Zaprojektowane do żeglugi oceanicznej w trudnych warunkach: architektura, materiały i zarządzanie ekstremalnymi obciążeniami w samosterach wiatrowych South Atlantic

1. Brak tradycyjnej rurki zabezpieczającej

Brak tradycyjnej zewnętrznej rurki zabezpieczającej lub śruby ścinanej w samosterach wiatrowych South Atlantic wynika z fundamentalnej różnicy w architekturze mechanicznej oraz w sposobie, w jaki system został zaprojektowany do radzenia sobie z obciążeniami dynamicznymi.

Zamiast polegać na specjalnym elemencie poświęcalnym, South Atlantic stosuje inne rozwiązanie mechaniczne, łączące bezpośrednie przenoszenie napędu, geometrię komponentów, dobór materiałów i swobodę ruchu, aby radzić sobie z obciążeniami występującymi podczas żeglugi oceanicznej.

2. Dlaczego Monitor stosuje rurkę zabezpieczającą?

Monitor wykorzystuje zamknięty mechanizm przekładni stożkowej o stałym kącie i przełożeniu 2:1. Jego architektura mechaniczna ogranicza również zakres ruchu wahadła, uniemożliwiając mu tak swobodne poruszanie się, jak w systemach z wahadłem serwomechanizmu zaprojektowanych z szerszym, nieograniczonym łukiem ruchu.

Gdy wahadło osiąga granice swojego zakresu ruchu, może zetknąć się z otaczającą konstrukcją. W trudnych warunkach pogodowych gwałtowne ruchy rufy oraz nagłe zmiany obciążeń działających na wahadło mogą generować znaczne siły uderzeniowe. Siły te są przenoszone przez mechanizm i mogą powodować duże naprężenia elementów układu przeniesienia napędu, w tym przekładni stożkowej.

Aby chronić mechanizm przed takimi przeciążeniami, Monitor wykorzystuje zewnętrzny bezpiecznik mechaniczny, powszechnie określany jako rurka zabezpieczająca lub śruba ścinana. Element ten został specjalnie zaprojektowany jako poświęcalny punkt awarii — pęka pod wpływem nadmiernego obciążenia, zanim dojdzie do poważniejszych uszkodzeń układu przeniesienia napędu.

Rurka zabezpieczająca nie jest jedynie dodatkowym elementem bezpieczeństwa; stanowi integralną część strategii zarządzania przeciążeniami wynikającej z architektury mechanicznej systemu. Monitor dostarcza zapasowy bezpiecznik wraz z samosterem wiatrowym, przewidując jego wymianę w przypadku uszkodzenia w trakcie eksploatacji systemu.

Relacje użytkowników systemów Monitor oraz innych samosterów wiatrowych wykorzystujących elementy poświęcalne, takich jak Aries i Hydrovane, często wiążą takie awarie z wysokimi naprężeniami mechanicznymi, występującymi najczęściej podczas sztormowej pogody i w trudnych warunkach morskich.

W związku z tym, choć rurka zabezpieczająca pełni ważną funkcję ochronną, jej zadziałanie w warunkach ekstremalnych obciążeń może również prowadzić do czasowej utraty zdolności sterowania przez samoster wiatrowy, aż do momentu wymiany elementu.

3. South Atlantic inaczej zarządza przeciążeniami

Samostery wiatrowe South Atlantic wykorzystują inną architekturę mechaniczną i nie opierają się na niezależnej, poświęcalnej rurce zabezpieczającej.

To podejście wyróżnia kilka cech konstrukcyjnych:

• Bezpośrednie przenoszenie napędu przez przegub uniwersalny zamiast przekładni stożkowej: South Atlantic wykorzystuje mechaniczny układ przeniesienia napędu oparty na przegubie uniwersalnym i systemie popychacza, zamiast zamkniętego mechanizmu przekładni stożkowej. To prostsze rozwiązanie eliminuje specyficzne tryby awarii związane z zębami przekładni stożkowej. Ryzyko awarii przekładni stożkowej w systemach South Atlantic wynosi zero, po prostu dlatego, że South Atlantic nie stosuje takich przekładni. Cały układ przeniesienia napędu został zaprojektowany tak, aby przekazywać ruch bezpośrednio, bez umieszczonej w linii transmisji rurki poświęcalnej, której zadaniem byłoby pęknięcie.
• Łopata serwomechanizmu jako element elastyczny: Łopata serwomechanizmu pracuje w wodzie i stanowi integralną część mechanizmu sterującego. Polietylen o wysokiej wytrzymałości, stosowany w łopatach serwomechanizmu South Atlantic, zapewnia pewien stopień elastyczności, umożliwiając odkształcanie się łopaty pod wpływem obciążeń hydrodynamicznych. Ta elastyczność, wraz z geometrią łopaty i sposobem jej mocowania, jest częścią reakcji systemu na siły dynamiczne.
• Kontrolowane tarcie i ruch względny: Rozmieszczenie linek sterujących i elementów układu przeniesienia napędu pozwala na pewien zakres ruchu względnego w obrębie mechanizmu. W zależności od rodzaju i kierunku obciążenia ruch ten może wpływać na sposób przenoszenia sił przez system i pomagać w unikaniu niepotrzebnie gwałtownego obciążania poszczególnych komponentów.
• Szeroki zakres ruchu: Duży zakres ruchu dostępny dla niektórych komponentów pomaga ograniczyć prawdopodobieństwo gwałtownego kontaktu z mechanicznymi ogranicznikami podczas ekstremalnych ruchów. Ma to szczególne znaczenie, gdy rufa jest narażona na nagłe ruchy wywołane przez fale, kołysanie wzdłużne lub przechyły.

