Skolfartyget LAGAREN,
ex Fyrskeppet SVINBÅDAN



Läs även:
Propeller data in Bp-Delta notation (16 kB)

Intresserad av historiska
bilder - Läs då även:

Ur Marinturbinens historia (utg 1985)
Svenska Amerikalinjen i Göteborg
På SVINBÅDAN år 1940
LAGAREN från 1894 till nu!
Var är klockan och lanterninen?!
LAGAREN blir skolfartyg! (1,1 MB)
Kollosegling med LAGAREN!
SHAMROCK, LAGAREN och gården
LAGARENs konsekvenser
När Ingvar blev stimchief
Interiörbilder: Sillfrukost 16/12 -06
Jubel-Presentation 3 2005 (300 kB)

Under resa med skolfartyget Shamrock mellan Finnhamn och Stockholm den 10 oktober 2007 gjordes ett prov för att utröna maximalt användbar stigning hos den ställbara propellern. Här diskuteras även bakgrunden till att val av stigning är kritiskt ur driftsekonomisk synvinkel:

Hägring i gattet söder om Husarö
Om hösten ligger ofta hägringar utåt det ännu varma havet. Himlen tränger ner på
jorden och man är synbarligen helt nära Paradiset!
(Från Finnhamns ångbåtsbrygga ca 3 min promenad genom vackra hagar västerut)



Prov för att fastställa bästa stigning

Skolfartyget m/s Shamrocks maskineri består av en Scania DSI-11, backslag med reduktion 1:5,75 samt en 4-bladig, ställbar propeller med diameter 1,25 m. Propelleromställningen är hydraulisk och propellern går att stigningsförändra och även reversera under full fart utan föregående minskning av maskinvarvtalet. Till detta kommer möjligheten till omkastning av propellerns rotationsriktning medelst backslaget.

Frasse som tog oss till Paradiset
Sedan chartergästerna satts i land på Finnhamn tog vår befälhavare Leif Franzén
sin båt och besättning runt ön till den litet mer skyddade viken "Paradiset".
Några mörkögda jungfrur på gröna hyenden syntes tyvärr inte heller denna gång till,
i övrigt gör platsen skäl för namnet.

Högsta möjliga maskinvarvtalt är vid nuvarande installation begränsas till ca 1600 rpm. Maskinens effekt vid detta varvtal (hos DSI-11 högst ca 210 kW, hos aktuell motor beroende på aktuell pumpställning och bränslekvalitet betydligt mindre, f.n. troligen endast ca 150 kW) ger en toppfart av max ca 9,5 knop. Stigningen hos propellern kan utan större olägenheter (vibrationer el dyl) ställas upp så att maskinens maximala moment absorberas redan vid farter under 7 knop. Då är varvtalet nere under 800 rpm. Frågan har alltid varit om en så stor stigning är förenlig med god ekonomi. Den 10 oktober 2007 utfördes därför ett prov där totalekonomin mättes för att utröna om det verkligen finns risk för att optimal stigning överskrids.

Ju fler parametrar att välja, desto svårare att köra!

Med två variabler hålla reda på - varvtal och stigning, vilka båda styr farten - blir tillvaron för nautikerna på bryggan så komplicerad att större rederier, så fort driftsekonomi är av större betydelse, redan vid leverans specificerar kombinator. En sådan kombinerar (dvs sammanför) maskinpådrag och stigningsomställning i ett enda reglage. Det påminner om en gammaldags maskintelegraf: full back i ena änden, full fram i andra och stopp på mitten!

Kombinatorns varvtals- och stigningsförställning
Kombinatorn i läget drygt "Halv fram": 12 knop redan med 300 varv per minut. Propellerstigningen är redan dessförinnan den största möjliga.

Kombinatorn ställer således kontinuerligt om propellern från största stigning back till största stigning framåt samtidigt som maskinens regulator (hos traditionella, helt mekaniska kombinatorer) styrs från en justerbar kamrörelse. Man kan fundera över hur den där kammen skall injusteras, det ombesörjer nämligen maskinchefen (som för övrigt även är den som faktiskt kör båten även om han, av rent humanitära skäl dock helst gör det på ett sådant sätt att de på bryggan tror att det är de som kör!). För bästa kraft i manövrerna skall en betydande höjning av varvtalet ske innan stigningen givits större värden. Så ställs alltid kombinatorn för back, men för framåt låter man givetvis ekonomin styra och tillser att propellern hinner få nära största stigning innan någon betydande höjning av maskinvarvtalet skett.

