Ναυτικοί κινητήρες – Μια ραγδαία εξέλιξη μέχρι τις ημέρες μας…
Μια ραγδαία εξέλιξη μέχρι τις ημέρες μας…
Του Μάκη Χρυσοστομίδη
Από τον Ήρωνα στον Παπέν, από τον Βατ στον Ντίζελ και από τον Φούλτον… έως σήμερα, οι ναυτικές μηχανές πρόωσης αποτελούν τα συστήματα με τη μέγιστη ενεργειακή απόδοση, που κατάφερε να σχεδιάσει ο άνθρωπος.
Με την οριστική αντικατάσταση των κουπιών από το ιστίο (η τελευταία φορά που χρησιμοποιήθηκαν τα κουπιά σε πολεμική επιχείρηση ήταν στη Ναυμαχία της Ναυπάκτου το 1571), έκλεισε το μεγαλύτερο κεφάλαιο της ναυπηγικής τέχνης σχετικά με την πρόωση. Το πανί, που συνυπήρξε με τα κουπιά στη μεγαλύτερη διάρκεια της ιστορίας των πλοίων, διατήρησε την αποκλειστικότητα της πρόωσης στα μεγάλα ιστιοφόρα, για μόλις 350 χρόνια. Έπειτα ήρθαν οι μηχανές.
Αρχικά οι προσπάθειες για εγκατάσταση της δοκιμασμένης ατμομηχανής του Βατ, με τις μετατροπές που της επέφερε ο Στέφενσον, είχαν να αντιμετωπίσουν την προσαρμογή στο αφιλόξενο περιβάλλον του ξύλινου σκάφους. Αν αναλογιστούμε ότι, όταν ο κυβερνήτης πολεμικού ιστιοφόρου σήμαινε θέσεις μάχης, πρώτη δουλειά ήταν να πεταχτεί η φωτιά του μαγειρείου στη θάλασσα (η πυρκαγιά υπήρξε μόνιμος φόβος των πληρωμάτων των ιστιοφόρων), το να εγκατασταθεί ένας χώρος με πυρακτωμένα κάρβουνα βαθιά μέσα στο κύτος σήκωσε διαμαρτυρίες οργής στους κόλπους του Αγγλικού Ναυαρχείου.
Φυσικά οι ενδοιασμοί ξεπεράστηκαν δειλά στην αρχή και με αυξανόμενη ταχύτητα στη συνέχεια τα σκάφη άρχισαν να αποκτούν μηχανές. Τα τελευταία Clipper όπως το Cutty Sark, παροπλίστηκαν και μια νέα ειδικότητα γεννήθηκε στα εμπορικά και πολεμικά ναυτικά του κόσμου. 0 μηχανικός.
Τη δόξα της εγκατάστασης της πρώτης μηχανής σε σκάφος αναψυχής διεκδικούν πάρα πολλές χώρες και πολλοί κατασκευαστές. Γεγονός είναι πάντως ότι τη μεγάλη επανάσταση στην πρόωση του μικρού σκάφους έφερε η μηχανή εσωτερικής καύσης. Ο Ρούντολφ Ντίζελ συνέλαβε την ιδέα της διοχέτευσης καυσίμου σε χώρο, όπου ατμοσφαιρικός αέρας έχει συμπιεστεί σε τέτοιο βαθμό, ώστε η θερμοκρασία του να έχει ανέλθει πάνω από τη θερμοκρασία αυτανάφλεξης του καυσίμου. Το καύσιμο που χρησιμοποίησε ο Ντίζελ στις πρώτες αυτές μηχανές ήταν φυστικέλαιο! Ο λόγος για τον οποίο μηχανικοί ανά τον κόσμο έψαχναν άλλες λύσεις από την ατμομηχανή είναι ότι το αποτέλεσμα έργου που παρήγαγε η παλινδρομική ατμομηχανή την εποχή εκείνη, δεν ξεπερνούσε το 12%. Αυτό σημαίνει ότι 88% της εκλυόμενης ενέργειας από την καύση στο καζάνι χανόταν στο