Η προπέλα του σκαφους
Ποια είναι η καταλληλότερη προπέλα για το σκαφος σας;
του Απόλλωνα Αρτέμη
Μηχανολόγου – Ηλεκτρονικού
Μέρος Α
Προπέλες πολλές, διαφόρων τύπων, με τρία, τέσσερα ή πέντε πτερύγια, με εντυπωσιακά ονόματα όπως π.χ. «Τυφώνας», «Εκδίκηση», «Καταιγίδα», «Επανάσταση» κ.ά. Όλες με καταπληκτικές ιδιότητες, όπως αναφέρουν οι κατασκευαστές των εξωλεμβίων και έσω-εξωλεμβίων μηχανών στους καταλόγους τους, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν εναλλακτικά, είτε με μία ίδια μηχανή, είτε με πολλές άλλες μικρότερης ή μεγαλύτερης ιπποδύναμης και ανάλογη σχέση μετάδοσης.
Σύμφωνα με τους καταλόγους αρκετές διαφορετικές προπέλες, όπως φαίνεται, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σαν κατάλληλες για το δικό μας σκάφος. Αυτό όμως δεν είναι σωστό, γιατί ανάλογα με τον τύπο του σκάφους μας και το είδος της χρήσης που κάνουμε πιο συχνά, μια μοναδική προπέλα θα είναι η πιο αποτελεσματική, δηλαδή θα έχει τον υψηλότερο βαθμό απόδοσης στο δικό μας σκάφος.
Ο τρόπος με τον οποίο αναφέρονται οι ιδιότητες των διαφόρων ελίκων στους καταλόγους, είναι περισσότερο διαφημιστικός και λιγότερο τεχνικός, κάτι που μας δυσκολεύει να κάνουμε τη σωστή επιλογή. Π.χ. διαβάζουμε για μία τρίφτερη προπέλα για την καταπληκτική επιτάχυνση που θα έχουμε με αυτή, το ίδιο όμως διαβάζουμε και για μια τετράφτερη και για μία πεντάφτερη. Ποια είναι επομένως η καταλληλότερη; Θα πούμε λοιπόν μερικά πράγματα για τη λειτουργία και τα χαρακτηριστικά τους ώστε να βγούμε από τη σύγχυση που σίγουρα υπάρχει σε αρκετούς από εμάς. Κάθε μηχανή μπορεί να κινήσει με κάποια ταχύτητα οποιοδήποτε σκάφος, μεγάλο ή μικρό, βαρύ ή ελαφρύ, αρκεί να χρησιμοποιήσουμε μία οποιαδήποτε προπέλα.
Κατάλληλη όμως θα είναι μόνο εκείνη που θα έχει το μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης ή αποτελεσματικότητα – πράγμα που μεταφράζεται είτε σε ταχύτητα, είτε σε άλλου είδους επιδόσεις, π.χ. μεταφορά φορτίου με κάποια ταχύτητα με ένα συγκεκριμένο σκάφος. Τι είναι όμως βαθμός απόδοσης ή αποτελεσματικότητα μιας προπέλας; Το θέμα είναι αρκετά σύνθετο, θα προσπαθήσουμε όμως να το εκθέσουμε με τον πιο απλό δυνατό τρόπο, χωρίς να μπούμε σε μαθηματικούς υπολογισμούς που στην περίπτωση αυτή είναι αρκετά πολύπλοκοι. Η μηχανή μας διαθέτει μια ορισμένη ιπποδύναμη, η οποία μέσω του συστήματος μετάδοσης, μεταφέρεται στον ελικοφόρο άξονα και στην έλικα, μειωμένη βέβαια κατά κάποιο ποσοστό λόγω τριβών στο σύστημα μετάδοσης. Η ιπποδύναμη αυτή, που ονομάζεται και ιπποδύναμη άξονα (SHP) πρέπει να μετατραπεί σε ώθηση για να μπορεί να κινηθεί το σκάφος και την αποστολή αυτή αναλαμβάνει να εκτελέσει η προπέλα. Η προπέλα όμως, ακόμη και κάτω από τις ιδανικότερες συνθήκες, δεν μπορεί σε καμία περίπτωση να μετατρέψει σε