Sistem de Propulsie Azipod

SISTEMULUI DE PROPULSIE ŞI GUVERNARE AZIPOD

1

CUPRINS

INTRODUCERE........................................................................................................3

CAPITOLUL I. SISTEME DE PROPULSIE DE TIP POD ȘI AZIPOD............5

CAPITOLUL II. SISTEMUL DE PROPULSIE TIP AZIPOD.............................7

CONCLUZII..............................................................................................................14

BIBLIOGRAFIE........................................................................................................15

2

Introducere

Dezvoltarea construcțiilor navale este strâns legată de evoluția și perfecționarea sistemelor de propulsie. Un sistem naval de propulsie realizează conversia unei forme primare de energie în energie mecanică, energie care se transmite propulsorului în vederea învingerii rezistenței la înaintare a navei și deplasării acesteia pe drumul dorit, cu viteza impusă. Din punct de vedere energetic, o instalație navală de propulsie este alcătuită din sursa de energie: mașina principală de propulsie și consumatorul de energie: propulsorul. Dintre propulsoarele navale, elicea răspunde cel mai bine tehnicii navale actuale, ea fiind cel mai utilizat și în general cel mai eficient propulsor naval . Sistemul naval de propulsie are un rol determinant în realizarea unei nave econome și performere. Aprecierea eficienței unei nave se face ținând cont de criterii economice, criterii de siguranță funcțională, criterii de confort pentru echipaj și pasageri, etc. Analiza sistemului navă – mașină principală de propulsie – propulsor trebuie realizată în fazele inițiale 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 însăși. Alegerea instalației de propulsie a navei presupune integrarea unui număr mare de elemente într-un spațiu funcțional, presupune selectarea componentelor (a mașinii principale de propulsie, a transmisiei și a propulsorului), ajustarea acestora prin constrângerile impuse de celelalte elemente, aranjarea lor astfel încât să se obțină performanțele sistemului cerute, o configurație satisfăcătoare și un preț de cost acceptabil. Alegerea sistemului de propulsie trebuie să reflecte profilul de operare al navei, analizând în același timp performan țele tehnice și economice ale instalației navale de propulsie, în vederea reducerii costului specific al transportului și măririi siguranței în exploatare. Parametrii de care trebuie ținut cont la alegerea unui sistem de propulsie sunt: • Costul investiției inițiale • Costul specific al transportului care depinde de consumul specific de combustibil cât și de numărul și nivelul de retribuire al echipajului care deservește instalația de propulsie. •Eficiența propulsiei •Spațiul aferent sistemului de propulsie 3

•Siguranța mare în exploatare și accesibilitatea pentru control în timpul funcționării. Alegerea unui sistem naval de propulsie presupune: determinarea puterii necesare la bordul navei astfel încât să se realizeze viteza dorită, alegerea tipului de instala ție de propulsie, alegerea mașinii principale de propulsie și a propulsorului, precum și amplasarea instalației de propulsie la bordul navei. Un sistem naval de propulsie are efect direct asupra greutății, mărimii, vitezei, manevrabilității și amenajărilor unei nave, un criteriu esențial în alegerea acestuia fiind legat de cerințele de spațiu și amenajare. Sistemele de propulsie convenționale alcătuite din mașina principală de propulsie, transmisie ( linie de axe) și elice nu reușesc întotdeauna să îndeplinească toate condițiile cu privire la flexibilitate, manevrabilitate și cerințele de spațiu impuse unui sistem naval de propulsie modern. Impunerea unor reguli noi, stricte în construcțiile navale și în navigație au determinat apariția unor noi echipamente navale, a unor noi sisteme de propulsie care au modificat amenajările navei din considerente economice și de eficiență. Volumul util comparat cu volumul total al navei constituie un bun indicator economic care permite analiza veniturilor și cheltuielilor de construcție și exploatare ale navei. De exemplu, în urma analizei în ceea ce privește utilizarea spațiului la bordul unor nave de pasageri construite în ultimii 50 de ani, raportul dintre volumul destinat instala ției de propulsie și volumul total al navei variază în jurul valorii medii de 11.3%, ( între 8% și 17.5%, ajungând în mod excepțional la 22% ). O alternativă în sensul reducerii spațiului ocupat la bordul navei de sistemul de propulsie constă în folosirea sistemele de propulsie tip POD’S și AZIPOD. Prezenta lucrare își propune să facă un studiu al caracteristicilor tehnice și al performanțelor sistemelor de propulsie tip POD’S și AZIPOD. Lucrarea realizează o trecere în revistă a principalelor avantaje și 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 și AZIPOD au avut un impact major asupra construc țiilor navale în ultimii ani fiind utilizate cu succes la nave de croazieră, spărgătoare de ghea ță, tancuri, portcontainere, nave care deservesc sistemele off-shore, etc.

