Snurr en propell

Snurr en propell

En båt uten propell - ingen fremdrift. Propellen er en av de bortgjemte delene. Når du ser den på en oppvippet påhengsmotor eller et akterdrev, virker den uskyldig og enkel, en snodig skulpturert metalldel uten bevegelige deler. Men det er åpenbart for de aller fleste hvordan den virker - eller er det det?

Av Tim Bartlett, Practical BoatOwner
Til norsk ved Hans Due

I realiteten er den beskjedne fasongen ganske villedende. Selv i dag, med laserteknologisk fotografering og sofistikert datamodellering, viser det seg at det er den menneskelige erfaring og "magafølelse" som gir de beste resultater.
En feil propell kan stjele flere knop av topphastigheten, og kan koste mange ganger sin egen pris i økt drivstofforbruk. Racerbåt-team bruker mange timer på å teste, pussie og småjustere propellene før et viktig race, mens båtbyggere kanskje må sjonglere mellom et halvt dusin propeller før de finner den rette til en ny båtmodell. Selv da, velger de kanskje forskjellige propeller ut i fra hvor båten skal leve livet sitt. En propellstørrelse som skal sitte på en båt i Middelhavet, passer kanskje ikke for en båt som skal gå i våre farvann.
For virkelig å kunne verdsette en propell, bør man vite hva som virkelig foregår i enden av propellakslingen. Da må vi forklare det på tre helt forskjellige måter, og ingen av dem gir den endelige sannhet.

1. Skruen

Det første patentet på en skruepropell ble tatt ut av William Lyttleton i 1794 selv om han ikke var den første som kom på ideen. David Bushnell hadde 20 år tidligere benyttet noe tilsvarende til sin bisarre "undervannsbåt". Lyttletons patent så ut som en forvokst treskrue, tydelig ment å skru seg gjennom vannet på samme måte som en bolt i en mutter. Det var helt tydelig at Lyttletons ide, lenge før propellen ble prøvet ut, var at vann var et fast materiale som tre eller metall. Men hans teori er likevel verdt å huske fordi den ga navn til en terminologi som benyttes den dag i dag.
Propellens diameter er innlysende. Det er diameteren i den sirkelen som vingespissen til propellen tegner ved en omdreining. Stigningen på propellen er den distansen propellen ville hatt beveget seg ved én omdreining dersom den virkelig hadde skrudd seg gjennom et fast materiale.
Alle vet jo nå at en propell ikke tilbakelegger den distansen i vann som stigningen skulle tilsi. Den bevegelsen propellen virkelig gjør ved en omdreining i vann kaller vi for fremdrift, og forskjellen mellom fremdriften og stigningen kaller vi for slipp, vanligvis oppgitt i prosent.
For ytterligere å komplisere dette bildet når man skal regne propellens virkningsgrad, er altså fremdriften den avstanden som propellen beveger seg i vannet, ikke distansen som båten tilbakelegger. Båten trekker nemlig noe vann med seg når den beveger seg gjennom vannet, spesielt hvis det er en deplasementsbåt som er mye grodd i bunnen. Dette gjør det vanskelig å måle propellens fremdrift, og enda vanskeligere å kalkulere den, så selv om propellkonstruktører gjerne vil arbeide med sann slipp (forskjellen mellom stigning og fremdrift), er det mye enklere å arbeide med tilsynelatende slipp, altså forskjellen mellom stigningen og båtens fremdrift for hver omdreining propellen gjør. Heldigvis er forskjellen mellom de to meget liten på planende båter. Likevel avstedkommer dette problemet en del gjetting i beregningene.

