Tech Facts
0. Założenia koncepcyjne – nowa łódź
Przed wyborem łodzi, każdy myślący o zakupie winien wziąć pod uwagę następujące kwestie:
- Należy odłożyć na bok kwestie estetyczne i wyposażenia dodatkowego – do nich należy wrócić po ustaleniu poniższych zagadnień,
- Podstawowe pytanie jakie należy sobie zadać to do jakich celów ma służyć jednostka. Rekreacyjnych czy komercyjnych, jeżeli rekreacyjnie to czy ma to być miejsce spędzania wolnego czasu w porcie (jak często się spotyka) i ew. pływania przy bezwietrznej pogodzie, czy raczej chcielibyśmy komfortowo podróżować również przy średnim stanie morza najczęściej spotykanym to jest 1 do 3, czy może chcielibyśmy poczuć morską przygodę i śmiało (szybko) pływać również przy wzburzonym akwenie – wszystkie te kwestie determinują konkretne rozwiązania techniczne
- Czy zależy nam na szybkości maksymalnej (przy stanie 0 czy może jednak 3-4), czy może jednak wysokiej prędkości podróżnej, dużej manewrowości, czy dodatkowo chcielibyśmy móc operować bez ryzyka uszkodzenia na płyciznach z cumowaniem na plaży (rodzaj napędu),
- Na jakim akwenie będziemy pływać – Zatoka Gdańska (krótka fala) Bałtyk, jeziora, czy Morze Śródziemne (dłuższa fala plus większe zasolenie)
- Ile osób (masa, układ pokładu), jak daleko (paliwo – masa, środki bezpieczeństwa), czy zamierzamy zainstalować dodatkowe wyposażenie. Masa – jej niedoszacowanie jest najczęstszym powodem rozczarowania osiągami.
- Czy zamierzamy nurkować z pełnym wyposażeniem czy tylko rekreacyjnie (inny dostęp do łodzi, inne obciążenia platformy, wyposażenie)
- Jak często chcemy korzystać z łodzi, jakie dystanse pokonywać przy jakich obciążeniach (dobór silników i napędów)
- Jaki budżet inwestycyjny, czy zależy nam niskich kosztach serwisowych, bezawaryjności, długiej żywotności elementów systemu napędowego
Wszystkie wymienione czynniki wpływają na projekt jednostki, dobór systemów napędowych i późniejsze zadowolenie właściciela. Z tego powodu kwestie te winny być wnikliwie omówione ze stocznią/dystrybutorem. Każdy klient winien przed zakupem poświęcić chwilę czasu i zapoznać się z głównymi zagadnieniami technicznymi związanymi z łodziami motorowymi by świadomie uczestniczyć wyborze łodzi. Sugerujemy zapoznanie się z materiałami opisowymi zebranymi przez nas na niniejszej stronie. W sytuacji gdy my jesteśmy zaangażowani w proces doborowy/ decyzyjny każdorazowo precyzujemy z klientem powyższe elementy, przedstawiamy warianty i możliwe konfiguracje od wyboru kadłuba poprzez systemy napędowe do wyposażenia jednostki.
W przypadku klienta instytucjonalnego – komercyjnego sprawa wygląda podobnie chociaż zdecydowanej większości przypadków jest to klient świadomy swoich oczekiwań i z dużym doświadczeniem co zdecydowania uławia współpracę.
I. Surface Drive
Napęd typu Surface Drive jest dedykowany do szybkich łodzi motorowych jako najefektywniejszy z wszystkich rodzajów napędów jednak jak każdy ma ograniczenia w zastosowaniu. Nie nadaje się jako opcja do łodzi ratunkowych pilnujących kąpielisk ze względu na ryzyko zranienia (podobne jak inne napędy z wyjątkiem water jet). Właśnie ze względu na ryzyko zranienia po wypadnięciu z rufy łodzi napęd SDS (podobnie jak sterdrive) wymaga instalacji platformy do pawęży
Kadłub łodzi musi operować w ślizgu. Wyróżnić można dwa rodzaje takiego kadłuba: o stałym kącie (monohedron) gdzie zanurzenie (draft) łodzi jest maksymalne na pawęży oraz o zmiennym kącie (wraped) gdzie maksymalne zanurzenie jednostki ma miejsce na śródokręciu.
