PROPULZIJA BRODA

Osnovni pojmovi o propulzorima i propulziji

Propulzor je naprava koja na plovilo, na koje je ugrađena, djeluje prikladno usmjerenom silom s namjerom da se

ostvari gibanje ili pozicioniranje plovila, odnosno da to plovilo djeluje potrebnom silom na neke druge objekte.

Premda se naziv propulzor može, u širem smislu, primjeniti na sve naprave koje služe pogonu bilo kakvih objekata

koji se kreću, ipak je propulzor, u užem smislu, naprava koja se primjenjuje na objekte kao što su površinski

brodovi, podmornice, zrakoplovi, torpeda i slične sprave koje se gibaju bilo u nekom deformabilnom

kontinuiranom rasprostrtom mediju, kao što su voda i zrak ili u praznom prostoru svemira – u svemirskom

vakumu. S pojmom propulzora usko je povezan pojam propulzija. Nazivom propulzija imenuje se postupak ili

proces kojim se uz pomoć propulzora ostvaruje sila na neko plovilo(vozilo).

Glede načina na koji se stvara porivna sila razlikujemo aktivne i neaktivne propulzore.

Podjela propulzora obzirom na vrstu sila koje djeluju na njega:

1. Aktivni

- u dodiru s dnom (motka, lanac),

- u dodiru s obalom ( ljudi, konji, lokomotiva),

- u dodiru s drugim brodom (tegljači, gurači).

2. Reaktivni

- primjena otpora ( veslo, brodsko kolo, Kirsten - Boeingov propulzor),

- primjena uzgona ( vijak, krilasti propulzor, mlazni propulzor).

Među aktivnim propulzorima postoje oni kojima je izvor snage pogonski stroj- na brodu i drugi kod kojih je

pogonski stroj izvan broda. Ovdje se pod terminom pogonski stroj uvjetno misli na živa bića. Kod reaktivnih

propulzora pogonski stroj je uvijek na brodu. Među aktivne propulzore s pogonskim strojem izvan broda često se

ubrajaju i uređaji koji koriste snagu vjetra.

Među najvažnije vrste propulzora koji se ugrađuju na brodove i koriste u pomorskoj industriji su:

- vijci (propeleri) s fiksnim korakom ili usponom (eng. fixed pitch propeler - FPP),

- vijci s promjenjivim korakom (eng. controllable pitch propeler - CPP),

- vijci u sapnici (eng. ducted propellers),

- pod - propulzori (eng. thrusters-pod drives),

- cikloidni ili Voiht-Schneiderovi propeleri,

- vodomlazni propulzori (eng. water jet).

VIJCI S NEPROMJENJIVIM KORAKOM

Vijci s nepromjenjivim korakom (eng. fixed pitch propeller - FPP) najrasprostranjeniji su propulzori. Oni

proizvode poriv stvarajući silu dizanja (eng. lift) na svojim krilima. Presjek krila brodskog vijka sličan je presjeku

zračnog krila. Krila propelera vrlo su pogodna za nastanak kavitacije. Zbog toga je propeler potrebno projektirati

posebno za svaki tip broda. Porivom i brzinom broda upravlja se brojem okretaja vijka. Brodski vijak ima visoki

stupanj korisnosti do 75 %, a primjenjuje se za snage od 0,3 do 70000 kW. Jedna od glavnih mana brodskog vijka

je što može izazvati neugodne vibracije trupa ako radi u vrlo nejednolikom polju sustrujanja na krmi broda.

Kod velike većine današnjih brodova javlja se problem izbjegavanja štetnih posljedica kavitacije vijka. Vijak se

najčešće ugrađuje iza krme broda, jer je tamo najzaštićeniji i iskorištava dio energije utrošene na savladavanje

otpora, ali mora biti dovoljno duboko uronjeno, da ne bi uvlačio zrak. Ako je potrebno, tj. ako bi opterećenje

samo jednoga vijka bilo pretjerano veliko, ugrađuje se na brod više vijaka. Brodski vijak u klasičnoj izvedbi

(monolitni vijak) s nepomičnim krilima zahtjeva za plovidbu krmom prekretni stroj ili prekretni reduktor.