2. Foilen

Ordet "slipp" høres illevarslende. Man vil ikke tenke seg at for eksempel et bildekk er konstruert for "slipp". Det rare er at mens skrupropellere begynte å spre seg i markedet, fant konstruktørene ut at slipp faktisk ikke bare var uunngåelig, men at det faktisk var avgjørende for at propellen skulle virke tilfredsstillende.
Grunnen til dette synes iøynefallende hvis man tenker seg hvert enkelt propellblad som en foil, som f.eks et rorblad eller et seil. Når en båts ror er helt parallell med vannet som flyter forbi det, produserer ikke roret noen svingekrefter i det hele tatt, det bare bidrar til å sakke farten ytterligere gjennom friksjonen mot vannet. Bare når roret stilles i en vinkel mot vannet som flyter forbi, dannes det svingekrefter.
Nøyaktig det samme skjer med et seil. Hvis man styrer båten og seilet rett opp mot vinden, blir seilet bare hengende og flagre uten å produsere noen fremdrift. Når seilet vinkles mot vindretningen, begynner det å skje ting. For et seil er den optimale angrepsvinkelen mot vinden 20° - 25°, men for en propell i vannet er denne vinkelen adskillig mindre, ca. 3°-4°. Det betyr ikke at alle propellere må ha bladene montert i samme vinkel mot akslingen. Igjen er det gode sammenligninger til seilet.
Tenk deg at du putrer av gårde for motor i seks knop på en perfekt, vindstille dag. Rundt deg stiger røyken fra fabrikkpipene på land rett opp i luften, og vindmåleren på en oppankret båt står helt stille, mens en vindmåler om bord i din egen båt vil vise en viss vindstyrke rett forfra. Forklaringen er selvsagt at du føler en vind som er en følge av at båten din går med en viss hastighet.
Tenk deg så at vinden har frisknet til, og at du seiler i seks knop. Den induserte vinden er nøyaktig den samme, men føles helt annerledes fordi den sanne vinden kombinert med den induserte gir deg helt andre vindverdier på måleren. Det er altså forskjellen mellom den virkelige og den følte vinden som gjør at det føles adskillig mer vindfullt når du går mot vinden enn når du går fra den.
Det er nøyaktig det samme som skjer med vannstrømmen rundt et propellblad. Den "sanne vinden" dannes av det roterende propellbladet, mens den "induserte vinden" dannes gjennom propellens bevegelse gjennom vannet. Derfor blir bestandig propellbladene vinklet mye mer enn de tre eller fire gradene de ideelt skulle ha for teoretisk optimal virkningsgrad. Det forklarer også hvorfor hvert enkelt blad også er vridd, fordi selv om den "induserte vinden" er omtrent den samme over hele propellbladet, er den "sanne vinden" mye sterkere ved propellspissen enn ved roten.
Mesteparten av dette er selvsagt adskillig mer interessant for propellkonstruktøren enn for båteieren som vil være på jakt etter den beste propellen til sin båt i et forholdsvis beskjedent utvalg av standardpropeller. Det viktigste er imidlertid at stigningen på propellen må velges ut slik at den passer til hastigheten på akslingen og båtens forventede hastighet gjennom vannet. Som en tommelfingerregel kan vi si at en rask båt trenger enn større stigning på propellen enn en sakte båt.

3. Pumpen

Newton var en kjekk kar, og hans lover for bevegelser har hjulpet menneskene med syvmilssteg. Hans tredje lov sier at for en hver aksjon er det en tilsvarende og motsatt reaksjon, så den tredje måten å se en propell på er som om den skulle være en pumpe som skyver vannet akterover. Newtons lov vil altså si at når propellen skyver vann akterover, vil vannet igjen skyve propellen forover.
Hvis alle forhold var helt like, vil altså mengden av vann en hvilken som helst pumpe kunne flytte over et gitt tidsrom kun være avhengig av kraften som overføres til pumpen. La oss for eksempel si at pumpen kunne flytte 3 kubikkfot med vann pr. sekund for hver 10. hestekraft. En 100 hk. pumpe vil altså kunne flytte 30 kubikkfot med vann pr. sekund.
Formen på vannet som skyves kan selvsagt være hvilken som helst, så vi tenker oss at den er en sylinder hvis diameter er omtrent den samme som propellens, og lengden er den distansen som propellen har tilbakelagt gjennom vannet over et visst tidsrom.
For en saktegående båt som beveger seg i ca. 6 knop, vil sylinderen på 30 kubikkfot være ca. 3 kvadratfot bred og diameteren ca. 24 tommer. For en liten sportsbåt som gjør 30 knop, må den 30 kubikkfot store sylinderen være 50 fot lang, 0,6 kvadratfot bred og med en diameter på 10 tommer. Dette er selvsagt ikke helt matematisk korrekt, men det forteller oss at en stor båt trenger en større propell enn en liten en, og en hurtig båt normalt trenger en mindre propell en en saktegående.

