Napędy spalinowo-hydrauliczne i spalinowo-elektryczne (hybrydowe)

6 kwietnia 2022 | Biuletyn Techniki Jachtowej nr 12, Technika jachtowa

Istotą wymienionych napędów jest to, że moc z silnika spalinowego do śruby napędowej może być dostarczana za pośrednictwem układu hydraulicznego lub elektrycznego; w tym drugim napędzie występują dwa źródła energii, czyli silnik spalinowy i elektryczny, które mogą pracować razem lub osobno.

W napędzie spalinowo-hydraulicznym, którego schemat przedstawiono na rysunku 1, moc z silnika spalinowego do śruby napędowej przenoszona jest hydraulicznie.

Rys. 1. Schemat napędu spalinowo-hydraulicznego 1 – silnik spalinowy Diesla, 2 – zbiornik oleju, 3 – zawór sterujący, 4 – śruba napędowa, 5 – pompa hydrauliczna, 6 – przewody olejowe, 7 – silnik hydrauliczny, 8 – wał śrubowy, N – naprzód, W – wstecz, L – luz

Silnik spalinowy 1, zwykle Diesla, napędza pompę hydrauliczną 5, która przez zawór sterujący 3 tłoczy przewodami 6 olej do silnika hydraulicznego 7, a ten napędza wał śrubowy 8. Energia w postaci ciśnienia oleju w pompie hydraulicznej jest więc przetwarzana w silniku hydraulicznym na energię mechaniczną. Wspomniany zawór sterujący 3 ma trzy położenia: N – naprzód, L – luz, W – wstecz. Położenia te uzyskuje się za pomocą dźwigni manewrowej, regulującej także prędkość obrotową śruby napędowej. Pompa i silnik hydrauliczny tworzą tu przekładnię hydrauliczną, a ściślej: hydrostatyczną. Taki sposób przeniesienia mocy umożliwia dowolne umieszczenie silnika spalinowego we wnętrzu jachtu oraz pozwala na zmniejszenie długości wału śrubowego dzięki małym wymiarom silnika hydraulicznego (rys. 2). Jest to z punktu widzenia zabudowy napędu bardzo istotną zaletą w stosunku do napędu spalinowo-mechanicznego.

Rys. 2. Możliwości zastosowania i umieszczenia napędów spalinowo-hydraulicznych w różnych jachtach a – żaglowym, b – motorowym, c – wielokadłubowym

Korzyści wynikające z zastosowania przekładni hydraulicznej są oczywiste, szczególnie w wielośrubowym napędzie jachtów motorowych, zwłaszcza wielokadłubowych. Na przykład w trzyśrubowym jachcie z mechanicznym przeniesieniem mocy potrzebne są trzy silniki spalinowe, które zajmują bardzo dużo miejsca i nie pozostawiają wyboru ich dowolnego umieszczenia. W napędzie z hydraulicznym przeniesieniem mocy może być jeden silnik spalinowy i pompa hydrauliczna, z której moc dostarczana jest do trzech silników hydraulicznych, połączonych ze swoimi wałami śrubowymi. Daje to możliwość dowolnego umieszczenia silnika spalinowego. Oprócz przedstawionych na rysunku 2 rozwiązań, można stosować rozmaite kombinacje przeniesienia mocy i wykorzystania napędu hydraulicznego, jak na przykład zastosowanie dwóch silników spalinowych sprzęgniętych z pompami, przy czym napęd śruby odbywa się jednym silnikiem spalinowym, natomiast drugi napęd może być awaryjny lub też można go włączyć, gdy potrzebna jest pełna moc na śrubie. Istnieje także możliwość wykorzystania napędu hydraulicznego do napędzania windy kotwicznej lub innych urządzeń pokładowych na większych jachtach.

W przekładniach hydraulicznych rozpowszechniły się pompy i silniki wielotłokowe-osiowe. Widok takiej pompy (silnika) pokazano na rysunku 3. Są to najczęściej pompy o tzw. stałej wydajności, a z racji odwracalności napędu również silniki o tzw. stałej chłonności.

