Sneller varen door meer spoed op de scheepsschroef?

Ik heb een stalen kottertje met een nieuwe scheepsmotor en een oude drieblad scheepsschroef. Mijn doel is zuiniger varen. Dat is hetzelfde als meer snelheid bij een lager toerental. Zonder daarvoor een andere keerkoppeling met een kleinere reductie en een andere schroef aan te schaffen. Is het mogelijk de bestaande schroef te pimpen?

Zit de juiste scheepsschroef onder mijn boot?

Wanneer ik de nieuwe situatie uitreken met de calculatie bootaandrijving , blijkt het benodigde vermogen op de schroef samen te hangen met de gewenste maximum snelheid. De theoretische rompsnelheid is 14,7 km/uur. Sneller kost exponentieel meer vermogen. Het maximum aantal toeren van de motor is 2500, als maximale continu belasting heb ik 2200 genomen. Voor het berekenen van de standaard schroefmaat neemt de calculatie daar 80% van met andere woorden bij 1760 toeren zou ik aan de rompsnelheid moeten kunnen komen.

De huidige schroef is een driebladsschroef met 23 inch diameter en 15 inch spoed. Dat betekent dat in theorie 1 omwenteling de boot 15 inch vooruit wordt geduwd. Dus 15 x 2,54 cm = 38,1 cm. Bij 1760 toeren per minuut en een keerkoppeling reductie van 2,147 betekent dat (1760/2,147) schroefas omwentelingen x 0,381 mtr x 60 minuten = 18,7 km/uur. Het verschil van 18,7 -14,7 = 4 km is de theoretisch voorziene slip.

Volgens de berekening bootaandrijving is die schroefmaat correct, zij het onder het kopje 1 maatje grotere diameter met iets minder spoed. De negen varianten in de simulatie module zijn bedoeld als gelijkwaardig.

Geen enkele boot gedraagt zich conform de berekende theorie. Met de vorige motor en dezelfde keerkoppeling/schroef haalden we 13 kilometer per uur bij ongeveer 1500 toeren.  Dat komt dicht in de buurt. De leverancier die wordt aanbevolen door de werf blijkt heel wantrouwend tegenover onze online berekening te staan. Twee dagen later volgt een mailtje dat de schroef correct is berekend, leuke bevestiging  van de formules. De enige kanttekening is dat ze het bladoppervlak willen nameten, want wellicht kunnen we sneller met dezelfde schroef.

Regels voordat je de scheepsschroef gaat pimpen

Effect van een grotere schroef

Wanneer je de diameter van de schroef zou vergroten verzet je meer water in een enkele omwenteling. Dat verhoogt het rendement, waarmee wordt bedoeld dat je minder diesel nodig hebt per afgelegde afstand. Een heel belangrijk voordeel is dat de slip vermindert naarmate de diameter toeneemt.

Maar een grotere diameter heeft ook nadelen, afgezien van het benodigde budget om je schroef te vervangen of in te ruilen. Door de grotere diameter neemt de weerstand van de schroef toe bij hogere snelheden. Je komt sneller op snelheid terwijl je topsnelheid omlaag gaat. Het risico op cavitatie (imploderende luchtbellen) en lucht aanzuigen wordt ook groter. Wanneer de motor moeite krijgt om de schroef rond te draaien, wordt die heter en dat kan ongezond uitpakken. Spelen met de diameter betekent al snel dat je de temperatuur van de uitlaatgassen moet gaan meten. Die mag niet boven de 400-450 graden Celsius uitkomen.

Er is een grens. Je moet tussen de romp en de schroef circa 20% van de diameter aan vrije ruimte laten. Bij mijn 23 inch diameter schroef is dat 20% x 23 inch x 2,54 cm = 11,7 cm. Bij de meeste motorboten vormt dit de beperkende factor.

Een inch kleinere diameter van de schroef kun je compenseren met 1,5 tot 2 inch meer spoed om het toerental onveranderd te houden.

Effect van meer schroefbladen

Van 3 naar 4 schroefbladen bij een gelijkblijvende diameter verhoogt de hoeveelheid water die wordt weggedrukt. Je vergroot de stuwdruk en daarmee de acceleratie. Het grotere aantal schroefbladen laat schroefwater rustiger stromen waardoor de kans op trillingen door cavitatie afneemt. Ook omdat de schroefas minder toeren hoeft te maken om dezelfde hoeveelheid water te verplaatsen.

