REZUMAT

Prezentul proiect de diplomă tratează proiectarea și operarea instalației de propulsie a unei nave pentru transportul mărfurilor lichide de tip LNG Carrier, folosind nava ARISTOS I ca studiu de caz reprezentativ. Necesitatea temei decurge din complexitatea tehnologică a navelor LNG cu propulsie dual-fuel și din lipsa unei documentații tehnice unitare și accesibile pentru acest tip de instalații.

Scopul lucrării constă în analiza integrată a modului în care este proiectată și exploatată instalația de propulsie a unui LNG Carrier modern, pornind de la prezentarea navei și a rutelor comerciale, continuând cu descrierea constructivă și funcțională a instalației de propulsie, dimensionarea componentelor principale (motoare, linie de arbori, lagăre, elice), calculul rezistenței la înaintare și al forței de împingere, precum și operarea, alarmarea și protecția instalației.

Contribuția personală constă în realizarea, alături de colegii de echipă, a unui simulator 3D al navei și al instalațiilor de la bord, dezvoltat în Blender, C#/Visual Studio și Unity, cu transpunere în realitate virtuală, care reproduce comportamentul funcțional al instalației de propulsie și scenariile de alarmă și protecție.

Rezultatele confirmă coerența dintre datele de proiectare, parametrii de exploatare și modelarea virtuală, simulatorul dovedindu-se un instrument didactic util pentru formarea viitorilor ofițeri mecanici.

Cuvinte-cheie: instalație de propulsie, navă LNG Carrier, motor dual-fuel WinGD, linie de arbori, elice, rezistență la înaintare, simulator, realitate virtuală.

ABSTRACT

This diploma project addresses the design and operation of the propulsion plant of a liquefied natural gas (LNG) carrier, using the vessel ARISTOS I as a representative case study. The topic is motivated by the technological complexity of dual-fuel LNG carriers and by the lack of unified, accessible technical documentation for this type of installation.

The aim of the work is an integrated analysis of how the propulsion plant of a modern LNG carrier is designed and operated, starting from the presentation of the vessel and its commercial routes, followed by the constructive and functional description of the propulsion plant, the sizing of the main components (engines, shaft line, bearings, propellers), the calculation of the resistance and of the thrust force, as well as the operation, alarm and protection of the plant.

The personal contribution consists in developing, together with the team, a 3D simulator of the ship and its onboard systems, built in Blender, C#/Visual Studio and Unity, with a virtual-reality version, which reproduces the functional behaviour of the propulsion plant and the alarm and protection scenarios.

The results confirm the consistency between design data, operating parameters and virtual modelling, the simulator proving to be a useful teaching tool for the training of future marine engineers.

Keywords: propulsion plant, LNG carrier, WinGD dual-fuel engine, shaft line, propeller, resistance, simulator, virtual reality.

CUPRINS

Introducere

Contextul Proiectului

Proiectul „Operarea și Proiectarea Instalației de Propulsie a unei Nave pentru Transport Mărfuri Lichide – LNG Carrier” se înscrie în contextul transformărilor profunde prin care trece industria navală sub presiunea cerințelor de decarbonizare și eficiență energetică impuse de IMO și de piața globală a transportului de energie. Navele LNG Carrier cu propulsie dual-fuel diesel-electric sau soluții hibride se află în avangarda tehnologică a flotei comerciale, însă tocmai această complexitate face ca înțelegerea integrată a instalațiilor de propulsie, a gestionării boil-off gas-ului și a interacțiunii dintre subsisteme să fie dificil de abordat doar pe baza manualelor generale sau a documentației comerciale fragmentare.

Scopul Proiectului

Ideea centrală este de a oferi o analiză structurată a modului în care este proiectată și operată instalația de propulsie la un LNG Carrier modern, folosind nava ARISTOS I ca studiu de caz reprezentativ. Proiectul își propune să suplinească lipsa unei documentații tehnice și ușor accesibile pentru acest tip de tehnologie – în special în ceea ce privește corelarea datelor de exploatare cu principiile de proiectare și cu cerințele actuale de mediu – și să clarifice aspecte precum rolul, dimensionarea echipamentelor principale și integrarea sistemelor.

În acest context, am realizat un simulator 3D alături de colegii mei Aftinici Bogdan-Nicușor și Viorel Chihaia, care include corpul navei-suport și modelele funcționale ale principalelor sisteme alese de aceștia, anume: sistemul de aer comprimat, respectiv instalația de caldarine. Programul software constituie atât un instrument didactic, cât și unul de analiză, aliniat tendințelor actuale din formarea inginerilor maritimi, unde simulatoarele și mediile virtuale sunt din ce în ce mai folosite pentru a reproduce fidel comportamentul sistemelor de la bord.

Scurtă Istorie a Transportului Maritim

Transportul maritim reprezintă una dintre cele mai vechi și mai importante forme de mobilitate economică, fiind responsabil astăzi pentru peste 80% din volumul comerțului internațional de mărfuri. Evoluția sa istorică reflectă transformările majore ale civilizației umane, de la navigația antică din bazinul mediteranean și rețelele comerciale ale fenicienilor, grecilor și romanilor, până la sistemele moderne de transport global, puternic specializate și automatizate. În această perspectivă, marina civilă nu trebuie privită doar ca un mijloc de deplasare a mărfurilor, ci ca o infrastructură strategică ce a susținut permanent schimburile economice dintre regiuni și continente.

În Evul Mediu și în perioada preindustrială, dezvoltarea comerțului maritim a fost susținută de apariția unor structuri instituționale și comerciale tot mai complexe, precum contractele de navlosire, asigurările maritime și organizarea rutelor regulate de transport. Revoluția industrială a secolului al XIX-lea a produs însă o schimbare decisivă, prin introducerea propulsiei cu aburi și a construcțiilor navale din oțel, care au permis creșterea vitezei, a capacității de transport și a fiabilității serviciilor maritime. În aceeași perioadă, deschiderea Canalului Suez și a Canalului Panama a reconfigurat profund geografia comerțului mondial, reducând distanțele și costurile de transport între principalele centre economice ale lumii.

Secolul al XX-lea a adus una dintre cele mai importante inovații logistice din istoria transportului maritim: containerizarea. Introducerea transportului containerizat a standardizat manipularea mărfurilor, a redus timpii de operare din port și a favorizat apariția unor flote specializate, adaptate diferitelor categorii de marfă. În acest context, transportul maritim a trecut de la nave versatile, dar relativ generaliste, la nave cu destinație precisă, proiectate pentru eficiență maximă în raport cu tipul de încărcătură transportată.

