Poruszanie się ludzi po wodzie na pniach, dłubankach, łodziach, tratwach i w końcu wiekszych pływających konstrukcjach wplecione jest ewolucyjny rozwój rodzaju ludzkiego tak samo jak jak wynalazek ognia, koła, oswajanie zwierząt itp.


Statki, których pędnikiem było koło łopatkowe okazały się na rzekach płytkich bardzo dobrym środkiem transportu. Napęd miał jednak pewne wady: bocznokołowce musiały być szersze o koła i ich osłony (czyli tambory) na dodatek łatwo je było uszkodzić przy manewrach. Tylnokołowce były pewnym rozwiązaniem tego problemu. Samo koło podlegało także innowacjom i tak na przykład pojawiły się koła z mimośrodowym regulatorem kąta ustawienia łopat tak aby wchodząc do wody ustawiały się zawsze prostopadle do jej lustra i zmieniały to ustawienie dopiero po wynurzeniu. Zwiększało to skuteczność pędnika i pozwalało rywalizować z coraz skuteczniej wchodzącą w użycie śrubą okrętową.

Pierwsze próby z napędem śrubowym oparto na wykorzystaniu działania śruby Archimedesa. Ten wielki grecki uczony i fizyk, żyjący około 287-212 p.n.e., dokładnie opisał jej działanie, bo za właściwych wynalazców uważa się starożytnych Egipcjan znad Nilu. Śruba Archimedesa ma wiele wspólnego ze świdrem do drewna. Duża spirala umieszczona w drewnianym cylindrze służyła do nawadniania pól uprawnych oraz wyciągania wody na wyższy poziom jak pompa. Do dziś podobne zastosowanie ma transporter ślimakowy w elewatorach zbożowych czy w najzwyklejszej maszynce do mięsa. Ze swoim "kołem śrubowym" eksperymentował Bernoullis w roku 1753. Alexis-Jean-Pierre Paucton w roku 1768 opatentował pompę wodną opartą na działaniu śruby Archimedesa. W roku 1770 James Watt wymyślił "ster spiralny" jednak dalsze prace konstruktorów oparły się właśnie na śrubie Archimedesa. Kto więc wynalazł śrubę okrętową?

Za głównego z nich uważa się urodzonego w Czechach, późniejszego inżyniera - leśnika w Cesarstwie Austrii Josefa Ludwiga Ressela. Już w 1812 zaproponował bardzo trafne rozwiązanie pędnika śrubowego, który w roku 1817 zbudował i testował na łodzi z ręcznym napędem. Ressel opatentował swój wynalazek w roku 1827 pod nazwą "Śruba bez końca do napędu statków" i wypróbował pędnik w prototypowym statku "Civetta" na wodach portu Triest w październiku 1829r. Pomimo pełnego sukcesu tego rozwiązania - nie podjęto dalszych prób zastosowania wynalazku, a sam Ressel z powodu biedy zmuszony był sprzedać swój patent we Francji i nie miał już prawa do tytułu wynalazcy "parowego statku z napędem śrubowym", choć za takiego uważa się go po latach.

Kolejnym z wynalazców jest Louis Sauvage (1786-1857), francuski wynalazca i konstruktor okrętów, który w roku 1832 opatentował śrubę okrętową napędzaną przekładnią korbowo-łańcuchową. Najlepsze wyniki osiągnął jednak w roku 1836 (i to dość przypadkowo) angielski farmer Francis Pettit Smith. Zbudowany przez niego statek z wielką, drewnianą śrubą poruszał się dość wolno i był trudny w manewrowaniu. Podczas próbnego rejsu część śruby odłamała się i wówczas okazało się, że z mniejszą śrubą statek płynie szybciej. Wykorzystując ten przypadek Smith zbudował dwa lata później statek "Archimedes", nawiązując w ten sposób do pierwowzoru śruby.

Niemal równolegle (1836-37) w Szwecji opatentowano napęd śrubowy, którego autorem był inżynier John Ericsson. Statek "Novlty" wyposażony w opatentowany przez Ericsona pędnik był pierwszym śrubowym statkiem handlowym w regularnej służbie. Wspomniany zaś wcześniej Smith zbudował w 1841 pierwszy śrubowy okręt wojenny "Rattler". Zasłynął on ze spektakularnego pojedynku z bocznokołowcem "Alecto", który przedstawia poniższa rycina.