VIJCI S PROMJENJIVIM KORAKOM

Kod vijaka s promjenjivim usponom (eng. controllable pitch propeller - CPP), prikazanim na slici, porivom se

upravlja mijenjajući uspon vijka odnosno kut zakreta krila. Osovina vijka s promjenjivim korakom obično se

okreće konstantnim brojem okretaja. Ovi se vijci najviše koriste pri promjenjivim režimima plovidbe i uvjetima

rada kao što su slobodna vožnja i tegljenje. Njegova ugradnja je isplativa za brodove koji trebaju imati dobru

upravljivost (manovrabilnost) kao i za pogone s ugrađenim osovinskim generatorom. Prekretanje, odnosno

promjena smjera poriva ostvaruje se zakretanjem krila i to obično pri konstantnom broju okretaja što je

poprilično spor proces. Vijci s promjenjivim korakom imaju samo jedan projektni korak pri kojem imaju

najveću iskoristivost.

Izvor: [2]

VIJCI U SAPNICI

Vijci u sapnici (eng. ducted propellers) se ugrađuju na brodove kojima su potrebni visoko opterećeni porivni

vijci. Sapnica podiže iskoristivost vijka stvarajući dodatni poriv zbog međusobnog utjecaja s vijkom. Prema krmi,

sapnica se sve više sužava ubrzavajući vodu koja dostrujava vijku. Sapnice se mogu ugrađivati i prije vijka, a

mogu biti i nesimetrične. Time se u nekim slučajevima nastoji dostrujavanje propeleru učiniti jednoličnijim.

Vijak u okretljivoj sapnici osim za propulziju služi i za kormilarenje, pa ga se svrstava zajedno s još nekim

srodnim uređajima u skupinu propulzorsko upravljačkih uređaja. Za pogon vrlo brzih brodova (s brzinom većom

od 45 do 50 čvorova) primjenjuju se djelomično uronjeni vici DUV.

Izvor: [2]

POD – PROPULZORI

Pod-propulzorima nazivaju se svi vijci koji se nalaze (ili mogu nalaziti) ispod broda (ne na krmi). Oni su

načelno uvijek upravljivi odnosno mogu se okretati oko svoje osi te tako mijenjati smjer poriva. Zbog dobre

upravljivosti, ugrađuju se na brodove koji moraju imati izvrsna upravljačka svojstva kao što su luksuzni putnički

brodovi, tankeri koji plove kroz led, i sl. Naravno, očita je i njihova namjena za dinamičko pozicioniranje. U

kučištu i skroku (nosaču) koji se nalaze ispod broda može se nalaziti reduktor kao što je slučaj kod Z pogona ili

elektro-motor. Nova generacija pod-propulzora ima elektro-motore s hlađenim namotajima. Vijci im se također

mogu nalaziti u sapnicama, a također mogu imati i kontrarotirajuće vijke. Osnovni nedostatak im je što su zbog

svoje kompleksne izvedbe skuplji od ostalih propulzora, podložni su kvarovima a glavina im je znatno veća

nego što je to kod vijaka s fiksnim korakom što im smanjuje iskoristivost. Vijak je moguće okrenuti tako da se

nalazi ispred skroka (vertikalnog nosača), što se onda naziva povlačenjem ili iza što se naziva guranjem.

Izvor: [2]

CIKLOIDNI ILI VOIHT-SCHNEIDEROV VIJAK

Najposebniji propulzor je svakako cikloidni ili Voight-Schnaiderov vijak. Njegova krila su vertikalno

profilirana i rotiraju pod upadnim kutem čijom promjenom se mijenja i smjer poriva. Njegova krila uvijek su

okomita na polumjer iz pomične točke P. Kada se točka P podudara s točkom 0 koja se nalazi u centru kružnice

koju čine lopatice, onda je rezultirajuća sila poriva jednaka nuli. Pomicanje točke P izaziva nastanak sile poriva

smjera okomitog na smjer pomaka točke P.

Prednost ovog propluzora je sposobnost upravljanja odnosno mijenjanja smjera poriva što je jako važno svojstvo

tegljača i opskrbnih brodova. Međutim, njegova iskoristivost je manja zbog toga što krila stvaraju poriv za

vrijeme samo jednog dijela okretaja, dok viskozni otpor djeluje za vrijeme cijelog okretaja.

