Co to jest urządzenie oszczędzające energię śmigła?

A urządzenie oszczędzające energię śmigła (ESD) jest pomocniczy element hydrodynamiczny instalowany w pobliżu śruby napędowej statku — przed, za lub bezpośrednio na nim — poprawiające efektywność napędu poprzez optymalizację rozkładu przepływu wody, zmniejszenie strat energii obrotowej w śladzie śmigła lub odzyskiwanie energii, która w przeciwnym razie zostałaby rozproszona w postaci turbulencji. Urządzenia te nie zastępują śmigła; współpracują z nim, aby wydobyć większy ciąg z tej samej mocy wału, zmniejszając w ten sposób zużycie paliwa i emisję spalin bez zmiany silnika głównego lub samego śmigła.

Na dużych statkach handlowych, takich jak tankowce, masowce i kontenerowce, można zastosować dobrze dobrane urządzenia oszczędzające energię oszczędność paliwa od 3 do 10% , co przekłada się na miliony dolarów w całym okresie eksploatacji statku. Biorąc pod uwagę presję regulacyjną związaną z wymaganiami Międzynarodowej Organizacji Morskiej (IMO) dotyczącymi wskaźnika efektywności energetycznej istniejących statków (EEXI) i wskaźnika intensywności emisji dwutlenku węgla (CII), ESD stały się jednym z najbardziej opłacalnych narzędzi zapewniania zgodności dostępnych dla armatorów.

Dlaczego istnieją straty wywołane śmigłem — i jak rozwiązują je wyładowania elektrostatyczne

Konwencjonalne śmigło nadaje wypartej wodzie prędkość osiową (pchanie do przodu) i obrotową (wirowanie). Element obrotowy — „obrót strumienia powietrza” za śmigłem — reprezentuje energię, która została zużyta przez silnik, ale nie przyczyniła się do wytworzenia ciągu do przodu. Jest po prostu tracona jako wirująca turbulencja w śladzie śmigła. Dodatkowo nierównomierny rozkład prędkości śladu statku wchodzącego do tarczy śruby napędowej powoduje wahania ciśnienia, które zmniejszają wydajność i przyczyniają się do kawitacji.

Urządzenia oszczędzające energię eliminują te straty za pomocą trzech mechanizmów:

• Wstępne kondycjonowanie przepływu: Urządzenia zawirowania wstępnego zainstalowane przed śrubą napędową obracają napływającą wodę w kierunku przeciwnym do obrotu śruby, skutecznie zwiększając względny kąt natarcia każdej łopaty i poprawiając generowanie ciągu na obrót.
• Odzysk energii po przebudzeniu: Urządzenia post-zawirowe (żarówki steru, żebra pokrywy śruby napędowej) odzyskują energię obrotową ze strumienia powietrza śruby napędowej, przekształcając wirujący ślad w dodatkowy ciąg do przodu przez nieruchome żebra lub powierzchnie prowadzące.
• Wyrównanie budzenia: Żebra stojana lub kanały wyrównujące kilwater redystrybuują nierównomierne pole prędkości wchodzące do tarczy śmigła, redukując zmienne obciążenia łopatek i kawitację, które pogarszają zarówno wydajność, jak i żywotność łopatek.

Główne typy urządzeń oszczędzających energię śmigła

Stojan zawirowania wstępnego (PSS)

Stojan zawirowania wstępnego to zestaw stałych żeberek zamontowanych na piastie rufowej lub piasty wału napędowego przed śrubą napędową. Żebra są ustawione pod kątem, aby nadać wodzie wpływającej do tarczy śmigła przeciwbieżny wir, zwiększając efektywny kąt padania wody na łopaty śmigła i poprawiając siłę ciągu. Typowe oszczędności paliwa to 3 do 6% na naczyniach jednoślimakowych. PSS jest jednym z najczęściej instalowanych typów ESD ze względu na swoją prostotę konstrukcyjną i niezawodne działanie w szerokim zakresie ciągów roboczych i prędkości.

Kanał wyrównujący budzenie (ŚR)

Kanał wyrównujący kilwater to częściowy lub pełny kanał pierścieniowy zamontowany przed śrubą napędową w nierównomiernym obszarze kilwateru statku. Kanał przyspiesza wolno płynącą wodę z górnego obszaru śladu i zwalnia szybciej poruszającą się wodę dolną, wyrównując rozkład prędkości na tarczy śmigła. Zmniejsza to kawitację, wibracje i hałas, jednocześnie poprawiając wydajność napędu 3 do 5% . WED są szczególnie skuteczne na statkach pełnowymiarowych (zbiornikowce, masowce) o małych prędkościach projektowych i silnie niejednorodnych śladach.

Płetwy pokrywy śmigła (kołpak piasty oporowej)

Żebra kołpaka śmigła zastępują konwencjonalny kołpak piasty śmigła zespołem posiadającym stałe żebra, które przekierowują wir w piaście — skoncentrowany przepływ wirujący, który tworzy się za piastą śmigła i reprezentuje czystą stratę energii. Rozbijając ten wir i odzyskując jego energię obrotową jako dodatkowy ciąg, urządzenia z kołpakiem żebrowym osiągają oszczędności paliwa wynoszące 1 do 4% przy minimalnych modyfikacjach konstrukcyjnych. Są to jedne z najłatwiejszych w modernizacji typów ESD, ponieważ wymagają jedynie wymiany istniejącej pokrywy śmigła.

Żarówka i płetwy steru

Głowica steru — opływowa elipsoida zamontowana na krawędzi natarcia steru na wysokości środkowej śruby — wygładza przepływ z wiru piasty śruby napędowej nad powierzchnią steru, zmniejszając opór. W połączeniu ze skręconymi płetwami steru urządzenie odzyskuje również energię rotacyjną. Ten połączony system zapewnia oszczędność paliwa wynoszącą 4 do 6% i ma dodatkową zaletę polegającą na poprawie siły podnoszenia steru, co może zmniejszyć wymagania dotyczące powierzchni steru lub poprawić zwrotność.

Płetwy nasadki śmigła z kombinacją wstępnego zawirowania

Wiele nowoczesnych instalacji ESD łączy w sobie wiele urządzeń — na przykład stojan zawirowania wstępnego przed śmigłem w połączeniu z żebrem kołpakowym za nim — aby jednocześnie zadbać zarówno o jakość przychodzącego przepływu, jak i odzysk energii wzbudzenia. Połączone instalacje mogą osiągnąć całkowite oszczędności paliwa wynoszące 5 do 10% , z konkretną kombinacją wybraną na podstawie analizy obliczeniowej dynamiki płynów (CFD) dla każdej indywidualnej konfiguracji kadłuba i śmigła.

Rodzaje ESD, pozycje i typowe oszczędności paliwa

Które statki najbardziej korzystają z urządzeń oszczędzających energię

Korzyści z oszczędzania energii ESD nie jest jednakowy dla wszystkich typów statków – zależy od kształtu kadłuba, prędkości projektowej, obciążenia śruby napędowej i charakterystyki kilwateru. Największe zyski osiąga się zazwyczaj w przypadku:

• Duże tankowce i masowce (VLCC, Capesize): Ich pełnoformatowe kadłuby wytwarzają silnie niejednorodne, wolno poruszające się ślady z dużymi stratami energii obrotowej – na warunki te najskuteczniej radzą sobie urządzenia ESD.
• Kontenerowce i duże statki towarowe: Wysokie poziomy mocy na wale oznaczają, że nawet poprawa wydajności o 3–5% oznacza bardzo duże bezwzględne oszczędności paliwa – zachęta komercyjna jest silna.
• Statki pływające ze stałą prędkością projektową podczas długich rejsów: Urządzenia ESD są zoptymalizowane pod kątem określonej prędkości i zanurzenia — statki, które działają konsekwentnie w pobliżu punktu projektowego, osiągają pełne korzyści znamionowe, w przeciwieństwie do statków o bardzo zmiennych profilach prędkości.