ώθηση το 100% της ιπποδύναμης που διαθέτει, δηλαδή αποδίδει την ιπποδύναμη μειωμένη κατά ένα ποσοστό, μικρότερο ή μεγαλύτερο, που εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά, τις διαστάσεις και την ποιότητα της ίδιας, τα χαρακτηριστικά της μηχανής, δηλαδή την ιπποδύναμή της, το είδος της ρεβέρσας και τη σχέση μετάδοσης, τις στροφές αλλά και τα χαρακτηριστικά και την ποιότητα του σκάφους. Όταν λοιπόν μιλάμε για ποσοστό απόδοσης ή αποτελεσματικότητα μίας προπέλας π.χ. 80%, αναφερόμαστε ουσιαστικά στο ποσοστό της ιπποδύναμης που μπορεί να αξιοποιήσει σε σχέση με αυτή που διαθέτει. Το υπόλοιπο της ιπποδύναμης ως το 100% είναι απώλεια. Η ίδια η έλικα, όταν περιστρέφεται μέσα στο νερό καταναλώνει ενέργεια, είτε παράγει έργο, με τη μορφή ώθησης είτε όχι. Για παράδειγμα, μία προπέλα τρίφτερη με διάμετρο 14,5 ίντσες, που είναι πολύ συνηθισμένη σε εξωλέμβιες και έσω-εξωλέμβιες μηχανές από 150 μέχρι 300 ίππους, με διαφορετικές σχέσεις μετάδοσης βέβαια, εάν είχε μηδενικό βήμα και περιστρεφόταν στις 2800 στροφές το λεπτό ( στροφές μηχανής 5600 και σχέση μετάδοσης 2: 1), θα κατανάλωνε, χωρίς καν να κινήσει το σκάφος, 18 ολόκληρους ίππους. Και εάν η προπέλα είχε περισσότερα από τρία πτερύγια, τότε η απώλεια θα ήταν ακόμη μεγαλύτερη και ο βαθμός απόδοσής της ακόμη χαμηλότερος. Και αυτό επειδή μεγάλο μέρος της ιπποδύναμης χάνεται στις τριβές του νερού στην επιφάνεια των πτερυγίων και σε κάποια άλλα φαινόμενα που σχετίζονται με την περιστροφή. Εδώ θα πρέπει να διευκρινίσουμε πως το ποσοστό μείωσης της απόδοσης μίας προπέλας δεν έχει άμεση σχέση με την ολίσθηση, που είναι μία άλλη παράμετρος η οποία πρέπει να λαμβάνεται υπόψη χωριστά, όταν κάποιοι από εμάς κάνουμε υπολογισμούς για τις πιθανές επιδόσεις ενός σκάφους με βάση την πραγματική διαθέσιμη ιπποδύναμη. Οι έλικες διακρίνονται από πολλά και διαφορετικά χαρακτηριστικά και διαστάσεις από τα οποία εξαρτάται άμεσα η επίδοση που μπορεί να έχει το σκάφος μας, που δεν είναι απαραίτητα μόνον η μέγιστη ταχύτητα. Σε ένα ίδιο σκάφος και μηχανή, άλλα χαρακτηριστικά πρέπει να έχει η έλικα με την οποία κάνουμε σκι ή μεταφέρουμε φορτία, άλλα αυτή με την οποία κάνουμε μεγάλα ταξίδια όπου θα συναντήσουμε διάφορες καιρικές συνθήκες και άλλα εκείνη με την οποία επιδιώκουμε μεγάλες ταχύτητες ή κατεβαίνουμε σε αγώνες. Ακόμη και δύο σκάφη ίδιου βάρους και διαστάσεων, διαφορετικού όμως τύπου αλλά με ίδιες μηχανές, συνήθως χρειάζονται διαφορετικές έλικες. Και αυτό διότι υπάρχει αλληλεπίδραση γάστρας και έλικας που δεν είναι ίδια για όλα τα σκάφη. Η αλληλεπίδραση έχει σχέση με την κυκλοφορία του νερού μεταξύ γάστρας και προπέλας του σκάφους που επηρεάζει το βαθμό απόδοσής της. Όλες οι έλικες, κάθε τύπου, χαρακτηρίζονται από τρεις βασικές διαστάσεις.
