Menjalnik, vrtljaji, izkoristek, navor, moč…

Author: Share:
Na vsakem plovilu se srečamo tudi z menjalniki. Izjema so le JET pogoni, ki menjalnika ne potrebujejo nujno, je pa včasih kljub temu vgrajen. Glavna naloga menjalnika je spreminjanje smeri vrtenja propelerja, poleg tega pa je menjalnik tudi reduktor.

Motorji z notranjim izgorevanjem imajo eno slabost, saj jih ne moremo sproti prižigati in ugašati. Ko ga zaženemo se motor vrti in tako potrebujemo za prosti tek menjalnik. Iz prostega teka menjalnik premaknemo v položaj za vožnjo naprej ali nazaj, ki vrti gred propelerja v eno ali drugo smer. Pri vgradnih motorjih je menjalnik v plovilu takoj za motorjem, pri Z pogonih ga najdemo v sami nogi, pri izvenkrmnih motorjih pa v spodnjem delu pete.

Bolj zanimiva funkcija menjalnika pa je redukcija vrtljajev. Ta je potrebna zato, ker imajo propelerji boljši izkoristek pri manjših vrtljajih, kot jih dajejo običajni motorji z notranjim zgorevanjem. Pri gliserskem tipu plovila se na polnem plinu propelerji vrtijo s cca. 2.500 vrt/min, bencinski motorji pa jih imajo ponavadi okrog 5.000, dieselski slabih 4.000. Tako je potrebno prestavno razmerje za bencinske motorje okrog 2:1 za bencinarje in cca. 1.6:1 za dizle.

Kaj je prestavno razmerje?
To je razmerje med številom vrtljajev gonilne in gnane gredi. Gonilna gred je tista, na katero je spojen motor (torej vstopna ali prva), gnana gred pa je tista na katero je spojen propeler (izstopna ali druga). Prestavno razmerje se označuje s črko “i” in je brezdimenzijska vrednost, torej nima enote! Prestavno razmerje je realno število in se pravilno NE zapisuje kot razmerje (npr. 2:1), vendar se ta zapis uporablja zaradi lažjega ponazarjanja. Če je prestavno razmerje večje od 1, potem govorimo o reduktorju (zmanjša število vrtljajev), če pa je manjše od 1, govorimo o multiplikatorju (poveča število vrtljajev). No pri plovilih vedno potrebujemo reduktor, saj se motorji vedno vrtijo hitreje kot bi želeli…

i = n1 / n2

i = prestavno razmerje
n1 = št. vrtljajev gonilne gredi
n2 = št. vrtljajev gnane gredi

Prestavno razmerje lahko izrazimo tudi kot razmerje med navorom na izstopni gredi in navorom na vstopni gredi.

i = T2 / T1

i = prestavno razmerje
T1 = navor na vstopni gredi
T2 = navor na izstopni gredi

Iz tega sledi tudi, da je:

i = n1 /n2 = T2 / T1

vidimo, da je število vrtljajev v obratnem sorazmerju z navorom! Ni pa v tej enačbi moči!!! Moč se s prestavnim razmerjem NE SPREMENI! To poudarjam zato, ker velikokrat slišim, kako se poveča moč, ko npr. avto pri prehitevanju prestavimo v nižjo prestavo… Moč ostaja enaka! Se pa seveda takrat poveča navor na kolesih… Enako velja tudi pri plovilih. Propeler bo vedno dobil le toliko moči, kot je zmore motor, seveda zmanjšano za izkoristek. Pri tem pa prestavno razmerje menjalnika ne igra nobene vloge!

V vsakem menjalniku se srečamo tudi s pojmom izkoristek. To je razmerje med močjo, ki jo dobimo na izstopni gredi in močjo, ki jo dovajamo na vstopno gred. Izkoristek menjalnika je vedno manjši od 1!!! Tudi izkoristek je enako kot prestavno razmerje brezdimenzijska vrednost. Včasih izkoristek še pomnožimo s faktorjem 100 in ga tako izrazimo v procentih… Izkoristek se označuje z grško črko “epsilon” ali “ni”.

ni = P2 / P1

ni = izkoristek
P1 = moč na vstopu v reduktor (v kW)
P2 = moč na izstopu iz reduktorja (v kW)

Izkoristek celotnega sklopa je odvisen od števila in tipa ležajev ter števila in tipa zobniških parov. No če bi gledali zelo natančno, je izkoristek odvisen tudi od vrste olja, temperature in še marsičesa, vendar to njegovo vrednost spreminja le malenkostno in se običajno kar zanemari.
Na hitro lahko rečemo, da ima vsak ležaj cca. 0.5 do 1 % izgub in vsak zobniški par 3 do 5 %.

Velikokrat slišim, da ima Z pogon slab izkoristek, ker se v njem smer pogona 2 x lomi… Kako je to zmotno!!! Z pogon nima nič slabega izkoristka, no mogoče je res, da imamo vedno na poti 2 zobniška para, pri vgradnem menjalniku, pa je lahko za prestavo naprej samo en zobniški par, pri vzratni vožnji pa sta vedno vsaj 2, kar pomeni da smo na istem! Pri tem govorim samo o mehanskem izkoristku do propelerja in ne prenosu moči v vodo!!! O tem drugič, lahko pa namignem, da je tukaj Z pogon favorit!