Każdy z tych kadłubów ma swoją charakterystykę pracy związaną z kształtem i oporami hydrodynamicznymi. Mogą one pracować w układzie pojedynczym (monohull), podwójnym (cat) i potrójnym (trimaran).
Kadłub typu monohedron jest dedykowany do zastosowań w szybkich łodziach motorowych szczególnie do operowania przy zafalowanych warunkach. Prędkość maksymalna dla tego rodzaju kadłuba to około 90 kn, powyżej kadłub zaczyna „myszkować” (chain walking) i narażony jest na utratę stabilności szczególnie przy zmianach środka ciężkości, który z zasady jest zlokalizowany pomiędzy 25 % a 38 % długości łodzi po wodzie (LWL).
Drugi rodzaj kadłuba, z którym napęd typu Surface Drive może pracować to „wraped hull” . Prędkość maksymalna dla tego rodzaju kadłuba to 40 kn, powyżej podatny na utratę stabilności szczególnie gdy LCG (środek ciężkości) jest powyżej 40 % LWL . Dodatnią cechą tego kadłuba jest wyższa od poprzedniego odporność na „podbicia” przy zafalowanym akwenie, kadłub ten również lepiej toleruje zmiany rozmieszczenia masy na pokładzie do wskazanej prędkości.
Napęd powierzchniowy może pracować z każdym rodzajem silników stacjonarnych (za pośrednictwem przekładni redukcyjnej). Najczęściej spotyka się go w parze z silnikami diesla, które z zasady mają niższe prędkości obrotowe (niższa redukcja na przekładni – tańsze).
Tak jak zostało to już wspomniane i jest opisane szczegółowo w dalszej części materiału rozróżnia się dwa rodzaje napędów typu SD – stały i trymowany jaki oferujemy. Porównanie producentów obu rodzajów napędów przeprowadzono również w dalszej części materiału. Dokonano także charakterystyki wszystkich najczęściej spotykanych rodzajów napędów łodzi motorowych.
Surface drive pracuje efektywnie w zakresie prędkości od 20 do ponad 80 kn oraz stwarza najniższe opory hydrodynamiczne z wszystkich rodzajów napędów. Wymiana napędu na SDS wiąże się z minimum 15 % poprawą osiągów jednostki oraz spadkiem zużycia paliwa. W odróżnieniu od water jet, który to cechują znaczne straty mocy na napędzie oraz duża podatność na awarię związane z zaciągnięciem do czerpni zanieczyszczeń napęd SD jest pozbawiony tych wad. Masywna śruba napędowa z płetwą z łatwością radzi sobie z wszelkimi zanieczyszczeniami czy z pisakiem na płyciznach. Każdy rodzaj napędu ma swoje zalety ale w temacie osiągów SDS jest nie do pobicia, dodatkowo cechuje go łatwość radzenia sobie z różnymi obciążeniem np. podczas operowania przy wzburzonym morzu.
Każdy model SDS posiada te same elementy składowe. Napęd jest układem mechanicznym, który przekazuje energię kinetyczną do śruby. Układ składa się z 6 głównych elementów: siłownika sterującego (steering cylinder), siłownika trymującego (trim cylinder), przekładni (lower sphere unit), przekładni momentu (thrust box unit), wału napędowego, stężenia (frame)
Na zdjęciach obok przedstawiających demonstracyjną wersję SDS2 widać jak realizowane są funkcje sterujące i trymujące:
Siłownik hydrauliczny pracujący prostopadle do wału napędowego odpowiada za ruch poziomy (wychylenie o kąt 19st) i skręcanie.
Jest on sprzęgnięty z siłownikiem realizującym podnoszenie i opuszczenie zestawu (trymowanie).
Na zdjęciu widoczny kompletny napęd od strony siłowni z punktami smarowania.
