TENDINŢE ACTUALE ÎN PROPULSIA NAVELOR MODERNE. PERFORMANŢE ALE SISTEMELOR DE PROPULSIE

TIP POD’S ŞI AZIPOD

Mihaela AMORĂRIŢEI

Universitatea “ Dunarea de Jos ” din Galaţi

Abstract The paper presents aspects and trends in ship propulsion. Two propulsion system shave been reviewed: pod-propulsion and azimuthing thrusters. Pod – propulsion is an industry standard today in passenger cruise and has been applied also for product tankers, icebreakers and offshore vessels. Space saving is obvious, big propulsion motors are moved from the tank top outside the ship. An azimuthing thruster replaces a conventional propulsion and rudder steering system, which perform both the propulsion and steering function. Cuvinte cheie: propulsia navelor moderne, Sisteme de propulsie Pod’s, Sisteme de propulsie Azipod

1. Introducere Dezvoltarea construcţiilor navale este strâns

legată de evoluţia şi perfecţionarea sistemelor de propulsie.

Un sistem naval de propulsie realizeazăconversia unei forme primare de energie în energie mecanică, energie care se transmite propulsorului în vederea învingerii rezistentei la înaintare a navei şideplasării acesteia pe drumul dorit, cu viteza impusă.Din punct de vedere energetic, o instalaţie navală depropulsie este alcătuită din sursa de energie: maşina principală de propulsie şi consumatorul de energie: propulsorul. Dintre propulsoarele navale, elicea răspunde cel mai bine tehnicii navale actuale, ea fiind cel mai utilizat şi în general cel mai eficient propulsor naval [1] .

Sistemul naval de propulsie are un rol determinant în realizarea unei nave econome şiperformere. Aprecierea eficienţei unei nave se face ţinând cont de criterii economice, criterii de siguranţă funcţională, criterii de confort pentru echipaj şi pasageri, etc.

Analiza sistemului navă – maşină principală depropulsie – propulsor trebuie realizată în fazele iniţiale de proiectare, tipul de sistem de propulsie utilizat trebuie ales foarte devreme în procesul de proiectare a unei nave, el având un impact puternic asupra proiectării navei însăşi.

Alegerea instalaţiei de propulsie a navei presupune integrarea unui număr mare de elemente într-un spaţiu funcţional, presupune selectarea componentelor (a maşinii principale de propulsie, a transmisiei şi a propulsorului), ajustarea acestora prin constrângerile impuse de celelalte elemente, aranjarea lor astfel încât să se obţină performanţele sistemului cerute, o configuraţie satisfăcătoare şi unpreţ de cost acceptabil [2].

Alegerea sistemului de propulsie trebuie săreflecte profilul de operare al navei, analizând în acelaşi timp performanţele tehnice şi economice ale instalaţiei navale de propulsie, în vederea reducerii costului specific al transportului şi măririi siguranţei în exploatare.

Parametrii de care trebuie ţinut cont la alegerea unui sistem de propulsie sunt:

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV Catedra Design de Produs şi Robotică

Simpozionul naţional cu participare internaţionalăPRoiectarea ASIstată de Calculator

P R A S I C ' 02 Vol. I – Mecanisme şi Tribologie 7-8 Noiembrie ■ Braşov, România

ISBN 973-635-064-9

• Costul investiţiei iniţiale • Costul specific al transportului care depinde de

consumul specific de combustibil cât şi de numărul şi nivelul de retribuire al echipajului care deserveşte instalaţia de propulsie.

• Eficienţa propulsiei • Spaţiul aferent sistemului de propulsie • Siguranţa mare în exploatare şi accesibilitatea

pentru control în timpul funcţionării. Alegerea unui sistem naval de propulsie

presupune: determinarea puterii necesare la bordul navei astfel încât să se realizeze viteza dorită,alegerea tipului de instalaţie de propulsie, alegerea maşinii principale de propulsie şi a propulsorului, precum şi amplasarea instalaţiei de propulsie la bordul navei.

Un sistem naval de propulsie are efect direct asupra greutăţii, mărimii, vitezei, manevrabilităţii şiamenajărilor unei nave, un criteriu esenţial în alegerea acestuia fiind legat de cerinţele de spaţiu şiamenajare.

