Prototypowy napęd hybrydowy jachtu typu camper

12 października 2021 | Biuletyn Techniki Jachtowej nr 10, Technika jachtowa

Przedstawiamy założenia i proces opracowania innowacyjnego napędu, który został z sukcesem przetestowany na jachcie Sun Camper 35.

Jachty typu camper mają kadłuby wypornościowe i z reguły pływają z prędkościami do 15 km/h. Ich celem nadrzędnym jest autonomiczność, bezpieczeństwo, zwrotność i ekonomia pływania. Cechą bardzo pożądaną jest możliwość poruszania się w strefach ciszy.

W ramach eksperymentu do jachtu Sun Camper 35 został skonfigurowany napęd hybrydowy, będący połączeniem napędu spalinowo-hydraulicznego z elektryczno-hydraulicznym. Celem takiego działania było ominięcie prawie wszystkich ograniczeń, jakie wiążą się z każdym z tych napędów stosowanych oddzielnie.

Przygotowanie prototypu pędnika do prób „na uwięzi”

Dobór właściwej śruby napędowej

Aby jacht o długości 10,6 m i wyporności 5,5 t uzyskał prędkość maksymalną w przedziale 12-15 km/h, jako główny wybrany został silnik stacjonarny wysokoprężny o mocy 40 KM (3000 rpm). Jak wiadomo, najsprawniejsze układy napędów hydraulicznych pompa-silnik nie przekraczają sprawności 80% (w rzeczywistości jest to 70-75%), co czyni je mniej wydajnymi niż układy przenoszące napęd na wał śrubowy poprzez przekładnię mechaniczną (tu sprawność sięga 95%).

O ile na pierwszy rzut oka przeniesienie napędu układem hydraulicznym powoduje stratę energetyczną 20-25%, o tyle rozpatrując sprawę kompleksowo, uwzględniając śruby napędowe, temat zaczyna wyglądać inaczej.

Silnik spalinowy niewielkiej mocy (40 KM) dysponuje momentem obrotowym w chwili startu M < 100 Nm, co ogranicza możliwość zastosowania śrub napędowych o dużej średnicy, tj. wyżej sprawnych (w Sun Camper 35 silnik hydrauliczny zapewnia M < 340 Nm). Jednocześnie w dużym uproszczeniu można stwierdzić, że w jednostkach pływających wypornościowo sprawność śruby napędowej jest tym wyższa, im większa jest jej średnica i im niższe są jej obroty maksymalne.

Reguła ta potwierdziła się podczas pomiarów przeprowadzonych na Sun Camperze 35, które wykonano na jeziorze Necko w latach 2017 i 2018. Pierwsze pływanie (na silniku spalinowym) zabalastowanego kadłuba odbyło się ze śrubą pchającą VETUS P3-19”/12”. Uzyskano wtedy maksymalne prędkości 13,5-13,7 km/h (ciężar kadłuba ok. 3,8 t).

Przed próbami pędnika pchającego na jeziorze Necko
Przed próbami pędnika ciągnącego

Drugie pływanie (także na silniku spalinowym) przeprowadzono z tym samym pędnikiem, lecz tym razem zastosowano śrubę ciągnącą VETUS P3 – 21”/15”. Uzyskano wyższą prędkość maksymalną – 14,5-14,7 km/h. Dalsze pływania odbyły się na w pełni wyposażonej jednostce, z zapasem 200 l paliwa i 200 l wody słodkiej.

Jednostka w pełni wyposażona razem z zapasami waży 5800 kg. Pierwszy rejs odbyła 8 sierpnia 2018 r. na trasie NCŻ Górki Zachodnie – Gdynia, przy wietrznej pogodzie (wiatr 30° od dziobu o sile 5 B) – jacht uzyskał wtedy na silniku spalinowym prędkość do 15,2 km/h.

Dołożenie napędu elektrycznego

Na etapie wyposażania jednostki zdecydowano o dołożeniu napędu elektrycznego. Przemówiły za tym argumenty takie, jak możliwość zastąpienia balastu 200 kg na dziobie czterema akumulatorami żelowymi po 200Ah oraz brak mechanizmu dziobowego steru strumieniowego we wnętrzu kadłuba w przypadku instalacji steru z silnikiem hydraulicznym zlokalizowanym w piaście.

