Каковы применения гребного винта фиксированного шага (FPP)?

Поскольку гребной винт с фиксированным шагом не имеет механизма изменяемого шага, он обеспечивает более низкую стоимость производства, более высокую механическую надежность и более простое подводное обслуживание, чем гребной винт с регулируемым шагом (CPP). Эти преимущества делают его стандартным решением для широкого спектра коммерческих, промышленных и государственных морских применений. В разделах ниже подробно рассматривается каждая основная область применения с соответствующими данными о производительности и рабочем контексте.

Балкеры и сухогрузы

Балкеры представляют собой самую крупную категорию судов по дедвейту в мировом флоте. Согласно Обзору морского транспорта ЮНКТАД за 2023 год, на балкеры приходится более 43% мирового дедвейта тоннажа , и подавляющее большинство из них оснащены гребными винтами фиксированного шага. Эксплуатационный профиль сухогруза – длинные океанские переходы на одной расчетной скорости, обычно от 12 до 15 узлов , с небольшим изменением скорости во время рейса - идеально подходит для конструкции с фиксированным шагом.

Сухогруз Handysize дедвейтом 30 000 тонн обычно использует одну FPP Диаметр от 4,5 до 5,5 метров. , обеспечивающий мощность от 5000 до 8000 кВт от тихоходного двухтактного дизельного двигателя, работающего со скоростью от 90 до 120 об/мин. В этой рабочей точке хорошо спроектированный гребной винт фиксированного шага достигает тяговый КПД от 65 до 72% (источник: Руководство по морским силовым установкам MAN Energy Solutions, 2022 г.), которое конкурирует с системами CPP в установившемся режиме работы, одновременно устраняя гидравлические сложности ступицы с изменяемым шагом.

Почему балкеры предпочитают FPP

• Постоянная загрузка грузов и фиксированные графики маршрутов позволяют оптимизировать шаг на этапе проектирования.
• Отсутствие системы гидравлического масла в ступице исключает критический режим отказа при длительных переходах через океан.
• Меньшее сопротивление ступицы благодаря более простой геометрии повышает эффективность на открытой воде на расчетной скорости.
• Более простой обзор класса и подводный осмотр без сложных систем обратной связи по тангажу.

Нефтяные танкеры и химовозы

Танкеры для сырой нефти, танкеры-продуктовозы и суда-химовозы имеют ту же операционную логику, что и балкеры: они следуют по океанским маршрутам с фиксированной скоростью, загружаются, разгружаются и возвращаются. Потребность в силовой установке предсказуема, а гребной винт фиксированного шага оптимизируется на стадии проектирования для условий загруженности судна и осадки балласта.

Для танкеров типа «Афрамакс» (дедвейтом от 80 000 до 120 000 тонн) диаметры гребных винтов обычно варьируются от От 6,5 до 7,5 метров , с четырьмя или пятью лопастями, предназначенными для минимизации кавитации в кильватерном поле за корпусом. Кавитация на танкерах особенно опасна, поскольку эрозия поверхностей лопастей может привести к риску загрязнения металлами при использовании некоторых химических перевозчиков. Правильно скошенный и хорошо обработанный FPP сохраняет целостность поверхности лопасти, необходимую для предотвращения этого риска (источник: Отчет об исследовании кавитации пропеллера MARIN, 2020).

Винт фиксированного шага FPP также является стандартным для танкеров-челноков, работающих при погрузке нефти на море - требовательная задача, когда гребной винт должен выдерживать как транзитную скорость, так и вспомогательную тягу динамического позиционирования, обычно управляемую путем объединения основного FPP с носовыми подруливающими устройствами, а не заменой его CPP.

Контейнеровозные суда

Крупные глубоководные контейнеровозы все чаще используют системы CPP для обеспечения гибкости маневрирования в порту, но Контейнеровозные суда вместимостью от 500 до 3000 TEU в подавляющем большинстве используют гребные винты фиксированного шага. . Фидеры курсируют по коротким регулярным маршрутам между узловыми портами и региональными портами на скорости от 14 до 18 узлов, с регулярными заходами в порты, которые управляются с помощью носовых подруливающих устройств и помощи буксира, а не регулировки тангажа.