Admiralicja brytyjska postanowiła rozstrzygnąć raz na zawsze wszelkie wątpliwości dotyczące obu pędników i zorganizowała w dniu 3 kwietnia 1845 roku swoiste zawody dwóch jednakowych tonażem i mocą maszyny parowej statków. Na próbę składały sie trzy rundy: dwie pierwsze były typowym wyścigiem, który wygrał "Rattler". Trzecia, dramatyczna runda polegała na złączeniu statków rufami za pomocą liny i bezpośredniej próbie sił. Pierwsze pięć minut należało do "Alecto". Po upływie tego czasu maszyna śrubowca uzyskała pełną moc i "Rattler" zahamował ruch bocznokołowca, a następnie odpłynął w przeciwnym kierunku, ciągnąc go za sobą z szybkością 2,8 węzła. Zgromadzone na brzegu tłumy gapiów w zachwycie oglądały, jak daremnie koła bocznokołowca biły wodę próbując stawiać opór. Porażka koła łopatkowego w starciu ze śrubą była całkowita. Ten eksperyment przekonał admiralicję, że jedynym słusznym kierunkiem rozwoju floty jest budowa śrubowców. Udane próby ze śrubą okrętową wykorzystał Isambard Brunel. Zbudował on w 1845 roku statek "Great Britain" o całkowicie stalowej konstrukcji, napędzany silnikiem parowym i śrubą okrętową. "Great Britain" pokonywał Atlantyk na trasie z Europy do USA w 14 dni i 21 godzin, zabierając 360 pasażerów i 600 ton ładunku . Taki wynik potwierdzał wyższość śruby okrętowej nad kołem łopatkowym i spowodował jej dalszy rozwój jako dominującego na statkach po dziś dzień pędnika.

Śruba okrętowa - jak każdy pędnik - podlegała technologicznej ewolucji. Eksperymentowano m.in. z liczbą piór, ich powierzchnią i geometrią oraz kątem natarcia. Opracowano śruby nastawne ze zmiennym skokiem piór i umożliwiające bez zmiany kierunku obrotów silnika i wału zmianę kierunku siły napędowej oraz śruby zamocowane w obrotowych gondolach (pędnik Schotella) spełniających jednocześnie rolę steru kierunkowego.

Pędniki Schottela wywodzą się w prostej linii ze znanych wszystkim doczepnych silników zaburtowych. W takie pędniki - zbliżone nawet wyglądem do doczepnych lecz znacznie większych - wyposażano sporo dawnych barek beznapędowych (holowanych) w latach 50-60 ubiegłego wieku i można je było spotkać jeszcze w latach 70-80 na szlakach śródlądowych Europy. Początkowo miały jedną śrubę, ale pionowy wał przekładni umożliwiał jej obrót o 360 stopni umożliwiając zarówno sterowanie jak i pracę wstecz. Dodam że pędnik taki zamontowany w specjalnym kanale na dziobie statku spełnia dziś rolę dziobowego steru strumieniowego, ułatwiającego manewrowanie długimi statkami i zestawami pchanymi ale nie jest to napęd więc omówię go dokładniej w artykule poświęconym systemom sterowania statkiem i samym sterom.

Umieszczenie śruby napędowej w tzw. dyszy Korta zwiększyło jej napędową skuteczność zwłaszcza na wodach płytkich. Dysza ta ma formę pierścienia otaczającego śrubę. W przekroju jej ścianki przypominają profil lotniczy, a wlot jest nieco większej średnicy niż wylot. Śruba pracująca w tak uformowanym odcinku rury działa podobnie jak wysokowydajna pompa, co zwiększało jej sprawność.

Dysza zwiększała uciąg na palu nawet o 50%, ale zysk na sprawności śruby maleje wraz z prędkością i spada do zera przy prędkości ok 20 km/h. Dlatego największe zastosowanie znalazła na statkach poruszających się z niewielkimi prędkościami, od których wymagana jest duża siła uciągu (holowniki i pchacze). Jest powszechnie stosowana na wszystkich polskich statkach śródlądowych zbudowanych w XX wieku i ciągle pływających po naszych rzekach: np. na pchaczach Żubr, Tur, Bizon, Muflon oraz towarowcach serii BM-500. Dysza mocowana była niekiedy w sposób umożliwiający jej obrót w pewnym zakresie kątowym, co zwiększało możliwości manewrowe zwłaszcza na pchaczach.