Sistemele de propulsie convenţionale alcătuite din maşina principală de propulsie, transmisie ( linie de axe) şi elice nu reuşesc întotdeauna săîndeplinească toate condiţiile cu privire la flexibilitate, manevrabilitate şi cerinţele de spaţiu impuse unui sistem naval de propulsie modern.

Impunerea unor reguli noi, stricte în construcţiile navale şi în navigaţie au determinat apariţia unor noi echipamente navale, a unor noi sisteme de propulsie care au modificat amenajările navei din considerente economice şi de eficienţă.

Volumul util comparat cu volumul total al navei constituie un bun indicator economic care permite analiza veniturilor şi cheltuielilor de construcţie şiexploatare ale navei.

De exemplu, în urma analizei în ceea ce priveşte utilizarea spaţiului la bordul unor nave de pasageri construite în ultimii 50 de ani, raportul dintre volumul destinat instalaţiei de propulsie şi volumul total al navei variază în jurul valorii medii de 11.3%, ( între 8% şi 17.5%, ajungând în mod excepţional la 22% [3] ).

O alternativă în sensul reducerii spaţiului ocupat la bordul navei de sistemul de propulsie constă în folosirea sistemele de propulsie tip POD’S şiAZIPOD.

Prezenta lucrare îşi propune să facă un studiu al caracteristicilor tehnice şi al performanţelor sistemelor de propulsie tip POD’S şi AZIPOD. Lucrarea realizează o trecere în revistă aprincipalelor avantaje şi dezavantaje ale acestor noi sisteme de propulsie comparativ cu sistemele clasice de propulsie cu linii de arbori, conform datelor prezentate în literatura de tehnică de specialitate. De asemenea au fost consultate o serie de site-uri pe

internet. Sistemele de propulsie tip POD şi AZIPOD au

avut un impact major asupra construcţiilor navale în ultimii ani fiind utilizate cu succes la nave de croazieră, spărgătoare de gheaţă, tancuri, port-containere, nave care deservesc sistemele off-shore, etc.

2. Sisteme de propulsie tip POD şi AZIPOD.

Avantaje şi dezavantaje în raport cu sistemele de propulsie convenţionale.

O alternativă în vederea reducerii spaţiului

ocupat la bordul navei de instalaţia de propulsie o reprezintă utilizarea unui sistem la care transmiterea momentului de rotaţie de la maşina principală depropulsie la propulsor să se face printr-o transmisie mecanică în L sau în Z. Din păcate, o astfel de transmisie mecanică limitează puterea ce se poate transmite propulsorului de tip elice iar pierderile mecanice sunt semnificative [4].

Un sistem de propulsie care foloseşte între maşina principală de propulsie şi elice o transmisie în Z sau în L şi care poate realiza şi manevrarea navei prin rotirea propulsorului este cunoscut sub denumirea de propulsor azimutal “ steerable thruster unit ”.

Propulsoarele azimutale realizează împingere maximă în orice direcţie, indiferent de viteza navei, această împingere îşi poate modifica direcţia funcţie de necesităţile manevrării navei. Elicele propulsoarelor azimutale nu funcţionează doar în curent axial, ci şi în curent oblic , asigurând navei o capacitate manevrieră deosebită chiar şi la viteze mici ale navei, acolo unde sistemele clasice cu cârma au performanţe slabe.

Fig.1 Sistem de propulsie azimutal cu elice contrarotative

În fig.1 este prezentat un propulsor azimutal cu elice contrarotative, sistem de propulsie care îmbinădouă idei: ideea elicelor contrarotative de a împărţiputerea de propulsie pe două discuri active fărăpierderile de randament ale corpului care apar la o navă convenţională cu două elice, cu ideea sistemului azimutal care inovează puternic atât mane-vrabilitatea cât şi compartimentarea navei prin micşorarea substanţială a compartimentului de maşini.

