SRY
MODELL
A LAPÁTKEREKES
GŐZHAJÓKRÓL
(tanulmány)
A gőzgépek erejének megjelenése függetlenítette a hajózást az időjárás szeszélyességétől, a szélcsendes napok veszteglésétől, és az emberi erő meghajtásban való felhasználásától. Így nem kevés szerencsétlen áldhatta Watt és Fulton nevét, még akkor is ha sohasem tudták ki is volt ez a két ember. Megjelentek a dohogó, füstölgő, olajos gépek a fedélzeten. Elfoglalták az árúnak szánt értékes raktereket, a füst összekoszolta a hajókat, kormosak lettek a vitorlák és kátrányosan nyúlós ragacs telepedett a kötelekre. A gépek megjelenésével végleg elveszett a hajók csendes nyugalma, és a fedélzetmesterek nem kis bosszúságára a tisztasága is. Ezen hátrányok ellenére a gőzgép lassan mégis felülkerekedett a vitorlán.
A gőzgép erejét többféleképpen lehet hajó meghajtásához felhasználni. A színes, olykor megmosolyogtató megoldások közül végül csak a lapátkerék (lapátos-kerék) és a hajócsavar bizonyult használhatónak. A technika fejlődése, a gazdaságossági szempontok, valamint az erőgépek fejlődése kiszorította a lapátkereket a használatból és a hajócsavart tette egyeduralkodóvá.
A lapátos-kerék jó ideig használatban maradt a folyamokon, igaz rosszabb hatásfokú propulziót ad mint a hajócsavar, és lényegesen érzékenyebb is a mechanikai behatásokra, viszont a lapátos-kerékkel szerelt hajó kisebb merülésű, ami a folyami üzemben különösen fontos szempont.
A hajómodellekbe építhető kazánok és gőzgépek mérete erősen korlátozott, és ezzel a rendelkezésre álló teljesítmény is aránylag kicsi. Ez indokolná, hogy a legjobb hatásfokú propulziót használjuk fel a meghajtásra. Jelenlegi ismereteink szerint ez a hajócsavar lenne. Mi indokolja mégis, hogy a lapátos-kerekes propulziót válasszuk?
Az előbb már utaltam rá, hogy ennek nem műszaki oka van, hiszen a hajtás hatásfoka rossz, és a lapátos kerekek is eléggé bonyolult szerkezetek, amik ráadásul sérülékenyek is. A géphajózás történetében nagyon fontos szerepet játszottak a lapátos-kerékkel szerelt hajók. A magyar géphajózás történetének kezdetét is ezek a szerkezetek jelentették. Az első magyar gőzhajó címmel büszkélkedhető CAROLINA, a Duna második hajója a FRANZ I., mellyel megindult a gőzerő napi, gyakorlati alkalmazása, és a Balaton első géphajója a KISFALUDY is lapátos kerékkel járta a vizet.
A CAROLINA múzeumi modellje (1)
A későbbiekben is jelentős szerepet játszott a magyar hajózásban a lapátkerék. A Dunán egészen az 1970-es évekig alkalmazásban maradtak ilyen hajók. A lapátos-kerekes hajók hosszú történetében igen sok különféle hajó született. Az egészen egyszerű vontatóktól (tulajdonképpen a CAROLINA is vontató volt), a napi monoton szolgálatot teljesítő átkelőhajókon (SAS, HATTYÚ) keresztül, a fényűzően díszített un. termesgőzösökig, mint pl. az 1000 utas szállítására épült ERZSÉBET KIRÁLYNÉ. Aki fogalmat akar alkotni a nagy lapátkerekes hajókról, Budapesten a Lánchíd mellett megtekintheti a Közlekedési Múzeum kezelésében lévő KOSSUHT múzeumhajót.
A KOSSUTH múzeumhajó (2)
A modellező rengeteg különféle főkivitel közül választhat megépítendő modelljének alapjául. Egyedi tervezésű hajómodellek tervezéséhez is sok ötletet kaphatunk, különféle megoldásokat leshetünk el a régi idők lapátos-kerekes hajóinak tanulmányozásával.