4

CAPITOLUL I. SISTEME DE PROPULSIE DE TIP POD ȘI AZIPOD

O alternativă în vederea reducerii spațiului ocupat la bordul navei de instalația de propulsie o reprezintă utilizarea unui sistem la care transmiterea momentului de rota ție de la mașina principală de propulsie la propulsor 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. Un sistem de propulsie care se folosește între mașina principală de propulsie și elice o transmisie în Z sau în L și care poate realiza și manevrarea navei prin rotirea propulsorului este cunoscut sub denumirea de propulsor azimutal “ steerable thruster unit ”. Propulsoarele azimutale realizează împingere maximă în orice direc ție, indiferent de viteza navei, această împingere își poate modifica direcția funcție de necesită țile manevrării navei. Elicele propulsoarelor azimutale nu funcționează doar în curent axial, ci și în curent oblic , asigurând navei o capacitate manevrieră deosebită chiar și la viteze mici ale navei, acolo unde sistemele clasice cu cârma au performanțe slabe.

Fig.1. Sistem de propulsie azimutal cu elice contrarotative 5

În figura.1 este prezentat un propulsor azimutal cu elice contrarotative, sistem de propulsie care îmbină două idei: ideea elicelor contrarotative de a împărți puterea de propulsie pe două discuri active fără pierderile de randament ale corpului care apar la o navă convențională cu două elice, cu ideea sistemului azimutal care inovează puternic atât manevrabilitatea cât și compartimentarea navei prin micșorarea substanțială a compartimentului de mașini. Există o variantă de propulsoare azimutale retractabile, care în poziție normală de funcționare pot dezvolta împingere maximă în orice direcție, propulsorul având capacitatea de a se roti cu 3600 . Elicea amplasată într-o duză Kort, poate fi retrasă într-un tunel amplasat în corpul navei, propulsorul acționând în această poziție ca un propulsor transversal – Bowthruster. Propulsorul azimutal (orientabil) este considerat ca fiind cel mai răspândit și mai “bătrân” produs din categoria sistemelor de propulsie și guvernare dar care se caracterizează prin puteri mici.

6

CAPITOLUL II. SISTEMUL DE PROPULSIE TIP AZIPOD

Un concept distinct, nou îl constituie sistemul de propulsie tip AZIPOD, care a lărgit gama de puteri utilizate. Neajunsuri transmisiei în Z și L legate de limitarea puterii transmise propulsorului și de pierderile mecanice pot fi evitate prin montarea unui motor electric într-un corp hidrodinamic ( bulb “pod” ) plasat sub navă. Aici, energia electrică produsă la bordul navei este transferată motorului electric de curent alternativ care transmite direct momentul de rotație propulsorului de tip elice. Astfel, în industria construcțiilor navale a apărut un sistem de propulsie revoluționar 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 unități de propulsie compacte prezintă o serie de avantaje legate de spațiul mic ocupat de sistem la bordul navei, flexibilitatea propulsiei diesel electrice, posibilitatea controlului continuu a vitezei, ușoară reversibilitate. Un sistem modern de propulsie care reușește să îndeplinească cu succes cerințele cu privire la flexibilitate, spa țiu minim ocupat și 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 și transmite direct mișcarea de rotație la una sau doua elice. Acest sistem înlocuiește sistemele clasice de propulsie și guvernare, asigurând atât propulsia navei cât și manevrarea acesteia.

7

Fig.2 Sistem de propulsie AZIPOD

Sistemele de propulsie tip POD și AZIPOD combină avantajele diferitelor tipuri sisteme de propulsie: • elimină componentele clasice ale unei instalații de propulsie: linii de arbori lungi, reductor, elice cu pas reglabil, etc.; • reducerea spațiului ocupat de instalația de propulsie la bordul navei, reducerea spa țiului ocupat de compartimentul de mașini în favoarea spațiilor pentru marfă sau pasageri, • reducerea nivelului de zgomote și vibrații; • siguranță în exploatare; • consum redus de combustibil, cost redus al operațiilor de întreținere; • construcție simplă și solidă cu montaj simplu. Sistemele de propulsie tip AZIPOD prezintă în plus o serie de avantaje legate de buna manevrabilitate a navei: • asigură atât propulsia cât și guvernarea navei, • asigură navei o capacitate manevrare deosebită în condiții de mare rea precum și la viteze mici ale navei, acolo unde sistemele clasice cu cârmă au eficiență scăzută, • elimină componentele clasice ale unei instalații de guvernare: -

cârmă, 8

-

mașină de cârmă, bowthruster, etc. Principalul dezavantaj al acestor sisteme de propulsie îl constituie prețul ridicat. În ceea ce privesc cerințele de spațiu și amenajare sistemele de propulsie tip POD și