4. Czy samoster wiatrowy ze stali nierdzewnej jest mocniejszy niż aluminiowy?

Niekoniecznie. Z punktu widzenia materiałoznawstwa błędem byłoby twierdzenie, że aluminium jest zawsze mocniejsze od stali nierdzewnej. Niektóre gatunki stali nierdzewnej, takie jak 316, mają znacznie wyższą wytrzymałość na rozciąganie niż wiele powszechnie stosowanych stopów aluminium przeznaczonych do zastosowań morskich.

Jednak przy porównywaniu samosterów wiatrowych montowanych na rufie żaglówki sama wytrzymałość surowego materiału nie określa wytrzymałości ani osiągów gotowej konstrukcji.

Rzetelne porównanie musi uwzględniać kilka czynników:

• Wytrzymałość materiału
• Sztywność konstrukcyjną
• Masę
• Geometrię i wymiary przekroju
• Grubość ścianek
• Konstrukcję połączeń
• Odporność na zmęczenie materiału i obciążenia udarowe
• Sposób rozkładania sił w całym zespole

Właściwości konstrukcji zależą od sposobu wykorzystania materiału, a nie tylko od jego nominalnej wytrzymałości.

5. Wytrzymałość stali nierdzewnej to nie wszystko

Stal nierdzewna, taka jak gatunek 316, łączy dobre właściwości mechaniczne z doskonałą odpornością na korozję w wielu zastosowaniach morskich. Jej gęstość jest jednak około trzykrotnie większa niż gęstość aluminium.

Aby kontrolować masę konstrukcji ze stali nierdzewnej montowanej na rufie żaglówki, projektanci mogą być zmuszeni do stosowania rur i komponentów o stosunkowo cienkich ściankach.

Takie konstrukcje mogą zapewniać doskonałą wytrzymałość w przewidzianych warunkach eksploatacji. Jednak przy wielokrotnym poddawaniu ich obciążeniom dynamicznym, zginaniu i drganiom wywoływanym przez fale, geometria, grubość ścianek i układ podpór stają się równie ważne jak sama wytrzymałość materiału.

Bardzo sztywna konstrukcja może również skutecznie przenosić obciążenia udarowe na połączone z nią komponenty. W zależności od projektu może to wymagać dodatkowych rozwiązań chroniących określone elementy mechaniczne przed przeciążeniem.

Rurka zabezpieczająca Monitora jest przykładem rozwiązania inżynierskiego, w którym wyznaczony element poświęcalny służy do ochrony pozostałych części mechanizmu w określonych warunkach przeciążenia.

6. Zalety aluminium

Wysokiej jakości stopy aluminium morskiego stosowane w samosterach wiatrowych South Atlantic pozwalają projektować stosunkowo duże, grube i wytrzymałe przekroje konstrukcyjne bez nadmiernego zwiększania masy na rufie łodzi.

• Masa i geometria: Przy tej samej masie konstrukcyjnej aluminium umożliwia zastosowanie większych przekrojów i bardziej masywnych profili niż rozwiązania, które byłyby zazwyczaj praktyczne w przypadku stali nierdzewnej. Odpowiednio zaprojektowane większe przekroje mogą zapewniać doskonałą odporność na zginanie i skręcanie.
• Sztywność konstrukcyjna: Aluminium ma niższy moduł sprężystości niż stal nierdzewna, co oznacza, że przy takim samym naprężeniu i identycznej geometrii odkształca się bardziej. Jednak poprzez zwiększenie wymiarów i grubości przekroju odpowiednio zaprojektowana konstrukcja aluminiowa może osiągnąć sztywność wymaganą dla danego zastosowania. Należy zatem odróżnić sztywność gotowego elementu od wewnętrznej sztywności samego materiału.
• Odkształcenie sprężyste: Niższy moduł sprężystości aluminium umożliwia większe odkształcenie sprężyste przy określonym naprężeniu i równoważnej geometrii. Przy odpowiednim projekcie właściwość ta może wpływać korzystnie na reakcję konstrukcji na obciążenia dynamiczne. Rzeczywista odporność na uderzenia zależy jednak również od wytrzymałości i ciągliwości materiału, geometrii, połączeń oraz warunków obciążenia.
• Niska masa: Zmniejszenie masy konstrukcji zamontowanej na rufie to nie tylko kwestia wygody. Ogranicza również siły bezwładności związane z ruchem łodzi i zmniejsza dodatkową masę skupioną na jednym końcu jednostki. Ma to szczególne znaczenie podczas żeglugi oceanicznej, gdy kołysanie wzdłużne i nagłe ruchy rufy mogą generować znaczne obciążenia dynamiczne.
• Łożyska i kompatybilne materiały: Zastosowanie aluminium w połączeniu z POM (polioksymetylenem) i innymi materiałami przystosowanymi do środowiska morskiego pozwala budować układy podparcia i przeguby o niskim tarciu. Takie połączenia materiałów pozwalają również uniknąć bezpośredniego kontaktu ślizgowego między powierzchniami ze stali nierdzewnej w niektórych komponentach.

Celem nie jest jedynie wybór lekkiego materiału, lecz wykorzystanie jego właściwości mechanicznych do opracowania konstrukcji odpowiednio zwymiarowanej pod kątem przewidywanych obciążeń i środowiska pracy.

7. Wnioski