περιβάλλον αντί να καταλήγει στον άξονα της μηχανής. Οι πρώτες δοκιμές της μηχανής του Ντίζελ έγιναν στο Παρίσι κατά τη διάρκεια της διεθνούς έκθεσης το 1898. Το μοντέλο που παρουσιάστηκε εκεί απέδιδε το απίστευτο ποσοστό του 75% ξεσηκώνοντας παγκόσμιο ενθουσιασμό. Ο χορηγός του Ντίζελ και μεγάλος κατασκευαστής μηχανών της Γερμανίας εκείνη την εποχή, ο Frederick Krupp, έθεσε αμέσως την πρώτη «λειτουργική μηχανή εσωτερικής καύσης» σε γραμμή παραγωγής. Παρόλα αυτά το μέγεθος της αντλίας έγχυσης (αντλία πετρελαίου σήμερα), ήταν τόσο μεγάλο, που ο κινητήρας μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σχεδόν αποκλειστικά στην ξηρά. Οι προσπάθειες επικεντρώθηκαν σε κατασκευή μικρότερων αντλιών έγχυσης στη συνέχεια και με την εξέλιξη της μεταλλουργίας και της μηχανολογίας, φθάσαμε στα σημερινά μεγέθη αντλιών πετρελαίου, όπου το άπειρο μάτι δύσκολα τις ξεχωρίζει από το γενικό περίγραμμα του κινητήρα. Ο Ντίζελ εξαφανίστηκε μυστηριωδώς το 1913 και οι φήμες θέλουν να έχει δολοφονηθεί κατά το ταξίδι του προς την Αγγλία, για να παραδώσει τα σχέδια της μηχανής του, μη θέλοντας να δώσει αποκλειστική χρήση στη Γερμανία, που είχε σκοπό να εξοπλίσει με τους κινητήρες του τα υποβρύχια της.
Ο βενζινοκινητήρας γεννήθηκε καίγοντας αλκοόλη, επίσης φυτικό καύσιμο, όπως και οι πρώτες μηχανές του Ντίζελ. Ο Henry Ford, o πατέρας του αυτοκινήτου, πίστευε ότι το μέλλον της αυτοκίνησης θα έπρεπε να
βασίζεται στα βιο-καύσιμα και υπήρξε υποστηρικτής της αλκοόλης (το κοινό
οινόπνευμα). Οι ανώτερες, όμως, θερμιδικές δυνατότητες του ορυκτού καυσίμου και η αφθονία του, μετακίνησαν την εστίαση των κατασκευαστών μηχανών προς τα παράγωγα του αργού πετρελαίου. Έτσι, στις μέρες μας, ελάχιστες είναι οι εναλλακτικές λύσεις για τα καύσιμα και αυτές φυσικά περιορίζονται σε μικρής ισχύος κινητήρες.
Η εσωλέμβια μηχανή
Η Ελλάδα είναι μεταξύ των πρωτοπόρων της ναυτιλίας. Δεν θα ήταν δυνατόν, λοιπόν, να μείνει πίσω στην ανάπτυξη της έρευνας και κατασκευής αξιόπιστων κινητήρων για σκάφη. Στην πρόσφατη ιστορία της χώρας μας στον τομέα αυτό μπορούμε να βρούμε άριστα δείγματα μηχανολογικών επιτευγμάτων. Δυστυχώς, η εξέλιξη της τεχνολογίας και η ευκολία πρόσβασης σε ξένους κατασκευαστές, είχε σαν αποτέλεσμα την παύση λειτουργίας των ελληνικών βιομηχανιών κατασκευής ναυτικών μηχανών. Αν σήμερα πάει κανείς σε κάποιο νησί και αναφέρει ονόματα όπως Αξελός ή Παπαθανασίου, είναι βέβαιο ότι θα ξυπνήσει ζωηρές αναμνήσεις μεταξύ των ψαράδων.