Na krilima cikloidnog propulzora stvara se uzgon ovisan o napadnom kutu krila i brzini gibanja krila prema

okolnoj vodi . Sastavljanjem uzgona pojedinih krila nastaje poriv propulzora - sila koja može imati bilo koji

željeni pravac, smjer i veličinu i koja se kontinuirano mijenja od nule do maksimalne veličine, uvjetovane

snagom pogonskog stroja. Na brod se može ugraditi ili samo jedan cikloidni propulzor, i to bilo na pramcu ili na

krmi ili se mogu na brod ugraditi dva propulzora i to bilo na krmi bilo na pramcu. Cikloidni propulzor ima

nekoliko izrazitih vrlina, kao prvu treba spomenuti izvanredno dobru upravljivost – brod opremljen s dva takva

propulzora može se okretati na mjestu i bočno pomicati.

Zbog odsutnosti izdanaka i kormila smanje otpor broda, nije potreban prekretni pogonski stroj, a postiže se

visoki stupanj korisnosti. Krilasti propulzor ima i negativne strane, a to su složenost prijenosa snage od

pogonskog stroja do propulzora, potreba da se forma trupa donekle prilagodi krilatom propulzoru, to jest da

postoji dovoljno veliki nezakrivljeni dio oplate. Ugrađuju se na brodove s posebnim velikim zahtjevima za

dobro upravljivošću: lučki tegljači, plovne dizalice, trajekti, lovci mina, brodovi za polaganje plutača.

VODOMLAZNI PROPULZOR

Vodomlazni propulzor ubrzava vodu koristeći pumpu koja se nalazi unutar broda, umjesto da koristi vijak koji

se nalazi izvan broda. Voda se usisava na dnu broda, ubrzava u pumpi i izbacuje na krmi stvarajući potisak ili

poriv. Osnovna prednost mlazne propulzije je u zaštiti propulzora i onoga što bi se moglo naći na njegovu putu.

Kod brzih brodova koji plove kroz plitka područja vijak izvan broda mogao bi se lako oštetiti, dok se kod

plovnih objekata za rekreaciju kao što su skuteri vodomlazni propulzor ugrađuje iz sigurnosnih razloga.

Upravljivost vodomlaznih propulzora vrlo je dobra što mu daje dodatne prednosti. Međutim, unutarnja površina

pumpe i brzine su jako velike, što ima za posljedicu velike gubitke. Zbog toga je stupanj korisnog djelovanja

manji nego što je to kod otvorenog vijka. Ugradnjom vodomlaznog propulzora na vrlo brze poludeplasmanske

brodove (>30 čv.) istisnine veće od 100 tona ukupna iskoristivost propulzije veća je nego što je za

konvencijonalni otvoreni vijak. U tom slučaju jedini je nedostatak što brodovi s vodomlaznim propulzorom

stvaraju visoke razilazne valove, za oko 15 do 20% više od valova koje stvara isti brod s ugrađenim otvorenim

konvecijonalnim vijkom.

Postoje dvi bitno različite izvedbe mlaznog propulzora i to propulzori s mehaničkim pogonom-crpkom i

hidroreaktivni propulzori. Ovi potonji su bez pomičnih mehaničkih dijelova, te se kod njih izgaranjem goriva u

posebnim komorama stvara smjesa produkata izgaranja, vodene pare i vode, koja kroz sapnicu velikom brzinom

napušta propulzor.

Zračne propulzore se ugrađuje osim na ekranoplane i amfibijska plovila na zračnom jastuku također i na čamce

koji plove vrlo plitkim vodama, odnosno močvarama gusto obraslim vodenim biljem. Mane zračnih propulzora

su niski stupanj korisnosti, velike dimenzije i visoka razina buke.

TIPOVI I DIJELOVI BRODSKOGA VIJKA, prema [3]

Brodski vijak se sastoji od glavine, koja je najčešće šuplja radi smještaj na vijčanu osovinu, te krila kojih može

biti od 2 do 9, no obično ih ima 3-5. Vijak je monolitan (eng. monoblock) ako su sva krila i glavina ljevani

istodobno u jednom dijelu. Ako su mu pak krila izrađena svako za sebe, pa potom na prikladan način spojena s

glavinom, onda je to sastavljen vijak.

Sastavljen vijak je ili:

a) Vijak upravljivog uspona CPP,

b) Vijak s odvojim (demontabilnim) krilima.