Przykładowe instalacje:
Trymowanie i skręcanie model SDS3 (video)
II. Rodzaje napędów i ich krótka charakterystyka
- Tradycyjny napęd śrubowy na wale – prostota wykonania i duża niezawodność, stosowany do prędkości poniżej 30kn jak również do jednostek dużych i ciężkich. Napęd tolerancyjny na duże różnice w tonażu, sprawdzający się w trudnych warunkach. Tani w serwisowaniu. Najtańszy w inwestycji
- Stern drive – przekładnie typu Z do silników wbudowanych (Bravo 1, Brawo 2, Brawo 3, Volvo) skomplikowana i wysoce awaryjna konstrukcja, podatna na uszkodzenia wynikające z niewłaściwego użytkowania i serwisowania (uszczelnienia, olej). Napęd nie nadający się do operowania na płyciznach. Do zastosowań w małoobciążonych jednostkach poniżej 8m w tym przy konfiguracji pojedynczej. Napęd typu Z dobrze sprawdza się do jednostek operujących przy mniejszych prędkościach do 25 kn. Duża manewrowość przy konfiguracji podwójnej. Do zastosowań komercyjnych (obciążonych) dedykowany napęd typu KONRAD (najbardziej niezawodny na rynku). Inwestycyjnie koszt przekładni porównywalny jest z napędem SDS, droższy niż napęd zintegrowanych w silnikach zaburtowych i tańszy niż napęd strugo wodny (water jet). Napęd drogi w użytkowaniu i wymagający wyspecjalizowanej obsługi.
- Outboard – najbardziej popularny napęd zintegrowany z silnikiem zaburtowym zawieszonym na pawęży, zwarta konstrukcja ułatwiająca aranżację pokładu, prosta instalacja. Dobrze sprawdzający się przy jednostkach do 12m i prędkościach do 40kn. Nadający się do operowania na płyciznach, lecz wrażliwy na uszkodzenia. Stosowany tylko z silnikami benzynowymi podatny na uszkodzenia przy niewłaściwym użytkowaniu (zalanie, zbyt silne wstrząsy). Stosunkowo tani w zakupie ze względu na integrację z silnikiem, prosta obsługa ale krótka żywotność przez co przy intensywnej eksploatacji (ponad 100h rocznie) z czasem kosztowna, przewyższająca cenę zakupu.
- Surface Drive – napęd najlepiej sprawdzający się przy jednostkach powyżej 8m, prędkościach powyżej 30kn i konfiguracji podwójnej. Duża manewrowość, możliwość operowania w płytkiej wodzie (beaching) i zanieczyszczonej. Prosta i niezawodna konstrukcja do zastosowania w szybkich łodziach motorowych (w tym rekreacyjnych) oraz takich jak jednostki patrolowe, ścigacze, jednostki do zadań specjalnych, RIB. Do zastosowań z silnikami diesla jak i benzynowymi, wymagający oddzielnej przekładni do redukcji przełożenia i obsługi biegów przód, neutral, tył. Dla właściwego wykorzystania napędu krytyczne jest jego właściwe skonfigurowanie – dobranie do konkretnej jednostki. Koszt zakupu porównywalny z stern drive lub niższy (Konrad), niski koszt użytkowania.
- Napęd strumieniowy Water Jet. Dedykowany do jednostek gdzie użytkowanie tradycyjnej śruby jest niebezpieczne – Rescue boats, dive boats. Możliwość operowania w płytkich akwenach lecz bez możliwości beaching – zaciągniecie piasku do czerpni często równoważne kosztownej awarii. Napęd wrażliwy na zanieczyszczenia wody o konstrukcji skomplikowanej i podatnej na awarię. Naprawa i serwis wymagający wykwalifikowanej obsługi. Słaba manewrowość przy niskich prędkościach, zastosowany do prędkości 45kn. Konieczność przewymiarowania mocy jednostek napędowych ze względu na jej znaczne spadki na napędzie (20-30%). Koszt zakupu porównywalny z napędem SD dla małych pędników do ponad dwukrotnie przewyższających kosztów przy większych.
III. Porównanie producentów systemów napędów powierzchniowych
Trimability / Trymowalność – jest to główna cenach napędu powierzchniowego pozwalająca na pełne wykorzystanie jego potencjału. To ona pozwala na łatwe efektywne operowanie biegiem wstecznym, uzyskiwanie maksymalnych prędkości przy różnych warunkach morskich, pływanie na płyciznach. Dzięki trymowaniu eliminujemy lub znacznie ograniczamy podbijanie kadłuba przez fale. Napęd powierzchniowy na sztywny wale jest idealny do uzyskiwania maksymalnych prędkości w warunkach wyścigowych przy spokojnej wodzie ale nie sprawdza się w warunkach zmiennych wspomnianych wyżej czy do zastosowań militarnych.