Mechanizmy sterów strumieniowych – silniki hydrauliczne w piaście

Napęd elektryczno-hydrauliczny można połączyć z hydrauliczno-spalinowym przez zawory separujące. Dzięki temu wykorzystano ten sam olej i zbiornik olejowy, pędnik oraz sterowanie z pulpitu, na którym dodano jedynie przełącznik funkcji (pokrętło).

Napęd elektryczny realizowany jest silnikiem klatkowym o mocy 2,2 kW / 1430 rpm, który zasilany jest z czterech akumulatorów poprzez przetwornicę 12 V DC / 1 × 230 V AC 50Hz – 4 kW. Silnik ten napędza lekką pompę osiowo-tłoczkową o zmiennym wydatku, sterowaną proporcjonalnym siłownikiem elektrycznym.

Akumulatory napędu elektrycznego i przyłącza steru strumieniowego
Kolumna pędnika pełniąca funkcję steru w zakresie +/ – 90° i transmisję oleju zasilania silnika hydraulicznego (na stanowisku prób)

Ten sam układ napędowy posłużył do zastosowania sterowania ze wspomaganiem hydraulicznym do napędu windy kotwicznej oraz do dziobowego steru strumieniowego. Rufowy ster strumieniowy stał się zbędny z uwagi na możliwość obracania pędnika głównego o kąt +/– 90°. Dodatkowo, taki układ hydrauliczny może być w przyszłości z łatwością rozbudowany o nowe funkcje, np. ruchomy trap.

Kolumna pędnika z siłownikiem obrotowym (fot. w trakcie wyposażania campera w stoczni)

To, co jest największym plusem systemu, to układ hydrauliczny w obiegu zamkniętym, w którym prędkość obrotowa silnika zadawana jest sygnałem elektrycznym ustawiającym pompę (zmiana wydatku i kierunku wypływu). Nie ma strat dławienia rozdzielaczami, a pompa pomocnicza, zintegrowana z pompą główną zasilania pędnika, służy do zasilania steru strumieniowego, windy kotwicznej i ewentualnie innych odbiorników. Przy braku zapotrzebowania na zasilanie dodatkowych odbiorów, olej kierowany jest bezciśnieniowo przez filtr powrotny do zbiornika.

Pędnik ciągnący

Silnik hydrauliczny w płetwie sterowej

Innowacją jest zastosowanie silnika hydraulicznego (częściowo modyfikowanego) umieszczonego w płetwie sterowej, który ma śrubę napędową nasadzoną na wał wyjściowy oraz może pracować w całkowitym zanurzeniu. Eliminuje to całkowicie konieczność stosowania wału śrubowego – jego centrowania, wibracji (przy pracy na fali z różnymi stanami załadowania jednostki). Ogranicza też awarie w przypadku uderzenia płata śruby o przeszkodę. Umieszczenie silnika w płetwie sterowej i odwrócenie śruby do ciągnięcia jachtu powoduje zwiększenie efektywności pędnika, gdyż śruba pracuje z niezakłóconym napływem wody. Obrót pędnika realizowany jest serwomechanizmem hydraulicznym aktywującym siłownik z trzpieniem obrotowym. Opór na obwodzie kierownicy jest rzędu 0,3–0,5 kg.

Przy braku zasilania serwomechanizmu (gdy nie pracuje pompa), serwomechanizm z nieco zwiększonym oporem na kierownicy, ok. 2 kg, może obracać kolumną pędnika – czyli płetwą sterową. Zamontowany na siłowniku zawór by-pass po otwarciu umożliwia obrót dźwignią (rumplem) w przypadku holowania campera z wyłączonymi napędami.

Agregat pompowy z napędem elektrycznym (widoczny akumulator startowy silnika Diesla)

By istniała możliwość kontroli wszystkich odbiorników mocy bez obawy zadławienia silnika spalinowego (40 KM), cały układ hydrauliczny jest kontrolowany komputerem pokładowym „Plus+1” (IP67). Śledzi on obroty silnika spalinowego, steruje dawką paliwa (za pomocą elektrycznego siłownika proporcjonalnego, IP67), sygnałem elektrycznym reguluje wydatek pompy głównej na podstawie pomiaru ciśnienia z przetwornika – ogranicza go w chwili włączenia odbiorów dodatkowych (np. steru strumieniowego czy windy kotwicznej). Za pomocą współpracujących ze sterownikiem dwóch potencjometrów można korygować pochylenie i przesunięcie charakterystyk napędowych (by dostosować je np. do oporu zestawu holowanego przez camper). Komputer ten doskonale współpracuje z zadajnikiem VETUS EC4, joystickami BPJSTA i BPJ5 sterującymi sterem strumieniowym i windą kotwiczną RC12D z napędem hydraulicznym.

