Stery strumieniowe. Nieodzowne wyposażenie współczesnych jachtów

26 czerwca 2022 | Biuletyn Techniki Jachtowej nr 13, Technika jachtowa

Różne jednostki pływające, w tym jachty, źle reagują na ruchy steru przy małych prędkościach, co przejawia się podczas manewrowania w basenach i kanałach portowych oraz podczas manewrów dojścia do nabrzeży i odejścia od nich. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie sterów strumieniowych, czyli urządzeń posiadających śrubę napędową, które za pomocą strumienia odrzucanej wody mogą zmieniać kierunek ruchu (zwrot) jachtu, ułatwiając tym samym wykonanie zamierzonych manewrów.

W sterach strumieniowych przepływ strumienia wody ma kierunek poprzeczny do wzdłużnej osi symetrii jachtu. Stąd też nazwa – poprzeczny ster strumieniowy. Ponieważ stery strumieniowe stały się dzisiaj niemal standardowym wyposażeniem jachtów, dlatego każda wiedza na ich temat jest przydatna. W artykule, poza teorią i eksploatacją, zamieszczono opisy kilku ciekawszych rozwiązań sterów. Inne zagadnienia związane z doborem i montażem sterów strumieniowych znajdzie Czytelnik w publikacjach T. Gonciarza [1, 2].

Zasada działania steru strumieniowego polega na zasysaniu wody przez śrubę, umieszczoną w tunelu przechodzącym z jednej burty na drugą w dolnej części zanurzonego kadłuba, i wyrzucaniu tej wody w postaci strumienia w kierunku przeciwnym do zamierzonego zwrotu jachtu. Zasadę tę wyjaśnia rysunek 1 [3].

Rys. 1. Schemat działania steru strumieniowego 1 – śruba napędowa, 2 – tunel steru, 3 – strumień wody wpływającej do kanału steru, 4 – strumień wody wyrzucanej z kanału steru

Przy założonym kierunku obrotów śruby 1 następuje zasysanie wody z prawej burty, tłoczenie strumienia wody 3 przez kanał 2 i wyrzucenie go w postaci strumienia 4 na stronę lewej burty, na skutek czego dziób jachtu obracany jest w prawo. Schematy poprzecznych sterów strumieniowych pokazano na rysunku 2. Na jachtach żaglowych stosuje się najczęściej stery strumieniowe dziobowe (rys. 2a).

Rys. 2. Schematy poprzecznych sterów strumieniowych a – ster strumieniowy dziobowy, b – ster strumieniowy dziobowy i rufowy; 1 – śruba napędowa, 2 – tunel steru

Na bardzo dużych jachtach spotyka się dwa stery strumieniowe w części dziobowej, umieszczone równolegle do siebie, podobnie i w części rufowej. Pozwala to przy dużej mocy wymaganej do napędu steru strumieniowego zastosować zamiast jednej śruby o dużej średnicy dwie śruby o mniejszych średnicach. Podział dziobowego steru strumieniowego na dwa oddzielne urządzenia zwiększa znacznie niezawodność, ponieważ podczas awarii jednego steru pozostaje do dyspozycji jeszcze drugi.

Stery strumieniowe działają przy ruchu jachtu naprzód i wstecz. Jednak przy ruchu jachtu wstecz efektywność steru strumieniowego (dziobowego) jest na ogół większa niż przy ruchu jachtu naprzód. Efektywność sterów strumieniowych rośnie ze zmniejszaniem się prędkości jachtu i największa jest przy prędkości równej zero, maleje natomiast przy zwiększaniu prędkości i przy prędkości jachtu wynoszącej kilka węzłów działanie steru jest na ogół mało skuteczne. Zastosowanie jednego steru strumieniowego przy normalnym sterze rufowym umożliwia obrót jachtu w lewo bądź w prawo o dowolny kąt oraz wykonanie pełnego obrotu jachtu o 360 stopni wewnątrz okręgu o średnicy wynoszącej dwie długości jachtu (rys. 3). W przypadku, gdy jacht posiada ster dziobowy, obrót ten wykonywany jest wokół części rufowej, gdzie osią obrotu w przybliżeniu byłaby linia pionowa przechodząca przez koniec pawęży jachtu (rys. 3a). Natomiast gdy jacht posiada rufowy ster strumieniowy, obrót o dowolny kąt następuje wokół osi przechodzącej w przybliżeniu przez dziób jachtu (rys. 3b).

