© Conf.dr.ing. Lauren țiu Chiotoroiu 1 TTEEOORRIIAA,, CCOONNSSTTRRUUCCȚȚIIAA ȘȘII VVIITTAALLIITTAATTEEAA NNAAVVEEII CCUURRSSUULL 1122 12.1. INSTALA… [619937]

© Conf.dr.ing. Lauren țiu Chiotoroiu 1 TTEEOORRIIAA,, CCOONNSSTTRRUUCCȚȚIIAA ȘȘII VVIITTAALLIITTAATTEEAA NNAAVVEEII

CCUURRSSUULL 1122

12.1. INSTALA ȚII DE PROPULSIE
12.2. CLASIFICAREA PROPULSOARELOR
12.3. ELICEA NAVAL Ă. CARACTERISTICI GEOMETRICE

12.1. INSTALA ȚII DE PROPULSIE

Pentru învingerea rezisten ței la înaintare R T generate la deplasarea navei în regim de
marș este necesar ă aplicarea unei for țe egale și de sens contrar, numit ă tracțiune
(împingere). Trac țiunea este generat ă de un aparat numit propulsor , ce consum ă putere
de la o instalație de for ță, ce poate fi interioar ă sau exterioar ă navei.
Instalațiile de for ță (de propulsie) de la bordul unei nave sunt:

A. Instalații de forță cu abur
B. Instalații de forță cu gaze
C. Instalații de forță cu motoare cu ardere intern ă
D. Instala ții de forță cu motoare electrice și
E. Instala ții de forță atomice.

A. Instalații de forță cu abur

Funcție de ma șina principal ă de propulsie, instala țiile de for ță cu abur (IFA) pot fi: Mașini
alternative de abur cu piston (MAAP) sau Turbine cu abur (TA).

• IFA folose ște destinderea aburului produs de generatorul de abur GA în interiorul
unei ma șini principale (MAAP sau TA) și îl transforma în lucru mecanic. Randamentul
efectiv al IFA este sc ăzut (22….30)%.

• Schema de principiu a unei IFA:

1-generator de abur (GA), numit și
căldare naval ă
2- mașina principal ă cu abur (MAAP sau
TA)
3- ax portelice
4- propulsor
5-condensator, r ăcit cu apă de mare
6- pompă extracție condens
7- bașă
8- pompă alimentare c ăldare
9- preînc ălzitor apă de alimentare

• Principiu de func ționare al unei IFA:

Apa din c ăldarea (1) se înc ălzește, începe vaporizarea, iar aburul ob ținut se transform ă
treptat din abur saturat umed în abur saturat uscat. Acesta intr ă în mașina principal ă (2)

© Conf.dr.ing. Lauren țiu Chiotoroiu 2 unde se destinde, ac ționând asupra pistonului (MAAP) sau paletelor (TA), și produce lucru
mecanic, necesar ac ționării elicei (4) prin axul portelice (3).

Aburul destins este evacuat într-un condensator K (5) unde prin schimb de c ăldură cu
temperatura apei de mare devine ap ă = condens. Condensul este aspirat de pompa (6) și
trimis în ba șa (7) unde se filtreaz ă mecanic și chimic. Din ba șă, pompa de alimentare (8) a
căldării aspiră apa și o refuleaz ă la presiune mare în c ăldare. Inainte de GA, apa e trecut ă
printr-un schimb ător de căldură PI (9) pentru a- și mări temperatura, preluând c ăldură de la
aburul prelucrat în instala țiile auxiliare.
Instalațiile auxiliare livreaz ă aburul necesar altor necesit ăți decât propulsia, cum ar fi:
– instala ția de înc ălzire cabine
– instala ția de înc ălzire tancuri de combustibil
– instala ția de apă tehnică (apă caldă bucătării)
– suflare valvule Kingstone la instala ția de balast
– acționare mecanisme de punte la navele tancuri petroliere etc.

Generatorul de abur este deservit și de o instala ție de aer (ce asigur ă procesul combustiei
printr-un ventilator ac ționat de electromotor, TA sau TG) și una de combustibil. Instala ția
de combustibil e compus ă din tancuri de comb., tubulaturi, filtre reci, pompe combustibil
(de regul ă cu roți dințate), preînc ălzitor de combustibil, filtru cald și pulverizatoare.

