Πέμπτη, 24 Αύγουστος, 2017

Θαλάσσια πρόωση: Προπέλα και υδροτζέτ

Photo by: Simos Michaloglou


Στο θαλάσσιο χώρο η επιλογή ενός τύπου πρόωσης εξαρτάται από τον τύπο του σκάφους και τη χρήση για την οποία προορίζεται. Στη συντριπτική πλειοψηφία για την πρόωση χρησιμοποιούνται προπέλες οι οποίες είναι διαφορετικών τύπων, σχημάτων και επιδόσεων ενώ συγκρίνονται και αντιπαρατίθενται με τα συστήματα αντενέργειας που τείνουν να επικρατήσουν με τον όρο «υδροτζέτ».

 

Η προπέλα, όπως και ο τροχός, συγκαταλέγονται στις πλέον σημαντικές και ευφυείς ανακαλύψεις του ανθρώπου. Πράγματι, στη φύση δεν υπάρχει κάτι ανάλογο που να διαθέτει δυνατότητες μετατροπής της περιστροφικής ενέργειας σε ευθύγραμμη. Επομένως η φύση διαθέτει τη δυνατότητα να αντεπεξέρχεται μόνο σε ευθύγραμμες και κατακόρυφες κινήσεις (όπως βήματα, άλματα κλπ.).

 

Αλλά τι είναι η προπέλα; (από το αγγλ. Propeller, ελλην.: έλικα, από την αρχαία λέξη έλιξ < ελίσσω = στρέφω.) Στην πραγματικότητα, δεν είναι τίποτε άλλο παρά ένας μετατροπέας ο οποίος χρησιμοποιείται για να μετατρέψει ένα μεγάλο μέρος του έργου που παράγεται από μια μηχανή σε ώθηση. Η συγκεκριμένη ώθηση εκφράζεται σαν ένα «σπρώξιμο» ενάντια στο νερό εξαιτίας του οποίου προκύπτει η κίνηση του σκάφους.

 

Η έλικα λοιπόν αποτελεί τον τελικό αποδέκτη πρόωσης είτε πρόκειται για μεγάλα πλοία που διανύουν υπερατλαντικά ταξίδια είτε για απλά συμβατικά σκάφη με περιορισμένα υδάτινα δρομολόγια. Αποτελεί μια απλή και ευφυή εφεύρεση αφού προσφέρει αποτελεσματικότατη λύση στην πρόωση.

 

Όμως εδώ θα πρέπει να υπογραμμίσουμε ότι το κάθε συγκεκριμένο σύστημα πρόωσης επιλέγεται ανάλογα με τον τύπο του σκάφους και τη χρήση για την οποία προορίζεται. Ενδεικτικά αναφέρονται διάφορα συστήματα πρόωσης, όπως: με μία ή περισσότερες έλικες, σταθερού ή μεταβλητού βήματος, ενώ ο τύπος της έλικας δύναται να είναι επιφανείας ή πλήρους διαβροχής. Όσο δε για τις διατάξεις οι οποίες φέρουν την έλικα ή τις έλικες, μπορεί να είναι είτε άξονες, είτε προπελοφόρες μονάδες εσωεξωλέμβιων ή εξωλέμβιων κινητήρων.

 

Αντίθετα με την προπέλα, λίγοι γνωρίζουν ότι τα συστήματα αντενέργειας (τζετ) στον τομέα της πρόωσης των αεροπλάνων έχουν ως αρχική προέλευση το θαλάσσιο περιβάλλον, με τη χρησιμοποίησή τους από ορισμένα είδη ασπόνδυλων μαλακίων τα οποία συστέλλουν τα όργανά τους προκειμένου να παράγουν ώθηση.

 

Μετά τα όσα προαναφέρθηκαν, παραμένει προς εξήγηση το εξής: Γιατί, ενώ στην αεροπορία μετά την αρχική χρήση ελίκων η εφαρμογή του τζετ είναι πλέον διαδεδομένη σε παγκόσμιο επίπεδο, αντίθετα στη θάλασσα η χρησιμοποίησή του άρχισε να κερδίζει έδαφος, αλλά μόνο σε ό,τι αφορά κατασκευές στρατιωτικού ή επαγγελματικού τύπου;

 

Ας ανακεφαλαιώσουμε λοιπόν, αρχίζοντας καλύτερα με τον διαχωρισμό τού κάθε τομέα, ώστε να κάνουμε ευκολότερη την περιγραφή με μια ανάλυση στον κάθε τύπο πρόωσης ξεχωριστά.