In še primer:

Imamo nek motor, za katerega vemo, da pri 3900 vrt/min zmore moč 275 KM, pri 2600 vrt/min, pa nam daje največji navor 590 Nm. Prestavno razmerje menjalnika je i = 1.62, vemo, da sta v menjalniku 2 zobniška para in 6 ležajev. Predpostavimo, da plujemo pri 2600 vrt/min, zanima nas, kakšen je izkoristek menjalnika, kakšen navor prenaša gred propelerja in kakšne so izgube, če motor pri teh vrtljajih obremenimo do 70%.

Najprej izkoristek menjalnika:
Izkoristki posameznega sklopa se med sabo množijo, s čimer dobimo skupni izkoristek. Predpostavimo izkoristek zobniške dvojice 96%, izkoristek ležajev pa 99.1%.

Izkoristek šestih ležajev skupaj je:
ni1 = 0.991 x 0.991 x 0.991 x 0.991 x 0.991 x 0.991 = 0.991^6 = 0.9472

Izkoristek dveh zobniških parov je:
ni2 = 0.96 x 0.96 = 0.96^2 = 0.9216

Skupni izkoristek menjalnika je:
ni = ni1 x ni2 = 0.9472 x 0.9216 = 0.8729 ***** 87.29%

Izkoristek je fiksna vrednost menjalnika in je neodvisen od vrtljajev motorja, prestavnega razmerja, načina plovbe, moči motorja…
Vidimo, da nam skoraj 13% moči “ostane” v menjalniku in nikoli ne doseže propelerja. Ta moč oziroma energija se spremeni predvsem v toploto, delno pa tudi v vibracije in hrup!

Motor zmore pri danih vrtljajih največji navor 590 Nm, s tem pa lahko izračunamo tudi največjo možno obremenitev gredi propelerja:

i = T2 / T1
če enačbo malo obrnemo, velja…
T2 = T1 * i = 590 * 1.62 = 955.8 Nm
Iz tega podatka lahko dimenzioniramo gred propelerja, ki mora prenesti najmanj 955.8 Nm vrtilnega momenta ali navora! Pri tem smo zanemarili izkoristek, vendar se to normalno tudi zanemarja, vsaj pri menjalnikih, ki vsebujejo do 3 zobniške dvojice! To pomeni vedno pri plovilih!

Iz prestavnega razmerja lahko izračunamo tudi vrtljaje propelerja, ko ima motor 2.600 vrt/min:

spet malo obrnemo že zgoraj omenjeno enačbo…
n2 = n1 / i = 2600 / 1.62 = 1.605 vrt/min
Vidimo, da se gred propelerja vrti počasneje, kot motor, kar je normalno, saj je prestavno razmerje večje od ena in govorimo o reduktorju.

Že zadnjič smo izračunali, da je moč pri 2.600 vrt/min in navoru 590 Nm:
P = M * n / 9550 = 590 * 2600 / 9550 = 161 kW
Motor nam daje pri teh vrtljajih 161 kW, rekli pa smo, da je obremenjen na 70%, kar pomeni,
P = 161 * 0.7 = 112.7 kW
da od njega “vlečemo” 112.7 kW!

Po prej izračunanem izkoristku menjalnika lahko izračunamo koliko te moči pride do propelerja.
P2 = P1 * ni = 112.7 * 0.8729 = 98.4 kW

Moč, ki jo “pogoltne” menjalnik lahko izračunamo na dva načina, pri katerih moramo dobiti povsem enak rezultat:
P(iz) = P1 – P2 = 112.7 – 98.4 = 14.3 kW
ali
P(iz) = P1 * (1 – ni) = 112.7 * (1 – 0.8729) = 14.3 kW

Vidimo, da “izgubimo” kar 14 kW moči!!! Reki smo, da gre večino te energije v toploto, kar pomeni, da se menjalnik krepko greje. To je toliko, kot zmore povprečna peč za centralno kurjavo pri srednjem delovanju, s tem pa vam pozimi greje celo hišo!!! Sedaj vam je verjetno jasno, zakaj tudi menjalniki potrebujejo hlajenje!!!

Tako, to bi bilo na kratko o menjalniku. Mogoče še opomba, zakaj sem to izgubljeno energijo v menjalniku vedno dal v narekovaje… To ni povsem pravi izraz, saj energija nikoli ne izgine, le pretvori se iz ene v drugo obliko. Pri nas je to iz mehanskega dela v toploto. No zaradi lažje razumljivosti sem večkrat napisal “izgubljena”, saj je to za nas dejansko izgubljena, toplota, ki nastane pa je škodljiva in jo moramo nujno odvajati v okolico (morje).

 
 
besedilo:  Sandi K.
foto:  ZF marine
Previous Article

Moč in navor

Next Article

Sejem Boot 2009 – Düsseldorf

Pogledajte ostale članke