Krila vijka upravljivog uspona mogu se pomoću posebnog mehanizma zakretati prilikom rada vijka, dok se krila

vijka s odvojivim krilima mogu montirati i demontirati samo dok vijak miruje, a najčešće je nužno da brod bude

u doku. Pri CPP se mijenja u širokim granicama, pa čak postaje i negativnim. Posebni oblici vijaka upravljivog

uspona, koji nose i posebna imena su vijci kojima se krila postavljaju na nož - u smijeru strujanja vode i vijci koji

ne omogućuje reverziranje, već im se uspon mijenja u nekom dosta ograničenom području, što im omogućuje da

se prilagode uvjetima plovidbe: opterećenost broda, obraštenost vijka odnosno trupa, stanje motora, meterološki

uvjeti, kod njih mora postojati mogućnost reverziranja.

OSNOVNA TERMINOLOGIJA I GEOMETRIJA BRODSKOG VIJKA

Krila vijka s odvojivim krilima montiraju se praktički uvijek sa istim usponom, pri čemu je ipak moguće

zahvaljujući duguljastim rupama na prirubnici krila vijka, donekle mijenjati uspon da bi se postiglo povoljnije

opterećenje glavnog stroja. Krilo vijka, promatrano samo za sebe, jeste uzgonski element na kojega, kada oko

njega struji tekućina, djeluje sila uzgona (mnogo veća od sile otpora). Strujanje relativno prema krilu, zbog

kojega i nastaje uzgon, posljedica je istodobne vrtnje vijka i njegovog napredovanja kroz vodu zajedno s brodom

na kojega je ugrađen.

Ako se, stojeći iza broda, gleda njegov vijak (ili vijci) vidi se tlačnu površinu (stranu) krila, koju se naziva i lice.

Suprotna (promatraču nevidljiva) strana krila, okrenuta prema brodu, zove se potlačna površina (strana) krila.

Potlačnu stranu krila naziva se također naličje, zatiljak ili leđa.

Granica između tlačne i potlačne strane je brid krila. Brid koji se prvi susreće s vodom je uzlazni brid, dok voda

napušta krilo kod izlaznog brida. Dio krila uz glavinu je korijen krila, a dio krila udaljen od glavine je vrh krila.

Ako postoji samo jedna takva točka, najudaljenija od osi vijka to je vršak krila. Postoje i vijci gotovo isključivo za

ugradnju u sapnice kojima krilo ne završava u točki već imaju konačnu duljinu presjeka na najvećem polumjeru.

Promatra li se stojeći iza krme, vijak broda koji plovi pramcem, pa se utvrdi da se on vrti u smjeru kazaljke na satu

onda je to desnovojni vijak, odnosno se kraće kaže desni vijak. Vijak suprotnog smjera vrtnje je lijevovojni vijak

ili lijevi. Gleda li se krilo vijka usmjereno prema gore (neovisno o tome da li je prema promatraču okrenuta tlačna

ili potlačna strana) pa je desni brid udaljeniji od promatrača, onda je to desnovojni vijak, a ako je udaljeniji lijevi

brid radi se o lijevovojnom vijku.

Brodski vijak ima lice (tlačna strana) i naličje (usisna ili podtlačna strana), te se sastoji od glavine koja stvara

spoj krila vijka sa pogonskim vratilom, te tako osigurava prijenos snage na krila, te krila koji tvore uzgonski

element brodskog vijka. Najvažniji parametri geometrije vijka su: D [m] - promjer vijka, d [m] - promjer glavine,

vijka, Z - broj krila, P [m] – uspon, P/D - odnos uspona i promjera vijka, Ae/Ao - odnos ukupne površine krila i

površine diska brodskog vijka

Izvor: [3]

Dijelovi vijka [2]

Ako vršak krila ne leži u ravnini diska, onda je krilo vijka nagnuto. Nagib krila definiran je kao udaljenost vrška

krila od ravnine diska, taj pojam ima svoj puni smisao kod vijka konstantnog uspona, s izvodnicom u obliku

pravca. Krila se najčešće naginju prema kormilu, da bi se ostvarila potrebna zračnost između trupa i vijka.

Međutim, ponekad se kod brzih brodova krila vijka naginju prema naprijed, tj. prema trupu, kako bi se vlačna

naprezanja u korijenu vijka, koja su posljedica djelovanja momenta savijanja stvorenog hidrodinamičkom silom

što djeluje na krilo vijka, smanjila djelovanjem suprotno usmjerenog momenta stvorenog centrifugalnom silom

koja djeluje na krila pri vrtnji vijka.