 

Προπέλες

 

Ανεξάρτητα από τον τύπο του σκάφους στο οποίο θα χρησιμοποιηθεί, κοινά χαρακτηριστικά κάθε έλικας αποτελούν η ονοματολογία, τα χαρακτηριστικά μεγέθη και τα γεωμετρικά στοιχεία.

 

Η ονοματολογία της έλικας είναι η εξής:

Πλήμνη: Η πλήμνη (κέντρο) μιας έλικας είναι μια σταθερή κεντρική επιφάνεια, επικάλυμμα του άξονα της έλικας, στην οποία είναι προσαρμοσμένα τα πτερύγιά της.

Πτερύγια: Τα πτερύγια της έλικας είναι τα περιστρεφόμενα μέρη που προεξέχουν από την πλήμνη. Η λειτουργία των πτερυγίων είναι που κινεί το σκάφος μέσα στο νερό.

Πρόσοψη πτερυγίου – πίσω όψη: Πρόσοψη είναι η πλευρά υψηλής πίεσης, το επίπεδο της οποίας είναι παράλληλο προς την επιφάνεια του νερού εναντίον του οποίου κινείται. Η πίσω όψη είναι η πλευρά χαμηλής πίεσης.

Ρίζα πτερυγίου – κορυφή πτερυγίου: Η ρίζα πτερυγίου είναι το κοντινότερο σημείο στην πλήμνη. Η κορυφή του είναι η εξωτερική ακμή του πτερυγίου.

Ακμή εισόδου: Είναι η πλευρά του πτερυγίου που εισέρχεται στο νερό και εξυπηρετεί στην περιστροφή της έλικας πρόσω.

Ακμή εξόδου: Είναι η πλευρά που εξέρχεται το νερό.

 

Τα χαρακτηριστικά μεγέθη μίας έλικας είναι:

Η διάμετρός της η οποία είναι ισοδύναμη με εκείνη του κύκλου που περιγράφεται από τα άκρα των πτερυγίων της.

Το βήμα, που εκφράζει τη θεωρητική απόσταση την οποία θα διανύσει η έλικα σε μια πλήρη περιστροφή. Ως μονάδα μέτρησης του βήματος χρησιμοποιείται η ίντσα, η οποία ισοδυναμεί με 2,54 εκατοστά. Έτσι, μια έλικα με βήμα 21 ίντσες, σημαίνει ότι σε μία πλήρη περιστροφή της θα διανύσει απόσταση: 21 x 2,54=53,34 εκατοστά.

Το πλήθος των πτερυγίων που συντελεί στο μέγεθος της συνολικής επιφάνειας της έλικας που βρίσκεται μέσα στο νερό.

Κλίση (Rake), είναι η γωνία που σχηματίζει το πτερύγιο με τον άξονα της προπέλας και εκφράζεται σε μοίρες. Όταν το πτερύγιο είναι κάθετα τοποθετημένο επάνω στον κορμό, τότε η κλίση είναι 0°. Όσο το πτερύγιο κλίνει προς τα πίσω, η γωνία που σχηματίζεται από τις δύο νοητές ευθείες –αυτή που είναι κάθετη στον κορμό και η άλλη που ακολουθεί το επίπεδο του πτερυγίου- αυξάνει, μεγαλώνοντας και το rake.

 

Η φορά της προπέλας

Οι προπέλες χαρακτηρίζονται ως δεξιόστροφες (right handed ή Clockwise) όταν στρέφονται κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού και ως αριστερόστροφες (left handed ή anti-clockwise) όταν στρέφονται αντίθετα από τη φορά των δεικτών του ρολογιού. Η φορά χαρακτηρίζεται παρατηρώντας τους ελικοφόρους άξονες από την πρύμνη.

 

Eίδη ελίκων

 

Έλικες σταθερού βήματος

Χωρίς να έχουν να επιδείξουν κάποια καινοτομία, πρόκειται για προπέλες των οποίων το βήμα είναι σταθερό.

 

 

 

 

Έλικες μεταβαλλόμενου βήματος

Πρόκειται για έλικες απόλυτα υδροδυναμικές. Στα σκάφη αγωνιστικού τύπου είναι δίφτερες, ενώ στα σκάφη κρουαζιέρας είναι συνήθως τρίφτερες, με πλεονέκτημα την ιδανική απόδοση και μειονέκτημα την υψηλή τιμή της αγοράς.

 

Όσον αφορά το τεχνικό μέρος, πρόκειται για μια διαδικασία μεταβολής της γωνίας τοποθέτησης των πτερυγίων, η οποία πραγματοποιείται με μηχανισμό και έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή του βήματος και κατ’ επέκταση την ιδανική προσαρμογή στις εκάστοτε απαιτήσεις και τον βελτιωμένο βαθμό απόδοσης. Έλικες παρόμοιου είδους χρησιμοποιούνται συνήθως σε ιστιοπλοϊκά σκάφη, ρυμουλκά και μεγάλου εκτοπίσματος πλοία.

 

Έλικες επιφανείας

Έχοντας ως κυρίαρχο χαρακτηριστικό τις επιδόσεις, οι προπέλες επιφανείας, όπως προκύπτει από την ονομασία τους, είναι σχεδιασμένες ώστε να λειτουργούν στην επιφάνεια του νερού, με τα πτερύγια να περιστρέφονται τόσο μέσα στο νερό όσο και έξω από αυτό κατά το ήμισυ.

 

Οι προπέλες επιφανείας διαθέτουν μεγάλη κλίση πτερυγίου, το επονομαζόμενο ως «rake».

Η υψηλότερη κλίση γενικά βελτιώνει την ικανότητα της προπέλας να λειτουργήσει σε καταστάσεις σπηλαίωσης ή αερισμού, όπως όταν τα πτερύγια βγαίνουν στην επιφάνεια του νερού. Τα πλεονεκτήματα των ελίκων με μεγάλο rake ωστόσο αναδεικνύονται σε ελαφρά και γρήγορα σκάφη αφού, συν τοις άλλοις, κρατείται ψηλά η πλώρη του σκάφους, με επακόλουθο να μειώνονται οι τριβές από την πλαγιολίσθηση.

 

Έλικες αντιθέτου περιστροφής

Μεγάλη επιτυχία γνώρισε η εφαρμογή δύο ελίκων αντιθέτου περιστροφής στην ίδια προπελοφόρο μονάδα, με πρώτη εφαρμογή το έτος 1980 στους κινητήρες Volvo Penta, οι οποίες, ενώ αρχικά αντιμετώπισαν οξεία κριτική, εφαρμόστηκαν στη συνέχεια από την Mercruiser. Με την εφαρμογή ελίκων αντιθέτου περιστροφής οι επιδόσεις βελτιώνονται, προσφέροντας καλύτερη συμπεριφορά κυρίως στην εκκίνηση και το πλανάρισμα.

 

Η συνηθέστερη διάταξη των ελίκων αντίθετης περιστροφής αφορά την τοποθέτησή τους στο πίσω τμήμα της προπελοφόρου μονάδας. Τα τελευταία χρόνια όμως εφαρμόζεται η τοποθέτησή τους στο εμπρόσθιο τμήμα της προπελοφόρου μονάδας, με πολύ καλά μάλιστα αποτελέσματα ώσης.

 

Αναδιπλούμενες έλικες

Οι συγκεκριμένες έλικες διαθέτουν αναδιπλούμενα πτερύγια, η αρχή λειτουργίας των οποίων βασίζεται στη φυγόκεντρο δύναμη εξαιτίας της οποίας ανοίγουν. Το πλεονέκτημά τους έγκειται στις ελάχιστες αντιστάσεις κατά την κίνηση του σκάφους.

 

Υλικά κατασκευής ελίκων

Οι προπέλες κατασκευάζονται από διάφορα υλικά. Τα πιο διαδεδομένα από αυτά είναι ο μπρούτζος και το αλουμίνιο, αλλά και ο χάλυβας, όπως και τα κράματά τους.

Μπρούτζινες έλικες

Οι μπρούτζινες προπέλες είναι ανθεκτικές και αποδοτικές ενώ χρησιμοποιούνται στα μεγάλα μηχανοκίνητα σκάφη αναψυχής και στα επαγγελματικά σκάφη με εσωλέμβιους κινητήρες και αξονικά συστήματα πρόωσης.

Έλικες αλουμινίου

Οι προπέλες από αλουμίνιο είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες στο χώρο των ταχύπλοων σκαφών αναψυχής. Στα κύρια χαρακτηριστικά τους συγκαταλέγεται η ανθεκτικότητά τους ενώ κοστίζουν φθηνά, αποδίδουν ικανοποιητικά, δεν διαβρώνονται εύκολα και επισκευάζονται εύκολα και οικονομικά. Το μειονέκτημα τους έγκειται στην αυξημένη παραμόρφωση που παρουσιάζουν στις υψηλές στροφές, που έχει ως αποτέλεσμα την απώλεια κάποιου έργου.

Έλικες από χάλυβα

Ο ανοξείδωτος χάλυβας αποτελεί το σκληρότερο και ανθεκτικότερο υλικό που χρησιμοποιείται για την κατασκευή προπελών. Συγκριτικά με το αλουμίνιο είναι πιο στιλπνός και σχεδόν πέντε φορές πιο γερός με επακόλουθο την μεγαλύτερη αντίσταση στα συνήθη χτυπήματα.

 

Η δύναμή του εξυπηρετεί στην παρατεταμένη χρήση, με την προπέλα να παραμένει άκαμπτη χωρίς να μειώνεται η απόδοσή της, όπως συμβαίνει συνήθως με τις προπέλες αλουμινίου, οι οποίες μετά από κάποια ώρα χρήσης παρουσιάζουν απώλειες. Όσο για τα πτερύγια, εξαιτίας των ιδιοτήτων του υλικού αυτά μπορούν γίνουν λεπτότερα από τα αλουμινένια για μεγαλύτερη απόδοση.

 

Σε επίπεδο αντοχής, οι ατσάλινες προπέλες είναι πολύ πιο ανθεκτικές στη διάβρωση ενώ η επισκευή τους είναι αρκετά εύκολη, αλλά στοιχίζει πιο ακριβά από αυτές του αλουμινίου. Τέλος, σχετικά με το φλέγον θέμα των επιδόσεων, ενώ οι προπέλες αλουμινίου δεν είναι σχεδιασμένες για συγκεκριμένους τύπους σκαφών, οι ανοξείδωτες είναι ιδιαίτερα στοχευμένες, επιτρέποντας να επιλέξει κανείς ακριβώς τις επιδόσεις που επιθυμεί.

 

Έλικες από πλαστικό

Αποτελούν μια καλή λύση ως εφεδρικές γιατί είναι ελαφριές και φθηνές ενώ δεν διαβρώνονται και μπορούν να αποθηκευτούν εύκολα.

 

Αριθμός πτερυγίων

Θεωρητικά, μια μονόφτερη προπέλα θα μπορούσε να είναι η πλέον αποδοτική, αν μπορούσε να λυθεί το θέμα των έντονων κραδασμών. Για να επιτευχθεί ένα αποδεκτό επίπεδο κραδασμών ως λύση μπορεί να θεωρηθεί μια προπέλα με δύο πτερύγια. Με την πρόσθεση πτερυγίων, μπορεί να μειώνεται η απόδοση , βελτιώνεται όμως η γεωμετρία και η συμπεριφορά της έλικας και μειώνονται οι κραδασμοί.

 

Οι περισσότερες προπέλες κατασκευάζονται με τρία πτερύγια, συμβιβάζοντας τους κραδασμούς, το μέγεθος, την απόδοση και το κόστος. Η διαφορά στην απόδοση μεταξύ μιας δίφτερης και μιας τρίφτερης προπέλας θεωρείται λιγότερο σημαντική από την διαφορά στο επίπεδο κραδασμών.