MAAP – Mașina Alternativă de Abur cu Piston

• Nu se mai reg ăsesc la navele actuale ca ma șini principale de propulsie. In prezent
sunt instalate la bordul tancurilor petroliere ca ma șini auxiliare, datorit ă siguranței
deosebite ce o au în prezen ța atmosferelor inflamabile. Sunt folosite cu predilec ție
pentru antrenarea mecanismelor de punte (vinciuri, cabestane etc.) și a pompelor de
marfă, de strip etc.
• Prima MAAP a fost construit ă în 1807 și avea 18 CP. Ca observa ție, Titanicul avea
2 MAAP pentru propulsie ce dezvoltau câte 16.000 CP (un exemplu de MAAP cu triplă expansiune ca cele de la bordul Titanicului, în imaginea de mai jos).

• Avantajele MAAP în compara ție cu celelalte instala ții de forță:
– schimbarea rapid ă a sensului de mers al motorului principal de propulsie
– timp foarte scurt (5 min) de punere la cald și funcționare al motorului
principal.
• Dezavantajele MAAP constau în:
– putere dezvoltat ă mică
– gabarit mare și centru de greutate ridicat

© Conf.dr.ing. Lauren țiu Chiotoroiu 3 – consum specific de combustibil mare (0,74 g/kWh) – cel mai ridicat în
compara ție cu celelalte instala ții de propulsie.
– randament efectiv cel mai sc ăzut 16…..20%.
• Principiu de func ționare al unei MAAP:

1- cilindru
2- piston
3- canal introduc ție
4- orificiu evacuare abur
5- camer ă de distribu ție
6- sertar 7- tijă piston
8- cap cruce
9- tija sertar
10- bielă MAAP
11- bielă sertar
12- manivel ă arbore cotit
13- excentric

Imaginea prezint ă momentul de introduc ție maxim ă a aburului (sertarul are pozi ția
extremă, iar pistonul pozi ția medie). Ambele canale sunt descoperite. Prin rotirea A.C.,
pistonul continu ă să se deplaseze spre dreapta (în realitate în jos). Aburul lucrat, din ciclul
anterior, va fi evacuat prin canalul 4, iar sertarul începe s ă se deplaseze în sens opus
(spre stânga), acoperind la un moment dat canalele.
Etanșarea sertarului pe canale este asigurat ă de presiunea aburului de admisie. In acest
moment, procesul de introduc ție al aburului este întrerupt. Prin rotirea în continuare a A.C.,
sertarul se deplaseaz ă, procesul fiind reluat cu un nou ciclu.

TA – Turbina cu Abur

• Turbina cu abur (TA) este o ma șină de forță ce transform ă energia acumulat ă în
aburul produs de o caldarin ă (energie termic ă) în energie mecanic ă, prin
intermediul unor palete în mi șcare de rota ție. Este folosit ă la navele foarte rapide
(distrugătoare) sau la cele de puteri mari (peste 50.000 CP).
• Ansamblul ajutajelor (al re țelelor de palete) ce servesc la transformarea en.
potențiale E P a aburului în en. cinetic ă EC poartă numele de STATORUL turbinei,
iar ansamblul paletelor solidare cu arborele, al pieselor ce execut ă mișcare de
rotație în jurul axului poart ă numele de ROTORUL turbinei. Elementele fixe ale
unei TA sunt: carcasa. postamentul, lag ărele, diafragmele și ajutajele, iar
elementele mobile ale TA sunt: paletele mobile, discurile rotorului, arborele,
cuplajele și virorul.
• Avantajele TA în compara ție cu celelalte instala ții de forță:
– uzura extrem de mic ă a pieselor ce compun o turbin ă cu abur
– compartiment ma șină redus, datorit ă gabaritului mai mic al grupului de
turbine, în compara ție cu MAAP
– posibilitatea realiz ării de tura ții și puteri foarte mari.
• Dezavantajele TA constau în:

