Fremdriftssystem - Vannjet

Transkript

1 Fremdriftssystem - Vannjet En oppgave av Trond Noremark Forklare virkemåten til vannjetmotoren og drøfte fordeler og ulemper ved fremdriftssystemet. Individuell oppgave i Ingeniørfaglig innføring SKSK i perioden 15.mai 19.juni

2 Innholdsfortegnelse 1. Innledning Hva er en vannjet-motor? Vannjetens historie Hvordan virker et vannjetssystem? Manøvrering med vannjet Fordeler og ulemper med vannjet 8 7. Fremtiden med vannjet..10 Figur 1 - Visby-klasse korvett 2 Ingeniørfaglig innføring 2013

3 Innledning I denne oppgaven skal jeg forklare og gjøre greie for hvordan en vannjet-aggregat virker, og drøfte hvilke fordeler og ulemper det er ved bruke av et slikt fremdriftssystem. Grunnen til at jeg valgte å skrive om nettopp dette temaet har sin bakgrunn i min tidligere jobb som båtførere. Jeg har jobbet 2 år som småbåtoperatør i sjøforsvaret og har derfor opparbeidet meg erfaring med de fleste fremdriftssystemer som blir brukt på småbåter. Vannjet som fremdriftssystem er mitt desiderte førstevalg og jeg ville derfor gjennom denne oppgaven opparbeide meg mer kunnskaper om temaet. Hva er en vannjet-motor? Vannjet er et fremdriftssystem for båter hvor aggregatet i prinsipp fungere som en pumpe som suger vann fra undersiden av båten, akselererer dette og pumper det ut akterut. Det som akselerere vannet er en impeller som er tilpasset motorens effekt og sørger for maksimal gjennomstrømning av vann. Manøvrering skjer ved hjelp av en dyse som leder vannet horisontalt til sidene, i motsetning til et ror ved vanlig propelldrift. Ved reversering brukes det et reverseringsskjold som endrer retning på vannstrålen. Vannjet er i motsetning til propelldrift ikke avhengig av båtens vekt eller skrogform for å nyttiggjøre all effekten en motor kan gi. Dette gjør at du til enhver tid har 100% effekt tilgjengelig på motorene uavhengig av last. Siden det ikke er noen deler av vannjeten som stikker ned under kjølen, blir dette fremdriftssystemet ofte brukt på båter som skal operer i grunt farvann. Både for propelldrift og vannjetdrift er det newtons 2.lov som kan legges til grunn for fremdrift. Vannjetens historie Vannjetens historie kan spores tilbake til den italienske oppfinneren Secondo Campini. Campini presenterte det første fungerende vannjetssystemet allerede i 1931 i Venezia, men siden systemet viste seg å ikke være særlig pålitelig, ble det derfor ikke et kommersielt produkt. Campini så derfor heller ikke noen grunn til å patentere systemet. På 1950-tallet begynte Sir William Hamilton og eksperimentere med vannjet. Hamilton var fra New- Zealand og så behovet for et fremdriftssystem som kunne operer i de grunne og strømsterke elvene i New- Zealand. Da Hamilton skulle teste sin første vannjetmotor var han skuffet over hvor lite skyvekraft motoren hadde. Det var første da Hamilton oppdaget at ved å flytte vanndysen opp til vannlinjen i stede for Figur 2 - Sir William Hamilton

4 under vannlinjen at skyvekraften ble betydelig større. Dette førte til at Hamilton i 1954 kunne presenterte det første kommersielle vannjetsystemet, som ble en umiddelbar suksess. Figur 3 - Tidlig bilde av en vannjet drevet elevebåt Frem til 1990-tallet var vannjet forbeholdt små fritidsbåter som for eksempel vannscooter, men fra ca økte etterspørselen for hurtige skip, og dermed etterspørselen etter vannjetsystemer, spesielt på militære fartøy og ferger. Figur 4 - Valour-klasse Fregatt I dag finner vi vannjet som fremdriftssystemer på en rekke forskjellige fartøystyper. Alt fra små vannscootere, redningsskøyter og helt opp til Sør-Afrikas Valour-klasse fregatt. Som med sine 120 meter er det største fartøyet med vannjet som fremdriftssystem. I dag er det mange produsenter som leverer vannjetssytemer, men Hamilton er fortsatt en av de ledende leverandørene. 4 Ingeniørfaglig innføring 2013