Rys. 3. Pompa/silnik hydrauliczny F10C-19, wytwórni Volvo-Flygmotor a) widok, b) przekrój 1 – tarcza rozdzielcza (zaworowa), 2 – blok cylindrowy, 3 – tłok, 4 – wieniec zębaty, 5 – wał

Ponieważ silnik hydrostatyczny otrzymuje ciecz od pompy, mówi się tu o chłonności silnika, czyli o natężeniu przepływu cieczy przez silnik. Moment obrotowy silnika spalinowego przenoszony jest na wał pompy 5 (rys. 3), powodując za pośrednictwem wieńca zębatego 4 obrót bloku cylindrowego 2. Wywołuje to postępowo-zwrotne ruchy tłoków 3 osadzonych w cylindrach wykonanych w bloku 2 ustawionych pod pewnym kątem do osi wału pompy. Rozdzielanie cieczy do kanału wylotowego bądź cylindrów odbywa się dzięki tarczy 1. Jest ona nieruchoma i prostopadła do osi obrotu bloku 2, który z nią współpracuje, i gdy nastąpi połączenie cylindra tłoka z odpowiednim wycięciem, to olej jest wytłaczany lub zasysany. Jeśli pompa pracuje jako silnik hydrostatyczny, olej tłoczony przez wycięcia tarczy wywiera nacisk na tłoki, a te popychają wieniec 4, a zatem obraca się wał 5, który przekazuje dalej moc śrubie napędowej.

Oprócz wymienionych funkcjonalnych zalet napędu z hydraulicznym przeniesieniem mocy, na szczególne podkreślenie zasługują następujące plusy:

  • możliwość płynnej regulacji prędkości obrotowej śruby napędowej,
  • ograniczenie drgań kadłuba jachtu, pochodzących od napędu,
  • szybka i płynna zmiana kierunku prędkości obrotowej śruby napędowej,
  • odporność napędu na przeciążenia,
  • małe koszty konserwacji, gdyż elementy przekładni hydrostatycznej nie wymagają dodatkowego smarowania.

Napędy te mają również pewne wady. Są to:

  • możliwość zapowietrzenia instalacji hydraulicznej,
  • konieczność wykwalifikowanej załogi,
  • mniejsza sprawność w porównaniu ze sprawnością napędu spalinowo-mechanicznego.

Jeśli jednak uwzględni się zalety napędu spalinowo-hydraulicznego, to jego wady nie mają większego znaczenia.

Napędy spalinowo-elektryczne

Napędy spalinowo-elektryczne nazywane są również napędami hybrydowymi (łac. hybryda = mieszaniec). W napędzie takim występują dwa źródła energii (mocy): silnik spalinowy Diesla i silnik elektryczny. Mogą być wykorzystywane obydwa źródła naraz lub każde z osobna, w zależności od potrzeb. Najprostsze odmiany (szeregowe) tych napędów są stosowane od wielu lat w różnych jednostkach pływających [3]. Nowoczesne napędy hybrydowe, mimo ogromnych zalet, są nowością w jachtingu i pojawiają się ich nieliczne egzemplarze, niestety w wysokiej cenie. W zależności od rozwiązania napędu hybrydowego, można uzyskać zmniejszenie zużycia paliwa i emisji szkodliwych składników spalin, za pomocą silnika elektrycznego można uruchamiać silnik spalinowy i ładować jachtowe akumulatory. Atrakcyjne jest napędzanie jachtu przez pewien czas tylko za pomocą silnika elektrycznego, co szczególnie istotne jest w czasie manewrów portowych i pływania w strefach ciszy. Zastosowanie takiego napędu daje możliwość dowolnej i ciągłej zmiany parametrów współpracy silnika spalinowego i śruby napędowej. Umożliwia uzyskanie dużych momentów obrotowych przy małych prędkościach obrotowych. Jest przydatne w czasie ruszania jachtu, holowania innego jachtu, a także podczas pracy w różnorodnych warunkach zewnętrznych z różnym obciążeniem.