© Conf.dr.ing. Lauren țiu Chiotoroiu 4 – consum specific de combustibil mediu (0,40 g/kWh)
– turația mare impune folosirea unui reductor pentru propulsie
– randament efectiv redus 25…..30% – la mers înapoi, puterea generat ă scade cu 30% fa ță de cea dezvoltat ă la
mers înainte.
• Principiu de func ționare al unei TA:

1- Racord intrare abur
2- Etanșare exterioar ă
3- Lagăr de sprijin
4- Rotor
5- Canal inelar
6- Carcasă
7- Ajutaje
8- Palete mobile
9- Racord ie șire abur
10- Diafragme

Aburul intr ă în turbin ă prin racordul de intrare (1), repartizând-se prin canalul inelar (5) la
unul sau mai multe ajutaje (7). Interiorul carcasei TA e împ ărțit în mai multe
compartimente de presiuni diferite prin ni ște pereți numiți diafragme (10). În aceste
diafragme, perpendicular pe axul de rota ție, sunt fixate pe un cerc concentric ajutajele (7).
In timpul trecerii prin ajutaje, aburul se destinde m ărindu-și viteza, fiind apoi dirijat c ătre
paletele mobile (8), fixate pe discuri ale rotorului. Rotorul se pune astfel în mi șcare,
producând energie cinetic ă.

B. Instalații de forță cu gaze

In acest caz, ma șina principal ă de propulsie este o Turbină cu gaze (TG).
• Turbina cu gaze (TG) este o ma șină de forță ce func ționează după ciclul Joule.
Este folosit ă în special la navele militare (putere specific ă mare și greutate mic ă)
sau în industria aeronautic ă.
• Agentul motor la TG navale îl reprezint ă de regul ă gazele de ardere de la motorul
principal. Componentele de baz ă ale unei TG sunt: turbina, camera de ardere (de
combustie) și compresorul. Turbina, ca și în cazul TA, poate fi radial ă, axială, cu
acțiune sau cu rea țiune, monoetajat ă sau multietajat ă.
• Avantajele TG în compara ție cu celelalte instala ții de forță:
– pornirea rapid ă chiar cu motoarele reci (max.5 min)
– consumul redus de ap ă
– putere dezvoltat ă mare și turații ridicate
– înlocuirea cu u șurință a motorului
– lipsa vibra țiilor în func ționare
– greutate și dimensiuni medii.
• Dezavantajele TG constau în:
– consum specific de combustibil mediu spre mare(0,50 g/kWh)
– preț de cost ridicat
– turația mare impune folosirea unui reductor-inversor.
– randament efectiv mediu 25…..35%

© Conf.dr.ing. Lauren țiu Chiotoroiu 5 – la mers înapoi, puterea generat ă scade cu 30% fa ță de cea dezvoltat ă la
mers înainte.
• Principiu de func ționare al unei TG:

Aerul atmosferic este comprimat la presiune înalt ă în compresor și trimis apoi în camera
de ardere. In camera de combustie este inje ctat combustibil (la avioane sau elicoptere
kerosene, propan sau gaze naturale). La nave, gazele de ardere sunt rezultate în urma procesului de ardere al motorinei sau p ăcurii din cilindru motor. Combustibilul este ars
rezultând gaze de ardere de înalt ă presiune și viteză. Turbina transform ă energia gazului
în energie cinetic ă de rota ție a paletelor. La ie șirea din turbin ă (grup turbocompresor)
gazele sunt dirijate pe coloane c ătre coș.