AZIPOD sunt unități de propulsie compacte care prezintă o serie de avantaje legate de spa țiul mic ocupat de sistem la bordul navei. Motorul electric este amplasat în afara corpului navei, ceea ce elimină necesitatea liniilor de arbori lungi, spațiul adi țional aferent instala ției de propulsie fiind substanțial redus. Motorul electric este amplasat în bulb, în linie cu propulsorul de tip elice, ceea ce reduce problemele specifice unei linii de arbori conven ționale legate de lagăre, pierderi mecanice, etc. În general la o navă cu sistem de propulsie clasic, lungimea liniei de arbori depinde de poziționarea mașinii principale de propulsie ținând cont de pescajul navei și de unghiul de asietă a navei goale. Amplasarea mașinii principale de propulsie este definită de poziția coșului de fum și a pereților structurali. La navele la care valorile pescajului și 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 același timp determină creșterea 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 funcționează în curent oblic, fenomen care este însoțit de apariția unor forțe hidrodinamice pe pală, variabile în timp odată cu rotirea ei. Aceste componente nestaționare care solicită pala sunt preluate de linia de arbori și sunt cunoscute sub denumirea de forțe de lagăr. După stabilirea poziției mașinii principale de propulsie, restul compartimentului de mașini se construiește în jurul acesteia. În cazul alegerii unui sistem de propulsie tip POD, problema poziționării motoarelor de propulsie și a liniei de arbori nu există, se reduce substanțial spațiul ocupat la bordul navei de compartimentul de mașini în favoarea spațiului util ocupat de mărfuri sau pasageri. Utilizarea unui sistem de propulsie POD și a unei instalații de propulsie combinate CODES ( combinație motor diesel și 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 aceeași navă dotată cu sistem de propulsie convențional (diesel electric).

9

Fig.3. Amplasarea unui sistem de propulsie PODs în pupa navei

Lungimea magaziilor pentru marfă a crescut pânâ la 61% Lpp în cazul utilizării sistemului de propulsie POD comparativ cu 48% în cazul propulsiei Diesel cu transmisie mecanică și 56% în cazul propulsiei diesel electrice. În cazul sistemelor POD, spa țiul ocupat de instalația de propulsie este situat deasupra sistemului, pe verticală. Prin eliminarea instalației de guvernare cu cârmă se eliberează compartimentul mașinii de cârmă, locul acesteia fiind luat de dispozitive de rotire, răcire, alimentare cu putere a sistemului de propulsie Pod, etc. Spațiul ocupat de aceste dispozitive în raport cu mașina cârmei este dublu. În ceea ce privește greutatea instalației de propulsie, prin înlocuirea sistemului de propulsie conven țional diesel electric cu sisteme AZIPOD la navele de croazieră Fantasy s-au câștigat 9.8 – 16.5 t/MW în condițiile menținerii același tip de generator (greutatea generatorului depinde de turație). Folosirea sistemelor de propulsie POD conduce la creșterea eficienței 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 creștere a eficienței propulsiei cu 8% ceea ce a condus la o economie de combustibil de cca. 40t / săptămâni, iar câstigul de spațiu util a fost de cca. 100t. Avantajele 10

hidrodinamice sunt obșinute din așezarea elicei propulsorului în raport cu unghiul de atac. Poziția ( în plan orizontal și vertical) și unghiul de amplasare a unității de propulsie pot fi alese astfel încât să obținem o distribuție optimă a câmpului de viteze în discul propulsorului. Dispunerea elicei într-un curent favorabil, duce la creșterea eficienței propulsorului și are efecte pozitive asupra fluctuațiilor forțelor nestaționare induse de funcționarea propulsorului, a pulsațiilor de presiune pe bolta pupa. Acest lucru conduce la reducerea nivelului de zgomote și vibrații induse de funcționarea propulsorului, asigurând un confort sporit la bordul navei pentru echipaj și 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 de două sisteme pe propulsie tip AZIPOD în pupa navei

Din punct de vedere al transferului de putere PD/PB transmisia cu linie de arbori și sistemul PODs sunt aproximativ egale, (PD – puterea disponibilă la propulsor, PB - puterea utilă transmisă de mașina 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 turații diferite, de aceea sistemele tip pod și azipod nu necesită elice cu pas reglabil, utilizarea elicelor cu pas fix conducând la o economie substanțială și la simplificarea construcției propulsorului. Elicea poate fi amplasată fie înainte, fie după bulb. O navă echipată cu un de 11

sistem de propulsie tip AZIPOD asigură navei o capacitate manevrare deosebită, nava nu mai necesită instalații de guvernare clasice cu cârmă și instalații de guvernare transversale: bowthruster. Din punct de vedere al manevrabilității navei, sistemele de propulsie tip AZIPOD prezintă avantaje certe în raport cu sistemele de propulsie clasice, utilizarea lor cre ște 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 ob ținut o reducere a diametrului de girație al navei cu 35%.