Kavitasjon og ventilasjon

Alle som har lært noe om seiling og trimming av seil vil også ha forstått at seilbåten ikke blir skjøvet fram av vindpresset i seilet, men blir suget framover av et lavtrykksområde bak seilet, dannet av aerofoil-formen på seilene. Samme mønster som for fly. Det er undertrykket over vingen som suger flyet opp i høyden.
Fysikken er den samme for et propellblad. Minst 50% av skyvekraften kommer av redusert trykk på baksiden av propellbladene. Etter hvert som trykket faller her, vil også kokepunktet for vannet senkes. På veldig tungt belastede propellere kan kokepunktet senkes helt ned til sjøvannstemperaturen, og små luftbobler vil utvikles på lik linje med kokende, varmt vann.
Dette skjer først ved vingespissene på propellen, der boblene ikke gjør særlig skade. De neste plassene hvor dette oppstår er ved eventuelle skader og sår i propellbladenes kanter, dernest ved roten av propellbladene. Boblene oppstår og forsvinner igjen nesten umiddelbart. Effekten av en eneste slik boble vil knapt nok merkes, men når det blir mange av dem over en lengre periode, er virkningen som et nålegevær som sliter bort overflatemaling og etter hvert begynner å angripe selve metallet. Det blir dannet tydelige stripete mønstre i metalloverflaten, noe som er kjent under begrepet "kavitasjonsbrenning".
Hvis man belaster propellen enda mer, vil kavitasjonsområdet rundt propellbladspissene og roten spre seg over hele propellen, og propellen mister omtrent all kraft i vannet, og kan sammenlignes med en bil som slurer på glatta. Båten mister fart og turtallet på motoren øker. Den umiddelbare reaksjonen fra båtføreren er da å straks dra av på gassen slik at propellen igjen får tak i "ukokende" vann. Blir dette et stadig tilbakevendende problem, er førstehjelpen å slipe ned eventuelle skader og kanter som stikker ut fra propellbladene. Hjelper heller ikke dette, må man vurdere å gå over til en større propell slik at kraften overføres til et større propellareal.
Ventilasjon er et helt annet problem, selv om det kan føles helt likt for båtføreren. Ventilasjon oppstår når propellen suger luft ned fra overflaten slik at den får et helt annet medium å jobbe i enn vann. Ventilasjon er et problem som er meget sjelden på deplasementsbåter og halvplanere med strak aksel, for her forhindrer skroget luften fra å trekkes ned til propellen. Men på båter med påhengsmotor og akterdrev er ventilasjon adskillig mer vanlig.
Motorprodusentene forsøker å eliminiere ventilasjon med hva de noe villedende kaller for kavitasjonsplater eller anti-kavitasjonsplater. Hvis ikke disse virker etter sin hensikt, er kuren enten å redusere hastigheten eller senke motoren på akterspeilet. Å øke størrelsen på propellbladene har - i motsetning til ved kavitasjon - ingen effekt for å motvirke ventilasjon.
På en båt med én motor kan man skille kavitasjon fra ventilasjon ved å observere når de oppstår. Hvis problemet oppstår når du gir bånn gass og akselererer, er problemet antagelig kavitasjon. Hvis det oppstår når du svinger hardt i større hastigheter, er det ventilasjon du er utsatt for.
Kjører du med dobbeltinstallasjon, kan du forsøke å svinge hardt først den ene veien, så den andre. Hvis det er den ytre propellen som får problemer, skyldes det ventilasjon. Er det den indre, er det kavitasjon det er snakk om.
I første halvdel av forrige århundre var kavitasjon et så stort problem at grensen for å kjøre fort på vann lå på ca. 40 knop. Denne grensen klarte man å overskride ved å utvikle en ny type propell, den såkalte "superkaviterende" propellen. Denne propellen ble laget omtrent som om man skulle hatt et vanlig propellblad og skåret det av i to deler fra propellspissen og inn til roten. Disse propellene blir ofte benyttet i racingbåter som skal oppnå meget høye hastigheter. På en vanlig, planende daycruiser eller familiebåt, vil ikke en slik propell gi noe øket effekt, snarere tvert imot, for i de fartsområder som disse båtene går, er "superkaviterende" propeller mindre effektive enn konvensjonelle.