Unul dintre cele mai relevante exemple ale acestei specializări este reprezentat de navele pentru transportul gazelor naturale lichefiate, care au apărut ca răspuns la nevoia de transport sigur și eficient al unei resurse energetice strategice. Prima traversare transatlantică experimentală cu LNG a fost realizată în 1959 de nava Methane Pioneer, fapt considerat momentul de început al industriei moderne de transport LNG. Prin lichefiere la temperaturi foarte joase, gazul natural își reduce semnificativ volumul, ceea ce permite transportul său pe distanțe mari cu nave specializate, echipate cu sisteme criogenice și de gestionare a boil-off gas-ului.

În prezent, relevanța transportului LNG este accentuată și de contextul geopolitic și energetic actual. Datele publice ale IEA (International Energy Agency) și EIA (Energy Information Administration) arată că LNG a devenit o componentă esențială a securității energetice europene, iar Statele Unite au fost principalul furnizor de LNG al Europei în 2023. În acest cadru, navele LNG Carrier nu mai reprezintă doar un segment specializat al flotei comerciale, ci un element strategic în arhitectura transportului maritim și a pieței energetice globale.

CAPITOLUL 1. Alegerea navei de referință

Alegerea unei nave concrete ca studiu de caz este esențială pentru ca analiza instalației de propulsie să nu rămână la nivel pur teoretic, ci să fie ancorată în realitatea tehnologică actuală a flotei comerciale de transport LNG. În acest sens, nava ARISTOS I a fost selectată ca navă de referință deoarece reprezintă un exemplu reprezentativ de LNG Carrier modern, echipat cu propulsie dual‑fuel de ultimă generație, sisteme criogenice avansate și un nivel ridicat de automatizare a instalațiilor de mașini. Construită în anul 2020 la șantierul Hyundai Heavy Industries Co., Ltd., nava aparține unei generații recente de transportoare de gaze naturale lichefiate proiectate pentru a răspunde simultan cerințelor de eficiență energetică și de reducere a emisiilor, formulate la nivel internațional.

Din perspectiva temei acestei lucrări – operarea și proiectarea instalației de propulsie a unei nave LNG moderne – ARISTOS I oferă avantajul unei documentații tehnice detaliate privind atât parametrii principali ai navei, cât și caracteristicile instalației de propulsie și ale sistemelor auxiliare de la bord. Manualul de exploatare a instalațiilor de mașini descrie în mod sistematic atât configurația motoarelor principale și a generatoarelor, cât și integrarea acestora în sistemul energetic al navei, permițând o corelare riguroasă între datele de proiectare, procedurile operaționale și cerințele de siguranță. În plus, utilizarea aceleiași nave ca referință în realizarea simulatorului 3D dezvoltat în cadrul proiectului asigură coerență între analiza teoretică și modelarea virtuală a instalațiilor de propulsie.

Prin urmare, ARISTOS I nu este doar un exemplu convenabil din punct de vedere documentar, ci un caz reprezentativ pentru categoria navelor LNG Carrier cu propulsie dual‑fuel de tip XDF, aflate în prezent în exploatare, ceea ce face ca rezultatele analizei să poată fi extrapolate, în anumite limite, și la alte unități similare. Alegerea acestei nave permite totodată abordarea integrată a unor aspecte precum gestionarea boil‑off gas‑ului, interfața dintre sistemele de propulsie și sistemele de marfă, precum și rolul automatizării în monitorizarea și protecția instalațiilor de la bord.

Prezentarea generală a navei ARISTOS I

ARISTOS I este o navă de tip XDF LNG Carrier, înmatriculată sub pavilion maltez și clasificată de societatea Bureau Veritas ca navă pentru transportul gazelor lichefiate în tancuri cu membrană de tip GTT Mark III Flex. Nava dispune de patru tancuri de marfă pentru LNG, proiectate pentru o presiune maximă a vaporilor de 0,35 bar și o temperatură minimă de exploatare de aproximativ -163 °C, ceea ce impune soluții constructive și operaționale deosebit de exigente pentru instalațiile de marfă și de propulsie. Din punct de vedere geometric, nava are o lungime totală (Length Overall) de 299,06 m, o lungime între perpendiculare de 291,00 m, o lățime (Breadth Moulded) de 46,40 m, o înălțime până la puntea principală (Depth Moulded) de 26,50 m și un pescaj de calcul de 11,50 m, respectiv un pescaj de scantling de 12,50 m.

Tabelul 1.1 – Caracteristicile tehnice principale ale navei ARISTOS I

Instalația de propulsie principală este alcătuită din două motoare principale WinGD W5X72DF, de tip două timpi, cu cap transversal (crosshead), cu funcționare dual‑fuel și supraalimentare, fiecare motor având cinci cilindri, alezajul de 720 mm și cursa pistonului de 3086 mm. Motoarele sunt proiectate să funcționeze atât în mod diesel, utilizând combustibili lichizi de tip MDO/HFO, cât și în mod gaz, utilizând gaz natural la presiune joasă provenit din boil‑off gas-ul tancurilor de marfă, cu o putere continuă maximă (CMCR) de 12 112 kW la 77,1 rpm și o putere de serviciu (CSR) de 10 295 kW la 73,0 rpm. În mod diesel, presiunea maximă de ardere este de circa 150 bar, iar în mod gaz de aproximativ 200 bar, ceea ce reflectă solicitările termice și mecanice specifice motoarelor dual‑fuel de mare putere.

Sistemul energetic al navei este completat de patru generatoare principale acționate de motoare dual‑fuel de tip H35DF (două cu 8 cilindri și două cu 6 cilindri), fiecare cu turația nominală de 720 rpm, conectate la alternatoare care furnizează energie electrică la tensiunea de 6,6 kV, frecvența de 60 Hz și factor de putere 0,8. În situații de avarie, alimentarea esențială este asigurată de un generator de urgență de tip KTA38DM, cu motor diesel în patru timpi și alternator de 850 kW, instalat într-un compartiment dedicat și echipat cu propriile sisteme de pornire și răcire. Gestionarea acestor surse de energie este realizată prin intermediul unui Power Management System integrat în sistemul de automatizare K‑Chief 700, care coordonează pornirea și oprirea generatoarelor, partajarea sarcinii și reacția la situații de blackout.

Din punct de vedere al sistemelor de mașini auxiliare, ARISTOS I dispune de instalații centralizate de răcire cu apă de mare și apă dulce, de două cazane auxiliare verticale de tip Aalborg OS‑TCi pentru producerea aburului la 7 bar și de două economizoare de gaze de evacuare pentru recuperarea căldurii din gazele motoarelor principale. Instalația de combustibil include circuite separate pentru combustibili lichizi și combustibil gazos, cu sisteme dedicate de transfer, purificare și condiționare, precum și o instalație de gaz de combustie care alimentează atât motoarele principale, cât și generatoarele, integrată cu unitatea de reliquefiere și Gas Combustion Unit (GCU) pentru gestionarea surplusului de boil‑off gas.

Comanda și supravegherea instalațiilor de la bord sunt concentrate în Camera de Control Mașini (Engine Control Room – ECR), situată la nivelul al doilea în compartimentul de mașini, unde operatorii au la dispoziție stații de lucru conectate la Integrated Automation System (IAS). IAS permite monitorizarea și controlul centralizat al motoarelor principale, generatoarelor, pompelor, compresoarelor, valvelor și instalațiilor de marfă, integrând funcțiile de alarmare, protocoalele de eveniment și interfețele de operare necesare pentru exploatarea în condiții de siguranță a unei nave LNG moderne. Această configurație tehnică face din ARISTOS I o platformă adecvată pentru studierea relației dintre proiectarea instalației de propulsie, condițiile de exploatare și cerințele de automatizare și protecție specifice navelor LNG Carrier de ultimă generație

Rutele comerciale operate de nava ARISTOS I

În cadrul contractului de navlosire încheiat cu BP Shipping, nava ARISTOS I este exploatată flexibil pentru transportul de GNL pe principalele axe transoceanice ale pieței globale, în funcție de necesitățile comerciale ale chartererului. Configurația tehnică a navei – capacitate standard de aproximativ 170 000 m³, tancuri cu membrană GTT Mark III Flex și propulsie dual‑fuel cu utilizarea GNL atât ca marfă, cât și ca și combustibil – îi permite să opereze eficient atât pe rute relativ scurte (SUA–Europa), cât și pe voiaje de lungă durată (Qatar–Asia, SUA–Asia).

Tabelul 1.2 – Principalele categorii de rute comerciale pentru ARISTOS I

Valorile distanțelor sunt indicative și depind de porturile concrete de încărcare și descărcare, de rutele tactice efectiv alese și de eventualele devieri pentru motive operaționale sau de siguranță.

Prin natura acestor rute, ARISTOS I traversează în mod regulat coridoare maritime de importanță strategică globală, a căror cunoaștere este esențială pentru planificarea voiajelor și evaluarea riscurilor asociate navigației în zone intens circulate sau sensibile geopolitic.

Tabelul 1.3 – Coridoare maritime strategice relevante pentru exploatarea navei ARISTOS I

Tranzitul prin aceste coridoare implică, pe lângă constrângerile de gabarit, adaptarea vitezei și a regimului de exploatare a instalației de propulsie astfel încât să fie respectate atât cerințele comerciale (ETA, consum), cât și regulile stricte de siguranță ale zonelor respective.

Activitatea comercială a navei ARISTOS I se reflectă și în diversitatea terminalelor GNL la care aceasta încarcă sau descarcă marfă, cuprinzând atât porturi din marile regiuni exportatoare, cât și hub‑uri majore de regazeificare din Asia și Europa.

Tabelul 1.4 – Terminale GNL de referință relevante pentru exploatarea navei ARISTOS I

Prin combinarea acestor rute, coridoare și terminale, nava ARISTOS I se poziționează ca un element operațional central în rețeaua globală de aprovizionare cu GNL, capabil să răspundă rapid modificărilor de cerere și ofertă generate de contextul geopolitic și de evoluția pieței energetice.

CAPITOLUL 2. Instalația de propulsie

Instalația de propulsie a navei ARISTOS I este construită în jurul a două motoare principale dual‑fuel WinGD W5X72DF, cuplate direct la două elice cu pas fix, și este integrată cu sistemul de alimentare cu combustibil lichid și gazos, cu sistemele de răcire, ungere și aer de pornire, precum și cu sistemul de control al propulsiei. Din punct de vedere funcțional, instalația trebuie să asigure dezvoltarea tracțiunii necesare deplasării navei în condiții variate de încărcare și mediu, utilizând cu prioritate boil‑off gas-ul provenit din tancurile de marfă, dar având permanent disponibilă și opțiunea de funcționare pe combustibili lichizi convenționali.

Configurația generală a instalației de propulsie

În configurația adoptată pe ARISTOS I, propulsia principală este de tip „twin‑screw”, fiecare linie de arbori fiind antrenată de un motor principal WinGD W5X72DF, fără interpunerea unui reductor între arborele cotit al motorului și arborele port‑elice. Motoarele sunt amplasate paralel în încăperea de mașini, în zona pupa, și transmit direct momentul de torsiune către elice, prin intermediul lagărelor radiale, al lagărului de împingere și al liniei de arbori. Din punct de vedere energetic, instalația de propulsie este concepută pentru a funcționa în mod flexibil, atât în regim de marș continuu, cât și în regimuri tranzitorii (manevre, schimbări de combustibil, variații de sarcină), menținând în același timp standardele de eficiență și emisii impuse de IMO.

Tabelul 2.1 – Principalele subsisteme ale instalației de propulsie

Motoarele principale WinGD W5X72DF – descriere constructivă

Fiecare motor principal este în doi timpi, cu cap transversal (crosshead), cu cinci cilindri, alezaj de 720 mm și cursă de 3086 mm, supraalimentat și proiectat pentru funcționare dual‑fuel (diesel/gaz). Motoarele dezvoltă o putere continuă maximă (CMCR) de 12 112 kW la 77,1 rpm și o putere de serviciu (CSR) de 10 295 kW la 73,0 rpm, fiind astfel dimensionate pentru a asigura viteza de serviciu a navei atât în condiții de balast, cât și în condiții de încărcare.

Constructiv, motorul este alcătuit dintr‑un batiu (bedplate) robust, în care sunt integrate cuzineții principali, un lagăr de împingere amplasat la capătul de antrenare, coloane și bloc motor, cilindri cu cămăși răcite cu apă, capace de cilindru, mecanism bielă–manivelă, ansamblul piston–tijă–crosshead și sistemele auxiliare (pompe de servo‑oil, pompe de combustibil, pompe de ungere cilindri). Cuzineții principali și lagărul de împingere sunt alimentați cu ulei de sistem prin canale interne în batiu, asigurând lubrifierea și preluarea eforturilor axiale generate de elice. Pistoanele sunt răcite cu ulei sub presiune, iar cilindrii sunt prevăzuți cu un inel anti‑polish care limitează depunerile de cocs pe coroana pistonului.

Capacele de cilindru încorporează supapa de evacuare centrală, două supape de admisie gaz (Gas Admission Valves – GAV), două supape de injecție pilot pentru combustibilul lichid, precum și supapa de pornire cu aer. Supapa de evacuare este acționată hidraulic cu servo‑oil și este readusă în poziția închis printr‑un arc pneumatic, iar poziția acesteia este monitorizată continuu de un senzor de cursă conectat la sistemul de control. Pe circumferința cămășii de cilindru sunt dispuse duze de ungere comandate de o pompă de lubrifiere cilindri, controlată electronic, care asigură aportul de ulei în funcție de sarcina motorului și de tipul de combustibil utilizat.

Motoarele principale – rol funcțional

Funcțional, motoarele WinGD W5X72DF sunt concepute să funcționeze atât în mod diesel (ciclu Diesel), cât și în mod gaz (ciclu Otto „lean‑burn”), cu posibilitatea de partajare a sarcinii între combustibilul lichid și cel gazos. În modul diesel, motorul utilizează MDO/HFO, injecția are loc la presiuni ridicate prin sistemul common‑rail, iar arderea se produce prin autoaprinderea combustibilului în aerul comprimat din cilindru. În modul gaz, alimentarea principală se face cu gaz natural la presiune joasă, introdus în cilindru prin supapele GAV, iar aprinderea se realizează printr‑o cantitate mică de combustibil pilot (MGO) injectat prin duzele dedicate.

Sistemul de control al motorului (Engine Control System – ECS, UNIC‑flex) monitorizează parametrii de funcționare (presiuni de injecție, presiuni în cilindru, temperaturi de evacuare, turație) și ajustează în timp real timpii de injecție și închiderea supapei de evacuare, prin intermediul funcției de Intelligent Combustion Control (ICC). Acest lucru permite menținerea presiunilor maxime de ardere în limitele stabilite la probele de recepție, reducerea uzurii componentelor și prevenirea suprasarcinilor mecanice ale motorului. Prin integrarea sistemului de control cu sistemele externe (Propulsion Control System – PCS și Integrated Automation System – IAS), motoarele răspund direct comenzilor de viteză și direcție transmise de la puntea de comandă sau din ECR.

Lanțul cinematic: lagăr de împingere, linie de arbori, elice

Momentul de torsiune dezvoltat de motoarele principale este transmis către elice printr‑un lagăr de împingere, arbori intermediari și arborii port‑elice, într‑o configurație de cuplare directă, fără reductor. Lagărul de împingere este amplasat la capătul de antrenare al motorului și este alcătuit dintr‑o flanșă de împingere montată pe arborele cotit și un set de plăcuțe de împingere care transmit eforturile axiale către batiu, permițând astfel generarea tracțiunii la elice și asigurând în același timp centrările necesare.

Arborii intermediari și arborii port‑elice sunt susținuți de lagăre radiale, iar traversarea etanșă a bordajului la pupa este asigurată de tubul etambou, cu sistem dedicat de ungere și etanșare a lagărului de etambou. Elicele, cu pas fix, sunt dimensionate și proiectate astfel încât să transforme în mod eficient energia mecanică în tracțiune axială, ținând cont de viteza de proiectare a navei, pescajul, rezistența la înaintare și cerințele de cavitație; aceste aspecte vor fi detaliate în capitolul dedicat dimensionării instalației de propulsie.

Sistemul de alimentare cu combustibil lichid

Pentru funcționarea în mod diesel, instalația de propulsie este alimentată dintr‑un sistem de combustibil lichid alcătuit din tancuri de combustibil (HFO/MGO), pompe de transfer, decantoare, separatoare centrifugale, pompe de alimentare și booster, filtre automate auto‑spălante și încălzitoare de combustibil. Combustibilul este adus de la tancurile de serviciu către motoare la presiune și temperatură controlate, fiind livrat în rampa de combustibil (fuel rail) la presiuni de până la aproximativ 1000–1050 bar, valoare la care se deschid supapele de injecție.

Sistemul asigură, de asemenea, circuitul de combustibil pilot utilizat în modul gaz, prin pompe dedicate de pilot fuel și schimbătoare de căldură pentru răcirea/încălzirea combustibilului la valorile necesare. Filtrele cu spălare automată și controlul vâscozității (viscosity controller) garantează menținerea vâscozității combustibilului în intervalul optim pentru injecție și protecția echipamentelor, în special la funcționarea pe HFO.

Sistemul de alimentare cu combustibil gazos (FGSS) – rol funcțional

Pentru funcționarea în modul gaz, instalația de propulsie utilizează boil‑off gas (BOG) provenit din tancurile de marfă, prelucrat de sistemul de gaz de combustie din camera de mașini. Gazul natural evaporat (natural BOG) este comprimat de compresoarele LD (low‑duty) la o presiune de ordinul 10–17 bar și adus la temperatura și calitatea impusă de motor, în timp ce forcing vaporiser-ul poate genera boil‑off forțat atunci când rata naturală de evaporare este insuficientă pentru necesarul de combustibil al motoarelor.

Gazul comprimat este livrat către motoarele principale prin intermediul Gas Valve Units (GVU) și al sistemului de reglare integrată a presiunii gazului (iGPR). Fiecare GVU include filtre fine, debitmetre, senzori de presiune și temperatură, o valvă de reglaj de presiune, două valve de închidere de siguranță și valve de purjare cu azot, controlate prin IAS, asigurând astfel condițiile de siguranță la alimentarea cu gaz. Sistemul iGPR controlează presiunea gazului la intrarea în motoare, realizează teste automate de etanșeitate, secvențe de purjare și inertare cu azot după opriri pe gaz și gestionează trecerile între modul gaz și modul diesel în condiții de siguranță.

Funcțional, acest ansamblu permite ca în regim normal de exploatare motoarele principale să fie alimentate cu prioritate din BOG, reducând presiunea în tancuri și consumul de combustibili lichizi, iar surplusul de gaz să fie direcționat fie către generatoarele dual‑fuel, fie către unitatea de reliquefiere sau Gas Combustion Unit (GCU). Astfel, instalația de propulsie este integrată direct în lanțul de gestionare a gazului de marfă, contribuind atât la eficiența energetică, cât și la siguranța operațională a navei.

Sistemul de control al propulsiei

Sistemul de control al propulsiei este alcătuit din Engine Control System (ECS/UNIC‑flex), Propulsion Control System (PCS) și Integrated Automation System (IAS), interconectate prin magistrale redundante de comunicații (CAN‑Bus, Modbus). ECS gestionează funcțiile interne ale motorului – injecția de combustibil, acționarea supapelor de evacuare, controlul servo‑oil, lubrifierea cilindrilor, monitorizarea presiunilor și temperaturilor – în timp ce PCS preia comenzile de turație și sens de la pupitrele de comandă (punte, ECR, local) și le transpune în set‑point‑uri pentru motoare.

IAS are rolul de a integra monitorizarea și alarmarea pentru întregul sistem de propulsie, inclusiv parametrii motoarelor principale, ai sistemelor de combustibil, răcire, ungere, aer de pornire și gaz de combustie. Prin intermediul stațiilor grafice din ECR, operatorii pot urmări starea instalației, pot identifica rapid situațiile de alarmă și pot interveni prin comenzi locale sau de la distanță, în concordanță cu procedurile de operare și protecție care vor fi detaliate în capitolul dedicat operării instalației de propulsie.

Schema instalației de propulsie și principalele componente

Din punct de vedere schematic, instalația de propulsie a navei ARISTOS I poate fi reprezentată ca un ansamblu de subsisteme interconectate, dispuse în linie de flux de la sursa de putere mecanică (motoarele principale) până la elementul care generează tracțiunea (elicea), respectiv subsisteme transversale care asigură alimentarea cu combustibil, fluidele de serviciu și comanda–controlul. Diagramelor funcționale din manualul de mașini le corespunde o structurare a instalației în patru blocuri principale: blocul de generare a puterii (motoarele), blocul de transmisie mecanică (lagăr de împingere și linie de arbori), blocul de alimentare cu combustibil (lichid și gazos) și blocul de susținere (răcire, ungere, aer de pornire, control).

La nivelul diagramei PFD/P&ID, fiecare motor principal este reprezentat ca un nod central conectat, pe de o parte, la rețeaua de combustibil lichid (fuel oil service system) și la rețeaua de gaz de combustie (fuel gas service system) și, pe de altă parte, la circuitele de apă dulce și ulei de sistem, la colectorul de aer de pornire și la colectorul de aer de spălare (scavenge air receiver). Linia de arbori este schematizată ca o succesiune de segmente (arbore cotit – lagăr de împingere – arbori intermediari – arbore port‑elice), fiecare susținut de lagăre radiale și marcat în diagramă prin simboluri standardizate pentru lagăre și cuplaje, iar la extremitatea pupa este indicată elicea ca element final al lanțului cinematic.

Pe ramura de combustibil lichid, schema evidențiază tancurile de serviciu pentru HFO/MGO, pompele de transfer, separatoarele centrifugale, pompele de alimentare și booster, filtrele automate cu spălare inversă și încălzitoarele de combustibil, toate legate prin conducte marcate cu coduri de diametru, presiune și sens de curgere. Pe ramura de combustibil gazos, sunt reprezentate compresoarele LD, vaporizatorul forțat, colectoarele de gaz, unitățile Gas Valve Unit (GVU) amplasate pe puntea a 4‑a și traseul de conducte cu pereți dubli până la supapele de admisie gaz de pe fiecare cilindru, împreună cu conexiunile pentru inertare cu azot și ventilație.

Sistemele de apă dulce și apă de mare apar în schema instalației de propulsie prin circuitele de răcire a mantalelor cilindrilor, ale răcitoarelor de aer de spălare și ale uleiului de sistem, fiind interconectate cu pompe, schimbătoare de căldură cu plăci și ventile de control de debit și temperatură. Circuitul de ulei de sistem este reprezentat prin traseul de la tancul de ulei, pompele de ulei (principale și de rezervă), filtrele principale și by‑pass, răcitoarele de ulei și distribuția către lagărele principale, lagărul de împingere, crosshead și sistemul de servo‑oil, fiind marcat cu simboluri specifice pentru pompe cu coloană, filtre duble și instrumentație de monitorizare a presiunii și temperaturii.

Sistemul de aer de pornire este redat ca un colector principal alimentat de compresoare și tancuri de aer, de la care pleacă conducte către supapele de pornire montate în capacele de cilindru, controlate de modulul de pornire al sistemului UNIC; conducta de aer de control este reprezentată separat, cu ramificații către supapele cu arc pneumatic sau către interblocajele mecanismelor de siguranță. Deasupra întregului ansamblu, schema indică legătura cu sistemul de automatizare (IAS), prin semnale de intrare/ieșire care monitorizează și comandă ventile, pompe, supape de siguranță și unitățile GVU, asigurând astfel integrarea instalației de propulsie în sistemul global de comandă–control al navei.

Tabelul 2.2 – Principalele componente din schema instalației de propulsie și rolul lor

CAPITOLUL 3. Proiectarea instalației de propulsie

Proiectarea instalației de propulsie a unei nave LNG Carrier moderne, precum ARISTOS I, se bazează pe corelarea cerințelor de performanță hidrodinamică (viteza de serviciu, manevrabilitate), a constrângerilor de mediu (emisii, consum specific) și a limitărilor constructive impuse de corpul navei și de aranjamentul general al încăperii de mașini. În cazul de față, soluția adoptată – două motoare principale WinGD W5X72DF cu cuplare directă la două elice cu pas fix – rezultă dintr‑un proces de dimensionare în care puterea instalată, turatia de serviciu și parametrii elicei sunt ajustați pentru a asigura echilibrul între rezistența la înaintare a navei și tracțiunea disponibilă la arbore.

Considerații generale de dimensionare

Dimensionarea instalației de propulsie pleacă de la viteza de proiectare a navei și de la rezistența la înaintare estimată prin metode hidrodinamice (modelare în bazin de încercare sau CFD), pentru diferite condiții de încărcare și stări de mare. Pe baza acestei rezistențe, se determină puterea efectivă necesară (Effective Power), la care se adaugă pierderile pe linia de propulsie și marjele de proiectare (marjă de serviciu, marjă de mare, marjă de îmbătrânire a corpului), rezultând puterea la arbore (Brake Power) ce trebuie asigurată de motoare la viteza de serviciu.

În configurația ARISTOS I, această putere este furnizată de două motoare principale WinGD W5X72DF, fiecare având CMCR de 12 112 kW la 77,1 rpm și CSR de 10 295 kW la 73,0 rpm, ceea ce permite o distribuție simetrică a puterii pe cele două linii de arbori și o redundanță sporită în caz de avarie pe una dintre linii. Alegerea unei soluții fără reductor impune ca regimul de turație al motoarelor să fie compatibil cu turația optimă a elicei din punct de vedere hidrodinamic și de cavitație, condiție care a fost îndeplinită printr‑un proces iterativ de dimensionare motor–elice.

Tabelul 3.1 – Date de proiectare relevante pentru dimensionarea propulsiei

Aceste date constituie baza pentru calculele detaliate din capitolul dedicat rezistenței la înaintare și dimensionării elicei, unde se va verifica faptul că tracțiunea disponibilă la turația de serviciu acoperă cu marjele necesare rezistența totală a navei.

Dimensionarea și alegerea motorului principal

Din perspectivă de dimensionare, alegerea motorului WinGD W5X72DF se justifică prin raportul favorabil între puterea dezvoltată și turația relativ redusă, potrivită pentru cuplarea directă la o elice cu pas fix, precum și prin capacitatea de funcționare dual‑fuel (gaz/diesel). Motorul îndeplinește cerințele de emisii IMO Tier III în modul gaz, cu un consum specific redus și cu posibilitatea de a utiliza boil‑off gas-ul drept combustibil principal, ceea ce contribuie atât la eficiența energetică, cât și la gestionarea presiunii în tancurile de marfă.

Dimensionarea motorului implică verificarea compatibilității curbei de putere P–n și a curbei de cuplu cu caracteristica de absorbție a elicei (curba elicei), astfel încât punctul de funcționare de serviciu să se situeze într‑o zonă sigură și eficientă din diagrama motorului. De asemenea, se iau în calcul rezervele de putere necesare pentru condiții de mare grea, creșterea rezistenței datorită murdăririi corpului și eventualele limitări de NOx și CO₂ la diferite regimuri de sarcină, gestionate prin funcțiile ICS/DCC ale sistemului de control al motorului.

Proiectarea liniei de arbori și a lagărelor

Linia de arbori este dimensionată astfel încât să transmită momentul de torsiune de la motor la elice, respectând criteriile de rezistență la încovoiere și torsiune, de frecvență proprie și de vibrații torsionale și de aliniere cu lagărele și tubul etambou. Diametrele arborilor, distanțele dintre lagărele radiale și configurația lagărului de împingere se stabilesc în funcție de momentul maxim la arbore, de lungimea totală a liniei de arbori și de limitările de spațiu din încăperea de mașini și compartimentul pupa.

Lagărul de împingere este proiectat pentru a prelua forța axială generată de elice la putere maximă și în condiții de mare grea, utilizând un ansamblu de plăcuțe de împingere montate pe o flanșă solidarizată cu arborele și pe scaunul lagărului. Lagărele radiale de susținere sunt dispuse la intervale calculate astfel încât să limiteze săgeata arborilor și să mențină toleranțele admise în zona de etanșare a etamboului și a lagărelor de etambou, asigurând în același timp un film de ulei stabil pentru lubrifiere.

În proiectare se verifică și fenomenul de critical speed (vibrații critice) pentru linia de arbori, astfel încât turațiile de operare ale motoarelor (în jurul a 70–80 rpm) să fie departe de frecvențele proprii ale sistemului arbore–elice–lagăre. În acest scop, se folosesc atât diagrame de vibrații torsionale, cât și eventuale sisteme de balansare (de tip iELBA) pentru controlul vibrațiilor de ordinul doi ale structurii navei.

Arborele port‑elice entașat și elicea – criterii de proiectare

Arborele port‑elice este capătul terminal al liniei de arbori și este conceput astfel încât să asigure prinderea rigidă a elicei printr‑o conexiune entașată (conicitate, caneluri, piuliță și pene), capabilă să transmită momentul maxim și eforturile axiale fără alunecare. Toleranțele pe diametrele de montaj, lungimea de entașare și tratamentele de suprafață se stabilesc în conformitate cu regulile societății de clasificare și cu specificațiile producătorului elicei, pentru a evita atât ruperea prin oboseală, cât și slăbirea conexiunii în timp.

Elicea cu pas fix este proiectată în baza rezultatelor de rezistență și a curbelor de putere, astfel încât să ofere un compromis optim între tracțiune, eficiență propulsivă și risc de cavitație. Principalii parametri de proiectare – diametrul, pasul, raportul aria discului, numărul de pale și profilul palei – sunt aleși pentru a asigura un punct de funcționare stabil la viteza de serviciu și o rezervă de putere pentru condiții nefavorabile, cu limitarea cavitației pe cât posibil pentru a reduce vibrațiile și eroziunea.

În plus, elicea trebuie adaptată la caracteristicile de scurgere în pupa navei LNG (formă de corp cu tancuri mari și volum semnificativ la prova și central), ceea ce impune analize suplimentare ale câmpului de viteze în discui elicei și eventual optimizări de tip wake adaptation. Calculele detaliate de dimensionare și verificare a elicei, inclusiv corelarea cu puterea efectivă și cu rezistența la înaintare, vor fi prezentate în capitolul dedicat calculului tractiunii și al dimensionării elicei.

Tubulaturile instalației de propulsie

Tubulaturile asociate instalației de propulsie includ conductele de combustibil lichid, conductele de gaz de combustie, conductele de ulei de sistem, de apă de răcire și de aer de pornire, care fac legătura între motor, auxiliare și restul instalațiilor navei. Proiectarea acestora urmărește criterii de pierdere de sarcină acceptabilă, rezistență mecanică la presiunile și temperaturile de operare, compatibilitate cu mediul transportat și respectarea regulilor de clasificare privind traseele, suporturile și protecția la foc.

