Dla każdego jachtu, nieważne, czy to eleganckiego przybrzeżnego krążownika, czy też statku zaprojektowanego do długodystansowych podróży, urządzenie sterowe odgrywa kluczową rolę w sterowaniu i ogólnych osiągach. Na urządzenie sterowe składają się zespoły maszyn oraz mechanizmów, których współpraca pozwala na sterowanie torem ruchu jednostki pływającej. Dla uproszczenia, na potrzeby artykułu, będę określał je „sterem”.
Zadaniem steru jest utrzymanie zadanego kursu statku, realizacja jego zmiany bądź stabilizacja przechyłu. Co więcej, w wyjątkowych sytuacjach, ster można wykorzystać w celu awaryjnego zatrzymania jednostki pływającej [1,4]. W świecie marine stery możemy podzielić ze względu na charakter pracy na dwie kategorie – na bierne oraz czynne.
W przypadku sterów biernych, wielkość wytworzonej siły sterującej jest zależna od prędkości wody opływającej wychyloną płetwę sterową. Stery bierne możemy podzielić na dwa rodzaje, zależnie od płetwy sterowej – na płytowe oraz wypornościowe.
Ster płytowy charakteryzuje się kształtem płaskiej płyty, najczęściej o stałej grubości na całej powierzchni. Z uwagi na kształt przekroju są tanie w produkcji oraz charakteryzują się niskimi oporami przy niewielkich wychyleniach. Z wad takiego rozwiązania można wymienić mniejszą skuteczność przy manewrach, ponieważ przy większym wychyleniu płetwy sterowej może nastąpić oderwanie strugi wody. Natomiast ster wypornościowy w przekroju poprzecznym posiada opływowy kształt o grubszej krawędzi natarcia i cieńszej krawędzi na spływie. Kształt ten powoduje brak oderwania się strugi wody od płetwy sterowej. Dodatkowo konstrukcja steru wypornościowego pozwala na wypełnienie wnętrza płetwy materiałem zapewniającym wyporność, co zmniejsza obciążenie łożyska kolumny steru. [1,2]. Na rysunku 1 przedstawiono oba rodzaje płetw sterowych.
b) ster wypornościowy [2]
Najprostszym rozwiązaniem konstrukcyjnym jest ster prosty. Może być podwieszony lub podparty (rys. 2 i 3). Ster podwieszony charakteryzuje się prostą budową, lecz jego konstrukcja powoduje duże obciążenie łożyska oporowego steru z uwagi na ciężar własny płetwy sterowej oraz obciążenia poprzeczne powstające podczas pracy steru z uwagi na brak dodatkowego podparcia. W celu ograniczenia obciążeń łożyska kolumny sterowej stosuje się ster podparty na tylnicy jednostki pływającej.
W celu zwiększenia skuteczności działania steru, stosuje się bardziej skomplikowane płetwy sterowe.
Efektywność działania steru można zwiększyć m.in. poprzez zastosowanie pomocniczej płetwy, wychylanej o dodatkowy kąt, niezależnie względem steru głównego. Ster z płetwą pomocniczą przedstawiono na rys. 4 [2]
Ster dwuczęściowy składa się z ruchomej płetwy sterowej, która współpracuje z tylnicą, o kształcie tak wyprofilowanym, aby po stronie ssawnej nie dochodziło do zjawiska załamania oraz oderwania linii prądu (rysunek 5).
Kolejnym rodzajem steru biernego jest ster skręcony, przedstawiony na rysunku 6 i 7. Kształt płetwy sterowej jest projektowany specjalnie dla danego kadłuba oraz wykorzystanej śruby napędowej. „Skręcenie” płetwy sterowej pozwalana na ukierunkowanie strumienia zaśrubowego, poprawiając parametry napędu jednostki pływającej.
(źródło: www.miwheel.com/sterngears/wake-adapted-technology, data dostępu: 05.03.2026)
Możemy teraz przejść do omówienia sterów aktywnych. W przeciwieństwie do sterów biernych, w przypadku urządzeń sterowych aktywnych wielkość wytworzonej siły sterującej nie jest zależna od prędkości wody opływającej wychyloną płetwę sterową. Kierunek ustawienia jednostki pływającej można zmienić niezależnie od ruchu postępowego statku dzięki sile generowanej przez element roboczy – pędnik.
Ster Pleugera to swojego rodzaju hybryda steru biernego i aktywnego. Na płetwie sterowej zamontowany jest dodatkowy pędnik wraz z napędzającym go silnikiem elektrycznym o mocy wynoszącej ok. 5% mocy silnika głównego. Z kolei średnice stosowanych pędników pomocniczych stanowią ¼ średnicy śruby napędowej znajdującej się na statku. Do podtrzymywania stateczności kursowej dodatkowy silnik jest wyłączony. Jest on uruchamiany w sytuacji, gdy:
- statek nie purusza się naprzód i nie występuje przepływ wody wokół płetwy sterowej. Wytworzenie dodatkowej siły sterującej przez pędnik zainstalowany na płetwie sterowej umożliwia wykonywanie manewrów,
- prędkość statku jest niewystarczająca, aby wytworzyć odpowiednią siłę sterującą na płetwie sterowej, statek utraci napęd główny. W tym momencie dodatkowy napęd może pełnić funkcję napędu awaryjnego, niezbędne jest wspomaganie napędu głównego. [1]
Bardzo popularnym sterem aktywnym, występującym na jachtach jest ster strumieniowy. Jego zadaniem jest zmiana położenia łodzi poprzez wykorzystanie strumienia wody przepływającego w poprzek płaszczyzny symetrii kadłuba. Konstrukcja steru strumieniowego wymaga umiejscowienia w dziobowej lub rufowej części kadłuba kanału przepływowego, w którym znajduje się pędnik. Znajdująca się w kanale śruba napędzana jest najczęściej za pomocą silnika elektrycznego. Z uwagi na utrudniony dostęp w przypadku awarii, rzadko stosuje się montaż silnika bezpośrednio w kanale. Ster strumieniowy posiada bardzo dużą efektywność przy prędkościach zbliżonych do zera. Z tego powodu jest używany do manewrowania oraz pozycjonowania jednostki pływającej. Na rys. 9 przedstawiono wykres zależności efektywności steru strumieniowego od prędkości statku.