C. Instalații de forță cu motoare cu ardere intern ă

In acest caz, ma șina principal ă de propulsie este un motor Diesel navalizat.
• Motoarele Diesel sunt cele mai r ăspândite în industria naval ă. La bordul navelor
comerciale, exist ă în general dou ă tipuri:
– lente (în 2 timpi), cu tura ția n = 60….150 rot/min. Acestea sunt direct cuplate
cu elicea (nu necesit ă reductor) și sunt reversibile (nu necesit ă inversor).
– semirapide (în 4 timpi), cu tura ția n = 160….1000 rot/min. Acestea nu sunt
direct cuplate cu elicea (posed ă reductor) și sunt ireversibile (au și
inversor).
• Avantajele MAI în compara ție cu celelalte instala ții de forță:
– cel mai bun randament efectiv (40….55)% (în special cele lente)
– consum specific de combustibil sc ăzut (0,150 g/kWh)
– timp relativ scurt pentru preg ătirea motorului pentru lnsare
– asigur ă autonomie mare navelor
– nivel relativ sc ăzut dal temperaturii în CM
• Dezavantajele MAI constau în:
– prețul de cost pentru construc ție este ridicat
– gabaritul mare al motorului
– zgomot (la cele semirapide) și vibrații în funcționare
– motoarele semirapide sunt reten țioase în exploatare.

© Conf.dr.ing. Lauren țiu Chiotoroiu 6 12.2. CLASIFICAREA PROPULSOARELOR

În funcție de principiul de ac ționare, propulsoarele pot fi divizate în dou ă mari categorii, și
anume:

• Propulsoare active – vela care func ționează în regim portant cu vânt din pupa și
ca aripă de avion (naviga ție în depresiune) cu vânt prova;
• Propulsoare reactive – se bazeaz ă pe principiul ac țiunii și reacțiunii. Acestea
deplaseaz ă o masă de apă în sens opus înaint ării navei. Aici se încadreaz ă
majoritatea propulsoarelor navale utilizate în prezent.

O clasificare sumar ă a propulsoarelor reactive poate fi f ăcută ținând cont de principiul de
funcționare. Astfel, propulsoarele se clasific ă în:

1. Roata cu zbaturi (Paddle wheels sau steam paddle)
2. Propulsorul cu aripioare Voith-Schneider 3. Propulsorul azimutal Schottel 4. Propulsorul cu reac ție sau cu jet (waterjet propeller)
5. Propulsorul magneto-hidro-dinamic 6. Elicea naval ă.

1. Roata cu zbaturi

• Navele dotate cu acest tip de propulsor au jucat un rol hot ărâtor în trecut în segmentul
navelor fluviale. În prezent sunt înlocuite de propulsoarele cu jet de ap ă. Mai se
regăsesc pe Mississippi sau Elba ca muzee sau cu întrebuin țare exclusiv turistic ă.
• Roata cu zbaturi este un propulsor rotativ cu ax orizontal-transversal
• Zbaturile sunt de dou ă feluri: rigide sau articulate
• Amplasarea ro ților cu zbaturi poate fi f ăcută în zona central ă (side-wheeler) sau la pupa
(stern-wheeler). Cele cu roata în zona central ă au manevrabilitate crescut ă, nava
putând manevra numai cu o roat ă, cealaltă fiind blocat ă.

© Conf.dr.ing. Lauren țiu Chiotoroiu 7 • Avantajele acestui propulsor:
– constan ță în funcționare, indiferent de adâncimea apei
– pot fi folosite în ape pu țin adânci (fluvii, delte etc.)
• Dezavantajele constau în:
– randamentul total este sc ăzut în compara ție cu alte propulsoare
– sunt foarte sensibile la naviga ția pe mare agitat ă
– la ruliu func ționează defectuos.

2. Propulsorul cu aripioare Voith Schneider

• Este un propulsor rotativ cu ax vertical. Func ționează la turații reduse (la aprox. 25%
din turația unei elice navale de m ărime comparabil ă).
• Acest tip de propulsor este folosit la navele cu manevrabilitate ridicat ă (remorchere de
manevră etc.) și la nave la care trac țiunea azimutal ă se poate modifica rapid (nave de foraj
cu poziționare dinamic ă, nave de cercet ări oceanografice etc.).
• Este alc ătuit dintr-un platou rotativ în care sunt articulate pale cu axul de rota ție
vertical. În timpul rota ției unghiul de atac al palei este variabil fiind comandat de un
excentric prin bielete. Pentru a genera împingere, fiecare pal ă verticală execută o mișcare
oscilatorie în jurul axei verticale proprii.

