Faktorer som påverkar effektiviteten till bogpropellern

När vi pratar med kunder om storlek på bogpropellern blir vi ofta ombedda att erbjuda bogpropellrar enligt el- eller hydraulmotoreffekt (kW). Det finns dock en anledning till varför propellrar kallas propeller. Det som trycker båten i sidled är dragkraften i kilogram-kraft (kgf) och inte motoreffekt mätt i watt. Motorn är bara en av komponenterna i en bogpropeller som väsentligt påverkar systemets effektivitet. Fyra huvudfaktorer översätter motorns kW till faktisk dragkraft vid en specifik tunneldiameter:

• Motor- och systemeffektivitet
• Växelhus design
• Propeller prestanda
• Hydrodynamisk effektivitet för rör installationen

Motor- och systemeffektivitet

Hydrauliska motorer

Till skillnad från elektriska bogpropellrar är hydrauliska thrustersystem mer komplexa när det gäller effektivitet. Det beror ytterst på alla enskilda komponenter i det kompletta hydraulsystemet och hur dessa fungerar tillsammans.

Som ett exempel kommer vissa gjutjärnsväxelmotorer med låg volymetrisk verkningsgrad (75-80 procent) att visa en betydligt högre effekt än en mycket effektivare kolvmotor med böjd axel (92-97 procent) vid samma dragkraftsnivå. Sammantaget påverkas strömförbrukningen också av systemdesign och andra komponenter som hydraulpumpar, ventiler och rörledningar. Även utformningen av oljekylnings- och filtreringssystem kan påverka den totala prestandan.

I ett traditionellt, lågeffektivt hydraulsystem kommer endast 25-50 procent av den energi som pumpen drar från sin källa att göra något verkligt arbete, vilket innebär att generera dragkraft. Effektiv användning av den energi som finns i båten har alltid högsta prioritet. Det är därför det är absolut nödvändigt att välja de bästa möjliga komponenterna och systemutveckling för att uppnå minimala systemförluster. Ett väldesignat hydraulsystem ska normalt leverera 70-75 procent av den energi som pumpen drar från sin källa vid bogropllerern. 

AC motorer

AC-motorer används med bogpropellrar från cirka 240 kgf och uppåt. AC-lösningar med vilken spänning som helst och i kombination med variabel frekvensdrift (VFD) är ett mycket effektivt sätt att driva en thruster.

Den elektriska kraften tillförs från generatorn till VFD och från VFD till thrustermotorn. I en sådan uppställning är den totala effektiviteten vanligtvis runt 85-90 procent. De flesta AC-bogpropellrar finns tillgängliga med steglös hastighetsreglering. VFD styr ramptid, RPM och maximalt strömdrag enligt inmatning från thruster-joysticken. På så sätt kontrolleras toppbelastningar mycket bättre och överbelastas inte generatorn, medan AC on/off-lösningar kan generera en 7x högre startström än den nominella strömmen.

För sammanhanget använder Sleipners dragkraft på upp till 700 kgf kompakta aluminiummotorer med hög effekt, med optimerade lindningar för låg vikt och reducerade dimensioner. En ytterligare funktion är en temperatursensor installerad i motorlindningarna. Med kall återkoppling kan thrustern optimera för bästa prestanda med lägre vikt och reducerade dimensioner.

Som ett resultat, jämfört med en traditionell AC-motor i gjutjärn, kan Sleipner bogpropellrar få upp till 45 procents viktminskning. Alla Sleipner AC bogpropellrar kan arbeta i kontinuerlig drift antingen med full prestandaversion "C" eller begränsad prestanda när motortemperaturen når en specifik gränsversion "I".