To - eller flere blader?

Teoretisk sett er den mest effektive propellen en én-bladet propell. Dessverre vil denne propellen i praksis være så ubalansert at det ville vært et mareritt å kjøre med. Noen "high-performance" båter benytter langt på vei teorien om én-bladet propell ved såkalte overflatepropellere. Riktignok er det minst tre propellblader, men mesteparten av propellen er ute av vannet når man kommer opp i hastighet slik at det i praksis kun er ett eller to blad som har fullkontakt med vannet til en hver tid.
Generelt kan vi si at jo flere blader propellen har, dess mindre effektiv vil den være, mens propeller med likt antall blader vil produsere mere vibrasjoner i båten enn en propell med ulike antall blader. Det er derfor de fleste hurtiggående båter har trebladede propeller. Det er et fornuftig kompromiss mellom effektivitet og minst mulig vibrasjon. I de senere år har vi imidlertid sett en stadig økende bruk av firebladede propeller. Hovedgrunnen til dette er at motorkraften som er tilgjengelig i båtene har økt sammen med mer kompakte motorer. Dette, kombinert med skrogutvikling ( som for eksempel propelltunneler), gjør at det blir mindre plass til propellen. For å oppnå samme propellareal når man går ned på propellstørrelsen, må man øke antall blader.

Én eller to

For noen få år siden var det en reklamekrig mellom Volvo Penta og Mercruiser - de to største produsentene av akterdrev. Volvo Pentas patenterte Duoprop-system med to kontraroterende propeller på samme aksel, var en torn i øyet til Mercruiser, og begge fabrikanter gikk til angrep på hverandre. Volvo Penta med fordelene med sitt duoprop-system som bedre drivstofføkonomi, bedre prestasjoner og kjøreegenskaper, Mercruiser for å motbevise at dette systemet var noe bedre enn deres eget.
I dag har både Volvo Penta og Mercruiser systemet med to kontraroterende propeller på samme aksel. Volvo Pentas Duoprop, og Mercruisers TwinProp, og reklamekrigen er avblåst. Men hva var egentlig sannheten? Hvem hadde rett, og hvem tok feil? Svaret er "både/og". Duoprop eliminerer padleeffekten, og det er også målbare forskjeller i favør av duoprop når det gjelder prestasjoner på enkelte båter. På den annen side er systemet adskillig mer mekanisk komplisert enn et singel-propell system (og et mareritt å rydde opp i dersom du skulle få et tau i propellen). Den kanskje største ulempen ved systemet er man må ha et nøye tilpasset sett med propeller. Dette begrenser utvalget av propeller som gjør at du kan ende opp med et sett som er nesten-men-ikke-helt-riktig for din båt.