Pewnym rozwinięciem zalet dyszy Korta i nawiązaniem do nieco zapomnianych planów Benjamina Franklina był napęd strugowodny zastosowany najpierw w tzw. holowniku Korta. Ideą takiego napędu było to, że śruba napędowa została całkowicie zmieniona w wydajną pompę zasysającą wodę z przodu lub boków statku, a wyrzucającą ją z tyłu. Statek poruszał się więc na zasadzie odrzutu i napęd ten jest nazywany często hydro-odrzutowym. Strumień wylotowy mógł być kierowany zastawkami co zastępowało płetwę sterową. Zastawki powodowały także możliwość wyrzucania strumienia wody tak, że dawały efekt ruchu wstecz.

Taki napęd okazał się niezwykle przydatny na statkach poruszających się po bardzo płytkich wodach, gdyż pędnik mógł znajdować się wewnątrz kadłuba powyżej lustra wody. Był (i jest - bo napęd taki jest nadal stosowany z powodzeniem na śródlądziu) jednak wrażliwy na zanieczyszczenia mechaniczne zasysane do kanałów wlotowych takie jak gałęzie i kamienie. Zastosowanie siatek i osłon na wlotach powoduje jednak znaczny spadek sprawności napędu.

Na Odrze często spotykaliśmy niewielki, strugowodny statek pasażerski "Zaria" produkcji byłego ZSRR pod banderą dawnej NRD. Poza niewielkim zanurzeniem jego zaletą była duża prędkość i stateczek kursował wzdłuż całej granicznej Odry od ujścia Nysy Łużyckiej do Szczecina.

Możliwość zwiększenia średnicy śruby a jednocześnie zmniejszenia zanurzenia statku daje rufa tunelowa, którą zaczęto powszechnie stosować już na parowych śrubowcach rzecznych na Dunaju o potem także na Odrze.

Tak ukształtowana rufa umożliwia uzyskanie większego uciągu skutecznego. Część śruby napędowej pracuje ponad powierzchnią zewnętrznego lustra wody, co zbliża jej działanie do pędnika w napędzie strugowodnym. W połączeniu z dyszą Korta śruba pracująca w tunelu okazała się najefektywniejszym pędnikiem statków śródlądowych zarówno jedno- jak wielośrubowych. Poniżej zdjęcie typowej, współczesnej rufy tunelowej dwuśrubowego statku śródlądowego.

Mamy tu typowy przykład zastosowania wymienionych rozwiązań umożliwiających osiągnięcie najwyższego zysku w uciągu skutecznym - dyszę Korta i specjalne wyprofilowanie rufy w kształt tunelu, co widać wyraźnie po skosie górnej części płetwy sterowej.

Trzeba tu wspomnieć o poszukiwaniu alternatywnych do koła łopatkowego i śruby rodzajów napędu, które zastosowano na Łabie, a które były rozwinięciem idei nawijania na bęben liny lub łańcucha ułożonego na dnie rzeki. Pojawiły się tam wówczas holowniki, których pędnikiem był zespół kół łańcuchowych poruszanych silnikiem parowym.


Koła te nawijając wciągany od dziobu łańcuch nadawały holownikom ruch i oddawały go za rufę. Kadłub statku był specjalnie uformowany. Rozwiązania te stosowano także na innych rzekach - między innymi we Francji. Poniżej zdjęcie holownika łańcuchowego "Borussia" na Brdzie


Kolejnym okresem rozwoju napędów na statkach rzecznych była zmiana rodzaju paliwa wykorzystywanego do ogrzewania kotłów wytwarzających parę. Węgiel i drewno zastąpiono mazutem. Potem nastąpiła już zmiana rodzaju silnika napędowego. Po stuletnim okresie królowania pary pojawiły się silniki spalinowe a wraz z nimi znaczny wzrost mocy użytecznej. Zmniejszyło się też niebezpieczeństwo związane z eksploatacją wysokociśnieniowych kotłów parowych. Mało znany jest fakt, że w wyniku wybuchu kotła na jednym z parowców rzecznych w USA doszło do katastrofy, w której śmierć poniosło więcej ludzi niż w zagładzie "Titanica", pomimo że zbawczy ląd był tak blisko: news.php?readmore=1150

Silniki spalinowe wymagają wprawdzie także niebezpiecznych zbiorników na paliwo ciekłe, ale dotyczyło to jedynie benzyny. Olej napędowy nie jest tak niebezpieczny a ponadto zbiorniki budowano w sposób wykluczający w dużej mierze wytwarzanie się oparów i wzrostu ciśnienia. Silniki wysokoprężne z zapłonem samoczynnym - czyli silniki diesla - okazały się na statkach wydajnym i ekonomicznym środkiem wytwarzania siły napędowej i zdominowały siłownie statków rzecznych po dziś dzień. Eksperymentowano wprawdzie z tzw. przekładnią elektryczną czyli rodzajem napędu stosowanym w lokomotywach spalinowych. Jest to po prostu generator prądu składający się z prądnicy i napędzającego ją silnika spalinowego. Wytworzony prąd napędza zaś silniki elektryczne poruszające zastosowane pędniki. Choć opisana metoda nie rozpowszechniła na statkach konwencjonalnie napędzanych śrubą okrętową - opisany niżej pędnik poruszany jest właśnie w taki sposób.