Steerability /Sterowalność – możliwość skrętu łodzi uzyskuje się tak jak w przekładniach typu Z lub silnikach zaburtowych poprzez skręt wału z pędnikiem z tą różnicą, że dzięki przesuniętej osi skrętu ku rufie (odsunięcie pędników od pawęży) uzyskuje się znacznie większą manewrowość. Brak tradycyjnego steru koniecznego do zastosowania w sztywnym wale eliminuje wprowadzane przez ster opory i turbulencje w przepływie wody. Niektórzy producenci wprowadzają dodatkowe kierownice przepływu strumienia wody w kierunku pędnika ale nasze doświadczenia w tunelu udowodniły że pogarszają one efektywność pracy pędnika (wprowadzają turbulencje laminarnym przepływie wody – co jak wiadomo wiąże się ze stratami)
Emergency steering – FH jako jedyny producent umieszcza w standardzie trzecią pompę hydrauliczną umożliwiająca zachowanie sterowalności w przypadku awarii pozostałych
Pre –wired instalation – w pakiecie dostarczane są do klienta pełne wiązki kablowe z konektorami ograniczające trudności montażowe
Propeller manufacturer – krytyczny z punktu widzenia efektywności całego systemu jest pędnik. FH jako jedyny dostawca posiada własny zakład produkcyjny i doświadczalny. Produkcja pędników jest skomplikowanym procesem poczynając od projektu poprzez odlew jego obróbkę i późniejsze testy w specjalnym tunelu kawitacyjnym. Zastosowanie do konkretnej przekładni nawet wyglądającej identycznie śruby spowodować może drastyczny spadek efektywności i nie jednokrotnie prowadzić może do uszkodzenia pędnika i podzespołów.
Shock absorbers/amortyzatory – możliwość tłumienia drgań przenoszonych przez napęd znacznie podnosi komfort użytkowania
Elektronic steering/ elektroniczne sterowanie – system komunikuje się we wszystkich przyjętych standardach co umożliwia zastosowanie różnych rozwiązań zarówno elektronicznych jak i hydraulicznych. Dodatkowo na życzenie dostarczamy automatyczny system kontroli trymu
Tunnel tested – wszystkie napędy i pędniki FH są testowane w specjalnym tunelu kawitacyjnym, którego koszt budowy wyniósł ponad 1 mln EUR. Umożliwiło to uzyskanie pełnej certyfikacji koniecznej do zastosowań komercyjnych/militarnych
Major class approval – jak wspomniano powyżej jesteśmy jednym na rynku dostawcą, który dzięki testom może być klasyfikowany. Posiadamy klasy ABS, BV oraz Lloyds
Naval architecture – każdy projekt jednostki morskiej wymaga całościowego spojrzenia na osiągi, determinowane przez kadłub, masę jej dystrybucję, silniki, przekładnie i napęd wraz pędnikiem. Wymaga to zaawansowanej wiedzy inżynieryjnej i dużego doświadczenia, z tego powodu każdy projekt jest oceniany przez zespół projektantów.
Warranty of preformacje /gwarancja osiągów – dzięki kompleksowemu podejściu do systemów napędowych jako jedyni oferujemy klientom oprócz standardowej gwarancji wykonania także gwarancję osiągów.
IV. Informacje niezbędne do właściwego doboru napędu
Dla właściwego doboru napędu niezbędne jest podejście całościowe uwzględniające środowisko pracy, dane kadłuba, silnika, przekładni.
- Rodzaj kadłuba – monohull (pojedynczy), katamaran czy trimaran, każdy z kadłubów inaczej wpływa na opory hydrodynamiczne, stabilność
- Wyporność , masa – bardzo ważny wskaźnik determinujący moc jednostek napędowych. Konieczne jest dokładne określenie masy podstawowej oraz maksymalnej. Niedoszacowanie masy jest najczęściej spotykanym powodem nie uzyskiwania zakładanych osiągów łodzi z powodu prostej zależności – wyższa masa większe opory niższa prędkość.
- LOA, LWL, BEAM – długość łodzi, długość po linii wody, szerokość przy pawęży. Wymiary te mają wpływ na opory i prędkość. Im dłużysz kadłub tym szybszy i bardziej stabilny na wzburzonym morzu.