Τη διάμετρο
Το βήμα
Την επιφάνεια των πτερυγίων.
Οι τρεις αυτές διαστάσεις συνδέονται άμεσα με την ιπποδύναμη, τις στροφές και την ταχύτητα και από τη σωστή επιλογή τους εξαρτάται η αποτελεσματικότητα της κάθε προπέλας. Στις προαναφερόμενες διαστάσεις εμείς θα προσθέσουμε και τον αριθμό των πτερυγίων στον οποίο θα αναφερθούμε πρώτα, γιατί ήταν ένα από τα πράγματα που απασχόλησαν από την αρχή τους κατασκευαστές των ελίκων.
Ο αριθμός των πτερυγίων
Οι πρώτες έλικες που είχαν θετικά αποτελέσματα, όταν άρχισαν να δοκιμάζονται οι έλικες για την κίνηση των πλοίων, πριν από ενάμισυ περίπου αιώνα, ήσαν με δύο πτερύγια. Σήμερα υπάρχει μία μεγάλη ποικιλία από έλικες διαφόρων τύπων για κάθε είδους ναυτικές μηχανές σκαφών, τις εξωλέμβιες, τις έσω-εξωλέμβιες, τις εσωλέμβιες κ.ά. που έχουν από δύο μέχρι επτά πτερύγια. Στα ταχύπλοα σκάφη βρίσκουμε προπέλες που έχουν από τρία ως πέντε πτερύγια, ενώ στα πλοία βρίσκουμε προπέλες με τουλάχιστον τέσσερα πτερύγια και πολλές φορές μέχρι και επτά. Ποιος είναι τελικά ο σωστός αριθμός των πτερυγίων έχει πρώτα απ΄ όλα άμεση σχέση με τον κραδασμό που δημιουργείται κατά την περιστροφή της, αλλά και το βαθμό απόδοσής της. Μελέτες και δοκιμές έχουν αποδείξει πως μία μονόφτερη έλικα θα είχε το μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης, αν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στην πράξη. Αυτό όμως είναι κάτι που αποκλείεται διότι υπάρχει σοβαρό πρόβλημα κραδασμών που δεν μπορεί να αντιμετωπισθεί τεχνικά. Λογικά λοιπόν μία δίφτερη έλικα θα ήταν πιο ζυγισμένη, θα είχε πολύ λιγότερο κραδασμό και θα ήταν η καλύτερη δυνατή σε απόδοση. Όμως και εδώ, παρά τον πολύ υψηλό βαθμό απόδοσης που προσφέρει μία τέτοια έλικα, το επίπεδο των κραδασμών δεν είναι ανεκτό σε όλες τις περιπτώσεις και για το λόγο αυτό η χρήση της σήμερα περιορίζεται σε κάποιες μικρές μόνο εξωλέμβιες και εσωλέμβιες μηχανές με μικρή ιπποδύναμη και χαμηλές στροφές που κινούν πλεούμενα μικρής ταχύτητας, όπως βάρκες, καΐκια, κότερα κ.λπ. Μία τρίφτερη προπέλα είναι ακόμη πιο ζυγισμένη, έχει πολύ λιγότερο κραδασμό και μικρότερο βαθμό απόδοσης από μία δίφτερη. Μια τετράφτερη, πεντάφτερη κλπ. θα έχει ελάχιστο κραδασμό αλλά και πολύ πιο μειωμένο βαθμό απόδοσης. Όσο περισσότερα πτερύγια έχει λοιπόν μία έλικα, τόσο μειώνεται ο κραδασμός, μειώνεται όμως και ο βαθμός απόδοσής της. Τελικά, η τρίφτερη είναι εκείνη που επικράτησε και χρησιμοποιείται περισσότερο από κάθε άλλη, επειδή συγκεντρώνει τον καλύτερο μέσο όρο από άποψη κραδασμών, διαστάσεων και βάρους, κόστους και κυρίως βαθμού απόδοσης. Η τρίφτερη προπέλα αποτελεί και το μέτρο σύγκρισης σε όλες τις μελέτες για τον καθορισμό των διαφόρων διαστάσεων των ελίκων.