Conductele de combustibil lichid sunt dimensionate pentru debitele maxime ale motoarelor, ținând cont de vâscozitatea combustibilului și de nevoia de menținere a temperaturii în anumite limite prin trasee scurte și bine izolate, în special pe segmentele dintre încălzitoare, pompe booster și rampă de injecție. Conductele de gaz de combustie sunt realizate în construcție cu pereți dubli și cu ventilație/inertare controlată, cu monitorizarea permanentă a eventualelor scăpări prin detecție de gaz, conform schemelor din zona GVU și a admisiilor de gaz pe motor.

Tubulaturile de ulei de sistem și de apă de răcire sunt proiectate astfel încât să asigure debitele cerute de producătorul motorului, limitând vitezele interne pentru a evita eroziunea și zgomotul, și sunt dotate cu ventile de izolare, ventile de regulare, filtre și puncte de aerisire/golire pentru operațiile de întreținere. Conductele de aer de pornire sunt dimensionate pentru a asigura debitul de aer comprimat necesar pornirii motoarelor în intervalul de timp prescris, iar traseele lor sunt prevăzute cu supape de reținere, purjări și interblocaje mecanice/automate pentru a preveni alimentarea inversă sau loviturile de berbec.

Prin ansamblul acestor elemente – motor, linie de arbori, lagăre, arbore port‑elice și elice, respectiv rețelele de tubulaturi – proiectarea instalației de propulsie a navei ARISTOS I asigură atât respectarea cerințelor de performanță și siguranță, cât și integrarea cu instalațiile de marfă și cu sistemele energetice de bord specifice unui LNG Carrier modern.

Calculul Rezistenței la înaintare

Parametri geometrici și de exploatare

Din documentația navei rezultă:

• Lungime între perpendiculare: $L_{\text{pp}} = 291\ \text{m}$

• Lățime (moulded): $B = 46,4\ \text{m}$

• Pescaj de calcul (scantling): $T = 12,5\ \text{m}$

• Viteză de serviciu: $V_{s} = 19,5\ \text{knots}$

• Deadweight (ordine de mărime): $\text{DWT} \approx 93\ 400\ \text{t}$

Pentru calculul hidrostatic adoptăm:

• Densitatea apei de mare: $\rho = 1025\ \text{kg/m}^{3}$

• Accelerația gravitațională: $g = 9,81\ \text{m/s}^{2}$

• Vâscozitate cinematică a apei de mare (≈15 °C): $\nu = 1,19 \times 10^{- 6}\ \text{m}^{2}/\text{s}$

• Coeficient bloc tipic pentru LNG Carrier: $C_{B} \approx 0,75$

Observație: $C_{B} = 0,75$ este o ipoteză justificată de literatura de specialitate pentru nave LNG mari, nu o valoare măsurată pe ARISTOS I; calculul are, deci, caracter aproximativ.

Transformarea vitezei

Convertim viteza de serviciu în m/s:

$$V = V_{s} \cdot 0,5144 = 19,5 \cdot 0,5144 \approx 10,03\ \text{m/s}$$

Formule utilizate

Deplasament și volum de deplasament

Volumul de deplasament (aproximativ):

$$\nabla = C_{B} \cdot L_{\text{pp}} \cdot B \cdot T$$

Deplasament în tone:

$$\Delta_{t} = \rho \cdot \nabla/1000$$

Coeficienți adimensionali

Numărul Froude (pe baza $L_{\text{pp}}$):

$$\text{Fn} = \frac{V}{\sqrt{gL_{\text{pp}}}}$$

Numărul Reynolds:

$$\text{Re} = \frac{V \cdot L_{\text{pp}}}{\nu}$$

Coeficientul de frecare ITTC‑57 (placă plană):

$$C_{f} = \frac{0,075}{(\log_{10}\text{Re} - 2)^{2}}$$

Suprafeței udate (estimare empirică)

Pentru o estimare preliminară a suprafeței udate vom folosi relația:

$$S \approx L_{\text{pp}} \cdot (2T + B) \cdot \sqrt{C_{M}}$$

unde $C_{M}$ este coeficientul secțiunii maestre; pentru nave plin formate se pot adopta valori de ordinul $C_{M} \approx 0,98$.

Rezistența totală

• Factor de formă $k$ (care include efecte de formă și rezistență reziduală globală): $k \approx 0,20$ – valoare uzuală pentru tancuri/LNG în faza de proiectare preliminară.

• Allowance de corelație (scalare model–navă): $C_{A} \approx 0,0004$ (recomandare ITTC).

Coeficientul total de rezistență:

$$C_{T} = (1 + k)\ C_{f} + C_{A}$$

Rezistența totală:

$$R_{T} = \frac{1}{2}\ \rho\ V^{2}\ S\ C_{T}$$

Puterea efectivă necesară la elice (EHP):

$$P_{E} = \frac{R_{T} \cdot V}{1000}\ \lbrack\text{kW}\rbrack$$

Calcul

Volumul de deplasament și deplasamentul

$$\nabla = 0,75 \cdot 291 \cdot 46,4 \cdot 12,5$$

Calcul intermediar:

• $291 \cdot 46,4 = 13\ 502,4$

• $13\ 502,4 \cdot 12,5 = 168\ 780$

Deci:

$$\nabla \approx 0,75 \cdot 168\ 780 \approx 126\ 585\ \text{m}^{3}$$

Deplasament în tone:

$$\Delta_{t} = \frac{1025 \cdot 126\ 585}{1000} \approx 129\ 250\ \text{t}$$

Rezultatul este compatibil cu un DWT ≈ 93 000 t și un lightweight de ordinul 35–40 000 t, valori plauzibile pentru un LNG Carrier de 174 000 m³.