- Zanurzenie – kolejny ważny element wpływający na opory całkowite łodzi oraz możliwość zastosowania SDS (pędniki muszą pracować w swobodnym przepływie wody)
- Deadrise angle – kąt mówiący o kształcie dna łodzi i większy tym (jak kadłub typu V) tym większe opory i późniejszy moment wejścia łodzi w ślizg.
- LCG – środek ciężkości, ma wpływ na zachowanie kadłuba – niewłaściwe jego zlokalizowanie odpowiada za „nurkowanie” łodzi lub zadzieranie dziobu ku górze.
- Kąt rufy (pawęzy) – dla sprawdzenia właściwego ułożenia SDS
- Spray rails – kierują przepływem wody wzdłuż kadłuba ograniczając opory
- Grubość kadłuba na rufie – determinuje rozwiązania SDS
- Obecność stopni lub ich brak – właściwie zaprojektowany stopniowany kadłub ogranicza „mokrą” część kadłuba w ślizgu co zmniejsza opory i zwiększa prędkość
- Środowisko pracy – wpływ na osiągi mają również takie czynniki jak zasolenie, zanieczyszczenie wody (im większe tym większe opory). Wymogi dotyczące stanu morza w jakich łódź ma operować – tylko przy stanie 0 czy 1 (płasko) lub 2, 3. Zakres temperatur powietrza czy wody (straty na chłodzenie silników)
- Dobór silników i przekładni – wymagamy podania ilości silników i ich parametrów. Wydaję się, że im większa moc tym lepsze osiągi – często zapomina się jednak, że zastosowanie silników o większej mocy wiąże się ze znacznym zrostem masy tych silników. Dla przykładu Volvo D3 220 kM waży 300 kg a D4 260 kM (300 kM) już 550 kg przy podwójnej instalacji jest to już 500 kg więcej. Znaleźć można wyjątki od tej reguły w naszej ofercie – silniki diesla V8 – VGT 350 kM do 500 kM, które ważą 500 kg. Oprócz mocy silnika krytycznym parametrem jest moment obrotowy i jego dostępność przy poszczególnych prędkościach obrotowych silnika. Z tego powodu pytamy każdorazowo klienta jakie będzie przeznaczenie łodzi.
Tu można zobaczyć jak wygląda przykładowy dobór napędu i osiągi dla ciężkiej jednostki typu RIB przy użyciu zestawu dwóch silników diesla VGT 500 hp
V. Dobór przekładni
Właściwy dobór przełożenia obrotów silnika jest kolejnym krytycznym elementem z punktu widzenie osiągów i efektywności napędu. Na przełożenie mają wpływ następujące elementy:
– obroty silnika (rpm)
– współczynnik mocy do masy w tonach (hp/t)
– prędkość wyprzedzenia pędnika (speed of advance) lub wskaźnik Froude (V/LWL0,5)
Gdzie:
V- prędkość w kn
LWL – długość linii wody (w stopach)
P – całkowita moc jednostek napędowych
W – masa całkowita w tonach
RPM – prędkość obrotowa silnika
Przy założeniu, że wskaźnik V/LWL0,5 jest większy od 1 i moc całkowita jest większa od 100 można zastosować następującą formułę
R= 1,45 x exp((0,0034xT))
Gdzie T=RPM/P/W
Jest paru liczących się dostawców przekładni – najbardziej renomowanym jest niemiecki ZF trochę tańszy producent współpracujący z Janmar-em to Kanzaki.
VI. Szczegółowe porównanie SDS z Water Jet
Najczęściej zadawanym przez potencjalnych klientów pytaniem jest dlaczego mamy użyć SDS zamiast Water Jet. Na tak zadane pytanie zawsze odpowiadamy – do jakich celów ma być używana łódź.
Są obszary gdzie SDS ma znaczną przewagę w osiągach ale są i takie gdzie ma ją Water Jet. Dla jednostek operujących głównie w przedziałach prędkości powyżej 30 kn jest to niewątpliwie SDS gdzie zaczyna się widoczna różnica w osiągach. Dla jednostek operujących w przedziale 15 – 30kn water jet jest lepszą alternatywą ze względu na efektywność.
Poniżej zebrane tabelarycznie porównanie cech użytkowych obu systemów – na czerwono cecha niepożądana, zielono pożądana.