Mi is az a lapátos kerék?
A lapátos-kerék működése igen egyszerű. Gyakorlatilag az evező működési elvét használjuk fel. A folyadékban, hajók esetén természetesen vízben, mozgó tárgyakra erő hat. A közegellenállás, súrlódás és egyéb tényezők összessége fékezi a folyadékban haladó test mozgását. Ez a jelenség a hajótestek esetében hátrányos, de ha nem így lenne, nem működne az evező sem. Hiszen ezek az erők okozzák, hogy az evező „fog” a vízben, és az erőhatások mozgásban tartják a hajót, csónakot. Az evezők mozgását megfigyelve megállapítható, hogy többé-kevésbé, de minden esetben egy fekvő ellipszis vonalát követi az evező tolla. Az elliptikus mozgást igen nehéz kivitelezni, de az ehhez jól közelítő körmozgást sokkal könnyebb megvalósítani. Innen már csak egy lépés az egyes lapátok forgó tengelyre szerelése. Akár így is születhetett a lapátos-kerék ötlete. A nagy feltaláló Leonardo da Vinci (1452-1519) oly sok más elképzelése mellett felvetett egy lapátkerekes hajószerkezetet is, de erőgép hiányában nem tudta kivitelezni ötletét.
Leonardo da Vinci hajószerkezete (3)
Természetesen az sem kizárható, hogy a már több mint 1000 éve ismert vízkerék (malomkerék) működésében látta meg valaki a lehetőséget, hogy meg lehet fordítani a folyamatot. Nem csak a víz hajthatja meg a kereket, de a kerék a vizet is. Erre a megfigyelésre különösen jó alkalmat adhatott a világ folyamain szinte mindenhol feltűnő úszómalmok.
Megállapítható, hogy a lapátos kerék nem más, mint egy körgyűrűn egyenletesen elosztott lapátokból álló szerkezet. A gyűrűre rögzített lapátok egy tengelyen forognak, úgy, hogy a forgó mozgás során csak a körív egy részét teszik meg a vízben, a körív többi részét a levegőben haladva töltik.
A lapátos-kerekes propulzió szerkezeti kialakítása.
A lapátos kerekes propulzió tengelyrendszerének részi az alábbi ábrán láthatóak. A keréktengelyeket (1) a külső-(2) és belső karzatcsapágyba (3) fektetik. A keréktengelyt a hajó oldalszerkezetére szerelt tömszelencén (4) keresztül vezetik a géptérbe. Innen merev tengelykapcsolóval (5) csatlakoznak a közbenső tengelyekhez (6). A két közbenső tengely között, merev tengelykapcsolóval (8) összekötve a gőzgép forgattyús tengelye (7) helyezkedik el. Az egész tengelyrendszert –a karzati csapágyak kivételével- a kompaud gőzgép öntöttvas állványzatában kialakított csapágyakba fektetik.
Dugattyús, kompaud gőzgéppel hajtott lapátkerekes hajó tengelyrendszere (4)
A teljes szerkezet a következő ábrán látható. Az ábra jelölései: (1) hajótest, (2) talpcsapágy, (3) kerékszekrény, (4) körhagyó, más néven excenter (ez a szerkezet gondoskodik arról, hogy a lapátok mindig közel függőlegesen érjenek vizet), (5) tolórúd, (6) keréklapát.
A lapátos kerék részei (5)
A lapátos-kerék célszerű elhelyezési módja a hajó két oldalán van, vagy a hajó végében a megfelelően kialakított tat-on. A tat-on elhelyezett lapátos-kerék csökkenti a hajó szélességét, viszont ennél a megoldásnál romlik a kormányzás hatásfoka. Ezt a megoldást elsősorban a csatornahajózás speciális körülményei között alkalmazták. Az oldalt elhelyezett lapátos-kerekek-el érhető el a legjobb hatásfok, valamint a főgép-kazán-meghajtás legcélszerűbb elrendezése is így alakítható ki. Az alábbi képen egy oldalkerekes hajó középrészének makettje látható.
