Ce este un dispozitiv de economisire a energiei cu elice?

A dispozitiv de economisire a energiei elicei (ESD) este o apendice hidrodinamică auxiliară instalată lângă elicea unei nave — în fața, în spatele sau direct pe acesta — care îmbunătățește eficiența propulsiei prin optimizarea distribuției fluxului de apă, reducerea pierderilor de energie în rotație în traseul elicei sau recuperarea energiei care altfel ar fi disipată ca turbulență. Aceste dispozitive nu înlocuiesc elicea; ele lucrează în combinație cu acesta pentru a extrage mai multă forță de la aceeași putere pe arbore, reducând astfel consumul de combustibil și emisiile de evacuare fără nicio modificare a motorului principal sau a elicei în sine.

Pe navele comerciale mari, cum ar fi cisternele, vrachierele și navele portacontainere, dispozitivele de economisire a energiei bine adaptate pot realiza economii de combustibil de 3 până la 10% , care se traduce în milioane de dolari pe durata de exploatare a unei nave. Având în vedere presiunea de reglementare a cerințelor privind indicele de eficiență energetică existentă a navelor (EEXI) și indicatorul de intensitate a carbonului (CII) ale Organizației Maritime Internaționale (IMO), ESD-urile au devenit unul dintre cele mai rentabile instrumente de conformitate disponibile armatorilor.

De ce există pierderile de trezire a elicei – și cum le abordează ESD-urile

O elice convențională conferă apei pe care o deplasează atât viteză axială (împingere înainte) cât și viteză de rotație (învârtire). Componenta de rotație – „rotația alunecării” în spatele elicei – reprezintă energia care a fost consumată de motor, dar nu a contribuit la împingerea înainte. Pur și simplu se pierde ca turbulență învolburată în urma elicei. În plus, distribuția neuniformă a vitezei traseului navei care intră în discul elicei creează fluctuații de presiune care reduc eficiența și contribuie la cavitație.

Dispozitivele de economisire a energiei abordează aceste pierderi prin trei mecanisme:

• Precondiționarea fluxului: Dispozitivele de prevolburare instalate înaintea elicei rotesc apa care intră în direcția opusă rotației elicei - crescând efectiv unghiul relativ de atac al fiecărei pale și îmbunătățind generarea de forță pe rotație.
• Recuperarea energiei de trezi: Dispozitivele post turbionare (becurile cârmei, aripioarele capacului elicei) recuperează energia de rotație în fluxul de alunecare al elicei, transformând valul de turbionare în forță suplimentară înainte prin aripioare fixe sau suprafețe de ghidare.
• Egalizare trezire: Aripioarele statorului sau conductele de egalizare de trezire redistribuie câmpul neuniform de viteză care intră în discul elicei, reducând sarcinile fluctuante ale palelor și cavitația care degradează atât eficiența, cât și durata de viață a palelor.

Principalele tipuri de dispozitive de economisire a energiei cu elice

Stator de prevolburare (PSS)

Un stator de pre-turtire este un set de aripioare fixe montate pe boful pupei sau pe boful arborelui elicei înaintea elicei. Aripioarele sunt înclinate pentru a conferi un vârtej contrarotativ apei care intră în discul elicei, crescând unghiul efectiv de incidență a apei pe palele elicei și îmbunătățind puterea de tracțiune. Economiile tipice de combustibil sunt 3 până la 6% pe vase cu un singur şurub. PSS este unul dintre cele mai instalate tipuri de ESD datorită simplității sale structurale și a performanței fiabile într-o gamă de curenți și viteze de operare.

Conducta de egalizare Wake (WED)

O conductă de egalizare a trezului este o conductă inelară parțială sau completă montată înaintea elicei în regiunea neuniformă a valului navei. Conducta accelerează apa care se mișcă lentă din regiunea superioară de mers și decelerează apa inferioară care se mișcă mai rapid - egalând distribuția vitezei pe discul elicei. Acest lucru reduce cavitația, vibrațiile și zgomotul, îmbunătățind în același timp eficiența propulsiei 3 până la 5% . WED-urile sunt deosebit de eficiente pe nave cu formă completă (cisternă, vrachiere) cu viteze de proiectare reduse și trasee puternic neuniforme.

Aripioare pentru capacul elicei (Capac butuc pentru aripioare de împingere)

Aripioarele capacului elicei înlocuiesc capacul boșonului convențional al elicei cu o unitate care poartă aripioare fixe care redirecționează vortexul butucului - un flux rotativ concentrat care se formează în spatele șefului elicei și reprezintă o pierdere de energie pură. Prin ruperea acestui vortex și recuperarea energiei sale de rotație ca forță suplimentară, dispozitivele cu aripioare cu capac realizează economii de combustibil de 1 până la 4% cu modificări structurale minime. Acestea sunt unul dintre cele mai ușor de adaptat tip ESD, deoarece necesită doar înlocuirea capacului elicei existent.

Bulb de cârmă și aripioare

Un bulb al cârmei - un elipsoid aerodinamic montat la marginea de conducere a cârmei la înălțimea liniei centrale a elicei - netezește fluxul de la vortexul butucului elicei peste suprafața cârmei, reducând rezistența. Combinat cu aripioarele cârmei răsucite, dispozitivul recuperează și energia de trezire de rotație. Acest sistem combinat realizează economii de combustibil de 4 până la 6% și are avantajul suplimentar de a îmbunătăți forța de ridicare a cârmei, ceea ce poate reduce cerințele de suprafață a cârmei sau poate îmbunătăți manevrabilitatea.

Aripioare pentru elice Boss Cap cu combinație pre-swirl

Multe instalații ESD moderne combină mai multe dispozitive - de exemplu, un stator de pre-turtire în fața elicei, asociat cu o aripă de capac în spatele acesteia - pentru a aborda simultan atât calitatea fluxului de intrare, cât și recuperarea energiei de trezire. Instalațiile combinate pot realiza economii totale de combustibil 5 până la 10% , cu combinația specifică aleasă prin analiza dinamicii fluidelor computaționale (CFD) pentru fiecare configurație individuală a carcasei și a elicei.

Tipuri ESD, poziții și economii tipice de combustibil

Ce nave beneficiază cel mai mult de dispozitivele de economisire a energiei

Beneficiul de economisire a energiei al unui ESD nu este uniformă pentru toate tipurile de nave - depinde de forma corpului, viteza de proiectare, încărcarea elicei și caracteristicile de mers. Cele mai mari câștiguri sunt obținute de obicei pe:

• Tancuri mari și vrachiere (VLCC, Capesize): Corpurile lor de formă completă produc trezuri puternic neuniforme, cu mișcare lentă, cu pierderi mari de energie de rotație - condițiile ESD-urile sunt cele mai eficiente în abordare.
• Nave de containere și nave de marfă mari: Nivelurile ridicate de putere a arborelui înseamnă că chiar și o îmbunătățire a eficienței cu 3–5% reprezintă economii absolute foarte mari de combustibil - stimulentul comercial este puternic.
• Nave care operează la o viteză de proiectare stabilă pentru călătorii lungi: ESD-urile sunt optimizate pentru o anumită viteză și pescaj — navele care funcționează constant în apropierea punctului lor de proiectare realizează beneficiul total nominal, spre deosebire de navele cu profile de viteză foarte variabile.