Η προπέλα του σκάφους.
Βαθμός απόδοσης και αποτελεσματικότητα
του Απόλλωνα Αρτέμη
Μηχανολόγου – Ηλεκτρονικού
Μέρος Β
Στο πρώτο μέρος του άρθρου μας περιγράψαμε, σε γενικές γραμμές, ορισμένα χαρακτηριστικά και ιδιότητες της προπέλας που μας προσφέρουν οι κατασκευαστές των διαφόρων ναυτικών μηχανών, εξωλεμβίων, έσω-εξωλεμβίων και εσωλεμβίων. Η γνώση τους ίσως να μας βοηθήσει να διαλέξουμε ευκολότερα την πιο αποτελεσματική προπέλα για το δικό μας σκάφος.
Αποτελεσματικότητα της προπέλας σημαίνει πως η μηχανή μας θα ανταποκρίνεται με άνεση στις εντολές μας χωρίς να ταλαιπωρείται σε καμία φάση της λειτουργίας της και κυρίως να κάνει καλά τη δουλειά που της ζητάμε, χωρίς να καταναλώνει περισσότερο καύσιμο από αυτό που θα έπρεπε. Είχαμε πει ότι τα βασικά μεγέθη, τα οποία χαρακτηρίζουν όλες τις προπέλες κάθε τύπου είναι:
Η διάμετρος, το βήμα, ο αριθμός των πτερυγίων, η επιφάνεια των πτερυγίων και η έκταση της επιφάνειάς τους.
Στα μεγέθη αυτά επανερχόμαστε σ’ αυτό το δεύτερο μέρος, με περισσότερες λεπτομέρειες, κάνοντας και μια μικρή ανακεφαλαίωση, για να δούμε πως διάφοροι συνδυασμοί τους συνδέονται με το βαθμό απόδοσης και την αποτελεσματικότητα τους.
Η διάμετρος της προπέλας, τα πτερύγια και η επιφάνεια.
Η βασική διάμετρος της προπέλας κάθε μηχανής καθορίζεται από την ιπποδύναμή της και από τις μέγιστες στροφές της, δηλαδή από τη ροπή της μηχανής στον ελικοφόρο άξονα. Η βασική αυτή διάμετρος δεν έχει άμεση σχέση με το βήμα. Με την ίδια διάμετρο μπορούμε να έχουμε προπέλες με διαφορετικό βήμα, όταν δεν μας απασχολούν ιδιαίτερα μικρές διαφορές στο βαθμό απόδοσής τους. Σε πολλές περιπτώσεις όμως έχουμε είτε μικρές αποκλίσεις για να βελτιώσουμε το βαθμό απόδοσης της προπέλας, είτε μεγάλες επειδή πρακτικοί ή τεχνικοί λόγοι το επιβάλλουν, έστω και αν χρειαστεί να χρησιμοποιήσουμε προπέλα με πολύ χαμηλότερο βαθμό απόδοσης.
Ας δούμε αυτές τις δύο σημαντικές περιπτώσεις:
Στις υψηλές ταχύτητες που πετυχαίνουμε με μεγαλύτερο βήμα, η προπέλα καταναλώνει πιο πολλή ενέργεια σε απώλειες από ότι σε χαμηλές ταχύτητες με μικρότερο βήμα. Η απώλεια είναι ανάλογη με τη διάμετρο και τις στροφές. Μια προπέλα λοιπόν με μεγάλο βήμα αλλά λίγο μικρότερη διάμετρο σε σχέση με τη βασική, θα έχει λιγότερες απώλειες, υψηλότερο βαθμό απόδοσης και θα είναι πιο αποτελεσματική. Στις μικρές ταχύτητες όμως, πιο αποτελεσματική είναι μία προπέλα με λίγο μεγαλύτερη διάμετρο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο στις σειρές της προπέλας των εξωλεμβίων και έσω-εξωλεμβίων μηχανών, οι έλικες με μικρότερο βήμα έχουν μεγαλύτερη διάμετρο και εκείνες με μεγαλύτερο βήμα έχουν μικρότερη διάμετρο. Οι κανόνες αυτοί ισχύουν βέβαια και για τις εσωλέμβιες μηχανές με αξονικά συστήματα κάθε πλωτού μέσου, όπως μεγάλα σκάφη, πλοία κ.λπ.