DC motorer

DC-motorer används med bogpropellrar mellan 20 och 300 kgf. Effekten som levereras till propellrarna beror på spänningsnivån i systemet. Högkvalitativa komponenter som rätt dimensionerade strömkablar, huvudströmbrytare, säkringar och säkringshållare orsakar ett minimalt spänningsfall mellan batteriet och elmotorn. Men vi måste fortfarande överväga en oundviklig förlust. En sådan lämplig 12 volt (24 volt) uppställning driven från hög CCA-klassade batterier i gott skick bör ge minst 10,5 volt (eller 21 volt i ett 24 volt system) på en propellermotor. Det är därför seriösa tillverkare beräknar dragkraften vid 10,5 volt (21 volt), baserat på faktiska prestanda i båten, snarare än teoretiska värden vid nominell batterispänning.

Det är viktigt att vara medveten om hur thrusterns prestandadata mäts så att systemet inte blir underdrivet av beräkningar från orealistiska prestandasiffror. 

Ledande tillverkare använder specialutvecklade motorer med högkvalitativa material och komponenter för att säkerställa överlägsen strömledningsförmåga och mekanisk prestanda, vilket leder till maximal effektivitet som är möjlig med borstad DC-teknik.

Växelhus design

Växelhusets konstruktionskvalitet, hydrodynamiska egenskaper och utrymmet det upptar i röret kommer också att avsevärt påverka bogpropellerns prestanda. Att använda härdade spiralskurna växlar är en lösning för att minimera fotavtrycket och uppnå en kompakt design på växelhuset. Designen måste vara hydrodynamiskt optimerad och använda ett minimum av utrymme i röret, vilket möjliggör bättre och jämnare vattenflöde.

Kompakt, strömlinjeformad växelhus minimerar vattenmotstånd och minskar kavitation, vilket också påverkar ljudnivåerna. Effektivare vattenflöde och mindre kavitation betyder mer dragkraft från varje kW ineffekt.

Propeller prestanda 

Det finns ägna thruster-propeller konstruktioner på marknaden. För att ge dig ett exempel på hur designens inverkan kan ha på prestanda kommer jag att använda Sleipners Q-Prop™.

Tidigare använde Sleipner en fyrbladig propeller som var mycket effektiv. När fokus på ljudnivån ökade för våra köpare började vårt ingenjörsteam testa ett brett utbud av nya konstruktioner som syftade till att behålla den höga effektiviteten, samtidigt som ljudnivån sänktes. Två år och tusen tester senare, blev resultatet en unik fembladig propeller.

Q-Prop™ är designad för att minska ljudnivån samtidigt som den exceptionella effektiviteten för den fyrbladiga propellern bibehålls.

• Q-Prop™ ger upp till 75 procent bullerreduktion mätt i kontrollerade miljöer
• Q-Prop™ ger i genomsnitt upp till 40 procent bullerreduktion på faktiska installationer

Q-Prop™ designen har visat sig så effektiv att dragkraftsnivåerna till och med ökat (med cirka fem procent) på vissa thruster modeller.

Hydrodynamic efficiency of the tunnel installation

As a boat builder or installer, knowledge about optimal tunnel installation is crucial to achieving a well-performing thruster system. 

Tunnel installation has a significant impact on overall thruster efficiency and noise levels. An inadequate tunnel installation will significantly reduce actual thrust output and create a lot of cavitation in the tunnel, leading to much higher noise levels. 

Although this is described in detail in installation manuals, we have developed a design guide to tunnel installations that give professional installers an excellent theoretical foundation about how tunnels should be built to obtain maximum thruster performance and minimize noise level. Information about tunnel location, tunnel length, and tunnel openings are an essential part of the installation to ensure the most effective thrust out of the available motor power.

Slutsats

Som du har lärt dig genom den här artikeln kan det vara direkt missvisande att använda den teoretiska motorstyrkan för att avgöra vilken bogpropeller som är det bästa valet för ett specifikt fartyg. Det finns avsevärda skillnader mellan olika tillverkare om hur effektivt de kan omvandla ineffekt till faktisk användbar uteffekt.

När du jämför andra detaljer än motoreffekt med olika bogpropellrar som finns på marknaden, kommer du att upptäcka att du ofta kan spara utrymme och kostnader genom att använda mindre men lika presterande propeller när du väljer högeffektiva modeller och njuta av den extra kraften.