På fartyg som i likhet med Shamrock saknar kombinator manövreras propelleromställning och motorpådrag via separata reglage och det ankommer då maskinchefen att på skonsammast möjliga sätt i stället instruera bryggpersonalen i hur dessa skall hanteras för bästa driftsekonomi och tillgänglighet (=driftssäkerhet). Emellertid tar befälhavaren ofta för givet att han inom vissa gränser själv ändå kan välja inställningarna helt efter eget godtycke. Val av stigning och varvtal blir i och med det i praktiken högst individuellt.

Maskinmanöverplatsen på skolfartyget Shamrock
Maskinmanöverplatsen på skolfartyget Shamrock: propelleromställning, backslag och motorpådrag. Manometer för propellerns omställningstryck skymtar t.h. mot skottet.

Hemgården Skeppsholmsgårdens grundare Holger Renberg var känd för att noga avpassa farten efter behovet. Sådant kräver kompetens i form av insikt, intresse, uppmärksamhet och engagemang. Andra kör så fort det går och sedan får det vara bra med den saken! Holger körde således så sakta det gick med hänsyn till behovet att komma fram i tid, dvs betydligt försiktigare än den som kör som om fartyget var en bil. En annan sak som Holger var känd för var hans val av propellerstigning: Holger valde så stor stigning som möjligt. Därigenom bibehölls momentet samtidigt som maskinvarvtalet blev lågt, oftast lägre än vad människor i Holgers omgivning trodde var nyttigt för maskinen.

Varför hålla momentet uppe speciellt hos dieselmotorer?

Ett fartygs effektbehov ökar med farten i kubik. Med fast stigning följer vartalet farten och momentet ökar således med kvadraten på varvtalet. Om man vill höja farten till det dubbla krävs med sådan propeller således en ökning av momentet (dvs pådrag = bränslemängd per slag) med fyra gånger och en hela åttafaldig ökning i effekt! Vid drift med mindre än halva fullfartsvarvtalet är omvänt bränslemängden per slag nere i mindre än en fjärdedel. För en dieselmotor innebär så små momentuttag kortvarigare, kallare och därmed sämre förbränning, något som accentueras av att bränslets atomisering (finfördelning) vid låga varvtal lider av det med minskande vartal sjunkande (momentanvärdet av) massflödet genom spridarhålen.

När atomiseringen är dålig byggs gärna avlagringar av oförbränt, koksat bränsle upp kring spridarhålen och rätt vad det är bidrar även detta till dålig förbränning. En sådan motor ryker vitt, luktar illa (luktar "buss") och är dålig för miljön. Dålig förbränning innebär i och med det en ond cirkel där motorn går sämre och sämre och med tiden även blir svagare och svagare. Maximalt uttagbart moment sjunker således om motorn går en tid på låg last.

Är det fråga om elverk som i mindre båtar ofta precis som i fallet Shamrock dimensionerats efter principen att det över huvud taget inte skall märkas att man är ombord på en båt, dvs att det precis som vid landanslutning skall vara möjligt att när som helst köra ugn, vattenkokare, kaffebryggare och batteriladdning samtidigt även om man 98 % av tiden avser ta ut bara bråkdelen därav i genomsnitt eller rent av inget alls (ren tomgång) så har man således skaffat sig problem: De långa perioderna av tomgång smutsar ner motorn (spridarna får kokspåslag) och när full last behövs storknar elverket och löser ut - Ja, oftast sker detta redan vid drygt halva den effekt elverket hade kunnat ge om det mådde bra! Längre tid av belastning med mindre än 30 % av fullt moment bör till varje pris undvikas! (Detta gäller faktiskt oberoende av maskinstorlek!)

Gammaldags hästkrafter
Man måste sköta om och vara rädd om sina hästkrafter, vare sig de är av äldre…

Något modernare hästkrafter
…eller av mer modernt slag – annars kan man inte lita på att ha dem till hands
när de verkligen behövs! (Bilder från SM i Plöjning 6-7 oktober 2007)

Om man i en liten båt, för till exempel kökets skull, ändå vill ha tillgång till en i förhållande till den låga dygnsmedeleffekten (ca 750 W) mycket hög effekt (6 kVA) så återstår bara en lösning - strikt planlagd drift under endast de perioder köket verkligen behöver elektrisk ström och i övrigt skall elverket, till den seglande besättningens glädje och trivsel, ovillkorligen få vila!