A GÖNYŰ gőzős hajóközép-részének makettje. (6)
Ennek a megoldásnak viszont vannak hátrányai is. Ha a két oldalon lévő lapátos kerekek nem egyforma erőt fejtenek ki, olyan fordító nyomaték keletkezik amely eltéríti a hajót a menetirányától. Ha ez többször egymás után történik meg, a hajó teljesen irányíthatatlanná válik, és a méretezésen felüli, extrém terhelések tönkretehetik a hajószerkezetet is. Az egyenlőtlen erőhatások kialakulásának két fő oka lehet. Egyfelől, ha a lapátos-kerék megsérül, a két oldal geometriai különbözősége okozza. Ez egy állandó, megfelelő kormánykitéréssel kompenzálható erőhatást okoz. Másfelől ha az oldalak lapátjai nem egyforma mértékben merülnek a vízbe. Ez akkor következik be, ha a hajó dülöngél, illetve erősen hullámzó vízen halad, ha a hajótest valamilyen ok miatt megdől (elmozdult rakomány, hajótestbe jutott víz stb..) Ez a jelenség volt a legfontosabb oka annak, hogy a lapátos-kerékkel szerelt hajók hamar, már a géphajózás történetének kezdetén, kiszorultak a tengerekről, nagyobb tavakról.
A Balaton első gőzhajója a KISFALUDY lapátos kerékkel szerelt volt, de ezen kívül csak egy ilyen építésű hajó a BAROSS került a tóra üzembe, pontosan a hullámzó vízben való haladás nehézségei miatt. A Balaton további géphajói kivétel nélkül csavarhajtásúak voltak. A folyamokon a szél hullámképző hatása nem, vagy csak kis mértékben érvényesül, ezért ott nem számottevő ez a hátrány.
A legjobb körülmények között is előfordul, hogy a hajótest billeg, ezért a lapátos-kerekeken keletkező egyenetlen erők eltérítő hatását csökkenteni kell a hajótest célszerű kialakításával. Lényegében jó iránystabilitást adó hajótesteket kell építeni. Általánosságban elmondható, hogy ha minél nagyobb, és elnyújtottabb a hajótest laterálfelülete a hajó annál jobb iránystabilitással bír. Elmondható tehát, hogy célszerű relatív kisebb merülés és hosszú hajótestekkel számolni. A lapátos-kerekeken keletkező erők által okozott forgató nyomatékok erőkarja a lapátos-keréken keletkező erő támadáspontja és a hajótest deplacement súlypontja közötti távolságtól függ. Ezért célszerű a lapátos kerék tengelyét a deplacement súlyponthoz legközelebb felvenni.
A hajtóerő kis volta, valamint a meghajtás rossz hatásfoka miatt törekedni kell a hajótest ellenállásainak lehető legkisebb mértékűvé tételére, ezért kis keresztmetszetű, keskeny hajótesteket szerkeszteni. Ebből már kirajzolódik előttünk az ideális lapátos-kerékkel szerelt hajó, ami egy hosszú, keskeny hajótestből, az oldalakon a deplacement súlypont vonalában elhelyezett lapátos kerekekből áll össze. Jó példa a kiválóan szerkesztett lapátos-kerekes hajóra az alábbi körvonalrajzon látható ERCSI (ex MÁV I.) vontató.
Az ERCSI
vonatató.(7)
Minden műszaki megoldás kompromisszumot is jelent, hiszen a nagyon jó iránystabilitás egyben rossz kormányozhatóságot is jelent. Ezért a lapátos kerékkel szerelt hajóknak igen jó hatásfokú és hatékonyságú kormánnyal kell rendelkeznie a megfelelő müveletezési képesség elérése érdekében.
