Co je zařízení pro úsporu energie vrtule?

A zařízení pro úsporu energie vrtule (ESD) je pomocný hydrodynamický přívěsek instalovaný v blízkosti lodní vrtule — před, za nebo přímo na ní — což zlepšuje účinnost pohonu optimalizací distribuce proudění vody, snížením ztrát rotační energie ve stopě vrtule nebo rekuperací energie, která by se jinak rozptýlila jako turbulence. Tato zařízení nenahrazují vrtuli; pracují v kombinaci s ním, aby získali více tahu ze stejného výkonu na hřídeli, čímž snižují spotřebu paliva a emise výfukových plynů beze změny samotného hlavního motoru nebo vrtule.

Na velkých komerčních plavidlech, jako jsou tankery, lodě na hromadný náklad a kontejnerové lodě, mohou dobře sladěná zařízení pro úsporu energie dosáhnout úspora paliva 3 až 10 % , což se převádí na miliony dolarů za provozní životnost plavidla. Vzhledem k regulačnímu tlaku požadavků Mezinárodní námořní organizace (IMO) na index energetické účinnosti existujících lodí (EEXI) a indikátor uhlíkové intenzity (CII) se ESD staly jedním z nákladově nejefektivnějších nástrojů pro dodržování předpisů, které mají majitelé lodí k dispozici.

Proč dochází ke ztrátám bdění vrtule – a jak je ESD řeší

Konvenční vrtule uděluje vodě, kterou vytlačuje, jak axiální (dopředu tlačící), tak rotační (vířící) rychlost. Rotační složka — „slipstream rotace“ za vrtulí — představuje energii, která byla spotřebována motorem, ale nepřispěla k dopřednému tahu. Jednoduše se ztrácí jako vířící turbulence ve stopě vrtule. Navíc nerovnoměrné rozložení rychlosti lodní brázdy vstupující do kotouče vrtule vytváří kolísání tlaku, které snižuje účinnost a přispívá ke kavitaci.

Energeticky úsporná zařízení řeší tyto ztráty třemi mechanismy:

• Předběžná úprava průtoku: Zařízení pro předběžné víření instalované před vrtulí otáčejí přitékající vodu v opačném směru, než se otáčí vrtule – účinně zvyšují relativní úhel náběhu každého listu a zlepšují vytváření tahu na otáčku.
• Rekuperace energie probuzení: Zařízení po víření (buňky kormidla, žebra vrtule) rekuperují rotační energii v prokluzu vrtule tím, že převádějí vířivou stopu na dodatečný dopředný tah přes pevná žebra nebo vodicí plochy.
• Vyrovnání probuzení: Žebra statoru nebo kanály pro vyrovnávání brázdy redistribuují nestejnoměrné rychlostní pole vstupující do kotouče vrtule, čímž snižují kolísavé zatížení listu a kavitaci, která snižuje účinnost i životnost listu.

Hlavní typy zařízení pro úsporu energie vrtule

Stator před vířením (PSS)

Stator před vířením je sada pevných žeber namontovaných na záďovém nástavci nebo nálitku hřídele vrtule před vrtulí. Žebra jsou nakloněna tak, aby udělovala protiběžné víření vodě vstupující do vrtulového kotouče, čímž se zvyšuje efektivní úhel dopadu vody na listy vrtule a zlepšuje se tahový výkon. Typické úspory paliva jsou 3 až 6 % na jednošnekové nádoby. PSS je jedním z nejrozšířenějších typů ESD díky své konstrukční jednoduchosti a spolehlivému výkonu v celé řadě provozních tahů a rychlostí.

Vyrovnávací kanál pro probuzení (ST)

Vyrovnávací kanál brázdy je částečný nebo úplný prstencový kanál namontovaný před vrtulí v nestejnoměrné oblasti brázdy lodi. Potrubí urychluje pomalu se pohybující vodu z horní oblasti brázdy a zpomaluje rychleji se pohybující spodní vodu – vyrovnává rozložení rychlosti napříč kotoučem vrtule. To snižuje kavitaci, vibrace a hluk a zároveň zlepšuje účinnost pohonu 3 až 5 % . WED jsou zvláště účinné na plavidlech plného tvaru (tankery, lodě na hromadný náklad) s nízkou konstrukční rychlostí a silně nestejnoměrnými brázdami.

Krytky vrtule (Thrust Fin Hub Cap)

Křidélka vrtule nahrazují konvenční víko vrtule jednotkou nesoucí pevná žebra, která přesměrovávají vír náboje – koncentrovaný rotující tok, který se tvoří za nálitkem vrtule a představuje čistou ztrátu energie. Rozbitím tohoto víru a rekuperací jeho rotační energie jako dalšího tahu dosáhnou zařízení s krycími lamelami úspory paliva 1 až 4 % s minimálními konstrukčními úpravami. Jsou jedním z nejsnáze dovybavitelných ESD typů, protože vyžadují pouze výměnu stávajícího víčka vrtule.

Žárovka kormidla a ploutve

Baňka kormidla – proudnicový elipsoid umístěný na náběžné hraně kormidla ve výšce středové osy vrtule – vyhlazuje proudění z víru náboje vrtule přes povrch kormidla a snižuje odpor. V kombinaci se zkroucenými kormidlovými ploutvemi zařízení také obnovuje rotační energii brázdy. Tento kombinovaný systém dosahuje úspory paliva 4 až 6 % a má další výhodu ve zlepšení síly vztlaku kormidla, což může snížit požadavky na oblast kormidla nebo zlepšit manévrovatelnost.

Lopatky vrtule Boss Cap s kombinací pre-swirl

Mnoho moderních instalací ESD kombinuje více zařízení – například předvíření statoru před vrtulí spárované s krycím žebrem za ním – aby se současně řešila kvalita vstupního toku i rekuperace energie probuzení. Kombinovaná zařízení mohou dosáhnout celkové úspory paliva 5 až 10 % se specifickou kombinací zvolenou pomocí analýzy dynamiky výpočtových kapalin (CFD) pro každou jednotlivou konfiguraci trupu a vrtule.

ESD typy, polohy a typické úspory paliva

Které nádoby nejvíce těží z energeticky úsporných zařízení

Výhoda úspory energie an ESD není jednotná u všech typů plavidel – závisí na tvaru trupu, konstrukční rychlosti, zatížení vrtule a charakteristikách brázdy. Nejvyšší zisky se obvykle dosahují na:

• Velké tankery a lodě na hromadný náklad (VLCC, Capesize): Jejich plné trupy produkují silně nerovnoměrné, pomalu se pohybující brázdy s vysokou ztrátou rotační energie – podmínky, za kterých jsou ESD nejúčinnější.
• Kontejnerové lodě a velká nákladní plavidla: Vysoké úrovně výkonu hřídele znamenají, že i 3–5% zlepšení účinnosti představuje velmi velké absolutní úspory paliva – komerční motivace je silná.
• Plavidla operující stabilní konstrukční rychlostí pro dlouhé plavby: ESD jsou optimalizovány pro specifickou rychlost a ponor – plavidla, která pracují konzistentně blízko svého konstrukčního bodu, dosahují plného jmenovitého přínosu, na rozdíl od plavidel s vysoce proměnlivými rychlostními profily.