijentom punoće. Za brodove s dva brodska vijka i klasičnom izvedbom krme, korisnost brodskog trupa je H =1.0 – 1.05, opet s višim vrijednostima za brod s većim koeficijentom punoće. Korisnost brodskog vijka u slobodnoj vodi odnosi se na rad brodskog vijka u homogenom polju nastrujavanja diska brodskog vijka, gdje ono nije ometano strujanjem iza trupa broda.