Čo je zariadenie na úsporu energie vrtule?

A zariadenie na úsporu energie vrtule (ESD) je an pomocný hydrodynamický prívesok inštalovaný v blízkosti lodnej vrtule — pred, za alebo priamo na nej — čo zlepšuje účinnosť pohonu optimalizáciou distribúcie prietoku vody, znížením strát rotačnej energie v stope vrtule alebo rekuperáciou energie, ktorá by sa inak rozptýlila ako turbulencia. Tieto zariadenia nenahrádzajú vrtuľu; pracujú v kombinácii s ním na získavaní väčšieho ťahu z rovnakého výkonu hriadeľa, čím sa znižuje spotreba paliva a výfukové emisie bez zmeny samotného hlavného motora alebo vrtule.

Na veľkých komerčných plavidlách, ako sú tankery, lode na hromadný náklad a kontajnerové lode, môžu dobre prispôsobené zariadenia na úsporu energie dosiahnuť úspora paliva 3 až 10 % , čo sa premieta do miliónov dolárov počas prevádzkovej životnosti plavidla. Vzhľadom na regulačný tlak požiadaviek na index energetickej účinnosti existujúcich lodí (EEXI) a indikátor uhlíkovej intenzity (CII) Medzinárodnej námornej organizácie (IMO) sa ESD stali jedným z nákladovo najefektívnejších nástrojov na dodržiavanie predpisov, ktoré majú majitelia lodí k dispozícii.

Prečo existujú straty bdelosti vrtule – a ako ich riešia ESD

Bežná vrtuľa prepožičiava vode, ktorú vytláča, axiálnu (dopredné tlačenie) aj rotačnú (vírenie) rýchlosť. Rotačná zložka – „slipstream rotácia“ za vrtuľou – predstavuje energiu, ktorá bola spotrebovaná motorom, ale neprispela k ťahu dopredu. Jednoducho sa stráca ako vírivá turbulencia v stope vrtule. Okrem toho nerovnomerné rozloženie rýchlosti brázdy lode vstupujúcej do kotúča vrtule vytvára kolísanie tlaku, ktoré znižuje účinnosť a prispieva ku kavitácii.

Zariadenia na úsporu energie riešia tieto straty tromi mechanizmami:

• Predkondicionovanie prietoku: Zariadenia na predbežné vírenie inštalované pred vrtuľou otáčajú prichádzajúcu vodu v opačnom smere, ako sa otáča vrtuľa – efektívne zväčšujú relatívny uhol nábehu každého listu a zlepšujú tvorbu ťahu na otáčku.
• Rekuperácia bdelej energie: Zariadenia po vírení (žiarovky kormidla, rebrá vrtule) obnovujú rotačnú energiu v prúde vrtule premenou víriacej brázdy na dodatočný dopredný ťah cez pevné rebrá alebo vodiace plochy.
• Vyrovnávanie budenia: Rebrá statora alebo kanály na vyrovnávanie brázdy prerozdeľujú nerovnomerné rýchlostné pole vstupujúce do vrtuľového kotúča, čím znižujú kolísavé zaťaženie listu a kavitáciu, ktoré znižujú účinnosť aj životnosť listu.

Hlavné typy zariadení na úsporu energie vrtule

Pre-Swirl Stator (PSS)

Stator s predbežným vírením je sada pevných rebier namontovaných na kormový nástavec alebo návarok hriadeľa vrtule pred vrtuľou. Rebrá sú zošikmené, aby udelili protibežné vírenie vode vstupujúcej do vrtuľového kotúča, čím sa zväčšuje efektívny uhol dopadu vody na listy vrtule a zlepšuje sa výstupný ťah. Typické úspory paliva sú 3 až 6 % na jednozávitovkových nádobách. PSS je jedným z najrozšírenejších typov ESD vďaka svojej štrukturálnej jednoduchosti a spoľahlivému výkonu v celom rozsahu prevádzkových ťahov a rýchlostí.