Η διάμετρος
Η διάμετρος της προπέλας είναι η διάμετρος του κύκλου που διαγράφουν τα πτερύγια της, όταν αυτή περιστρέφεται. Αν θέλουμε να τη μετρήσουμε, ο σωστός και πρακτικότερος τρόπος είναι να μετρήσουμε την απόσταση από το κέντρο της μέχρι το άκρο ενός πτερυγίου και να τη διπλασιάσουμε. Η διάμετρος μίας έλικας είναι η σημαντικότερη από τις διαστάσεις της γιατί έχει άμεση σχέση με την ιπποδύναμη της μηχανής και το μέγεθος της ροπής που υπάρχει στον ελικοφόρο άξονα. Και επειδή η ροπή είναι ανάλογη με την ιπποδύναμη και αντιστρόφως ανάλογη των στροφών, η διάμετρος πρέπει να διαμορφώνεται ανάλογα. Δηλαδή να είναι μεγαλύτερη σε μεγαλύτερες ιπποδυνάμεις και μικρότερη σε μικρότερες ιπποδυνάμεις. Αντίστροφα, πρέπει να είναι μεγαλύτερη στις λίγες στροφές και μικρότερη στις πολλές στροφές. π.χ. η έλικα μιας μηχανής 200 ίππων στις 5600 στροφές με σχέση μετάδοσης 2:1 που γυρίζει στις 2800 στροφές, θα έχει διάμετρο 14,5 περίπου ίντσες, ενώ με σχέση μετάδοσης 2,5:1 θα γυρίζει στις 2240 στροφές και η διάμετρός της θα πρέπει να είναι 16,5 ίντσες. Τα παραπάνω εξηγούν και γιατί στους καταλόγους των προπελών των εξωλεμβίων και εσω-εξωλεμβίων μηχανών, ίδιες προπέλες είναι κατάλληλες για μηχανές με πολύ μεγάλη διαφορά ιπποδύναμης. Απλώς, οι μηχανές έχοντας διαφορετική σχέση μετάδοσης, έχουν ίδιες ροπές στην έλικα, η οποία πρέπει να έχει την ίδια διάμετρο.
Το βήμα
Η προπέλα είναι μία βίδα, αν και δεν λειτουργεί ακριβώς με αυτόν τον τρόπο μέσα στο νερό, με έναν αριθμό σπειρωμάτων που είναι ο αριθμός των πτερυγίων της. Το βήμα λοιπόν είναι η απόσταση που θα προχωρούσε η προπέλα σε μία πλήρη περιστροφή, εάν αυτή η περιστροφή γινόταν μέσα σε κάποιο στερεό μέσο, όπως θα γινόταν με τη βίδα. Αυτή η απόσταση όμως είναι θεωρητική διότι η προπέλα σε κάθε στροφή της προχωράει μέσα στο νερό λιγότερο από το βήμα της, δηλαδή ολισθαίνει. Το βήμα μίας προπέλας είναι γενικά ανεξάρτητο από τη διάμετρό της και καθορίζεται από την ταχύτητα που μπορεί να αναπτύξει ένα σκάφος με μία μηχανή ορισμένης ιπποδύναμης. Αυτή την ταχύτητα μπορούμε να τη βρούμε στους καταλόγους των ελίκων των μηχανών.