 

Οι τρίφτερες προπέλες είναι οι πιο διαδεδομένες και χαρακτηρίζονται από καλές επιδόσεις. Σε ομαλές συνθήκες διατηρούν καλά την ισχύ ενώ προσφέρουν υψηλές τελικές ταχύτητες.

 

Οι τετράφτερες έλικες εξασφαλίζουν γρηγορότερο πλανάρισμα ενώ προσφέρουν σταθερότητα στο σκάφος σε χαμηλότερες ταχύτητες και βελτιωμένη ταχύτητα στις μεσαίες στροφές διατηρώντας ίδιες στροφές λειτουργίας με τις τρίφτερες. Επίσης, προσφέρουν καλύτερο χειρισμό σε χαμηλές ταχύτητες και πιο ομαλή πλεύση από τις τρίφτερες.

 

Τέλος, οι πεντάφτερες προπέλες προσφέρουν πιο γρήγορο πλανάρισμα, πολύ ομαλή πλεύση και καλύτερη επιτάχυνση.

 

Σπηλαίωση

 

Σπηλαίωση χαρακτηρίζεται το φαινόμενο κατά το οποίο σχηματίζονται κενοί χώροι κοντά στα πτερύγια της έλικας, διακόπτοντας τη συνεχή ροή του νερού σε αυτήν. Ως εκ τούτου τα πτερύγια δεν λειτουργούν σε μια συμπαγή μάζα νερού αλλά σε ένα αφρώδες μίγμα μικρότερης πυκνότητας με επακόλουθο την αύξηση της ολίσθησης και την μείωση της απόδοσης της προπέλας.

 

Συνήθως, στις περιπτώσεις σπηλαιώσεως, δεν δημιουργείται η ανάλογη αύξηση της ώσης σε σημαντική αύξηση του ανά λεπτό αριθμού στροφών της έλικας και ταυτόχρονα παρατηρείται μείωση στην απόδοση.

 

Η σπηλαίωση παρουσιάζεται όταν οι προπέλες στρέφονται με μεγαλύτερη ταχύτητα από την κανονική, ή όταν τα πτερύγια είναι πιο στενά από το απαιτούμενο πλάτος, οπότε προκύπτει μια ανεπαρκής επιφάνεια. Σπηλαίωση παρουσιάζεται ωστόσο και στην περίπτωση που οι προπέλες δεν είναι τοποθετημένες σωστά, με αποτέλεσμα την μη ομαλή του νερού προς και από τα πτερύγια, ακόμα και αν ή επιφάνειά τους είναι στα σωστά όρια. Επίσης, αν η άκρη των πτερυγίων βρίσκεται πολύ κοντά στην επιφάνεια του νερού, μπορεί αυτά να «τραβήξουν» αέρα με αποτέλεσμα, εκτός από την κακή απόδοση να παρουσιαστεί και το φαινόμενο της σπηλαίωσης.

 

Η σπηλαίωση επηρεάζεται από τους παρακάτω παράγοντες:

 

– Σχήμα διατομής πτερυγίου, που επηρεάζει την κατανομή ταχύτητας και πιέσεως γύρω από αυτό.

– Βάθος λειτουργίας της έλικας: Η αύξηση λειτουργίας του βάθους στο οποίο λειτουργεί η έλικα επιφέρει αύξηση της πιέσεως του περιβάλλοντος, επομένως μειώνει τις συνθήκες εμφανίσεως της σπηλαίωσης.

– Ταχύτητα πτερυγίου: Η υψηλή ταχύτητα, η οποία προκαλείται από τον μεγάλο αριθμό στροφών σε συνδυασμό με την ακτίνα περιφοράς, ευνοεί τη σπηλαίωση.

– Η αύξηση της αναπτυγμένης επιφάνειας προκαλεί δυσμενείς συνθήκες σπηλαιώσεως.

Συνήθως η σπηλαίωση εμφανίζεται στα άκρα των πτερυγίων, ενώ μερικές φορές έχουμε σπηλαίωση κοντά στη ρίζα των πτερυγίων.

 

Του Αιμίλιου Χατζηδάκη

in.gr

ΣΧΟΛΙΑΣΤΕ ΤΟ ΑΡΘΡΟ

Your email address will not be published. Required fields are marked as *

*


Σχετικές ειδήσεις