На этих скоростях преимущество гидродинамической эффективности правильно подобранного FPP является значительным. Фидерное судно, работающее со скоростью 16 узлов, с хорошо подобранным четырехлопастным гребным винтом фиксированного шага и диаметром 4,0 метра, может достичь общего пропульсивного коэффициента от 0,68 до 0,75 , в зависимости от формы корпуса и лобового сопротивления придатков (источник: Справочник по проектированию морских силовых установок Rolls-Royce, 2019). Эта эффективность в сочетании с низкими капитальными затратами FPP по сравнению с CPP делает вариант с фиксированным шагом стандартным коммерческим выбором для операторов фидеров, управляющих экономикой эксплуатации плотных судов.

Рыболовные суда и траулеры

Рыболовные суда, особенно кормовые траулеры, кошельковые сейнеры и ярусоловы, представляют собой одно из наиболее механически требовательных устройств для любого гребного винта. Гребной винт должен обеспечивать высокую тягу на низкой скорости во время буксировки трала (условие тяги кнехта) и эффективную тягу на скорости перехода между промысловыми участками. Гребной винт фиксированного шага, разработанный как компромисс между этими двумя рабочими точками, является отраслевым стандартом для судов длиной примерно до 50 метров.

Типичный 30-метровый кормовой траулер использует FPP Диаметр от 1,8 до 2,5 метров. , приводимый в движение среднеоборотным дизелем мощностью от 600 до 1500 кВт. Шаг гребного винта выбирается таким образом, чтобы максимизировать тяговое усилие при скорости трала от 3 до 5 узлов и обеспечить приемлемую эффективность транзита при скорости от 10 до 12 узлов. Установки насадочного типа, в которых FPP работает внутри фиксированной насадки Корта, широко распространены на траулерах и увеличивают тягу траления за счет от 25 до 40% по сравнению с открытым гребным винтом эквивалентного диаметра (источник: Wageningen Propeller Series Research, MARIN, 2018).

Конфигурации рыболовного судна FPP

• Открыть ФПП: Стандартная конфигурация для кошельковых сейнеров и ярусоловов, в которых приоритет отдается скорости транспортировки
• ФПП в насадке Корт: Предпочтительно для кормовых траулеров, где основным требованием является тяга кнехта.
• Двойной ФПП: Используется на более крупных траулерах для резервирования и маневрирования без руля направления.
• ФПП с фланговыми рулями: Сочетает в себе простоту фиксированного шага и улучшенное рулевое управление на малых скоростях для траловых операций.

Пассажирские паромы и суда типа Ро-Ро

Пассажирские паромы ближнего следования и автомобильные паромы типа «ро-Ро», работающие по фиксированному графику с единой рабочей скоростью, являются естественными кандидатами на использование гребных винтов с фиксированным шагом. Согласованность маршрута позволяет оптимизировать гребной винт точно в соответствии с условиями эксплуатации, а регулярные заходы в порты управляются носовыми и кормовыми подруливающими устройствами, а не регулировкой шага.

Речные и портовые паромы, работающие со скоростью ниже 12 узлов, часто используют сдвоенные или счетверенные установки FPP с фланговыми рулями или боковыми подруливающими устройствами Voith-Schneider для маневрирования, сохраняя механическую простоту основной двигательной установки и добавляя возможности маневрирования за счет отдельных систем. Для типичного 80-метрового парома Ro-Pax, перевозящего 400 пассажиров и 80 транспортных средств, необходима двойная установка FPP Диаметр каждого винта от 2,8 до 3,5 метров. является репрезентативным, с общей установленной мощностью от 3000 до 6000 кВт (источник: DNV GL Ship Technology Trends Report, 2021).

Буксиры и буксиры-сопровождающие

В то время как многие современные портовые буксиры используют системы азимутальных подруливающих устройств (Z-приводы) для всенаправленного маневрирования, значительная часть мирового буксирного флота - особенно старые традиционные буксиры и речные толкачи - использует гребные винты фиксированного шага в насадках в качестве основной двигательной установки. Комбинация FPP-в-насадке на обычном буксире обеспечивает тяговое усилие от 20 до 45 тонн от дизельных двигателей мощностью от 1200 до 3000 кВт, что делает его экономически эффективным решением для портовых и речных операций, где маневрирование по азимуту не является основным требованием.

Толкачи, работающие на внутренних водных путях, особенно в крупных речных системах, таких как Миссисипи, Рейн и Янцзы, почти повсеместно используют в насадках гребные винты фиксированного шага. Эти суда толкают составы барж водоизмещением в несколько тысяч тонн со скоростью от 8 до 12 км/ч — режим работы, для которого исключительно хорошо подходит FPP в фиксированном сопле, обеспечивая Эффективность тяги выше на 15–25 %. чем открытый гребной винт при той же мощности на валу в этом диапазоне скоростей (источник: Технический отчет PIANC Inland Navigation, 2019).