Dytter rumpa sidelengs:

Padle-effekt

Et hvert seilbåt- eller motorbåtblad har en eller annen gang henvist til det man kaller for "padle-effekt" eller "prop-walk" som det også heter på engelsk. Hvis du skulle ha unngått forklaringen på dette fenomenet, henviser det til det som alle har opplevd når de setter båten i gir og gir gass, eller kobler inn giret i akterover når båten beveger seg forover. Da virker propellen mer som en padleåre som skyver rumpa på båten sideveis. Nøyaktig hva som forårsaker dette fenomenet her ikke helt klarlagt. Men den vanlige oppfatningen er at det er den lille trykkforskjellen i vannet fra toppen av propellen til bunnen som gjør at propellvingen - når den er nederst i rotasjonen - jobber i vann med større tetthet enn når den er oppe, og dermed får større skyv nede. En mer sannsynlig teori er at skroget, kjølen og akselbraketten roter til vannstrømmen som treffer propellen.
Uansett forklaring, virker det som om effekten er størst på propellere med stor stigning og på båter med propellen montert tett inntil skroget eller like aktenfor kjølen eller akterspeilet.
Om padle-effekten er en fordel eller en ulempe, er individuelt. Noen hater virkningen, mens andre igjen, og da snakker vi ofte om yrkes-sjøfolk, setter stor pris på effekten fordi de utnytter den under finmanøvrering inn til kai eller inn i trange lommer.

Den tekniske biten:

Regnestykket

Propellspesialister bruker som regel datamaskin og spesielle programmer laget etter forsøk i testtanker til å beregne den ideelle propellen til båt og motor. Det er så mange variabler at selv ikke de treffer blink hver gang, men oddsene er selvfølgelig adskillig bedre enn for en amatør. Spesialistene vil ikke tjene noe på å anbefale deg en feil propell til din båt, så det er vel verdt å lytte til rådene.
Men som en liten pekepinn, kan vi gi deg noen regnestykker som kan si deg omtrent hvilken propellstørrelse du skal jakte på.

Diameter er viktigst

1.Ta den oppgitte effekten på motoren din i hk og multipliser med 0,3
2.Gjør et realistisk overslag over toppfarten til båten din og regn om til fot pr. sekund (1 knop = 1,69 fot pr. sekund)
3.Divider resultatet fra pkt. 1 med resultatet fra pkt. 2
4.Divider resultatet fra pkt. 3 med 3,14
5.Finn kvadratroten av resultatet av pkt. 4. Dette gir deg radius på propellen i fot
6.Multipliser resultatet fra pkt. 5 med 24 for å gjøre om til diameteren i tommer.

Eksempel:
En 42 fots Nelson med 350 hk. motor og en antatt toppfart på 21 knop:

1.350 hk x 0,3 = 105
2.21 x 1,69 = 35,5
3.105 / 35,5 = 2,96
4.2,96 / 3,14 = 0,94
5.0,94 = 0,97
6.0,97 x 24 = 24 tommer

Å beregne stigningen er ikke fullt så kritisk, men krever noe gjetting for å finne fram til passelig slipp som er tall mellom 10% og 60%, og noen båter er faktisk utenfor dette området også. Som en tommelfingerregel benytter vi 50% slipp på deplasementsbåter, 25% for halvplanere og 15% for planende båter.

7.Divider motorturtallet med reduksjonen i girboksen for å finne turtallet til propellakselen
8.Gjør en realistisk vurdering av topphastigheten og gjør om til fot pr. minutt (1 knop = 101,3 fot pr. minutt)
9.Divider resultatet fra pkt. 8 med resultatet fra pkt. 7 for å finne avstanden båten beveger seg gjennom vannet på en propellomdreining.
10.Trekk antatt prosent slipp fra 100
11.Divider 100 med svaret fra pkt. 10
12.Multipliser resultatet fra pkt. 9 med resultatet fra pkt. 11 for å finne propellstigningen i fot
13.Multipliser resultatet fra pkt. 12 med 12 for å regne om til tommer.

Eksempel:
Motoren til Nelson 42 har et toppturtall på 2800 omdreininger og har et gir med 2:1 reduksjon.

7.2800 / 2 = 1400
8.21 x 101,3 = 2127,3
9.2127 / 1400 = 1,52
10.100 25 = 75
11.100 / 75 = 1,33
12.1,52 x 1,33 = 2,02
13.2,02 x 12 = 24 tommer

For kuriositetens skyld: en propell som har samme stigning som diameter, blir noen ganger kalt for et "firkanthjul", spesielt i USA.