Există o variantă de propulsoare azimutale retractabile, care în poziţie normală de funcţionare pot dezvolta împingere maximă în orice direcţie, propulsorul având capacitatea de a se roti cu 360 o.Elicea amplasată într-o duză Kort, poate fi retrasăîntr-un tunel amplasat în corpul navei, propulsorul acţionând în această poziţie ca un propulsor transversal – Bowthruster [5].

Propulsorul azimutal (orientabil) este considerat ca fiind cel mai răspândit şi mai “bătrân” produs din categoria sistemelor de propulsie şi guvernare [6]dar care se caracterizează prin puteri mici.

Un concept distinct, nou îl constituie sistemul de propulsie tip AZIPOD, care a lărgit gama de puteri utilizate.

Neajunsuri transmisiei în Z şi L legate de limitarea puterii transmise propulsorului şi depierderile mecanice pot fi evitate prin montarea unui motor electric într-un corp hidrodinamic ( bulb “pod” ) plasat sub navă. Aici, energia electricăprodusă la bordul navei este transferată motorului electric de curent alternativ care transmite direct momentul de rotaţie propulsorului de tip elice [4].

Astfel, în industria construcţiilor navale a apărut un sistem de propulsie revoluţionar cunoscut sub numele “ PODs” “podded drive” în care linia de arbori a fost înlocuită cu o unitate de propulsie compactă, amplasată într-un bulb cu forme hidrodinamice, sub navă.

Aceste unităţi de propulsie compacte prezintă oserie de avantaje legate de spaţiul mic ocupat de sistem la bordul navei, flexibilitatea propulsiei diesel electrice, posibilitatea controlului continuu a vitezei, uşoara reversibilitate.

Un sistem modern de propulsie care reuşeşte săîndeplinească cu succes cerinţele cu privire la flexibilitate, spaţiu minim ocupat şi care oferă în plus navei o capacitate manevrieră deosebită, îl constituie sistemul de propulsie AZIPOD ( Azimuthing Podded Drive ).

Sistemul de propulsie este înglobat într-un modul hidrodinamic optimizat amplasat sub carena navei care are posibilitatea de a se roti la 360o.Motorul electric de curent alternativ de mare putere este amplasat în acest modul şi transmite direct mişcarea de rotaţie la una sau doua elice. Acest

sistem înlocuieşte sistemele clasice de propulsie şiguvernare, asigurând atât propulsia navei cât şimanevrarea acesteia.

Fig.2 Sistem de propulsie AZIPOD [10]

Sistemele de propulsie tip POD şi AZIPOD

combină avantajele diferitelor tipuri sisteme de propulsie:

• Elimină componentele clasice ale unei instalaţii de propulsie: linii de arbori lungi, reductor, elice cu pas reglabil, etc.

• Reducerea spaţiului ocupat de instalaţia de propulsie la bordul navei, reducerea spaţiului ocupat de compartimentul de maşini în favoarea spaţiilor pentru marfă sau pasageri,

• Reducerea nivelului de zgomote şi vibraţii • Siguranţă în exploatare • Consum redus de combustibil, cost redus al

operaţiilor de întreţinere • Construcţie simplă şi solidă, montaj simplu.

Sistemele de propulsie tip AZIPOD prezintă în plus o serie de avantaje legate de buna manevrabilitate a navei:

• Asigură atât propulsia cât şi guvernarea navei, • Asigură navei o capacitate manevrieră deosebită

în condiţii de mare rea precum şi la viteze mici ale navei, acolo unde sistemele clasice cu cârmă au eficienţă scăzută,

• Elimină componentele clasice ale unei instalaţii de guvernare: cârmă, maşină de cârmă, bowthruster, etc.

Principalul dezavantaj al acestor sisteme de propulsie îl constituie preţul ridicat.

În ceea ce privesc cerinţe de spaţiu şiamenajare sistemele de propulsie tip POD şiAZIPOD sunt unităţi de propulsie compacte care prezintă o serie de avantaje legate de spaţiul mic ocupat de sistem la bordul navei.

Motorul electric este amplasat în afara corpului navei, ceea ce elimină necesitatea liniilor de arbori lungi, spaţiul adiţional aferent instalaţiei de

propulsie fiind substanţial redus. Motorul electric este amplasat în bulb, în linie cu propulsorul de tip elice, ceea ce reduce problemele specifice unei linii de arbori convenţionale legate de lagăre, pierderi mecanice, etc.

În general la o navă cu sistem de propulsie clasic, lungimea liniei de arbori depinde de poziţionarea maşinii principale de propulsie ţinând cont de pescajul navei şi de unghiul de asietă a navei goale.

Amplasarea maşinii principale de propulsie este definită de poziţia coşului de fum şi a pereţilor structurali.

La navele la care valorile pescajului şi ale unghiului de asietă pot fi ajustate cu ajutorul balastului, este posibilă montarea motorului cât mai în pupa navei, lungimea liniei de arbori fiind mică.Încercarea de a scurta lungimea liniei de arbori duce la scăderea costului acesteia, dat în acelaşi timp determină creşterea unghiului de înclinare a liniei de arbori, determinând înclinarea planului discului elicei cu un unghi nefavorabil din punct de vedere hidrodinamic. În acest caz elicea funcţionează în curent oblic, fenomen care este însoţit de apariţia unor forţe hidrodinamice pe pală, variabile în timp odată cu rotirea ei. Aceste componente nestaţionare care solicită pala sunt preluate de linia de arbori şisunt cunoscute sub denumirea de forţe de lagăr. Trebuie precizat că fluctuaţiile de împingere şimoment, precum şi excentricitatea împingerii devin tot mai mari odată cu creşterea unghiului de înclinare, cu efect nefavorabil în ceea ce priveşte nivelul de zgomote şi vibraţii.

După stabilirea poziţiei maşinii principale de propulsie, restul compartimentului de maşini se construieşte în jurul acesteia.

În cazul alegerii unui sistem de propulsie tip POD, problema poziţionării motoarelor de propulsie şi a liniei de arbori nu există, se reduce substanţial spaţiul ocupat la bordul navei de compartimentul de maşini în favoarea spaţiului util ocupat de mărfuri sau pasageri. Libertatea de a amplasa componentele instalaţiei de propulsie reduce cheltuielile de proiectare şi costurile de construcţie.

Utilizarea unui sistem de propulsie POD şi aunei instalaţii de propulsie combinate CODES ( combinaţie motor diesel şi turbină cu aburi) la o navă de croazieră de tip Panamax de 80.000 TR (fig.3) a permis adăugarea a încă 100 cabine pentru pasageri, comparativ cu aceeaşi navă dotată cu sistem de propulsie convenţional (diesel electric) [3].

Lungimea magaziilor pentru marfă a crescut până la 61% Lpp în cazul utilizării sistemului de propulsie POD comparativ cu 48% în cazul propulsiei Diesel cu transmisie mecanică şi 56% în cazul propulsiei diesel electrice [7].

Fig.3 Amplasarea unui sistem de propulsie

PODs în pupa navei [3], În cazul sistemelor POD, spaţiul ocupat de

instalaţia de propulsie este situat deasupra sistemului, pe verticală. Prin eliminarea instalaţiei de guvernare cu cârmă se eliberează compartimentul maşinii de cârmă, locul acesteia fiind luat de dispozitive de rotire, răcire, alimentare cu putere a sistemului de propulsie Pod, etc. Spaţiul ocupat de aceste dispozitive în raport cu maşina cârmei este dublu [8].

În ceea ce priveşte greutatea instalaţiei de propulsie, prin înlocuirea sistemului de propulsie convenţional diesel electric cu sisteme AZIPOD la navele de croazieră Fantasy [ 8 ] s-au câştigat 9.8 – 16.5 t/MW în condiţiile menţinerii acelaşi tip de generator (greutatea generatorului depinde de turaţie).

Folosirea sistemelor de propulsie POD conduce la creşterea eficienţei propulsiei cu cca. 8 -10 %, acest coeficient putând fi mărit printr-o optimizare corespunzătoare a formelor corpului navei.

Prin utilizarea sistemelor de propulsie POD la navele de croazieră linia Elation s-a constatat o creştere a eficienţei propulsiei cu 8% ceea ce a condus la o economie de combustibil de cca. 40t / săptămână [9], iar câstigul de spaţiu util a fost de cca. 100t.

Avantajele hidrodinamice sunt obţinute din aşezarea elicei propulsorului în raport cu unghiul de

atac. Poziţia ( în plan orizontal şi vertical) şi unghiul de amplasare a unităţii de propulsie pot fi alese astfel încât să obţinem o distribuţie optimă acâmpului de viteze în discul propulsorului.

Dispunerea elicei într-un curent favorabil, duce la creşterea eficienţei propulsorului şi are efecte pozitive asupra fluctuaţiilor forţelor nestaţionare induse de funcţionarea propulsorului, a pulsaţiilor de presiune pe bolta pupa.

Acest lucru conduce la reducerea nivelului de zgomote şi vibraţii induse de funcţionarea propulsorului, asigurând un confort sporit la bordul navei pentru echipaj şi pasageri, din acest punct de vedere sistemul de propulsie POD având avantaje certe în raport cu sistemele clasice de propulsie cu linie de arbori.

Fig.4 Amplasarea a două sisteme de propulsie tip AZIPOD în pupa navei [10]

Din punct de vedere al transferului de putere

PD/PB transmisia cu linie de arbori şi sistemul PODs sunt aproximativ egale, (PD – puterea disponibilă la propulsor, PB - puterea utilă transmisă de maşina principală de propulsie).

Sistemele de propulsie tip PODs pot fi prevăzute cu una sau doua elice, elicele pot fi cu sau fără skew.

Aceste sisteme lucrează la turaţii diferite, de aceea sistemele tip pod şi azipod nu necesită elice cu pas reglabil, utilizarea elicelor cu pas fix conducând la o economie substanţială şi la simplificarea construcţiei propulsorului. Elicea poate fi amplasatăfie înainte, fie după bulb.

O navă echipată cu un de sistem de propulsie tip AZIPOD asigură navei o capacitate manevrierădeosebită, nava nu mai necesită instalaţii de guvernare clasice cu cârmă şi instalaţii de guvernare transversale: bowthruster.

Din punct de vedere al manevrabilităţii navei, sistemele de propulsie tip AZIPOD prezintă avantaje certe în raport cu sistemele de propulsie clasice, utilizarea lor creşte capacitatea de manevră a navei, reducând consumul de combustibil. De exemplu, înlocuind la o navă sistemul de propulsie clasic existent cu un sistem de propulsie tip AZIPOD, s-a obţinut o reducere a diametrului de giraţie al navei cu 35%.

Fig.5 Amplasarea a două sisteme de propulsie tip AZIPOD şi a unui sistem POD ( fix )

în pupa navei [10] Marşul înapoi al navei se poate realiza prin

schimbarea sensului de rotaţie a elice sau prin rotirea azipodului. Datorită utilizării motoarelor electrice, schimbarea sensului de rotaţie se face prin schimbarea polarităţii fiind necesare doar 20 secunde pentru trecerea de la marş înainte la marşînapoi a navei.

De asemenea, întregul sistem AZIPOD se poate roti cu 180o in 22.5 secunde [8]

Distanţa de oprire a navei “crash-stop” se reduce la jumătate.

Consorţiul SSP format din firmele Siemens şiSchottel au creat un nou sistem de propulsie azipod cu puteri cuprinse între 5 şi 20 MW pe unitate, care poate fi folosit cu succes pentru orice tip de navă care necesită consum mare de energie electrică şi o manevrabilitate deosebită.

Acest sistem de propulsiei poate funcţiona cu o energie de până la 20Mw pe unitate şi poate fi folosit pentru navele care necesită schimbări frecvente de puteri la elice : navele de croazieră,feriboturile, etc.

Sistemul este prevăzut cu două elice montate pe un arbore comun, amplasate în faţa şi în spatele modului hidrodinamic. Sarcina totală se împarte pe cele două elice care se rotesc în acelaşi sens. Acest lucru face posibilă reducerea diametrului elicelor şi a

dimensiunilor modului hidrodinamic care conţine motorul, cu efect pozitiv în creşterea eficienţei globale a propulsorului (fig.6).

Fig.6 Sistem de propulsie SSP

Pe modulul hidrodinamic sunt montate aripioare care uniformizează curgerea, ele au rolul de a anula componentele tangenţiale ale vitezelor induse de elicea 1 ( elicea amplasată spre prova la marşînainte ).

Sunt evidente avantajele sistemelor de propulsie tip POD şi AZIPOD în ceea ce priveşte eficienţahidrodinamică, folosirea spaţiului la bordul navei, etc.

Principalul dezavantaj al acestor sisteme de propulsie îl constituie preţul ridicat. Comparativ cu o instalaţie de propulsie clasică cu linie de arbori sistemele de propulsie tip PODS şi AZIPOD sunt mult mai scumpe.

Pentru a analiza preţul unui astfel de sistem de propulsie este necesar să se analizeze costurile iniţiale şi costurile de exploatare.

Costurile iniţiale includ cheltuielile materiale, cheltuielile de fabricaţie şi montaj. Un sistem PODs este o unitate de propulsie compactă care are o parte semnificativă din sistemul de propulsie preasamblatăîn el.

Un sistem PODs se caracterizează prin cheltuieli de proiectare şi fabricaţie mai mari decât în cazul instalaţiilor de propulsie clasice cu linii de arbori, în schimb cheltuielile de montaj la navă sunt mai mici.

Un sistem PODs transferă o mare parte din muncă în atelier, fiind cunoscut faptul că activitatea în atelier este mai productivă decât cea desfăşuratăla bordul navei.

În ceea ce privesc cheltuielile de exploatare, datorită sporirii eficienţei propulsiei se poate reduce consumul de combustibil.

3. Concluzii Reducerea spaţiului ocupat de instalaţia de

propulsie la bordul navei prin mutarea motoarelor electrice de puteri mari de pe navă într-un modul amplasat sub navă, simplificarea formelor pupa ale navei, instalarea uşoară fac ca acest sistemele de propulsie tip POD şi AZIPOD să fie utilizate în prezent cu succes la navele de pasageri, tancuri, spărgătoare de gheaţă, etc.

Absenţa liniilor de arbori lungi, a cârmelor şi amaşinilor de cârmă, duc la creşterea volumului util destinat mărfii. Acest sistem de propulsie este potrivit pentru o varietate largă de forme pupa ale corpului navei, uşurând proiectarea extremităţii pupa a corpului navei şi a compartimentului de maşini.

Avantajele prezentate, la care se adaugă sporirea capacităţii manevriere a navei, explică atracţia acestor sisteme de propulsie navale în ciuda costurilor iniţiale ridicate. Este de aşteptat ca prin creşterea productivităţii muncii şi prin sporirea experienţei în domeniu proiectării, construcţiei şimontajului, în viitor, preţul sistemelor de propulsie tip POD şi AZIPOD să scadă şi mai mult ca sigur ele vor marca o etapă importantă în istoria construcţiilor navale din întreaga lume.

Bibliografie

1. Maier V. Mecanica şi construcţia navei.Dinamica navei. vol 2. Ed. Tehnică Bucureşti 1987

2. Editor Roy Harrington Marine Engineering. Newport News Shipbuilding 1992

3. Markku Kanerva, Developments in Passenger Cruise Shipdesigns , report Deltamarine LTD (www. Seacompanion.com)

4. Germanischer Lloyd Advantages of PODs over Conventional Drives. Annual Report 2000 5. Mihaela Amorăriţei Propulsoare navale. Soluţii constructive. Criterii de performanţă. Direcţii de dezvoltare. Referat doctorat 2001. Nepublicat 6. Terwisga T. Quadvlieg F. Steerable Propulsion Units. Hydrodynamic Issues and Design Wageningen. 2001 7. Marine Propulsion technologies, sept. 1995 8. Markku Hokkanen (www.Reserch.dnv.com ) 9. William F.Weldon Report on ABB Azipod

Helsinki ( www. Ehis.navy.mil ) 10. www/ Dvo.free.fr/ systemsarticles 11. Mihaela Amorăriţei Aspects Regard Ship Propulsion. The anals of University “Dunarea de Jos” Galati 2001