Патрульные корабли ВМФ и береговой охраны

Многие военно-морские патрульные корабли, морские патрульные суда (OPV) и катера береговой охраны используют гребные винты фиксированного шага как часть комбинированной двигательной установки. Типичная схема CODAG (комбинированный дизель-газовая турбина) или CODAD (комбинированный дизель-дизель) приводит в движение гребные винты фиксированного шага через коробку передач, при этом комбинация двигателей выбирается в соответствии с требуемым диапазоном скоростей. FPP оптимизирован для наиболее часто используемой скорости патрулирования — обычно от 15 до 18 узлов - в то время как скорость спринта достигается за счет включения дополнительных двигателей.

Для небольших патрульных судов длиной менее 50 метров гребные винты фиксированного шага с валом остаются стандартом из-за их низкой нагрузки на техническое обслуживание в удаленных средах развертывания, где опыт обслуживания гидравлической системы CPP может быть недоступен. Военно-морские силы, работающие в таких условиях, специально выбирают системы FPP, чтобы уменьшить логистические затраты на программу технического обслуживания двигательных установок.

Земснаряды и рабочие баржи

В самоходных земснарядах с прицепным бункером (TSHD) и фрезерных земснарядах с возможностью самоходного движения обычно используются гребные винты с фиксированным шагом для транзитного движения, отдельно от системы привода земснаряда. Профиль транзита – перемещение между площадками дноуглубительных работ или к местам разгрузки с фиксированной скоростью – это именно тот рабочий режим, при котором системы FPP наиболее эффективны.

Рабочие баржи, суда-краны и суда-трубоукладчики, которые самостоятельно передвигаются на низкой скорости между рабочими площадками, также используют системы FPP из-за низких требований к техническому обслуживанию. Эти суда могут проводить недели или месяцы на одной станции, а простота системы с фиксированным шагом снижает риск простоя, связанного с двигательной установкой, во время критических окон проекта.

Сводная информация о пригодности приложения

Рекомендации по материалам и производству для приложений FPP

material of the fixed pitch propeller is selected based on the operating environment and the mechanical demands of the application. The three most common alloy families used in commercial FPP manufacturing are:

• Никель-алюминиевая бронза (класс NAB/Cu3): dominant material for sea-going commercial propellers. Tensile strength of от 640 до 700 МПа , отличная коррозионная стойкость в морской воде, хорошая литейность для лезвий сложной геометрии. Используется на большинстве сухогрузов, танкеров и контейнеровозов.
• Марганцево-алюминиевая бронза (МАБ): Повышенная прочность (до 750 МПа ), чем NAB, используемый для тяжелонагруженных устройств, таких как военные корабли и высокоскоростные паромы. Более чувствителен к обесцинкованию в определенных условиях морской воды; требует тщательного контроля сплава.
• Нержавеющая сталь (дуплекс или супердуплекс): Используется для гребных винтов танкеров-химовозов, где существует риск загрязнения бронзовых сплавов, а также для сред с высокой кавитацией, где эрозионная стойкость превышает достижимую для бронзы. Более высокая стоимость, но превосходная твердость поверхности и устойчивость к коррозии.

Стандарты производства винтов регулируются стандартом ISO 484 (допуски на изготовление винтов) и правилами классификационных обществ (DNV, Lloyd's Register, Bureau Veritas, ClassNK). Допуски классов S и I согласно ISO 484 определяют допустимые отклонения шага, диаметра, толщины лезвия и качества поверхности для коммерческого и военно-морского применения соответственно. Правильно изготовленный и сертифицированный Винт фиксированного шага FPP Соблюдение этих стандартов является обязательным условием для классификации судов новой постройки и для страхования пропульсивного оборудования.

Когда FPP является правильным выбором вместо CPP

decision between a fixed pitch propeller and a controllable pitch propeller is fundamentally an economic and operational one. The table below summarizes the comparative characteristics that inform this decision:

Для большинства коммерческих судов, курсирующих по фиксированным маршрутам с расчетной скоростью, FPP обеспечивает эквивалентную или превосходящую общую ценность жизненного цикла из-за более низких капитальных затрат, более высокой проектной эффективности и существенного сокращения расходов на техническое обслуживание в течение 25-летнего срока службы судна.