Οι εσωλέμβιες μηχανές μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες, με κριτήριο το καύσιμο φυσικά, σε βενζινομηχανές και ντιζελομηχανές. Οι
μηχανές που «τρέφονται» με ντίζελ είναι και οι συνηθέστερες, μιας και το καύσιμο είναι φθηνότερο, η κατασκευή απλούστερη, ενώ οι ιπποδυνάμεις που αποδίδονται, λόγω της μεγάλης αναλογίας απόδοσης έργου τους, δίνει την αποκλειστικότητα πρόωσης του μεσαίου και μεγάλου σκάφους. Από πλευράς ασφάλειας, οι μηχανές ντίζελ έχουν δύο μεγάλα προσόντα. Το καύσιμο τους δεν είναι πτητικό, όπως η βενζίνη, πράγμα που το καθιστά κατά πολύ ασφαλέστερο, ενώ δεν χρειάζονται ηλεκτρισμό για να λειτουργήσουν. Θα αναρωτηθεί κανείς πώς είναι δυνατόν να μην χρειάζεται ρεύμα για να λειτουργήσει η μηχανή του σκάφους, αφού όταν διακόψουμε το ρεύμα από τις μπαταρίες, δεν μπορούμε να ξεκινήσουμε τη μηχανή… Αυτό είναι
πραγματικότητα, εφόσον δεν διαθέτει η μηχανή εναλλακτικό τρόπο εκκίνησης όπως μανέλα στο βολάν, κουρδιστή μίζα ή το ξεπερασμένο πια καψούλι στην κεφαλή του κυλίνδρου (νοσταλγικό), που με την έκρηξη του μέσα στο θάλαμο καύσης ξεκινούσε τον κύκλο των δύο χρόνων της μηχανής. Όμως, ακόμη και στις σημερινές εγκαταστάσεις μηχανών ντίζελ, αν διακόψουμε την παροχή ρεύματος από τις μπαταρίες και τη γεννήτρια, ο κινητήρας θα συνεχίσει να λειτουργεί, μιας και δεν υπεισέρχεται πουθενά στον κύκλο λειτουργίας του το ρεύμα. Σε αντίθεση, φυσικά, με τον βενζινοκινητήρα που απαραίτητη προϋπόθεση για τη λειτουργία του είναι να υπάρχει σπινθήρας από το μπουζί ώστε να αναφλεγεί το καύσιμο.
Λίγα λόγια για την αυτανάφλεξη
Έχουμε παρατηρήσει ό,τι κάποια σώματα, όταν θερμαίνονται πέρα από ένα σημείο, «παίρνουν φωτιά», χωρίς να έχουν έρθει σε επαφή με φλόγα. Για παράδειγμα, μαγειρικό λάδι σε τηγάνι που βρίσκεται πάνω σε ηλεκτρικό μάτι, ανάβει χωρίς να υπάρξει φλόγα που θα δώσει το έναυσμα. Το σημείο αυτανάφλεξης, η θερμοκρασία, δηλαδή, στην οποία ένα υγρό καύσιμο παίρνει φωτιά «από μόνο του», είναι χαμηλότερο όσο πιο πυκνό είναι το καύσιμο. Έτσι, συμβαίνει το παράδοξο η βενζίνη να έχει πολύ υψηλότερο σημείο αυτανάφλεξης από το πετρέλαιο. Δηλαδή, αν βάλουμε δύο όμοια δοχεία, που το ένα περιέχει βενζίνη και το άλλο πετρέλαιο πάνω σε ηλεκτρικό μάτι, το πετρέλαιο θα πάρει φωτιά πρώτο. Εννοείται ό,τι αν πλησιάσαμε φλόγα στην επιφάνεια των υγρών, η βενζίνη θα ανάψει ενώ το πετρέλαιο όχι. Αυτή την ιδιότητα των υγρών καυσίμων εκμεταλλεύονται οι μηχανές ντίζελ για να λειτουργήσουν, δηλαδή βενζινομηχανή χωρίς μπουζί, θα πρέπει το μείγμα αέρα και βενζίνης να συμπιεστεί μέσα στον κύλινδρο πολύ περισσότερο από το ντίζελ, πράγμα που καθιστά την κατασκευή τέτοιας μηχανής ανώφελη.
Έργο, Ενέργεια, Ισχύς
Έργο, στη φυσική, ονομάζουμε το γινόμενο δύναμης επί την απόσταση.
Αν για παράδειγμα μια μηχανή μετακίνησε ένα βάρος 100 κιλών σε απόσταση ενός (1) μέτρου, λέμε ότι παρήγαγε έργο ίσο με 100, αν το ίδιο βάρος το μετακίνησε σε απόσταση δύο (2) μέτρων, έργο ίσο με 200 κ.ο.κ
Ενέργεια ονομάζουμε την ικανότητα για παραγωγή έργου. Η ενέργεια είναι διαφόρων μορφών όπως θερμική, πυρηνική, ηλεκτρομαγνητική, δυναμική κινητική ή μηχανική. Όλες οι μορφές ενέργειας είναι συνυφασμένες με την κίνηση. Ακόμη και η θερμική ενέργεια που προσδίδεται σε ένα σώμα έχει σαν αποτέλεσμα να κινεί (ταλαντώνει) τα μόρια του σώματος «περισσότερο».
Ισχύ ονομάζουμε την ικανότητα για παραγωγή έργου σε δεδομένο χρονικό διάστημα. Αν στο προηγούμενο παράδειγμα, όπου αναφερθήκαμε στο έργο, μια μηχανή μετακινεί βάρος 100 κιλών σε απόσταση ενός (1) μέτρου σε ένα (1) δευτερόλεπτο λέμε ότι έχει ισχύ 100, ενώ μια άλλη, όταν μετακινεί το ίδιο βάρος στην ίδια απόσταση σε δύο (2) δευτερόλεπτα, θα έχει ισχύ 50.
Μέτρα ισχύος
Την ισχύ τη μετράμε (όταν πρόκειται για μηχανική ενέργεια) σε ίππους. Για να
αποκτήσουμε μια γενική ιδέα του μεγέθους του ίππου, θα μπορούσαμε να πούμε ότι ένας ίππος είναι ο κόπος που πρέπει να καταβάλουμε για να σηκώσουμε έναν άνθρωπο σε ύψος ενός μέτρου (με την παραδοχή ότι ο άνθρωπος ζυγίζει περίπου 75 κιλά).
Η ροπή
Ροπή κινητήρα ονομάζουμε τη δύναμη, που θα χρειαζόταν να καταβάλουμε για να σταματήσουμε την περιστροφή μιας μηχανής. Αν φανταστούμε πως πιάνουμε τον άξονα με σκοπό να τον φρενάρουμε, ώστε να σταματήσει να γυρίζει, θα πρέπει να καταβάλουμε δύναμη τουλάχιστον ίση με τη ροπή. Φυσικά αμέσως σκέφτεται κανείς, όσο μακρύτερο κλειδί (μοχλοβραχίονα) χρησιμοποιήσουμε τόσο ευκολότερα θα πετύχουμε την ακινητοποίηση της μηχανής. Αυτό είναι ακριβές, μιας και η ροπή εκφράζεται σε χιλιογραμμόμετρα, δηλαδή την δύναμη που βάζει βάρος ενός κιλού στην άκρη ενός κλειδιού μήκους μέτρου.
Πώς διαβάζουμε τα διαγράμματα απόδοσης των μηχανών
Για να υπολογίσουμε την κατανάλωση σε δεδομένο αριθμό στροφών, αρκεί να
φέρουμε κάθετο από το σημείο που αντιστοιχεί, στις στροφές που έχουμε επιλέξει, έως ότου τμήσει την καμπύλη κατανάλωσης. Έπειτα, φέρνουμε παράλληλη γραμμή με την κλίμακα στροφών μέχρις ότου τμήσει την κλίμακα κατανάλωσης δεξιά στο διάγραμμα. Εκεί διαβάζουμε το μέγεθος της κατανάλωσης σε γραμμάρια ανά ίππο και ώρα. Αν έχουμε επιλέξει να ταξιδέψουμε με μέγιστη οικονομία, πράγμα που σημαίνει ότι θα κρατήσουμε τον κινητήρα στις 1850 στροφές, όπου αποδίδει 130 ίππους, θα καίμε 180×183=23.790 γραμμάρια κάθε ώρα λειτουργίας. Επειδή το πετρέλαιο είναι
ελαφρύτερο από το νερό, ο όγκος του σε κυβικά εκατοστά είναι μεγαλύτερος από το αντίστοιχο βάρος σε γραμμάρια. Για να βρούμε τον όγκο (σε λίτρα) αφού έτσι αγοράζουμε και αντιλαμβανόμαστε το μέγεθος του πετρελαίου, διαιρούμε το βάρος του με το ειδικό του βάρος (περίπου 0,82 gr/lt). Έτσι, έχουμε 23.790/0,82=29,012 λίτρα. ?ρα χρειαζόμαστε 29 λίτρα για κάθε ώρα ταξιδιού. Αν η απόσταση που θα ταξιδέψουμε είναι 60 μίλια, θα πρέπει να ανατρέξουμε στον πίνακα επιδόσεων του σκάφους μας και να δούμε πόσους κόμβους (ναυτικά μίλια την ώρα) κάνουμε στις 1850 στροφές. Ας
υποθέσουμε ότι κάνουμε 12 κόμβους. Αυτό σημαίνει ότι θα χρειαστούμε πέντε (5) ώρες ταξιδιού και θα καταναλώσουμε περίπου 150 λίτρα σε καύσιμα.