Wake ekvalizér (WED)

Vyrovnávacie potrubie brázdy je čiastočné alebo úplné prstencové potrubie namontované pred vrtuľou v nerovnomernej oblasti brázdy lode. Potrubie urýchľuje pomaly sa pohybujúcu vodu z hornej oblasti brázdy a spomaľuje rýchlejšie sa pohybujúcu spodnú vodu – vyrovnáva distribúciu rýchlosti cez vrtuľový kotúč. Tým sa znižuje kavitácia, vibrácie a hluk a zároveň sa zlepšuje účinnosť pohonu 3 až 5 % . WED sú obzvlášť účinné na plavidlách s plnou formou (cisternové lode, lode na hromadný náklad) s nízkou konštrukčnou rýchlosťou a výrazne nerovnomernými brázdami.

Plutvy krytu vrtule (Plutvy náboja vrtule)

Rebrá krytu vrtule nahrádzajú konvenčný kryt nástavca vrtule jednotkou nesúcou pevné rebrá, ktoré presmerujú vír náboja – koncentrovaný rotujúci tok, ktorý sa tvorí za nástavcom vrtule a predstavuje čistú stratu energie. Rozbitím tohto víru a rekuperáciou jeho rotačnej energie ako dodatočného ťahu dosahujú zariadenia s uzáverovými rebrami úsporu paliva 1 až 4 % s minimálnou stavebnou úpravou. Sú jedným z najľahšie dovybaviteľných typov ESD, pretože vyžadujú iba výmenu existujúceho krytu vrtule.

Kormidlo a plutvy

Kormidlo - aerodynamický elipsoid namontovaný na prednej hrane kormidla vo výške stredovej čiary vrtule - vyhladzuje tok z víru náboja vrtule nad povrchom kormidla, čím sa znižuje odpor. V kombinácii so skrútenými kormidlami zariadenie tiež obnovuje rotačnú energiu bdenia. Tento kombinovaný systém dosahuje úsporu paliva 4 až 6 % a má ďalšiu výhodu v zlepšení sily zdvihu kormidla, čo môže znížiť požiadavky na oblasť kormidla alebo zlepšiť manévrovateľnosť.

Plutvy vrtule Boss Cap s kombináciou predbežného vírenia

Mnohé moderné inštalácie ESD kombinujú viacero zariadení – napríklad stator s predbežným vírením pred vrtuľou spárovaný s krycou rebrou za ním – aby sa súčasne riešila kvalita privádzaného toku a rekuperácia energie prebudenia. Kombinované inštalácie môžu dosiahnuť celkovú úsporu paliva 5 až 10 % so špecifickou kombináciou zvolenou prostredníctvom analýzy dynamiky kvapalín (CFD) pre každú jednotlivú konfiguráciu trupu a vrtule.

Typy ESD, polohy a typické úspory paliva

Ktoré plavidlá najviac ťažia zo zariadení na úsporu energie

Výhoda úspory energie an ESD nie je jednotná pre všetky typy plavidiel – závisí od tvaru trupu, konštrukčnej rýchlosti, zaťaženia vrtule a charakteristík brázdenia. Najvyššie zisky sa zvyčajne dosahujú pri:

• Veľké tankery a lode na hromadný náklad (VLCC, Capesize): Ich plné trupy vytvárajú silne nerovnomerné, pomaly sa pohybujúce brázdy s vysokou stratou rotačnej energie – podmienky, pri ktorých sú ESD najúčinnejšie.
• Kontajnerové lode a veľké nákladné plavidlá: Vysoké úrovne výkonu hriadeľa znamenajú, že aj 3–5 % zlepšenie účinnosti predstavuje veľmi veľkú absolútnu úsporu paliva – komerčný stimul je silný.
• Plavidlá pracujúce stabilnou konštrukčnou rýchlosťou na dlhé plavby: ESD sú optimalizované pre špecifickú rýchlosť a ponor – plavidlá, ktoré pracujú dôsledne blízko svojho konštrukčného bodu, realizujú plný menovitý prínos, na rozdiel od plavidiel s vysoko variabilnými rýchlostnými profilmi.