Eivind Amble: Drev eller rett aksel?

Eivind Amble: Drev eller rett aksel?

AV SIVILINGENIØR EIVIND AMBLE

Jeg har vært litt innom propeller tidligere. For eksempel om propellvalg (9/1989), om balansering (6/1992), om overflatepropeller (1/1999), og litt om historikk og kavitasjon (7-8/2007).
Propellen er i utgangspunktet enkel å få til å fungere. En vridd blikkplate på en akselstump, er egentlig alt som skal til for å demonstrere at "det virker". Men herfra til en høyeffektiv konstruksjon, er det et langt sprang (ikke noe "kvantesprang" - som er et misbrukt moteord som egentlig refererer til spranget mellom elektroners baner innenfor et atom - altså en nærmest ubegripelig liten størrelse).
Det er mange som har forsøkt seg med alternative måter å lage skyvekraft på. Det virker jo litt bakvendt at vi går veien om en innretning som går rundt når målet er en aksialkraft i dreieaksens retning. Selv om også dét går rundt, er skovlhjulet egentlig mer logisk enn propellen, men det er vrient å finne en kompakt løsning med akseptabel virkningsgrad. Gjennom tidene har det da også vært eksperimentert med blant annet bølgefoiler, dampbasert reaksjonsdrift, pulsjet (et nedsenket undervannshus med pulserende utblåsning av blanding av luft og vann eller høykomprimert gass), luftpropell og helt neddykket vannjet i strømlinjet innpakning, bare for å nevne noen varianter. Jules Verne har nok inspirert noen hver til å gå i tenkeboksen.

Født roterende
Elektromotorer og turbiner er født roterende. Dét er Wankelmotoren også. Ulike typer av stempelmotorer omsetter frem- og tilbakegående bevegelse til rotasjon. For akslinger som går rundt er håndterbare. Vinkelhastigheten kan enkelt reduseres eller økes ved hjelp av gir. Og dreiemomentet øker eller avtar tilsvarende. Opplagring av roterende akslinger mestrer vi enten det skal foregå over eller under vann. Den store utfordringen er å omsette rotasjonsenergien til en lineær kraft som kan skyve eller trekke skuta fremover.
Propellen har en uslåelig posisjon i markedet. Riktignok er vannjet et stadig mer aktuelt alternativ når båten kan ha spesiell fordel av å være uten en sårbar og av og til farlig propell, og når det eksempelvis er viktig med minimum dyptgående og lavest mulig støynivå. Men propellens posisjon er det vanskelig å true.
Bortsett fra tilfeller da kraften kommer fra en motor som befinner seg i et strømlinjeformet undervannshus med en minimal akselstump til propellen (de fleste har kanskje lagt merke til slike pod-systemer montert blant annet i spesialfartøy for offshoreindustrien og i noen av de siste, store cruiseskipene), er problemet å få energien fra drivmotoren som er inne i skroget, brakt ut og ned i vannet.
På annet sted i bladet gjengis resultatene fra prøver som nylig ble gjennomført med identiske båter og motorer, men med ulike fremdriftssystemer: Den ene båten har rett aksel som står fritt i vannstrømmen (akselen er altså ikke omgitt av en kjøl eller annen form for finne), den andre båten har Volvo Pentas IPS-drev. Til tross for at kraften fra motoren her går over to 90-graders overføringer som er nødt til å stjele krefter, gir målingene plusspoeng til drevinstallasjonen.

De grunnleggende forskjeller
Hvordan kan dette ha seg? Vi kan se litt på de grunnleggende forskjellene.
Mekanisk sett er den rette akselen mellom motor/gir og propell den enkle og greie løsningen. Men i vanlige installasjoner der propellen er beregnet på å være helt neddykket med motoren inne i skroget, betyr dét at propellakselen får en ikke uvesentlig vinkel med vannet som strømmer forbi. Jeg nevnte litt om dette i 7-8/2007: Når båtens langskips tyngdepunkt rykker akterover, noe som gjerne er nødvendig hvis skrogbunnen skal flate ut mot hekken for å gi bra med dynamisk løft og planende egenskaper, havner fremdriftsmaskineriet også akterover. Selv om motoren er påmontert V-drev eller gir med nedvinkling, er det en evig kamp på tegnebrettet for å holde akselvinkelen flatest mulig. Planende skrog med 13-14 graders akselvinkel har ikke vært uvanlig. Når vannets vinkel inn på propellbladene mellom "nedtur" og "opptur" variere med det dobbelte av akselvinkelen, settes propellgeometrien på virkelig prøve.
I oktober 1954 sjøsatte Saunders-Roe verftet i England den første motortorpedobåten av "Dark-klassen". Med snaue 22 meters lengde og to stk. 18-sylindrede Napier Deltic motorer som til sammen presterte 5000 akselhestekrefter, ble båten klokket til 47 knop. Til sammen ble 18 "Dark"-båter bygget. Men et problem med Dark klassen var at propellene ikke holdt ut mer enn noen titalls timer på full peis. Den store variasjonen i vinkelen som vannet traff propellbladene med på grunn av den skrå akselen, resulterte i så kraftig kavitasjonstæring at det fort gikk på propellenes styrke løs. Jeg har selv erfart tilsvarende med en Fjord 30 Weekender med innenbordsmotorer og V-drev. Kraterne som ble gravd ut på grunn av brutal bladrot-tæring, ble til slutt så store og dype at et propellblad brakk av og ble slengt mot båtbunnen.
Da Jan H. Linge og Båtservice noen år etter at Dark klassen begynte å slite med propellproblemene sine, ble den norske MTB'en "Nasty" sjøsatt med tilsvarende motorisering. Men her var propellene konstruert av engelske George S. Selman som blant annet begikk genistreken å gi propellbladene negativt kast. Dét betydde at sentrifugalkreftene på bladene virket motsatt rettet skyvekraften. Dét minsker belastningene, og bladtykkelsen kunne reduseres. Dermed var kavitasjonsproblemene langt mer håndterbare. Og brukstiden for Nasty-popellene var en ganske annen enn for Dark-propellene.
Propelltunneler kan være effektive for å redusere akselvinkelen. Hurtigbåtbransjen har i mange ti-år eksperimentert for å finne frem til gunstigste tunnelgeometrier. Propelltunneler på fritidsbåter med innenbordsmotor og rett aksel er blitt vanlig først og fremst på halvplanende skrog, men også på planende båter med tradisjonelle installasjoner. En propelltunnel hjelper til med å minske akselvinkelen, og/eller den gir plass til en større propell. Men slike tunneler må formes korrekt - de skal blant annet sikre at roret i akterkant har gode arbeidsforhold.
Men det er flere forhold som den skrå akselen sliter med: Varierende angrepsvinkel gir ikke bare kavitasjonsfare, men også dårligere propellvirkningsgrad og mulighet for vibrasjoner. Avhengig av akselvinkelen, vil en komponent av propellens skyvekraft virke oppover og ikke i båtens fartsretning. Frontarealet som akselen møter vannstrømmen med, betyr motstand. Roterer akselen fritt i det forbistrømmende vannet, vil dette generere sidekrefter ("magnuseffekt"). Akselbrakett med bærelager ("cutless-lager") betyr mer motstand. I tillegg kreves eget inntak for kjølevann. Og skal den dynamiske trimmen justeres og kontrolleres med trimplan eller interceptorer, betyr dette også litt tilleggsbrems. Alle disse elementene bidrar hver for seg til å å øke båtens totalmotstand sammen med ror til å styre med. Ror må med i motstandsbildet.