Czas pracy steru strumieniowego jest praktycznie nieograniczony, nie ma możliwości przegrzania go czy uszkodzenia mechanicznego. Aktualne położenie pędnika wyświetlane jest na pulpicie sterowniczym nad kierownicą. Na pulpicie wyświetlacz pokazuje też aktualne obroty śruby napędowej odczytywane bezpośrednio ze śruby (10-820 obr./min).

Osiągi i poziom hałasu

Napęd główny, spalinowo-hydrauliczny, po wytłumieniu komory silnika pozwala na pływanie z prędkością maksymalną 14,7 km/h przy głośności w kabinie na poziomie 66-67 dB. Z kolei napęd elektryczny jest wystarczająco silny, by pływać nawet przy dużym wietrze przeciwnym z prędkością 3,5 km/h. Przy dobrych warunkach pogodowych na napędzie elektrycznym uzyskano maksymalną prędkość 5,7-6,0 km/h i głośność napędu w kabinie 52-54 dB. W praktyce na zewnątrz jachtu hałas napędu elektrycznego jest zagłuszany pluskiem wody. Na pełnym naładowaniu akumulatorów pokonano dystans ok. 10 km.

Winda kotwiczna z napędem hydraulicznym
Schemat hydrauliczny SunCampera 35

Praktyka budowy prototypu i koszty wdrożenia

W Sun Camperze 35 z prototypowym napędem kolumna pędnika, pędnik i ster strumieniowy zostały wykonane metodą ślusarską, co wiązało się z dużym nakładem prac ręcznych. Na przełomie 2017 i 2018 r., po próbach i pomiarach na jeziorze Necko, opracowano wykonanie kolumny pędnika i pędnika z płetwą sterową metodą odlewniczą (z obróbką powierzchni ważnych). W takim wykonaniu płetwa z silnikiem hydraulicznym i śrubą może być zdemontowana i wymieniona po odkręceniu czterech śrub.

Konsola sterowań
Zbiornik olejowy z odpowietrznikiem nadciśnieniowym 0,25 bar z filtrem powrotnym 10 mikronów / beta 200 / Q>180 lpm

Przy wykonaniu seryjnym orurowanie zasilające ster strumieniowy, układ sterowania ze wspomaganiem i windy kotwicznej może być zalaminowane np. w stępce w czasie prefabrykacji skorupy kadłuba. Na etapie wyposażania podłączenie byłoby zrealizowane krótkimi wężykami.

Silnik spalinowy może być usytuowany w dowolnym miejscu kadłuba, według decyzji konstruktora – architekta wnętrza (oczywiście z zapewnieniem wygłuszenia i wentylowania komory silnika).

W czasie wystawy Woda i Wiatr Gdynia 2018 (jeszcze bez izolacji akustycznej komory silnika) jacht uzyskał nominację do nagrody głównej

Na taką wersję wykonania pędnika został wystawiony wniosek patentowy P.424813 (WIPO ST 10/C PL424313). W wersji „uprzemysłowionej” koszt takiej instalacji wraz z odbiornikami, w tym z napędem elektrycznym, szacowany był w roku 2018 na 125 tys. zł.

Autorzy opisanego układu napędowego:
Oprogramowanie i konfiguracja
funkcji kontrolnych: Artur Politowicz
Główny projektant instalacji napędów:
Zdzisław Gierszanow

Projekt powstał przy finansowaniu firmy BibusMenos i życzliwej współpracy głównego projektanta Sun Campera 35, pana Jacka Centkowskiego i Stoczni BaltYacht.

W przypadku zainteresowania uprzemysłowieniem lub zastosowaniem opisanego w niniejszym artykule systemu napędowego należy kontaktować się z jego głównym projektantem, tj. Zdzisławem Gierszanowem, tel. 518 505 075.