Σε σκάφη και πλοία με πολύ μεγάλες ιπποδυνάμεις, πολύ συχνά είναι εντελώς ανέφικτο να χρησιμοποιηθούν προπέλες με κανονική διάμετρο, δηλαδή αυτή που έχει υπολογιστεί με βάση την ιπποδύναμη και τη σχέση μετάδοσης της μηχανής, η οποία αξιοποιεί καλύτερα τη διαθέσιμη ισχύ της μηχανής. Και αυτό γιατί δεν μπορούμε να αυξήσουμε όσο θέλουμε τις διαστάσεις και τον όγκο της ρεβέρσας, όταν πρόκειται για μια μεγάλη εξωλέμβια ή έσω-εξωλέμβια μηχανή ή να υπερβούμε τη μέγιστη επιτρεπτή κλίση των ελικοφόρων αξόνων μιας μηχανής ενός μεγάλου σκάφους ή πλοίου, μόνο και μόνο για να χωρέσει η προπέλα. Επίσης δεν είναι τεχνικά σωστά μία προπέλα να βρίσκεται υπερβολικά εκτεθειμένη κάτω από τα ύφαλα ενός πλοίου λόγω των πολύ μεγάλων διαστάσεών της.
Περιορίζουμε λοιπόν τη διάμετρο στο ελάχιστο δυνατόν, αυξάνοντας ανάλογα το πλάτος ή/ και τον αριθμό των πτερυγίων, έτσι ώστε η συνολική επιφάνεια της προπέλας να αντιστοιχεί περίπου στην επιφάνεια που θα είχε μία τρίφτερη έλικα με την κανονική διάμετρο. Η συνολική επιφάνεια των πτερυγίων μιας τέτοιας προπέλας μπορεί να καλύπτει ακόμη και το 100% της επιφάνειας του κύκλου που διαγράφει η προπέλα κατά την περιστροφή της. Μια τέτοια προπέλα μπορεί να έχει τρία μόνο πτερύγια ή περισσότερα και μέχρι επτά. Προπέλες με τρία πτερύγια και επιφάνεια ακόμη και πάνω από 100% χρησιμοποιούνται συχνά σε ταχύπλοα σκάφη με μεγάλες ιπποδυνάμεις και ταχύτητες πάνω από 30 κόμβους, όπως είναι τα περιπολικά, τα υδροπτέρυγα, τα σκάφη υψηλών ταχυτήτων κ.λπ. Προπέλες επτά πτερυγίων χρησιμοποιούνται πιο συχνά στα πλοία.
Σε ότι αφορά στον αριθμό των πτερυγίων πρέπει να πούμε και πάλι πως όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός τους, τόσο χαμηλότερος είναι ο βαθμός απόδοσης μιας προπέλας. Το ίδιο όμως συμβαίνει και με τη μεγάλη αύξηση της επιφάνειας σε σχέση με τη διάμετρο. Η χρήση αυτού του είδους των ελίκων αποτελεί συνήθως αναγκαίο κακό, επειδή δεν υπάρχουν άλλες λύσεις.
Το βήμα της προπέλας
Το βήμα της προπέλας είναι η απόσταση που μπορεί αυτή να διανύσει σε μια πλήρη περιστροφή της, όταν «βιδώνει» στο νερό. Καθορίζεται από τη μέγιστη ταχύτητα που μπορεί να πετύχει ένα σκάφος με το συνολικό του βάρος ( βάρος σκάφους και φορτία) με μια συγκεκριμένη μηχανή, όταν αυτή δουλεύει στο μέγιστο των στροφών της. Μεγάλο βάρος σημαίνει μικρή ταχύτητα και απαιτεί μικρότερο βήμα, ενώ μικρότερο βάρος σημαίνει μεγαλύτερη ταχύτητα και απαιτεί μεγαλύτερο βήμα.
Με άλλα λόγια, το βήμα της προπέλας αντικαθιστά κατά κάποιον τρόπο μια σχέση μετάδοσης της ρεβέρσας μας, που δεν μπορούμε να έχουμε κάθε φορά που τα φορτία και οι ταχύτητες μας αλλάζουν σημαντικά.
Στη θέση μιας αναγκαίας διαφορετικής μετάδοσης χρησιμοποιούμε απλώς μια προπέλα με διαφορετικό βήμα. Βέβαια, θα είχαμε πολύ καλύτερα αποτελέσματα, αν είχαμε ανάλογη μεταβολή στη σχέση μετάδοσης της ρεβέρσας μας, αντί να χρησιμοποιούμε κάθε φορά προπέλα με διαφορετικό βήμα. Και αυτό γιατί για μεγάλα φορτία και μέτριες ταχύτητες χρειαζόμαστε πιο αργή μετάδοση με την οποία θα έχουμε μεγαλύτερη ροπή στρέψης, ενώ για μικρά φορτία και μεγάλες ταχύτητες χρειαζόμαστε ταχύτερη μετάδοση για να έχουμε πολλές στροφές χωρίς να είναι απαραίτητη η μεγάλη ροπή. Αυτές τις αλλαγές ροπής δεν προσφέρει η προπέλα με την αλλαγή βήματος. Με την αλλαγή βήματος, για τις ίδιες στροφές της μηχανής, αλλάζει απλώς η ταχύτητα.