Drev fra 1800-tallet
Historien kan fortelle at drevløsninger så dagens lys på slutten av 1800-tallet (riktignok i ganske primitiv utførelse) og i mer moderne varianter på 1960-tallet, kan det virke merkelig at det først var ganske nylig at konkurrentene Volvo Penta med IPS (Inboard Performance System) og Cummins MerCruiser med Zeus begge lanserte sine moderne modeller for innenbordsmotorer. Dét forteller at det tar tid å utvikle en idé til kommersielt produkt.
Jeg må nevne at Seattle-baserte Hydro Drive for 40 år siden presenterte både styrbare drev for lavere effekter (100HP) og superstrømlinjede drev for effekter opp til 3.200 HP. I sitt augustnummer 1969 rapporterte det amerikanske tidsskriftet Boating om prøver med Hydro Drive installasjoner. De sprekeste drevene hadde undervannshus med utseende som om de var av årgang 2008. Hydro-Drive kunne leveres med både faste og vribare propeller. Drevene skulle egne seg like bra for tilknytning til bensinmotorer og dieselmotorer som til gassturbiner.
Så skjedde det altså først for noen år tilbake at Volvo Penta og MerCruiser, som basert på uslåelig erfaring med sine inboard-outboard pakker, kom på markedet med sine nyskapninger omtrent samtidig. Og når nå IPS-drevet er blitt gjenstand for en omhyggelig sammenligning med tradisjonell motorinstallasjon med rett aksel, viser det seg altså at drevet går av med en solid seier. Hvorfor?
IPS har duo-prop. Da duo-prop først kom på markedet, ble det klart at de to kontraroterende propellene er i stand til å gi skyvekraft tilsvarende hva som vanligvis bare kan oppnås med enkeltpropeller med større diameter. Duo-prop systemet er i seg selv effektivt. Når så skyvekraften i tillegg virker direkte i båtens fartsretning, må det være gevinst. At Volvo Penta har valgt å gi IPS trekkende propeller (uansett hvor skummelt dét kan se ut), bidrar nok til ytterligere bedring av virkningsgrad og effektivitet.
Det strømlinjeformede drevets vannmotstand må nødvendigvis være vesentlig mindre enn motstanden av den rette, skrå akslingen, og i drevet er både kjølevannsinntak og alt som har med eksos å gjøre, integrert. Som vi vet fra utenbordsmotorer og hekkaggregater, blir styringen supereffektiv når det er skyvekraften selv som dirigerer kraftretningen. Når skyvekraftens retning kan justeres for optimal båttrim, blir behovet mindre for separate trimplan og interceptorer.

Så kom IPS
Og Volvo Penta er raske med å følge opp suksessen: I USA har VP for lengst opprettet et "Boat Engine Integration Center" (BEIC) der båtprodusentene får hjelp til å optimalisere skroggeometri og drevinstallasjoner, samtidig som BEIC bygger en komplett prototyp av motorrommet der alle fundamenter for både motor og drev er på plass. IPS'er leveres som helt komplette pakker. Dette reduserer monteringstiden til noen timer i stedet for dager. VP skaffer seg vektige salgsargumenter!
En alvorlig innvending mot drevløsninger har alltid vært både effekttapet ved og sårbarheten av at rotasjonen fra motoren skal vendes 90 grader to ganger, samtidig som akselturtallet skal gires ned. Det er opplagt en utfordring å finne den riktige balansen mellom hensyn til hydrodynamikken og undervannshusets frontareal, og til hva som kreves av tannhjulsdimensjoner og drevstyrke. Men erfaringen som finnes hos de to gigantene som står bak de nye drevløsningene, bør eliminere all skepsis.
Rapportene fra prøveprogrammet er i sannhet lovende for IPS.