Na rysunku 4 przedstawiono schemat klasycznego napędu spalinowo-elektrycznego. Z punktu widzenia rodzajów napędów hybrydowych jest to napęd szeregowy. W okrętownictwie określany jest jako napęd Diesel-elektryczny [1]. Śruba 7 napędzana jest bezpośrednio za pomocą silnika elektrycznego 3, zasilanego prądem z prądnicy 2, napędzanej za pomocą silnika spalinowego Diesla 1. Silnik Diesla z prądnicą tworzą agregat prądotwórczy. Przemiennik napięcia 4 przetwarza energię elektryczną dla uzyskania odpowiednich parametrów prądu zasilającego silnik elektryczny 3. W dużych siłowniach może być kilka zespołów prądotwórczych. Przeniesienie mocy z silnika spalinowego do śruby napędowej odbywa się za pomocą przekładni elektrycznej, która składa się z prądnicy 2 i silnika elektrycznego 3. Moc przekazywana śrubie napędowej pochodzi wyłącznie z silnika elektrycznego.

Rys. 4. Schemat napędu spalinowo-elektrycznego szeregowego 1 – silnik spalinowy Diesla, 2 – prądnica (generator prądu), 3 – silnik elektryczny, 4 – przemiennik napięcia, 5 – akumulatory, 6 – wał śrubowy w pochwie, 7 – śruba napędowa

Silnik elektryczny może być przez pewien czas zasilany z akumulatorów. Ładowanie akumulatorów odbywa się podczas pracy agregatu prądotwórczego. Użycie przekładni elektrycznych umożliwia zastosowanie do napędu jednostki dowolnej liczby silników spalinowych. Siłownia tego typu może być usytuowana w dowolnym miejscu kadłuba. Linia wału ze względu na niewielkie oddalenia silnika elektrycznego od śruby może być bardzo krótka.

Pojawiające się w jachtingu, wprawdzie bardzo powoli, napędy hybrydowe, są w swych odmianach bardziej skomplikowane niż napędy szeregowe. Na rysunku 5 pokazano schemat takiego napędu hybrydowego równoległego. Występujące w nim dwa źródła mocy (energii), czyli silnik spalinowy Diesla i silnik elektryczny, mogą pracować razem lub indywidualnie. Zatem są to dwa źródła bezpośredniego napędu śruby. Energia mechaniczna silnika spalinowego przekazywana jest częściowo poprzez napęd prądnicy do ładowania akumulatorów.

Rys. 5. Napęd spalinowo-elektryczny równoległy 1 – silnik spalinowy Diesla, 2-3 – generator prądu 2 − zintegrowany z silnikiem elektrycznym 3, 4 – przemiennik napięcia, 5 – akumulatory, 6 – wał śrubowy w pochwie, 7 – śruba napędowa, 8 – przekładnia mechaniczna

Oprócz napędów szeregowego i równoległego mogą występować ich kombinacje [2]. Przykład rozwiązania konkretnego napędu hybrydowego pokazano na rysunku 6. Jest to hybrydowy, równoległy napęd firmy Diesel Air Poland. Napęd ten, o mocy do 50 kW, dedykowany jest jachtom żaglowym i motorowym.

Rys. 6. Równoległy napęd hybrydowy firmy Diesel Air Poland

Dobrze rokują także napędy hybrydowe opracowane przez firmę Marineworks przy współpracy z Politechniką Gdańską, zaprezentowane w 2017 r. na targach Wiatr i Woda w Warszawie. Produkt ten został doceniony przez Polską Izbę Przemysłu Jachtowego i Sportów Wodnych, która, uznając go za najlepszy wyrób tych targów, przyznała mu nagrodę. Można żywić nadzieję, że napęd ten znajdzie amatorów.

dr inż. Krzysztof Zbierski

Literatura:
[1] Charchalis A.: Siłownie okrętowe. Wyższa Szkoła Marynarki Wojennej, Gdynia 1980.
[2] Bosch – Informator.: Napędy hybrydowe, ogniwa paliwowe i paliwa alternatywne. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2010.
[3] Urbański P.: Dwa wieki napędu mechanicznego statków. Wydawnictwo Marpress, Gdańsk 1997.