Sjómannadagsblað Vestmannaeyja 1998/ Skipsskrúfan
Skipsskrúfan
Menn hafa lengi notað skip og báta til að komast leiðar sinnar á sjó eða vatni. Sá búnaður, sem drifið hefur farartækin, hefur verið margvíslegur og er það sjálfsagt enn.
Sá drifbúnaður skipa, sem við þekkjum best, er skipsskrúfan. Hún var uppgötvuð í byrjun síðustu aldar, jafnvel fyrr, því að fyrstu hugmyndir, sem vitað er um, um skrúfu komu fram hjá frakkanum Bernoulli árið 1752 og franska vísindaráðið verðlaunaði hann fyrir. Skrúfa hans líktist einna helst spöðum í þrýstihreyfli. Svipaða skrúfu kom Bretinn Bramah með árið 1785 en árið 1804 tókst J.C. Stevens í New York að knýja lítinn bát upp í 8 sjómílna hraða með tveimur fjögurra blaða
skrúfum. Þessi uppfinning mætti ekki skilningi því að vélaraflið var til vandræða.
Segja má að uppfinning skrúfunnar hafi verið tilviljunum háð eins og oft er með merkilegar uppgötvanir mannsins. Þó höfðu margir, óháðir hver öðrum, reynt fyrir sér með ýmsar gerðir spaða sem festir voru á hringgjörð eða snúningsöxul og áttu að kljúfa sig áfram í vatninu. Þessar aðferðir gengu ekki, aðallega vegna þess að útfærslan á þeim var ekki í samræmi við það afl og þann þrýsting sem snúningurinn gaf af sér. Spaðarnir skemmdust eða brotnuðu í sundur.
Sú mynd, sem skipsskrúfan hefur nú, kom fyrst fram árið 1827 þegar austurrískur skógarvörður, Jósef Ressel að nafni, kynnti hugmyndir sínar. Um var að ræða eins konar snigil sem hafði eina og hálfa vindun. Tilraunir með þessa skrúfu voru gerðar það ár á gufuskipinu Civetta í höfninni í Triest. Ekki skiluðu þær tilætluðum árangri því að gufurör í vélinni á skipinu gaf sig og var því hætt við frekari tilraunir. Uppfinningarmaðurinn, skipið og skrúfan hans voru þó þeim til heiðurs prentuð aftan á 500 schillinga peningaseðilinn í Austrríki hér áður fyrr!
Árið 1836 hannaði Englendingurinn Smith svipaða skrúfu og Ressel, en hún var úr tré og með tvo vindinga. Þegar tilraunir voru gerðar með þessa skrúfu rakst báturinn á stein og brotnaði önnur vindingin af og við það skreið báturinn mun hraðar en áður. Við þetta breytti Smith skrúfunni þannig að hún hafði fleiri en styttri vindingar. Árið eftir reyndi breski flotinn þessa skrúfugerð og tókst það vel og var útbreiðsla þessarar gerðar af skrúfu því hröð innan flotans.
Sama ár og Smith var að fást við trésnigilinn sinn kom Svíinn Ericson með tvær spaðaskrúfur sem snerust gagnstætt hvor annarri. Þessar skrúfur líktust þó helst þeim sem Bernoulli og Bramah höfðu komið með hugmyndir um löngu áður. Árið eftir var fyrsta kaupskipið drifið með Ericson-skrúfu. Það var gufuskipið Novelty sem sigldi milli Manchester og London. Útfæslunni var síðan breytt þannig að aftari spaðahjólinu var sleppt. Ericson fluttist síðar til Bandaríkjanna og varð þar frægur á þessu sviði og átti góðu gengi að fagna.
Fyrsta skipið, sem sigldi milli landa með skrúfubúnað, var Great Britain sem fór frá London til New York árið 1845 og tók siglingin 14 daga og 11 stundir. Það skip var 98 metrar á lengd og með eitt þúsund hestafla vél.
Um 1880 er komin fram sú skipsskrúfa sem við þekkjum best í dag og hefur hún lítið breyst frá þeim tíma í lögun en virkni hennar og útfærsla hefur tekið miklum breytingum til hins betra.
Þegar menn voru í byrjun að velta fyrir sér skipsskrúfunni var vitað að við snúning hennar myndaðist mismunandi hraði á vatninu sem streymdi um hana og svo myndast þrýstingsmunur fyrir aftan og framan. Þetta var löngu þekkt fyrirbrigði úr eðlisfræðinni. Höfuðverkurinn var að gera búnaðinn nógu sterkan til þess að hann gæti staðist álagið.