A KOSSUTH kormánylapátja.(8)
Amennyiben a hajómodellező a lapátos-kerekes meghajtás mellett dönt, először egy megfelelő főgépet kell választania. A legautentikusabb választás a dugattyús gőzgép. Amennyiben a modellezőnek nincs lehetősége ezt alkalmazni, megfelelő fordulatszám-csökkentő áttételek közbeiktatásával alkalmazható elektromos motor is. A hajó tervezését a gőzüzem esetében a főgép, kazán tömegének és méreteinek figyelembe vételével végezzük. Gőzüzem esetén jellemző méretarán az 1:50, ami már méreteivel megfelelő hordképességet biztosít.
1:50 léptékű modellek a Közlekedési Múzeumban.(9)
* * *
SRY 2003. szeptember 27.
MELLÉKLETEK
A képek jegyzéke:
(1) A CAROLINA modellje Budapesten a Közlekedési Múzeumban látható. A fotó saját készítésű és tulajdonú.
(2) Képzőművészeti Kiadó, Budapest kiadásában megjelent képeslap alapján, dátum nélküli.
(3)Leonardo da Vinci lapátkerekes hajtószerkezet. Modell. Museo della Scienza e della Tecnica, Milanó. forrás Marjai Imre, Pataky Dénes A Hajó Története, Corvina 325. old. alapján.
(4) Hajógéptan II. (lásd alant) 102. old. alapján.
(5) A Magyar Hajózás Képes Története (lásd alant) 33. old. alapján.
(6) A GÖNYŰ középrészének makett-e. Budapesten a Közlekedési Múzeumban látható. A fotó saját készítésű és tulajdonú.
(7) A Magyar Hajózás Képes Tőrténete (lásd alant) 47. old, alapján.
(8) A KOSSUTH múzeumhajó kormánylapátja. A fotó saját készítésű és tulajdonú.
(9)A modellek a Közlekedési múzeumban láthatóak. Felül a DDSG BÁTOR, alatta a DDSG DÁNIEL jobbra a DDSG JOHANN-BAPTIST tatrésze látható. A fotó saját készítésű és tulajdonú.
A jegyzetben említett fontosabb hajók:
CAROLINA :
Vizrebocsátás : 1817. március 21.
Közepes hossza : 13,37 m
Szélessége : 3,16 m
Merülése : 1,02 m
Vízkiszorítás : 462 mázsa*
Géperő : 24 Le.*
Holtvizi sebesség : 10,2 km/h
FRANZ I:
Vizrebocsátás : 1830. július 26.
Közepes hossza : 43,60 m
Teljes hossza : 48,0 m
Szélessége : 6,2
Teljes szélesség a kerékszekrénnyel együtt: 13,32 m
Oldalmagasság : 2,89 m
Merülése : 1,1 m
Vízkiszorítás : 318 tonna*
Géperő : 60 Le.*
Holtvizi sebesség : 14,7 km/h
KISFALUDY:
Vizrebocsátás : 1846. szeptember 21.
A hajó műszaki jellemzői nem tisztázottak.
Felhasznált irodalom:
-A Gőzhajózás Kezdete
a Dunán, „CAROLINA”, az Első Gőzhajó.
Jankó Béla
Közlekedési Múzeum Füzetei 2.
Budapest 1967.
-„FRANZ I” a Császári-Királyi Szabadalmazott Első Dunagőzhajózási
Társaság Első Gőzhajója.
Csillag Miklós- Varró József
A Közlekedési Múzeum Közleményei 3.
Közdok Budapest 1968.
-Kossuth Múzeum-hajó
1913
Közlekedési Múzeum Budapest
Kiadás dátuma ismeretlen
- Hajógéptan II.
Körösi István
A hajózási Szakközépiskola IV. osztálya számára.
Műszaki Könyvkiadó
Budapest 1994.
-A Hajó Története
Marjai Imre, Pataky Dénes
Corvina 1973
-A Magyar Hajózás
Képes Története
Hámori Péter
Nemzeti Tankönyvkiadó
1999
* * *