Από τον τύπο:
Στροφές έλικας Χ βήμα έλικας = θεωρητική ταχύτητα σε κόμβους
1215
Μπορούμε να υπολογίσουμε το βήμα που πρέπει να έχει η έλικά μας, αφού βέβαια προσθέσουμε στην πραγματική ταχύτητα το ποσοστό της ολίσθησης που στα ταχύπλοα σκάφη κυμαίνεται από 10% ως 20%, ανάλογα με το μέγεθος, το βάρος και τον τύπο τους, ή 15% κατά μέσο όρο. Το βήμα που χρειαζόμαστε, με βάση την πραγματική ταχύτητα σε κόμβους θα είναι: βήμα έλικας σε ίντσες=
(πραγματική ταχύτητα σε κόμβους + ολίσθηση) Χ 1215
στροφές έλικας
Η ολίσθηση είναι η διαφορά που υπάρχει μεταξύ της θεωρητικής και της πραγματικής ταχύτητας που μετράμε και αποτελεί κάποιο ποσοστό της θεωρητικής. Σε μικρά και πολύ ελαφρά σκάφη με μεγάλη ιπποδύναμη, συνήθως αγωνιστικά, που κινούνται με πολύ μεγάλες ταχύτητες, το ποσοστό της ολίσθησης μπορεί σχεδόν να μηδενισθεί και η πραγματική ταχύτητα να είναι ίδια με τη θεωρητική.
Η επιφάνεια των πτερυγίων
Σε όλες τις προπέλες χρειάζεται τα πτερύγια να έχουν μία ελάχιστη επιφάνεια, επάνω στην οποία θα αναπτυχθεί η ώθηση, που θα κινήσει το σκάφος. Η επιφάνεια αυτή υπολογίζεται με βάση τη διάμετρο που και αυτή καθορίζεται προηγουμένως με βάση την ιπποδύναμη. Στις τρίφτερες έλικες, που αποτελούν και τη βάση σύγκρισης για τις διαστάσεις των διαφόρων άλλων ελίκων, αφού έχουν τον καλύτερο βαθμό απόδοσης, η επιφάνεια των πτερυγίων καθορίζεται από τη σχέση του μέσου πλάτους του πτερυγίου προς τη διάμετρο. Μέσο πλάτος είναι εκείνο, που πολλαπλασιαζόμενο επί το μήκος του πτερυγίου, μας δίνει ακριβώς την επιφάνεια του πτερυγίου. Η σχέση μέσου πλάτους προς τη διάμετρο (MWR/D) μπορεί να κυμαίνεται από 0,2 μέχρι 0,5 στις κανονικές έλικες. Για ταχύπλοα σκάφη η καλύτερη σχέση, που μας δίνει και τον υψηλότερο βαθμό απόδοσης της έλικας είναι 0.35, που μεταφράζεται σε συνολική επιφάνεια των τριών πτερυγίων περίπου 50% σε σχέση με την επιφάνεια του κύκλου που διαγράφεται η έλικα, όταν περιστρέφεται. Οι τρίφτερες έλικες της σειράς των εξωλεμβίων και των εσω-εξωλεμβίων μηχανών βασίζονται σε αυτούς τους κανόνες. Γιατί όμως υπάρχουν έλικες που ξεπερνάνε τα παραπάνω όρια, έχοντας είτε τρία πτερύγια με πολύ μεγαλύτερη επιφάνεια από αυτή που αναφέραμε, είτε πολλά πτερύγια που η συνολική τους επιφάνεια είναι επίσης πολύ μεγάλη, αφού ξέρουμε πως αυτό μειώνει την απόδοση μιας έλικας. Δυστυχώς υπάρχουν διάφορα προβλήματα πρακτικής φύσης που μας υποχρεώνουν να κάνουμε κάποιους συμβιβασμούς και να αποκλίνουμε από αυτό που από τη θεωρία γνωρίζουμε πως είναι καλύτερο. Στα προβλήματα αυτά και τους συμβιβασμούς, θα αναφερθούμε στο επόμενο άρθρο μας όπου θα δούμε και τι σχέση που μπορεί να έχει ένας ορισμένος συνδυασμός βήματος και διαμέτρου με την απόδοση της έλικας. Επίσης θα δούμε πως η επιλογή της καταλληλότερης έλικας για το δικό μας σκάφος είναι ένας συμβιβασμός και ότι ο καλύτερος τρόπος για να έχουμε την πιο αποτελεσματική έλικα είναι να κάνουμε κάποιες δοκιμές, αφού φροντίσουμε πρώτα να έχουμε τη σχετική πληροφόρηση.