Propellerkaratäristikan

Hos en maskin för framdrivning är även propellerns förluster avgörande för optimalt varvtal. Vid liten stigning måste propellern gå med högt varvtal för en viss fart och friktionsförlusterna blir stora. Om stigningen ökas, så minskar visserligen dessa förluster genom att varvtalet sänks, men samtidigt tillkommer nya. Vid given fart kräver nämligen fartyget en och samma effekt, varför vid lägre varvtal för oförändrad fart således krävs ett motsvarande ökat moment. Propellern arbetar emellertid i ett eftergivligt medium och det enda som "håller emot" är trögheten hos vattnet som strömmar genom propellern. Detta kommer därför lämna propellern med en allt mer hastigt vridande rörelse (proportionell mot propellermomentet) ju mer stigningen ökas. Eftersom nyttig effekt över propellerdisken ytterst bestäms av moment och skillnaden mellan propellervarvtal och halva varvtalet i denna vattnets vridningsrörelse är även produkten av moment och halva varvtalet hos vattnets vridningsrörelse en ren förlust som (inledningsvis) ökar med kvadraten på momentet. Det finns därigenom (OBS! Endast beroende av diameter men oberoende av farten!) en viss största stigning vid vilken varje ytterligare ökning snabbt straffar sig i ökade förluster. Vid given propellerdiameter gäller det att avpassa stigningen så att varvtal och friktionsförluster är små utan att förlusterna genom vattnets vridning hunnit bli för stor.

Vattnets, efter propellern tillkommande vridningsrörelse (och även den ökning i hastighet som krävs för att skapa den reaktionskraft som propellertryckkraften är) innebär att vattnet vid sin strömning utmed bladen ändrat riktning. Bladen kan göras skålformade (cupping) med hänsyn till detta. I och med det anpassas bladprofilens fram- och bakkanter efter vattnets anströmnings- och utloppsriktningar. Vid stor bladbelastning är riktningsändringen större och cuppingen skulle (precis som vingarna hos långsamtgående flygplan) behöva göras mer uttalad. Hos en reverserbar propeller begränsas emellertid möjligheterna till detta av att riktningen på kraften över bladen måste kunna kastas om. Konsekvenserna av att med en reverserbar propeller överskrida optimal stigning blir i och med det en i jämförelse med fasta propellrar än mer uttalad, hastig ökning i tillkommande förluster.

Praktiskt prov

I samband med en resa Finnhamn-Stockholm den 10 oktober 2007 reducerades farten genom ökning av propellerstigningen. Under gång västerut på fjärden norr om Grinda, omedelbart efter en sådan fartreduktion genom Örsö Strömmar, ökades maskinvarvtalet undan för undan genom minskning av stigningen. Samtidigt loggades positionen enligt GPS:

PositionDistansTidFartVarvtalSpolluftstryck
NEMsKnrpmbar
59°25,70318°35,161
0,2401286,757450,18
59°25,58918°34,746
0,2311167,178300,22
59°25,46118°34,369
0,104507,498300,22
59°25,39718°34,207
0,156747,609400,29
59°25,30918°34,954
0,147707,569400,29
59°25,23618°34,702

Hela tiden var regulatorn ställd i botten, dvs bränslepumpens reglerstång stod mot fullmatningsstoppet. Inmatad bränsleeffekt var således hela tiden direkt proportionell mot varvtalet och kan nu jämföras mot skrovets effektabsorption (vågbildningen står ännu vid 7,5 knop för en ganska liten del av totala släpeffekten). Dessa uppgifter går att sammanställa enligt följande:

VarvtalFart    BränsleRelativt specifikt bränsle-effektbehov
rpmKnl/h (ca)rpm/Kn^3
7456,75182,42
8307,49201,98
9407,58232,16

Maskinen hade vid tidpunkten för provet varit i drift vid ganska hög effekt (ca 7-7,5 knop) under drygt två timmars tid. Vid provtillfället rådde svag sidvind (ca 3 m/s). Mätningen kan med fördel göras om med betydligt fler punkter, noggrannare varvtalsmätning (ex.vis gehör+stämgaffel – Scanias illa skurna reduktionsväxel sjunger starkt!), i helt stilla väder och under såväl ökning som minskning av farten.

Notera att denna siffra (ca 2,0) är fartygsspecifik och inte ändras med mindre än att något händer med skrov, maskin eller propeller! Vi hade en ganska tung (Walleniusliv-)båt på släp, vilket torde ha bidragit med någon tiondelsiffra. I övrigt kan resultatet noteras som det är för kommande jämförelser!

Janne i den tunga livbåten
Överstyrman Janne Engström, Norrsund, håller i hatten när han i 20 knop lämnar
paradiset i ett kortare tjänsteärende. På flera sätt framgår att livbåten är tung…!

Resultat

"Relativt specifikt bränsleeffektbehov" avspeglar ekonomin vid effektreglering medelst nedbromsning via stigningsreglering. Bästa totalekonomi (vid fullt pådrag) erhölls vid den stigning som vid 7,5 knop absorberade hela maskinens, vid 830 rpm tillgängliga moment. Vid stigningar både större och mindre än denna erhölls något sämre totalekonomi.

Fler prov inom större stigningsområde krävs för att man skall kunna se vid vilken stigning propellerekonomin plötsligt försämras. Försämringen av totalekonomin vid den lägsta farten är visserligen signifikant, dock inte tillräckligt stor för att kunna hänföras till propellern. Tvärt om - vad som syns är en ganska naturlig totalverkningsgradsförsämring hos maskineriet vid små effektuttag. Vid gång i just 6,75 knop är därför den lägre stigning som vid max moment medgav 7,58 knop absolut inte att föredra, i synnerhet inte i jämförelse med den vid 7,49 använda.

Själva motorns maximala moment såväl som optimala driftspunkt ligger vid något högre varvtal (och effekt). Friktionsförluster i transmission och propellerhylsa bidrar dock till att sänka hela framdrivningsmaskineriets optimala värde på varvtal, men största orsaken till att globalt optimum ligger så lågt i varvtal hos just Shamrock är den stora propellerdiametern. En mindre propeller hade haft sämre Froude-verkningsgrad (större slipförlust) medan nuvarande stora propeller har ganska stora friktionsförluster vid höga varvtal (dock är verkningsgraden trots detta sammantaget bättre än vad fallet varit med en mindre propeller!).

Maxmoment innebär att insprutningen (en per slag konstant mängd bränsle) pågår under ett konstant, maximalt antal vevvinkelgrader. Under sådana förhållanden tävlar endast värmeförluster mot strypförluster och momentkurvan (som då direkt avspeglar verkningsgraden) får en topp som sammanfaller med (högsta verkningsgrad) det varvtal där tillkommande strypförluster ännu inte inkräktat på vinst i minskade värmeförluster. För maskinens vidkommande är dock, i jämförelse med driftspunkter utmed maxmomentkurvan, delmatning verkningsgradsmässigt än mer gynnsamt med tanke på storleken hos den effektiva expansionen. Vanligtvis påträffas därför globalt optimal driftspunkt på ett varvtal som är ca 20 % lägre än varvtal för maximum hos momentkurvan samtidigt som endast ca 65 % av det vid detta varvtal uttagbara momentet tas ut. Effekten i denna punkt är endast 35-40 % av motorns maxeffekt. Vid ännu lägre fart är effektbehovet snart så pass mycket lägre, att en betydlig sänkning av varvtalet är nödvändig för bibehålla någorlunda stor matning.

Globalt driftsekonomiskt optimum torde i fallet Shamrock påträffas om:

  1. Stigningen väljes så att maskinen vid fullt pådrag inte orkar upp i högre varvtal än 750-830 rpm
  2. Maskinvarvtal (och fart) via pådraget därefter minskas ca 20 %, dvs till 600-665 rpm (5,5-6,0 knop)

Denna inställning har tidigare befunnits medge så låg bränsleförbrukning som ca 1,5 liter per nautisk mil, en mycket god siffra – båten väger ju trots allt 160 ton! Efter längre tids drift vid ett så lågt varv har nuvarande spridare emellertid tenderat att försmutsas – de är ju dimensionerade för ett mer än tre gånger större momentant bränsleflöde!

Lågvarvsspridare önskas!

För närvarande ryker maskinen kraftigt i samband med start. En orsak är att spridarna inte är helt rena. Så länge maskinen ännu är för kall för att under för handen varande atomisering medge god förbränning i zoner med lokalt hög luftfaktor får man därför leva med den vita röken. Problemet kan dock minskas / avhjälpas genom:

  1. varmhållning av huvudmaskinen med hjälp av hjälpmaskinens (generatorns) kylvatten
  2. urkoppling av sjövattenflödet genom spolluftskylaren (ev via trevägsventil)
  3. undvikande av såväl låga varvtal som tomgångsdrift vid kall maskin
  4. insättning av spridare med färre / finare hål

Johan Söderberg

Nordic Air som tappat köldmedium
Artikelförfattaren låtsas arbeta. Med vad är kanske stoff till någon kommande artikel!


Vad händer med Lagaren just nu:
hem.bredband.net/lagaren

17 oktober 2007