Rewolucyjnym rozwiązaniem napędu statków było opracowanie pędnika Voith-Schneidera, nazywanego też pędnikiem cykloidalnym. Na pomysł tego niezwykłego układu napędowego wpadł w roku 1926 austriacki inżynier Ernst Schneider. Projektując turbinę wodną o nastawnych łopatkach doszedł do wniosku, że może ona służyć jako pędnik jednostki pływającej. W dwa lata później zbudowano holownik z tym prototypowym napędem umieszczonym pod dnem statku. Holownik nie posiadał steru, a mimo to mógł się poruszać się do przodu, do tyłu, na boki, a nawet obracać się wokół własnej osi dzięki odpowiedniemu sterowaniu kątem wychylenia łopatek pędnika VS. Po wielu latach pracy nad tą konstrukcją, została ona zaakceptowana przez cały świat i do dziś wyprodukowano ok. 5 tysięcy pędników Voith-Schneider. Znalazły zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka sprawność i precyzja manewrowa: na holownikach portowych, statkach ratowniczych, dźwigach pływających, promach i statkach specjalnych.

Pędnik ten składa się z obrotowej tarczy, na której zamocowane są pionowe łopaty o przekroju zbliżonym do tzw. profilu lotniczego. Odpowiednie ustawienie kąta tych łopat powoduje powstawanie siły napędowej. Zasadę działania tego pędnika można porównać do znanego nam wszystkim sposobu wiosłowania jednym wiosłem "na śrubkę". Pióro wiosła wykonuje wówczas ruchy oscylacyjne poprzecznie do kierunku ruchu łodzi wytwarzając naprzemiennie na swoich płaszczyznach siłę napędową poruszającą łódź. Tak samo powstaje siła napędowa na łopatkach pędnika VS. Rysunek poniżej wyjaśnia to zjawisko rozwijając położenia pojedynczego pióra w kierunku ruchu statku.

Ponieważ pędnik umieszczony jest pod dnem statku - nie nadaje się do zastosowania na bardzo płytkich wodach śródlądowych. Pominąwszy już zwiększenie całkowitego zanurzenia statku - pędnik narażony byłby na uszkodzenia, a jakakolwiek osłona z siatki czy kraty zmniejsza radykalnie skuteczność napędu. Znalazł natomiast zastosowanie w portach rzeczno-morskich, na Renie i Dunaju oraz na jeziorach o dostatecznych głębokościach.

Jak barwnie opisał zdjęcie obok Mirek Rajski - to cudo tnie wody Jeziora Bodeńskiego na promie pasażersko-samochodowym "Tabor", który kursuje między Meersburgiem i Kanstanz (Konstancją). "Tabor" ma dwa takie pędniki, jeden na dziobie drugi na rufie. Chociaż nie bardzo wiadomo gdzie rufa gdzie dziób, bo jest promem symetrycznym. Wszystkie (prawie) statki na Jeziorze Bodeńskim wyposażone są w pędniki Voith'a Schneidera. Zapewnia im to doskonałą manewrowość. W ciasnych portach obracają się w miejscu! Odpada prowadzenie wału śrubowego, odpada koło sterowe i ster. Przesterowanie z cołej naprzód na całą wstecz, trwa w przypadku "Tabora" zaledwie 6 sekund. Nie trzeba przemieszczać wielkich mas, a zmienić tylko kąt łopatek. Statkiem manewruje się za pomocą joysticka!



Podsumowując rozważania o pędnikach i silnikach na rzekach i drogach śródlądowych muszę dodać, że skupiłem się wyłącznie na tych rozwiązaniach, które zastosowano w sposób powszechny w transporcie ludzi i towarów. Nie omawiałem więc napędów stosowanych w łodziach wąskiego wyczynu (silniki odrzutowe) czy poduszkowców napędzanych turbiną powietrzną.