Meer schroefbladen worden toegepast om de stuwdruk te vergroten, niet om de snelheid te verhogen. Dat is beter voor werkschepen en rustig varende waterverplaatsers. Bij semi-waterverplaatsers zie je ze ook, met een flinke spoed, gekoppeld aan grote motorvermogens. Sommige superjachten hebben zevenblads scheepsschroeven op maat. Speedboten gaan voor een driebladsschroef of een duo schroef (vierbladsschroef + drieblad op dezelfde naaf) omdat de weerstand van grote schroefbladen bij hoge toerentallen de topsnelheid verlaagd.

Vuistregels over de spoed van een schroef

De vuistregels zijn kort door de bocht, maar daarom niet minder waardevol om ze te kennen.

  • Hoe lichter de boot, des te groter de pitch.
    Eenvoudigweg omdat lichte boten gemaakt zijn om te planeren waarvoor ze veel toeren moeten maken met een relatief kleine schroef en veel spoed.
  • Hoe zwaarder de boot, hoe groter de schroef, hoe kleiner de pitch.
    Want je moet tonnen vooruit drukken en kunt toch niet boven de rompsnelheid uitkomen.
  • Semi-waterverplaatsers/semi-planerende schepen hebben exotische schroeven
    Die moeten met grote motorvermogens extreem veel water verzetten. Dat betekent schroeven met vijf of zes bladen.

Er zijn ook vuistregels om het toerental in te schatten bij een andere spoed (uitgaande van een berekende schroef):

  • 1 inch extra diameter compenseer je met 2 inch minder spoed, en omgekeerd.
  • 2 inch meer spoed betekent circa 150 schroefas toeren minder.
    Vermenigvuldig dit met je keerkoppeling reductie en je ziet het effect op het motor toerental. Stel een reductie van 1:2 en de motor draait 300 toeren minder per minuut
  • Meer spoed betekent meer slip, minder spoed betekent minder slip.
    Dus een vergroting van de diameter met 1 inch kun je wellicht al compenseren met 1,5 inch minder spoed. Bij een verkleining van de diameter met 1 inch is het beter 2 tot 2,5 inch meer spoed te geven.

Effect van spoed aanpassen

Het aanpassen van de spoed (pitch) op een bestaande schroef is geen probleem. Zelfs vergrotingen en verkleiningen van de diameter zijn mogelijk, zoals van 11 inch naar 22 inch spoed. Ook kunnen bestaande schroeven tegelijkertijd worden geslepen, gebalanceerd, gerepareerd en verdikt. Een gerepareerde schroef is even sterk als een nieuwe.

Met de spoed bepaal je drie zaken: de topsnelheid van de boot, de laagste snelheid en het maximum toerental van de motor.

De topsnelheid ligt voor de hand. Als ik mijn spoed vergroot van 15 inch nu naar 17 inch, dan gaat die bij een lager toerental een hogere snelheid ontwikkelen. 17 inch x 2,54 cm/inch = 43,18 cm per omwenteling. Vergelijk dat met de 38,1 cm bij 15” spoed. Dan haal ik bij 1300 toeren al de rompsnelheid, in theorie natuurlijk, want er is ook nog zo iets als slip en stuwkracht. Een belangrijk nadeel is dat de slip toeneemt bij het vergroten van de spoed.

Bij een snel draaiende motor, bijvoorbeeld een buitenboordmotor die 4500-6000 toeren draait is het effect van meer pitch veel dramatischer.

Dit heeft consequenties, door de extra spoed zal de motor meer weerstand ontmoeten en het maximale toerental (bij vol vooruit) zal dalen. De motor zal warmer worden, misschien te heet. Dat is geen echt probleem, dan draai je het toerental een beetje terug.

Er is ook een vervelend bijeffect. Mijn Velvet keerkoppeling is niet voorzien van een deadslow stand. Met een deadslow stand kun je ongeacht het toerental van de motor met een heel langzaam draaiende schroef voor een sluis (bijna) stil liggen. Mijn nieuwe motor draait stationair 750 toeren. Om druk op het roer te houden is dat mijn minimale toerental, en dus ook mijn minimale snelheid. Mijn traagste snelheid zal door de extra spoed met 1 km per uur omhoog lopen. In Nederland geen probleem. In Frankrijk met om de paar kilometer een sluis is dat soms vervelend.