5 Hvordan virker et vannjetssystem? Vannjetsystemet fungerer i prinsippet som en pumpe som suger inn vann under båten og pumper det ut akterut, og det er dette som får båten til å gå fremover. Vanninntaket er en integrert del av kjølen akterut og over vanninntaket er det montert en rist som hinder at gjenstander som kan ødelegge aggregatet blir sugd inn i impelleren. (A) En impeller er en rotor som er plassert inne i et rør. Fra vanninntaket ledes vannet i en kanal til impelleren (B). Impelleren er drevet av motoren gjennom akseldrift og det er viktig at impelleren er nøye tilpasset motorens omdreiningstall og effekt for å unngå kavitasjon. Kavitasjon gjør slik at impelleren ikke greier å absorbere vannet, men i stedet begynner å spinne. En vannjet med utilstrekkelige kavitasjonsgrenser kan medføre at det ikke blir produsert nok kraft til å komme over planingsterskelen, og kan derfor redusere farten betraktelig. Impelleren roterer og dermed pumper vannet ut bak båten i en stråle gjennom statorhuset og styredysen (C). Vannet blir presset ut av dysen med stor fart og kraft og på denne måten skapes det en kombinasjon av skyv- og trekk-kraft som presser båten fremover. For å kunne reversere og styre båten benytter man en kombinasjon av styredysen og reverseringsskjoldet. (D&E) Figur 5 - Vannjet A: Vanninntak B: Impeller C: Statorhuset D: Styredyse E: Reversskjold F: Akslingsovergang

6 Manøvrering med vannjet Når man skal forklare om manøvreringsegenskaper ved vannjetaggeregat må man skille mellom singel- og dobbel-installasjon. Singelinstallasjon av vannjetaggeregat fungere på mange måter likt propelldrift. Roterer du rattet mot høyre vil båten svinge mot styrbord og motsatt til babord. Vannstrålen blir vinklet ved hjelp av dysen (se figur 6) som fører til at båten svinger. Setter du reverseringsskjoldet i nøytral posisjon vil vannjetstrålen vinkles rett ned og båten vil i prinsippet ligge død i vannet. Forskjellen fra propelldrift ligger i reverseringen hvor styringen er motsatt enn ved den konvensjonelle propell/ror løsningen. Figur 6 - Reversering Figur 7 - Dyse Ved dobbelinstallasjon har man flere manøvreringsegenskaper. Ved å kombinere opp og ned med reverseringsskjoldet kan man få fartøyet til å flytte seg sidelengs, svinge uten hjelp av dysene og rotere rundt sin egen akse. Dobbelinstallasjoner blir som oftest brukt på fartøyer over 40 fot og som oftest på katamaraner. På større fartøyer er det 6 Ingeniørfaglig innføring 2013

7 også vanlig med flere enn 2 installasjoner. Figur 8 - Manøvreringsmuligheter med vannjet Det som gjør vannjet spesielt i forhold til andre fremdriftssystemer er at overgangen fra forover til revers oppnås uten gir. Man kan ha samme omdreining på motoren gjennom alle manøvreringsfaser og dermed ha minimal slitasje på drivverk, gir og akslinger.

8 Fordeler og ulemper med vannjet Den største fordelen med et vannjetssystem er at det kan operer på veldig grunt vann. Så lenge inntaket til jeten er under vann vil systemet fungere, og siden inntaket er integrert i kjølen er det skrogets dybde som avgjør operasjonsområdet. I tillegg er alle roterende deler beskyttet og befinner seg inne i båten. Derfor er systemet ofte brukt på båter som trenger å operere på grunt vann nær kysten, for eksempel redningsskøyter eller forsvarets stridsbåt 90. Systemet er også ofte installert på såkalte MOB-båter (mann over bord båter) siden den har ingen roterende deler i vannet som kan skade eventuelle personer som ligger i vannet. Figur 9 - Stridsbåt 90 Sverige Den andre store fordelen med systemet er de overlegne manøvreringsegenskapene vannjeten gir. De fleste båter med vannjet installert kan stoppe på en båtlengde fra full fart. Dette oppnås ved å flytte reverseringsskjoldet foran vannstrålen, slik at strålen endre retning. Denne operasjonen medfører ikke noe ekstra slitasje på motor og gir, siden disse ikke blir påvirket av operasjon, i motsetning til en konvensjonell propellinstallasjon der man trenger å skifte gir og forandre turtall for å reversere. Båter med vannjet kan også rotere rundt sin egen akse, med andre ord snues 360 grader på nøyaktig samme sted og ved to eller flere vannjetinstallasjoner kan båten manøvreres sidelengs. Disse egenskapen gjør vannjetssystemet unikt når det gjelder manøvreringsegenskaper, det eneste systemet som har tilnærmete egenskaper er poder. En annen fordel er ved for eksempel quad-installasjon av vannjet, altså 4 aggregater. Kjører man med en slik installasjon og man får problemer med en motor kan man med riktig vannjet fremdeles opprettholde en akseptabel fart på 70-80% av maks ved å kjøre 8 Ingeniørfaglig innføring 2013