Fig. 5. Amplasarea a două sisteme de propulsie tip AZIPOD și a unui sistem POD ( fix ) în pupa navei Marșul înapoi al navei se poate realiza prin schimbarea sensului de rotație a elice sau prin rotirea azipodului. Datorită utilizării motoarelor electrice, schimbarea sensului de rota ție se face prin schimbarea polarității fiind necesare doar 20 secunde pentru trecerea de la mar ș înainte la marș înapoi a navei. De asemenea, întregul sistem AZIPOD se poate roti cu 180o în 22.5 secunde. Distanța de oprire a navei “crash-stop” se reduce la jumătate. Consor țiul SSP format din firmele Siemens și Schottel au creat un nou sistem de propulsie azipod cu puteri cuprinse între 5 și 20 MW pe unitate, care poate fi folosit cu succes pentru orice tip de navă care necesită consum mare de energie electrică și o manevrabilitate deosebită. Acest sistem de propulsiei poate funcționa cu o energie de până la 20Mw pe unitate și poate fi folosit pentru navele care necesită schimbări frecvente de puteri la elice : navele de croazieră, feriboturile, 12

etc. Sistemul este prevăzut cu două elice montate pe un arbore comun, amplasate în fa ța și în spatele modului hidrodinamic. Sarcina totală se împarte pe cele două elice care se rotesc în același sens. Acest lucru face posibilă reducerea diametrului elicelor și a dimensiunilor modului hidrodinamic care conține motorul, cu efect pozitiv în creșterea eficienței 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 tangențiale ale vitezelor induse de elicea 1 ( elicea amplasată spre prova la marș înainte ). Sunt evidente avantajele sistemelor de propulsie tip POD și AZIPOD în ceea ce privește eficiența hidrodinamică, folosirea spațiului la bordul navei, etc. Principalul dezavantaj al acestor sisteme de propulsie îl constituie prețul ridicat. Comparativ cu o instalație de propulsie clasică cu linie de arbori sistemele de propulsie tip PODS și AZIPOD sunt mult mai scumpe. Pentru a analiza prețul unui astfel de sistem de propulsie este necesar să se analizeze costurile inițiale și costurile de exploatare. Costurile inițiale includ cheltuielile materiale, cheltuielile de fabricație și montaj. Un sistem PODs este o unitate de propulsie compactă care are o parte semnificativă din sistemul de propulsie preasamblată în el. Un sistem PODs se caracterizează prin cheltuieli de proiectare și fabricație mai mari decât în cazul instalațiilor 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 13

productivă decât cea desfășurată la bordul navei. În ceea ce privesc cheltuielile de exploatare, datorită sporirii eficienței propulsiei se poate reduce consumul de combustibil.

CONCLUZII

Reducerea spațiului ocupat de instalația 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 ușoară fac ca acest sistemele de propulsie tip POD și AZIPOD să fie utilizate în prezent cu succes la navele de pasageri, tancuri, spărgătoare de gheață, etc. Absența liniilor de arbori lungi, a cârmelor și a mașinilor de cârmă, duc la creșterea volumului util destinat mărfii. Acest sistem de propulsie este potrivit pentru o varietate largă de forme pupa ale corpului navei, ușurând proiectarea extremității pupa a corpului navei și a compartimentului de mașini. Avantajele prezentate, la care se adaugă sporirea capacității manevriere a navei, explică atracția acestor sisteme de propulsie navale în ciuda costurilor inițiale ridicate. Este de așteptat ca prin creșterea productivită ții muncii și prin sporirea experienței în domeniu proiectării, construcției și montajului, în viitor, prețul sistemelor de propulsie tip POD și AZIPOD să scadă și mai mult ca sigur ele vor marca o etapă importantă în istoria construcțiilor navale din întreaga lume.

14

BIBLIOGRAFIE

1. Maier V. Mecanica și construcția navei. Dinamica navei. vol 2. Ed. Tehnică București 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 Amorăriței Propulsoare navale. Soluții constructive. Criterii de performan ță. Direcții 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 Amorriei Aspects Regard Ship Propulsion. The anals of University “Dunarea de Jos” Galati 2001

15