Waar begin je?

De start is een eenvoudige test met je bestaande configuratie. Bereken de rompsnelheid  en controleer met een GPS bij welk toerental je die haalt op stilstaand water.

Haal je de rompsnelheid niet, dan is de spoed van je schroef te klein. Ervan uitgaande dat je motorvermogen voldoende is. De schroefmaat controleren en het berekenen van de bootaandrijving  is een eerste stap om de oorzaak te achterhalen.

Kom je in de buurt van de rompsnelheid, noteer dan het aantal toeren dat de motor draait. Kijk ook naar de uitlaat, zie je zwarte rook? Zwarte rook betekent dat je motor het niet trekt, die ben je op dat moment aan het overbelasten.

Het werkelijke toerental bij de rompsnelheid is een interessant gegeven. Valt dat in het werkgebied van de motor? Het werkgebied ligt meestal 10% tot 25%  onder het maximum toerental en levert daar ook een beter koppel dan op maximum vermogen. De kans is groot dat je toerental te hoog is, omdat vroeger veel scheepsschroeven werden uitgerekend op vol vermogen.

Zonder zwarte rook bij een te hoog toerental is het pimpen van je schroef het proberen waard. De kans is groot dat bij 2 inch meer spoed je de rompsnelheid haalt met 300 motortoeren minder, afhankelijk van de reductie in je keerkoppeling.

Helemaal ideaal is het als je ook het exacte verbruik kunt meten op een behoorlijk traject, en dat na het pimpen van de schroef nog eens doet. Er zijn schippers die 15% tot 20% minder brandstof gingen verbruiken na het aanpassen van de spoed. Sneller én zuiniger.

De omgekeerde wereld: minder spoed en sneller varen

Wanneer je vol gas geeft en je ontdekt dat het toerental van de motor lager blijft dan het door de fabrikant opgegeven toerental – terwijl je ook niet aan je topsnelheid komt – dan is het probleem andersom.

Je motorblok ziet dan geen kans om zijn volle vermogen te leveren. Door de spoed te verkleinen zul je de acceleratie verbeteren. Tegelijkertijd ontmoet de motor minder weerstand. Die zal daardoor een hoger toerental kunnen leveren waardoor de kans groot is dat je topsnelheid toch omhoog gaat.

Dit soort situaties zie je vaker bij speedboten met een flinke buitenboordmotor die meer dan 4500 toeren nodig hebben om het maximum eruit te persen.

Dus is pimpen van de schroef de oplossing?

De diameter van de schroef en het aantal schroefbladen bepaalt de stuwdruk. Stuwdruk heb je nodig om gewicht en lengte door het water te duwen. De spoed van de schroef bepaalt de snelheid en daarmee het toerental van de motor. Ja, met de spoed valt te spelen. Dat is risicoloos als je de uitlaat in de gaten houdt en gas terugneemt wanneer je voelt dat je een beetje overdreven hebt. Misschien moet je twee keer langsgaan bij de schroevenspecialist.

In mijn geval heb ik nog een paar puntjes van aandacht.
Ik gebruik de motor ook voor het opladen van twee 24V accubanken waaraan een 240V omvormer hangt. Idee is om op de motor nog een 240V – 8 KVA dynamo te koppelen. Dat heet een PTO – Power Take Off – en die heeft een bepaald toerental nodig. Gebruikelijk is 1500 toeren. Als het normale toerental onder de 1500 uitkomt, dan levert de 24V-72A dynamo te weinig rendement, en zal een PTO-generator ook niet aan 8 KVA kunnen komen.

Het koelwater van de motor dient in de eerste plaats voor het verwarmen van de statische boiler en het water van de CV-radiatoren. Wanneer de motor warmer wordt tijdens het varen (door meer weerstand bij meer spoed) verwarmt de boiler beter en kan mijn echtgenote de boot warmer stoken (zij houdt van 25 graden aan boord).

Dit was een van de grootste argumenten om voor een Mitsubishi S4S te kiezen, omdat daar achteraf een turbo opgebouwd kan worden die 20 pk toevoegt. Een turbo voegt ook hitte toe, denk ik 😉

 

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *