Ewolucja współczesnego napędu okrętowego

Sławomir J. Lipiecki

Powstanie napędów mechanicznych na okrętach stanowi jeden z najważniejszych przełomów w historii techniki morskiej, będąc zarazem symbolem przejścia do epoki przemysłowej. Proces ten nie dokonał się nagle, lecz był wynikiem wielowiekowych poszukiwań, eksperymentów oraz rosnących potrzeb gospodarczych i militarnych, które stopniowo ujawniały ograniczenia żeglugi opartej wyłącznie na sile wiatru i/lub mięśni ludzkich. Obecnie napęd okrętowy to nie tylko wprawienie w mechaniczny ruch, ale coraz bardziej mobilna elektrownia, zasilająca głównie różnego rodzaju systemy radioelektroniczne. Mnogość tych współczesnych rozwiązań przedstawia poniższy artykuł.

Wprowadzenie

Rozwój klasycznych napędów turboparowych oraz równoległy postęp w dziedzinie silników wysokoprężnych i turbin gazowych doprowadziły po II wojnie światowej do sytuacji, w której konstruktorzy okrętowi stanęli przed zupełnie nowym problemem. Dotychczasowy rozwój siłowni okrętowych koncentrował się głównie na zwiększaniu osiągów – przede wszystkim prędkości maksymalnej i zasięgu operacyjnego. W okresie powojennym coraz większego znaczenia zaczęły jednak nabierać również takie czynniki, jak redukcja sygnatur akustycznych i termicznych, uproszczenie obsługi, zwiększenie odporności bojowej oraz optymalizacja ekonomiki eksploatacji. Okręt przestawał być wyłącznie platformą uzbrojenia, a stawał się coraz bardziej złożonym systemem energetycznym, w którym napęd musiał współpracować z rozbudowaną radioelektroniką, systemami sterowania i urządzeniami pomocniczymi. W rezultacie druga połowa XX wieku przyniosła prawdziwą eksplozję nowych koncepcji napędowych. Powstały układy kombinowane, łączące zalety różnych typów siłowni – silników wysokoprężnych, turbin gazowych oraz napędów elektrycznych.

W praktyce oznaczało to odejście od jednego dominującego rodzaju napędu na rzecz systemów modułowych, dostosowanych do konkretnych profili misji i charakterystyki danego okrętu. Szczególne znaczenie zaczęły odgrywać tutaj doświadczenia zimnej wojny. Rosnące możliwości okrętów podwodnych oraz rozwój systemów hydrolokacyjnych wymusiły zwrócenie znacznie większej uwagi na kwestie akustyczne. Jednocześnie gwałtowny rozwój elektroniki oraz radarów dalekiego zasięgu zwiększał zapotrzebowanie okrętów na energię elektryczną. Klasyczne siłownie parowe pozostawały bardzo wydajne w generowaniu dużych mocy mechanicznych, jednak ich elastyczność i możliwości dalszego rozwoju zaczynały stopniowo wyczerpywać swój potencjał.

W tym kontekście ruch jednostki nie jest skutkiem biernego wpływu wody, lecz wynikiem aktywnego oddziaływania okrętu lub statku na ciecz. Kluczowym elementem jest przy tym zasada działania pędnika, opisana przez trzecią zasadę dynamiki Newtona. Śruba lub inny pędnik (np. strugowodny) odrzuca masy wody w kierunku przeciwnym do zamierzonego ruchu jednostki, generując siłę napędową (ściślej: ciąg). Jednostka „idzie” więc naprzód dzięki ciągowi wytwarzanemu przez przyspieszenie strumienia wody w kierunku rufy, co generuje siłę reakcji działającą na kadłub. Co więcej, wraz z rozwojem techniki okrętowej układ napędowy stawał się coraz bardziej złożony. Oprócz samego napędu pojawiły się systemy sterowania, stabilizacji, przekładni, a także zaawansowane rozwiązania hydromechaniczne wpływające na charakter ruchu jednostki. Okręt przestał być obiektem jedynie „unoszącym się” na wodzie, a stał się dynamicznym systemem inżynieryjnym, w którym hydrodynamika stanowi tylko jeden z wielu współdziałających elementów. Stąd w języku technicznym (i marynarskim) przyjęto określenie „okręt idzie”, które lepiej oddaje istotę tego procesu. Czasownik „iść” implikuje działanie celowe, napędzane i kontrolowane – zgodne z rzeczywistą pracą układów napędowych i mechanicznych. Okręt „idzie kursem”, ponieważ jego ruch wynika zarówno z decyzji nawigacyjnych, jak i z pracy maszyn, a nie z biernego poddania się siłom natury.

Istotne jest także uporządkowanie kwestii jednostek. Powszechne stosowanie w literaturze popularnej tradycyjnych koni mechanicznych (KM) w profesjonalnej inżynierii morskiej jest poważnym błędem merytorycznym. W dokumentacji technicznej i literaturze fachowej traktującej o teorii siłowni okrętowych używa się wyłącznie jednostek precyzyjnie definiujących miejsce oraz sposób pomiaru mocy. Dla przykładu, prawidłowa kwalifikacja parametrów mocy układu COGAG dla krążowników rakietowych typu Ticonderoga wyrażana jest w mocy konia na wale shp (shaft horsepower), która w tym przypadku wynosi dokładnie 80 000 shp (po 40 000 shp na każdy z dwóch wałów przy pełnej mocy nominalnej). Jest to moc mierzona na wale napędowym tuż przed pędnikiem (śrubą), uwzględniająca straty mechaniczne na przekładniach redukcyjnych. Według obowiązującego układu SI (jednostka mocy=MW, czyli megawaty) odpowiada to wartości ok. 60 MW mocy użytecznej dostarczanej do pędników. Z kolei każda z czterech turbin General Electric LM2500 ma tzw. moc znamionową na poziomie ok. 21 500 bhp (braking horsepower - moc hamowni), co po stratach na przekładniach zbiorczych daje końcowe parametry shp, przeliczane następnie na kW/MW. Dla pełnego kontekstu metodologii, wartość ihp (indicated horsepower) to z kolei moc indykowana, mierzona wewnątrz cylindrów tłokowych silników parowych lub wysokoprężnych (nie dotyczy turbin gazowych), a ehp (effective horsepower) to moc efektywna, czyli siła potrzebna do pokonania oporu kadłuba przy danej prędkości (zawsze niższa niż shp z powodu sprawności pędnika).

Napędy wysokoprężne i układ CODAD

Powojenny rozwój silników wysokoprężnych doprowadził do sytuacji, w której stały się one jednym z najważniejszych elementów współczesnego budownictwa okrętowego. O ile przed II wojną światową stosowano je głównie na mniejszych jednostkach oraz okrętach podwodnych, o tyle po 1945 roku zaczęły coraz śmielej wchodzić również na pokłady fregat, niszczycieli eskortowych oraz dużych okrętów pomocniczych. Szczególne znaczenie miały tutaj ich relatywnie niewielkie zużycie paliwa, prostota konstrukcji oraz wysoka trwałość eksploatacyjna. Najprostszą formą wykorzystania silników wysokoprężnych stał się popularny układ CODAD (Combined Diesel And Diesel). W praktyce oznacza on zastosowanie dwóch lub większej liczby silników wysokoprężnych współpracujących poprzez wspólną przekładnię redukcyjną z jedną lub kilkoma liniami wałów. Rozwiązanie to jest konstrukcyjnie relatywnie proste, a przy tym zapewnia dużą elastyczność pracy – okręt może poruszać się przy wykorzystaniu jedynie części silników podczas marszu ekonomicznego lub uruchamiać wszystkie jednostki napędowe podczas osiągania większych prędkości.

Pełna wersja artykułu w magazynie NTW 4-5/2026