Þegar skipsskrúfa snýst sker hún sig áfram í vatninu og ýtir því aftur fyrir sig á meiri hraða en það kom að henni. Þar við bætist þrýstingsmunur sem myndast sinnhvorum megin við skrúfuna og krafturinn sem þannig myndast ýtir skipinu úr stað.
Eitt mikilvægasta hjálpartækið við rannsóknir á skrúfum og hegðun þeirra krafta, sem tengjast þeim, eru tilraunageymar þar sem líkön af skrúfum eru prófuð. Þar eru samanburðar- og líkindareikningar notaðir til að yfirfæra útreikninga frá líkaninu yfir á hina réttu skrúfu. Tilraunageymar voru snemma teknir í notkun við skrúfrannsóknir en þeir höfðu verið notaðir mikið við skipslíkön. Í mörg ár hafa niðurstöður rannsókna úr tilraunageymum verið notaðar til að teikna upp hjálparlínurit sem hafa auðveldað mjög flókna útreikninga á tæknilegum þáttum skrúfunnar. Einn stærsti tilraunageymirinn í dag er í Berlín þar sem skipsskrúfur eru prófaðar í hlutfallinu einum á móti einum, eða í sinni eigin stærð.
Eitt af vandamálum við skipsskrúfur er tæring. Við þrýstingsmun í vökva, þar sem skrúfa snýst, geta myndast loftbólur við enda skrúfublaðanna. Þessar lofbólur færa sig á þau svæði þar sem þrýstingur er hærri, eða til enda blaðanna, og springa þar en tæra jafnframt það svæði. Það sem áhrif hefur á þrýstingsmuninn eru mismunandi flæðihorn að skrúfunni, spenna, gerð skrúfublaðs, hlutfall milli þykktar skrúfublaðs og ummál þess. Því stærra sem hlutfallið er milli þykktar skrúfublaðs og skrúfublaðsummáls, því minni líkur eru á þrýstingsmismun. Þess vegna þarf að taka tillit til þessara þátta við hönnun skrúfublaðanna. Burðarþolslega þarf skrúfublaðið að hafa lágmarks þykkt. Þess vegna er reynt að gera ummál skrúfublaðanna sem mest, en þó ekki það mikið að virkni skrúfunnar minnki.
Áður fyrr voru skip búin fastri skrúfu, það er að skrúfublöðin voru steypt á skrúfuhausinn í sínum formum. Skrúfan snerist annan hringinn til þess að knýja skipið áfram og síðan hinn hringinn til þess að knýja skipið aftur á bak. Skrúfuhraðinn var aukinn eða minnkaður eftir því hver hraði skipsins skyldi vera. Með tilkomun skiptiskrúfunnar var hægt að snúna skrúfublöðunum á skrúfuhausnum. Þetta gerir það að verkum að skrúfan getur snúist í eina átt og það á föstum hraða. Stigningu skrúfublaðanna er því breytt og hægt er því að breyta hraða skipsins að vild þótt snúningshraði sé stöðugur. Þetta gerir það að verkum að snúningur á aðalvél getur einnig verðið fastur og þannig er hægt að tenga ásrafal við aðalvél og framleiða rafmagn beint af henni.
Til þess að auka kraft og þrýsting frá skrúfunni hafa verið settir utan um hana skrúfuhringir.
Skrúfuhringjum er sérstaklega komið fyrir þar sem mikið álag er á skrúfunni eins og á dráttarbátum og fiskveiðiskipum við togveiðar því að skrúfuhringurinn eykur togátak skipsins. Virkni skrúfuhringsins byggist aðallega á því að stærri opnun hringsins, sem snýr þá að skipinu, dregur meiri vökva eða sjó að skrúfunni og við það fær aðstreymið meiri hröðun og straumurinn verður stöðugri. Þannig getur togskip með skrúfuhring náð þriðjungi meiri togkrafti en skip án hringsins. Einnig hefur skrúfuhringurinn náð útbreiðslu meðal stærri skipa, sérstaklega olíuskipa, sem sigla langar leiðir á jöfnum hraða.
Ef þvermál skrúfunnar þarf af einhvejum ástæðum að vera minna en æskilegt er, t.d. vegna lítillar djúpristu, og álag á skrúfuna er of mikið og virkni hennar of lítið og líkur á tæringu miklar, þá eru fleiri en ein skrúfa sett á skipin. Slíkt er algengt meðal vatnabáta, farþegaskipa, ferja og gámaskipa sem hafa mjög stórar vélar. Yfirleitt er ekki meira afl en fimmtíuþúsund hestöfl sett á hverja skrúfu.
Höfundur er skipaverkfrœðingur hjá Siglingastofnun.