• Avantajul major al acestui tip de propulsor este c ă produce trac țiune azimutal ă (aprox.
360 grade), printr-o simpl ă deplasare a excentricului. Dac ă excentricul are o pozi ție axială
cu butucul, trac țiunea este nul ă. Deplasându-l spre prova, trac țiunea se orienteaz ă spre
prova.
3. Propulsorul azimutal Schottel

• Este de fapt o elice montat ă pe o coloan ă verticală rotativă. Prin rotirea elicei în jurul
axului vertical, în timpul func ționării, tracțiunea devine azimutal ă (orice direc ție).
• Acest tip de propulsor este folosit la nave ce necesit ă manevrabilitate crescut ă
(remorchere) sau nave ce necesit ă simplitate constructiv ă: bacuri, nave tehnice. In plus,
apar și la navele rapide sau cele ce navig ă în ape cu adâncime limitat ă.
• Elicea este antrenat ă de motorul fix din interiorul navei prin transmisia în Z din cele
două trunchiuri conice. De obicei, elicea este situat ă într-o duz ă, astfel se combin ă elicea
și cârma într-o singur ă instalație ce se poate roti cu 360 grade.

© Conf.dr.ing. Lauren țiu Chiotoroiu 8
1- arbore orizontal de antrenare
2- grup conic superior
3- roată de antrenare coloan ă
4- coloană
5- arbore vertical de antrenare
6- lagăr
7- grup conic inferior
8- gondolă
9- arbore portelice
10- fundul navei
11- pala elicei
12- motor rotire

4. Propulsorul cu reac ție (cu jet)

• Este alc ătuit dintr-o pomp ă axială ce aspir ă apa de sub nav ă și o refuleaz ă prin pupa
cu viteză mare în aer, în sens opus mi șcării. Astfel se dezvolt ă o forță de reac ție care
reprezint ă forța de propulsie aplicat ă navei.

• Este folosit la navele rapide, pentru pescaje reduse sau la cele la care din motive
constructive nu se poate monta alt tip de propulsor (de ex. aripi portante). Unul din
principalele avantaje îl reprezint ă zgomotul și vibrațiile reduse în compara ție cu celelalte
propulsoare. In plus, manevrabilitatea este deosebit ă iar faptul c ă nu poate fi supraturat
înseamn ă o durată de viață mai lung ă.

5. Propulsorul magneto-hidro-dinamic

• Din p.d.v. constructiv, poate fi: cu electrozi sau cu induc ție. Propulsorul cu induc ție se
bazează pe principiul motorului liniar, pentru a evita zgomotul bulelor degajate.
• Acest tip de propulsie este întâlnit ă la bordul submarinelor nucleare. Avantajul major
este că este foarte silen țios, nivelul de zgomot fiind mult mai redus dcât în cazul elicelor.

© Conf.dr.ing. Lauren țiu Chiotoroiu 9 • Dacă într-o zon ă oarecare coexist ă un câmp electric și unul magnetic, coplanare și
perpendiculare unul pe cel ălalt și injectăm în zona respectiv ă un fluid conduc ător de
electricitate (ap ă de mare), sub influen ța celor dou ă câmpuri, purt ătorii de sarcin ă se vor
deplasa dup ă regula mâinii stângi (for ța Lorenz).
• Pentru a ob ține un randament acceptabil, electromagne ții sunt criogenici
(superconductori). Dezavantajul este c ă electromagne ții trebuie r ăciți cu azot lichid sau
chiar heliu. Un alt dezavantaj apare datorit ă electrolizei apei (apari ți bulelor de O 2 și H 2)
evacuate prin tub. Aceasta se produce datorit ă câmpului electric aplicat.

6. Elicea naval ă

• Este cel mai r ăspândit propulsor naval, datorit ă randamentului acceptabil pentru o
gamă largă de viteze ( η = 0,40…0,60).Reprezint ă un propulsor rotativ cu ax longitudinal
orizontal, amplasat la pupa și acționând propulsiv prin împingere. Elementul ce realizeaz ă
tracțiunea se nume ște pala elicei . În acest scop, elicele au între 2…8 pale. Num ărul de
pale este z. Pentru navele mari, z = 4..7 pale, iar la ambarca țiuni z = 2…4 pale.
• Elicele care se rotesc în sensul acelor de ceasornic, v ăzute din pupa se spune c ă au
„pas dreapta”. La navele cu dou ă propulsoare pupa elicea din Tribord e de obicei cu „pas
dreapta” iar cea din babord este „pe stânga”. Astfel, elicele au sens de rota ție opus, spre
afară.
• La navele moderne de tipul portcontainere, ferryboat, sp ărgătoare de ghea ță, elicele
pot fi dispuse și la prova pentru a spori manevrabilit atea. Ele se numesc bow thrustere și
crează depresiune sub prova navei.
12.3. ELICEA NAVAL Ă. CARACTERISTICI GEOMETRICE

Elicea este cel mai r ăspândit tip de propulsor naval. Din p.d.v. constructiv, orice elice este
alcătuită din:
– Butuc . Acesta este fixat prin pan ă sau presat pe arborele portelice și pus în
legătură cu arborele motor (A.C. al MP) prin intermediul liniei de axe. El
preia mișcarea de rota ție a arborelui portelice.
– Pe butuc sunt fixate rigid sau articulat un num ăr de pale ale elicei. Elicele
care au palele rigide, fixe se numesc E.P.F., respectic cele cu palele
articulate elice cu pale variabile E.P.V.
La E.P.V., schimbarea sensului de mar ș al navei se face numai prin reglarea unghiului
palelor, f ără a schimba sensul de rota ție al elicei. Dezavantajul E.P.V. const ă în
construc ția complicat ă și siguran ță mică în exploatare

© Conf.dr.ing. Lauren țiu Chiotoroiu 10 Geometria elicei:

Geometria complex ă a unei elice navale este caracterizat ă în principal de urm ătorii
parametrii:

1. Diametrul elicei D – este diametrul circumferin ței descrise de vârfurile palelor (D =
2R, R este raza elicei). Are valori cuprinse între 3…10 metri func ție de dimensiunile
navei. Depinde în principal de pescajul T al navei.
2. Diametrul butucului d – în general are valoarea d = 0,2 R. Partea palei al ăturată
butucului se nume ște rădăcină, iar iar partea exterioar ă vârf.
3. Numărul de pale z – este un parametru important din p.d.v. al vibra țiilor induse de
elice. În general un num ăr impar de pale induce vibra ții mai sc ăzute decât elicele
cu nr. par de pale. Un num ăr crscut de elice reduce de asemenea problema
vibrațiilor, dar m ărește prețul de cost. Num ărul de pale z nu trebuie s ă fie un divizor
comun al num ărului i de cilindrii ai MP.
4. Raportul de disc θ = A E/A0 – la navele comerciale, valorile uzuale sunt cuprinse
între 0,4….1,2. A E este aria suprafe ței desfășurate a palei, iar A 0 este aria discului
elicei. Valorile mari corespund navelor rapide iar cele mici navelor lente.
5. Pasul geometric P – este distan ța măsurată pe generatoarea dintre 2 spire
succesive ale elicoidei, altfel spus este distan ța în sens axial cu care avanseaz ă
curba elicoid ă la o rota ție complet ă în jurul axului s ău geometric.

Fie o linie AB perpendicular ă pe AA’. AB
execută o mișcare de rota ție în jurul lui AA’
cu viteză unghiular ă uniformă și în acela și
timp o mi șcare de transla ție în lungul lui
AA’ cu vitez ă constant ă. AB va forma
astfel o suprafa ță elicoidal ă. Pasul P este
chiar distan ța AA’. Pasul poate fi constant
sau variabil și se spune c ă elicea este cu
pas fix respectiv variabil.

6. Raportul de pas P/D – are valori cuprinse în gama 0,6….2,0.
7. Forma în plan a palei elicei poate fi:
• Simetric ă (elice Gawn)
• Asimetric ă (Wageningen)
• Tip Kaplan cu vârful retezat – la elicele montate în duze. Pala este simetric ă:

• Cu skew – elice cu pala întoars ă inapoi
• Supercavitant ă – bordul de atac este curb iar cel de fug ă este retezat rectiliniu.