Ας δούμε πόσο, κάτι που είναι χρήσιμο να γνωρίζουμε, γιατί μας βοηθάει στην επιλογή της προπέλας μας.
Μία προπέλα με 18 ίντσες βήμα που θα γύριζε στις 2800 στροφές το λεπτό, στροφές μηχανής 5600 και σχέση μετάδοσης 2:1, χαρακτηριστικά συνηθισμένα σε εξωλέμβιες, μας δίνει μία θεωρητική ταχύτητα (2800 Χ 18) /1215 = 41,48 κόμβους. Αν μειώσουμε το βήμα κατά μια ίντσα και το κάνουμε 17, τότε θα έχουμε (2800 Χ 17) / 1215 = 39,18 κόμβους. Η διαφορά μας είναι 2,3 κόμβοι ανά ίντσα διαφοράς βήματος. Μπορούμε βέβαια να κάνουμε και απευθείας τον υπολογισμό με τη διαφορά του βήματος και θα έχουμε (2800Χ 1) / 1215=2,3 κόμβοι, ότι υπολογίσαμε και προηγουμένως. Η πραγματική διαφορά ταχύτητας μας θα είναι βέβαια κατά κάποιο ποσοστό μικρότερη, περίπου 15%, γιατί πρέπει να αφαιρέσουμε την ολίσθηση, οπότε θα έχουμε: 2,3-15% = 1,95 κόμβοι.
Πόσο όμως αλλάζουν οι στροφές της μηχανής μας προς τα πάνω ή προς τα κάτω, σε σχέση με την αυξομείωση του βήματος; Καλό είναι να το γνωρίζουμε και αυτό για να μπορούμε να επιλέξουμε μια προπέλα με μικρότερο ή μεγαλύτερο βήμα, ώστε να φέρουμε τις στροφές της μηχανής μας μέσα στα κανονικά όρια που απαιτούν οι προδιαγραφές. Για κάθε 1 ίντσα μεταβολής βήματος, οι στροφές της μηχανής αυξάνονται ή μειώνονται από 150 μέχρι 200, ανάλογα με τη σχέση μετάδοσης.
Η σχέση βήματος, διαμέτρου και στροφών
Όπως είδαμε μέχρι τώρα, η διάμετρος μιας έλικας εξαρτάται κυρίως από την ιπποδύναμη και τις στροφές της μηχανής, ενώ το βήμα εξαρτάται από το φορτίο και την ταχύτητα με την οποία μπορούμε να το μεταφέρουμε. Θεωρητικά, δεν υπάρχει άμεση σχέση διαμέτρου και βήματος. Αλλάζοντας το φορτίο πρέπει να αλλάξουμε βήμα, χωρίς αυτό να σημαίνει πως πρέπει να υπάρχει οπωσδήποτε και αλλαγή της διαμέτρου ή έστω μεγάλη αλλαγή.
Πρακτικά όμως έχει αποδειχθεί ότι ορισμένες αναλογίες στη σχέση αυτών των δύο μεγεθών προσφέρουν υψηλότερο βαθμό απόδοσης από κάποιες άλλες. Πρόκειται για το λόγο P/D, του βήματος προς τη διάμετρο. Όταν ο λόγος αυτός σε μία προπέλα έχει τιμή μεταξύ 1,1 και 1,6 έχουμε την καλύτερη δυνατή απόδοση, με υψηλότερη αυτή της σχέσης P/D = 1,6. Κάτω και πάνω από τα όρια αυτά και κυρίως όταν η τιμή είναι κάτω από τη μονάδα, η απόδοση είναι χαμηλότερη.
Ας δούμε τώρα ποια είναι για μας η πρακτική σημασία αυτών των σχέσεων. Στους πίνακες ελίκων κάποιας εξωλέμβιας μηχανής 150 ίππων στις 5600 στροφές, αυτή η μηχανή προσφέρεται με σχέσεις μετάδοσης 1,87:1 ή 2:1. Ποια από τις δύο αυτές σχέσεις θα είναι προτιμότερη;
Εάν το σκάφος μας είναι π.χ. 800 κιλά, έχει τη δυνατότητα αρκετά μεγάλης ταχύτητας και η σχέση 1,87:1 είναι προτιμότερη, αφού χρειαζόμαστε πολλές στροφές στην προπέλα. Μια προπέλα με διάμετρο περίπου 15’’ και βήμα 19’’ θα ήταν η πιο κατάλληλη, γιατί θα είχε αρκετά υψηλό βαθμό απόδοσης, αφού η σχέση βήματος/διαμέτρου θα είναι 19’’/15’’ = 1,27 και θα απέδιδε μια ταχύτητα γύρω στους 43 κόμβους.
Εάν το σκάφος ζύγιζε 2000 κιλά και επιλέγαμε τη σχέση μετάδοσης 1,87:1, θα έπρεπε να χρησιμοποιήσουμε μία προπέλα με διάμετρο 15,75’’ (15 ¾’’) και βήμα 15’’ που έχει πιο χαμηλό βαθμό απόδοσης, αφού ο λόγος βήματος /διαμέτρου είναι 15’’/15,75’’ = 0,95. Η ταχύτητα μας στην περίπτωση αυτή θα ήταν 26 κόμβοι. Αντίθετα, αν επιλέγαμε τη σχέση μετάδοσης 2:1, η κατάλληλη προπέλα θα είχε διάμετρο 15,5’’ (15 ½’’) και βήμα 17’’ που έχει υψηλότερο βαθμό απόδοσης από την προηγούμενη, αφού θα είχαμε τη σχέση 17’’/15,5’’ = 1,1. Η ταχύτητά μας εδώ θα ήταν 28 κόμβοι και η επίδοσή μας καλύτερη κατά 2 κόμβους ή 7,7%, διαφορά αρκετά σημαντική που οφείλεται σε δύο λόγους.
1. Με την πιο αργή σχέση μετάδοσης έχουμε μεγαλύτερη ροπή στην προπέλα, που μας είναι απαραίτητη όταν τα φορτία που πρέπει να κινήσει η μηχανή μας είναι μεγάλα.
2. Η πιο αργή μετάδοση με μεγαλύτερη ροπή μας επιτρέπει να χρησιμοποιήσουμε προπέλα με μεγαλύτερο βήμα και να περάσουμε σε μια σχέση βήματος/διαμέτρου με υψηλότερο βαθμό απόδοσης.
Τα παραπάνω παραδείγματα βέβαια αναφέρονται σε εξωλέμβιες, αφορούν όμως και στις έσω-εξωλέμβιες και τις εσωλέμβιες μηχανές με την ανάλογη προσαρμογή σε σχέση με τις ιπποδυνάμεις, τη σχέση μετάδοσης, τις στροφές, τα βάρη κ.λπ.
Το θέμα της προπέλας αποτελεί ένα τεράστιο και πολύ σημαντικό κεφάλαιο στο ναυτικό τομέα που δεν εξαντλείται σε ένα ή δύο άρθρα, χωρίς να διακινδυνεύσει κανείς να δημιουργήσει επιπλέον σύγχυση, πέρα από αυτή που ήδη υπάρχει σε πολλούς, οι οποίοι προβληματίζονται για ο ποια είναι η πιο αποτελεσματική προπέλα που πρέπει να επιλέξουν για το σκάφος τους ή εάν αυτή που ήδη χρησιμοποιούν είναι η πιο κατάλληλη. Γι’ αυτό θα επανέλθουμε στο επόμενο και τελευταίο τρίτο μέρος, με περισσότερες λεπτομέρειες και κυρίως με πραγματικές προτάσεις που θα διαλύσουν κάθε πιθανή σύγχυση και θα βοηθήσουν στην επιλογή αυτή.
Προς το παρόν ας δώσουμε μια πρώτη αλλά ουσιαστικής σημασίας συμβουλή. Όποια και αν είναι η προπέλα μας, σωστή ή λάθος ως προς τον τύπο ης και ανεξάρτητα από τον τρόπο εγκατάστασης της μηχανής, πρέπει με την έλικα αυτή η μηχανή μας να φτάνει στο ανώτατο όριο των στροφών της, όταν της ζητήσουμε, με το συνηθισμένο μας φορτίο. Η χρήση μιας προπέλας με την οποία η μηχανή στο φουλ της λειτουργεί στο κατώτερο όριο των στροφών των προδιαγραφών της, που είναι επιτρεπτό και καμιά φορά συνιστάται για ένα μικρό κέρδος σε ταχύτητα με μεγαλύτερο βήμα προπέλας, ελάχιστα προσφέρει στη γενικότερη χρήση του σκάφους μας και πολύ πιο συχνά δημιουργεί σοβαρά προβλήματα.