Dodatkowo kanały mogą być zamykane klapami w celu zmniejszenia oporów kadłuba, podczas gdy ster strumieniowy nie jest używany.
Dysza obrotowa do prawidłowego działania potrzebuje strumienia wody, który wytwarza śruba napędu głównego. Pod tym względem jest to urządzenie sterowe zbliżone bardziej do urządzeń sterowych biernych niż do czynnych. Konstrukcja dyszy obrotowej jednak umożliwia sterowanie jednostką przy prędkościach zbliżonych zeru, tak więc została ona uznana za urządzenie sterowe aktywne. Śruba napędowa umiejscowiona jest w dyszy Korta, która może obracać się względem osi pionowej. Następstwem obrotu dyszy jest zmiana kierunku naporu śruby napędu głównego. Dodatkowo stosuje się płetwę pomocniczą, umiejscowioną u wylotu dyszy. Na rys. 11 przedstawiono konstrukcję dyszy obrotowej bez płetwy pomocniczej (a) oraz z płetwą pomocniczą (b).
Dodatkowo zastosowanie dyszy Korta zwiększa sprawność układu napędowego statku z uwagi na wytworzenie dodatkowej siły napędowej wokół profilu dyszy. Takie rozwiązanie bardzo dobrze sprawdza się w jednostkach pływających z małymi prędkościami i potrzebującymi dużych sił uciągu – np. w holownikach. Przy większych prędkościach dysza powoduje ogromne opory pływania i jej zastosowanie przestaje być uzasadnione ekonomicznie. [1]
Pędnik cyklidalny Voith-Schneidera, przestawiony na rys. 12, jest urządzeniem składającym się z pionowych łopatek w kształcie płata nośnego, które umiejscowione są w dnie statku, na wirującej płycie. Poprzez zmianę kąta wychylenia poszczególnych łopatek i jednoczesne obracanie ich za pomocą płyty obrotowej realizowane są ruch postępowy jednostki oraz manewry. Dzięki takiemu rozwiązaniu kadłub tak napędzanego statku może poruszać się w dowolnym kierunku. Aby uniknąć ruchu obrotowego kadłuba, będącego reakcją na obracający się pędnik, konieczne jest zastosowanie dwóch pędników cykloidalnych, przy czym każdy musi obracać się w przeciwną stronę. [3]
W skuterach wodnych zastosowanie znalazł pędnik strugowodny, który napędza jednostkę poprzez siłę strumienia wody wyrzucanego poza kadłub poprzez kanał, w którym znajduje się pompa. Strumień wylotowy jest kierowany w odpowiednim kierunku, przez co realizowane jest sterowanie skuterem [1]. W celu realizacji biegu wstecz, na wylocie kanału, stosowane są klapy, kierujące strumień wody w przeciwnym kierunku (rys. 13, punkt e)
Ostatnim typem aktywnego steru strumieniowego, na jakim się skupię będzie pędnik azymutalny. Jego konstrukcja składa się z silnika umieszczonego wewnątrz kadłuba statku, przekładni oraz śruby napędowej. Pędnik ma możliwość obrotu względem płaszczyzny symetrii jednostki pływającej, co umożliwia precyzyjne manewry oraz pozycjonowanie przy zerowych prędkościach kadłuba. Odmianą pędnika azymutalnego jest pędnik gondolowy. W tym przypadku silnik umieszczony jest w gondoli, bezpośrednio przy śrubie, pomijając przekładnię kątową.
Wydawać by się mogło, że ster to ster, jaki jest – każdy widzi. Okazuje się jednak, że rozwiązań pozwalających na manewrowanie jachtem jest całkiem sporo. Pozostaje jedynie dobrać odpowiedni typ do warunków pracy, w jakich ster ma pracować.
mgr inż. Szymon Strychalski
Literatura:
[1] Górski Z.: Budowa i działanie okrętowych urządzeń sterowych, śrub nastawnych i pochew wałów śrubowych. Trademar, Gdynia 2009.
[2] Górski Z.: Okrętowe mechanizmy i urządzenia pomocnicze TOM II. Trademar, Gdynia 2010.
[3] Giernalczyk M., Górski Z., Krefft J.: Różne rozwiązania konstrukcyjne sterów jako sposób ograniczania zużycia paliwa na statkach morskich, Logistyka 6/2015.
[4] Liu J., Hekkenberg R.: Sixty years of research on ship rudders: effects of design choices on rudder performance, tom 12, nr 4 (2017) s.:495-512