Rys. 3. Możliwość obrotu jachtu wyposażonego w jeden ster strumieniowy dziobowy lub rufowy a – dziobowy, b – rufowy 1 – ster strumieniowy, 2 – oś obrotu, L – długość całkowita jachtu, D – średnica okręgu pełnego obrotu jachtu

Warto sobie zdawać sprawę z tego, że posiadanie na jachcie nawet jednego steru strumieniowego umożliwia korygowanie w czasie żeglugi ruchu dziobu, zmieniającego się na skutek wiatru i prądu.

Zastosowanie dwóch sterów strumieniowych, dziobowego i rufowego, umożliwia obrót jachtu o dowolny kąt niemal wokół osi pionowej przechodzącej przez środek ciężkości jachtu (rys. 4). Zatem średnica okręgu pełnego obrotu jachtu D równa jest długości całkowitej jachtu L.

Rys. 4. Możliwość obrotu jachtu wyposażonego w dwa stery strumieniowe: dziobowy i rufowy 1 – dziobowy ster strumieniowy, 2 – rufowy ster strumieniowy, 3 – oś obrotu jachtu

Jacht wyposażony w dwa stery strumieniowe, dziobowy i rufowy, może również łatwo przemieszczać się burtą w kierunku prostopadłym do podłużnej osi symetrii jachtu, co ma ogromne znaczenie podczas cumowania w zatłoczonych przystaniach. Tak więc w przypadku podchodzenia prawą burtą do nabrzeża obydwa stery odrzucają strumienie wody na stronę lewej burty, w przypadku podchodzenia do nabrzeża lewą burtą strumienie wody odrzucane są na stronę prawej burty (rys. 5). Podobnie przy odchodzeniu od nabrzeża obydwa stery odrzucają strumienie wody w stronę nabrzeża.

Rys. 5. Manewr podejścia jachtu do nabrzeża burtą

Przedstawione schematy manewrów, czyli obrotów i przemieszczania burtą jachtu, odnoszą się oczywiście do sytuacji, gdy nie pracuje śruba napędu jachtu, a prędkość jachtu naprzód lub wstecz równa jest zeru. Mówiąc o manewrach jachtu wyposażonego w ster lub stery strumieniowe, warto omówić jeszcze pewien ciekawy przypadek, polegający na trudności odejścia jachtu od nabrzeża lub burty innego jachtu przy użyciu steru strumieniowego. Przyczyną tego może być siła ssania wywołana obszarem podciśnienia powstałym między kadłubem jachtu i zakrzywionym strumieniem zaśrubowym (rys. 6). Opisany problem może powstać, jeżeli odległość wylotu tunelu steru strumieniowego od ściany (nabrzeża, burty) jest mniejsza niż dwie średnice kanału.

Rys. 6. Schemat powstawania obszaru podciśnienia podczas pracy steru strumieniowego

Każdy ster strumieniowy składa się z:
– śruby napędowej,
– silnika napędowego,
– cylindrycznego tunelu.

Schematy sterów strumieniowych przedstawiono na rysunku 7.

Rys. 7. Schematy sterów strumieniowych: a – z jedną śrubą, b – z dwiema śrubami 1 – śruba napędowa, 2 – silnik napędowy, 3 – tunel

Silniki napędzające śruby mogą być silnikami elektrycznymi oraz hydraulicznymi (rys. 8).

Rys. 8. Konstrukcje sterów strumieniowych: a – z jedną śrubą napędzaną silnikiem elektrycznym, b – z dwiema śrubami napędzanymi silnikiem elektrycznym, c – z dwiema śrubami napędzanymi silnikiem hydraulicznym

W przypadku a) może być to śruba stała albo nastawna, w przypadku b) oraz c) są to śruby stałe przeciwbieżne. Mimo, że obie śruby obracają się w przeciwnych kierunkach, skok każdej z nich jest tak dobrany, że obie wspomagają się wzajemnie i wspólnie wytwarzają napór w jednym kierunku, zależnie od kierunku prędkości obrotowej silnika napędowego. Zdwojenie śrub napędowych umożliwia zmniejszenie ich średnicy i średnicy tunelu steru strumieniowego oraz redukcję ssania po stronie wypływającego strumienia wody. Śruby umieszczone są oczywiście we wspomnianych tunelach cylindrycznych (rys. 9)

Rys. 9. Śruby w tunelach cylindrycznych a – widok śruby w tunelu dziobowym, b – widok śruby w tunelu dziobowym zabezpieczonym kratą

Rozwiązanie z pojedynczą śrubą jest prostsze oraz tańsze, i dlatego najczęściej stosowane. Lepsze w pojedynczych rozwiązaniach są śruby nastawne, ale zdecydowanie droższe. Do napędu śrub wykorzystuje się nawrotne silniki elektryczne i hydrauliczne w przypadku sterów strumieniowych o dużych mocach. Stosuje się śruby trzy-, cztero-, pięcio- i sześcioskrzydłowe, dające dużą siłę ciągu (napór) i cichą pracę. Śruby wykonywane są z tworzyw sztucznych oraz z brązu, gdy wymagany jest duży napór śrub. Warto tu zwrócić uwagę, że w celu zabezpieczenia śrub napędowych osłania się czasem wloty tuneli siatką lub kratą. Jednak wiele jachtów ma odsłonięte i niezabezpieczone wloty, jak ma to miejsce w przypadku jachtów eksploatowanych w czarterach w różnych krajach Morza Śródziemnego. Wynika to z faktu, że rzadko trafiają się tam zanieczyszczenia, mogące uszkodzić śrubę. Ale nie tylko zanieczyszczenia są niebezpieczne, co pokazuje praktyka. Znane są bowiem przypadki wciągnięcia przez ster strumieniowy liny morringowej, w następstwie czego może dojść do uszkodzenia śruby steru. Ma to miejsce podczas cumowania, kiedy nie zakończono wybierania morringu, a został włączony na chwilę ster strumieniowy dla korekty ustawienia kadłuba. Lina morringu, zwisająca przy wlocie wody do tunelu, na skutek silnego strumienia wody zostaje do niego wciągnięta (przy obrocie jachtu w prawo, na rysunku 10). Można by temu zapobiec, osłaniając właśnie tunel kratą widoczną na rysunku 9b.

Rys. 10. Niebezpieczeństwo wciągnięcia liny morringu do tunelu steru strumieniowego

Wiele konstrukcji sterów strumieniowych może być stosowanych jako dziobowe i rufowe, jeżeli istnieje możliwość zamontowania tych drugich. Nowe technologie dają możliwości wykonywania chowanych sterów strumieniowych, zarówno dziobowych, jak i rufowych (rys. 11).

Rys. 11. Chowane rufowe stery strumieniowe [4]

Ciekawe i praktyczne rozwiązanie steru strumieniowego widoczne jest na rysunku 12. W tym rozwiązaniu tunel ze śrubą dobudowany jest do zewnętrznej części rufowej. Silnik napędowy śruby znajduje się oczywiście we wnętrzu kadłuba. Na omawianym rysunku widoczne są również anody ochronne, zabezpieczające metalowy tunel i inne elementy jachtu przed korozją elektrochemiczną [5].

Rys. 12. Ster strumieniowy (tunel ze śrubą) dobudowany do rufy jachtu motorowego

Oryginalne umiejscowienie strumieniowego steru rufowego widoczne jest także na rysunku 13. Te dwa ostatnie rozwiązania wydają się godne polecenia do zastosowania, szczególnie gdy w stery strumieniowe chce się wyposażyć istniejące jachty.

Rys. 13. Ster strumieniowy w dolaminowanej obudowie tunelu=

dr inż. Krzysztof Zbierski

Literatura
[1] Gonciarz T.: Jak dobrać właściwy ster strumieniowy do jachtu? Jachting Motorowy 8/2015.
[2] Gonciarz T.: Jak poprawnie zamontować ster strumieniowy w jachcie? Jachting Motorowy 9-10/2015.
[3] Zbierski K.: Dieslowskie napędy jachtów. Wydawca Studio M. Łódź 2012.
[4] https://www.youtube.com/watch?v=9-IF3R1fn48
[5] Zbierski K.: Korozja elektrochemiczna kadłubów i napędów. Jachting Motorowy 4/2016.