9 på de tre gjenværende drivlinjene. Ved propellinstallasjoner vil dette være vanskelig, og som oftest vil man redusere til 20-30% for å forhindre ytterlig skade. I tillegg er ikke vannjeten så utsatt for kavitasjonsproblemer som ett propellsystem og vannjeten er mer effektiv når det gjelder å generere skyve-krefter ved høye hastigheter. Grunnen til at vannjet ikke er foretrukket på de fleste fartøy er at virkningsgr aden ved lavere hastigheter er dårligere enn ved en propellinstallasjon. Men ved hastigheter over knop kan virkningsgraden bli meget tilfredsstillende, helt opp til ( ) og derfor blir vannjet ofte foretrukket på høy-hastighets fartøyer. En av grunnen til at virkningsgraden blir høyere ved større hastigheter er at det er ikke noe av installasjonen som stikker ned i vannet og skaper motstand. Siden motstand er noe som øker proporsjonalt med økt hastighet. Siden vannjeten har få bevegelige deler og tilnærmet ingen giring, er vannjetssystemet veldig driftssikkert. Den største faren ved systemet er at vanninntaket blir tett og derfor leveres de fleste systemer med et flush-system, slik at vannjeten kan reverseres og dermed rense ut inntaket. Under slike forhold mister vannjeten sin kraft grunnet kavitasjon i inntaket, noe som fører til dårlig kontroll over fartøyet under rensing. Den største fienden til vannjetsystemet er plast. Plastposer eller plasthansker som ligger i sjøen og blir sugd inn i vannjeten er et stort problem, da disse smelter rundt impelleren. Vannjetsystemet har også mindre totalvekt enn for et komplett fremdriftssystem med propell, men tar som oftest større plass og krever et større maskinrom. Vannjeter er også i de fleste tilfeller dyrere i innkjøp enn konvensjonelle fremdriftssystemer og blir derfor valgt bort til fordel for vanlig propelldrift. En spesiell type vannjet blir også brukt på en del undervannsbåter på bakgrunn av den lave sonar signaturen den avgir. Figur 10 - Stridsbåt 90 ved nødstopp

10 Fremtiden Vannjet er i dag det vanligste fremdriftssystemet for hurtiggående fartøy. Det er tre årsaker til at vannjet velger framfor propelldrift. Den første grunnen er at vannjetsystemet ikke er så følsom for kavitasjon problemer som en propell ved høyere hastigheter. Den andre grunnen er at virkningsgraden er lik eller bedre enn propell ved høyere hastigheter. Den tredje grunnen er de overlegne manøvrerings egenskapene. Sjøforsvaret har i dag flere fartøyer som benytter vannjet som fremdriftssystem. Alta og Oksnes klassen, Skjold-klassen, Stridsbåt 90, Kystvaktens HPV, Sjøheimevernets patruljebåter med flere. I fremtiden er det ikke usannsynlig at det vil dukke opp flere fartøyer med vannjet i sjøforsvaret. Ula-klassen begynner å bli moden for utskiftning og ser man på hvordan utviklingen har gått på undervannsbåtene er det ikke usannsynlig at en ny norsk ubåtklasse vil bli utstyrt med vannjet. Figur 11 - Skjold-klasse kystkorvett Den Sør-Afrikanske fregatt-klassen Valour er også utstyrt med vannjet i tillegg til konvensjonell propelldrift. Denne fregatten kan både kjøres med propell og vannjet. Vannjeten brukes når den ikke vil bli oppdaget av ubåter på bakgrunn av den lave lyd signaturen. Og nettopp på grunn av denne egenskapen tror jeg det vil være naturlig å vurdere muligheten for vannjet på operative fartøy i marinen i fremtiden. Når det gjelder vannjet på lystfartøy er det nok prisen som avgjør om det kommer til å bli mer utbredd i fremtiden. Klarer man å produsere vannjetssystemer som kan konkurrere med propellsystemer i pris, tror jeg vannjet vil bli mer vanlig. Det er også blitt produsert utenbordsmotorer med vannjetsystem, uten at dette har blitt en suksess 10 Ingeniørfaglig innføring 2013

11 foreløpig. Enn så lenge får den enkle mann i gaten nøye seg med vannscooter, såfremt dette blir permanent lov. Figur 12 - Utenbordsmotor vannjet

12 Kilder Ingeniørfaglig innføring 2013