Numerele Froude și Reynolds

$$\text{Fn} = \frac{V}{\sqrt{gL_{\text{pp}}}} = \frac{10,03}{\sqrt{9,81 \cdot 291}}$$

$$9,81 \cdot 291 = 2\ 856,7\ \Rightarrow \ \sqrt{2\ 856,7} \approx 53,45$$

$$\text{Fn} \approx \frac{10,03}{53,45} \approx 0,188$$

$$\text{Re} = \frac{10,03 \cdot 291}{1,19 \times 10^{- 6}} \approx \frac{2\ 918,7}{1,19 \times 10^{- 6}} \approx 2,45 \times 10^{9}$$

Coeficientul de frecare ITTC‑57

$$C_{f} = \frac{0,075}{(\log_{10}\text{Re} - 2)^{2}}$$

$$\log_{10}(2,45 \times 10^{9}) \approx 9,39$$

$$\log_{10}\text{Re} - 2 \approx 7,39$$

$$(\log_{10}\text{Re} - 2)^{2} \approx 7,39^{2} \approx 54,6$$

$$C_{f} \approx \frac{0,075}{54,6} \approx 0,00137$$

Suprafeței udate

Adoptăm $C_{M} = 0,98$ (tipic pentru LNG carrier).

$$S \approx L_{\text{pp}}(2T + B)\sqrt{C_{M}}$$

$$2T + B = 2 \cdot 12,5 + 46,4 = 25 + 46,4 = 71,4$$

$$\sqrt{C_{M}} = \sqrt{0,98} \approx 0,99$$

$$S \approx 291 \cdot 71,4 \cdot 0,99$$

$$291 \cdot 71,4 \approx 20\ 777,4$$

$$S \approx 20\ 777,4 \cdot 0,99 \approx 20\ 570\ \text{m}^{2}$$

Rotunjim:

$$S \approx 20\ 600\ \text{m}^{2}$$

Coeficientul total de rezistență

Adoptăm:

• Factor de formă: $k = 0,20$

• Allowance de corelație: $C_{A} = 0,0004$.

$$C_{T} = (1 + k)C_{f} + C_{A} = 1,20 \cdot 0,00137 + 0,0004$$

$$1,20 \cdot 0,00137 \approx 0,00164$$

$$C_{T} \approx 0,00164 + 0,0004 = 0,00204$$

Rezistența totală și puterea efectivă

$$R_{T} = \frac{1}{2}\rho V^{2}SC_{T}$$

$$\frac{1}{2}\rho = 0,5 \cdot 1025 = 512,5$$

$$V^{2} = 10,03^{2} \approx 100,6$$

$$512,5 \cdot 100,6 \approx 51\ 512,5$$

$$51\ 512,5 \cdot 20\ 600 \approx 1,061 \times 10^{9}$$

$$R_{T} \approx 1,061 \times 10^{9} \cdot 0,00204 \approx 2,17 \times 10^{6}\ \text{N}$$

Deci:

$$R_{T} \approx 2,17\ \text{MN}$$

Puterea efectivă (EHP):

$$P_{E} = \frac{R_{T} \cdot V}{1000} \approx \frac{2,17 \times 10^{6} \cdot 10,03}{1000}$$

$$2,17 \times 10^{6} \cdot 10,03 \approx 21,8 \times 10^{6}\ \text{W}$$

$$\mathbf{P}_{\mathbf{E}}\mathbf{\approx 21\ 800\ }\text{kW}$$

Comentarii asupra rezultatului

1. Puterea efectivă estimată $P_{E} \approx 21,8\ \text{MW}$ corespunde foarte bine cu ordinul de mărime al puterii instalate la arbore:

   • 2 × 10 295 kW = 20,59 MW la CSR, respectiv 2 × 12 112 kW = 24,22 MW la CMCR.

   • Diferența este explicată prin randamente propulsive (randament elice, randament relativ rotativ, randament de coadă) și prin marjele de proiectare (sea margin 20%).

2. Din punct de vedere didactic, acest calcul este adecvat pentru:

   • a arăta metodologia de dimensionare preliminară a rezistenței și a puterii;

   • a demonstra că datele de proiectare ale motoarelor principale sunt coerente cu ordinul de mărime al rezistenței la înaintare pentru viteza de serviciu de 19,5 kn.

[CHART]

CAPITOLUL 4. Calculul forței de împingere

Relația dintre forța de împingere și rezistență

La regim de marș staționar, în plan longitudinal, echilibrul de forțe impune:

$$T\ (1 - t) = R_{T}$$

unde:

• $T$ – forța totală de împingere dezvoltată de cele două elice;

• $t$ – coeficientul de deductie a tracțiunii (thrust deduction factor);

• $R_{T}$ – rezistența totală la înaintare a navei.

La nave de tip tanc/LNG de dimensiunile ARISTOS I, valori uzuale pentru $t$ se situează în intervalul 0,20–0,30; adoptăm o valoare medie:

$$t = 0,25$$

Din calculul precedent am obținut, pentru $V \approx 19,5\ \text{kn}$, rezistența totală aproximativă:

$$R_{T} \approx 2,17 \times 10^{6}\ \text{N}$$

(≈ 2,17 MN, calcul preliminar).

Prin urmare:

$$T = \frac{R_{T}}{1 - t} = \frac{2,17 \times 10^{6}}{1 - 0,25} = \frac{2,17 \times 10^{6}}{0,75} \approx 2,89 \times 10^{6}\ \text{N}$$

Deci:

• Forță totală de împingere: $T_{\text{total}} \approx 2,89\ \text{MN}$.

• Pentru două elice identice, pe fiecare linie de arbori:

$$T_{\text{elică}} \approx \frac{T_{\text{total}}}{2} \approx 1,45 \times 10^{6}\ \text{N}$$

Dimensionarea elicelor – justificare

Date de proiectare pentru elice

Date relevante:

• Regim de serviciu motor: $n_{\text{motor}} = 73\ \text{rpm}$ la CSR (fără reductor, deci $n_{\text{elică}} = n_{\text{motor}}$).

• Putere la arbore per motor (CSR): $P_{D} \approx 10\ 300\ \text{kW}$.

• Viteza navei: $V \approx 10,0\ \text{m/s}$ (≈ 19,5 kn).

• Forța de împingere per elice: $T_{\text{elică}} \approx 1,45\ \text{MN}$ (rezultat de mai sus).

Turația în rotații pe secundă:

$$n = \frac{73}{60} \approx 1,217\ \text{rps}$$

Avansul în rotor (wake fraction și viteza de avans)

Datorită curgerii reale în pupa, elicea „vede” o viteză de avans redusă față de viteza navei. Introducem factorul de wake $w$:

$$V_{A} = V\ (1 - w)$$

Pentru corpuri pline (tancuri, LNG) se folosesc valori tipice $w = 0,2 - 0,3$; adoptăm:

$$w = 0,25\ \Rightarrow \ V_{A} = 10,03 \cdot (1 - 0,25) \approx 7,52\ \text{m/s}$$

Alegerea diametrului elicei – verificare prin coeficientul de avans

Literatura arată că pentru nave comerciale grele (tancuri, LNG), elicele cu pas fix care lucrează în domeniul de eficiență bună au coeficientul de avans $J$ în intervalul 0,6–0,9.

$$J = \frac{V_{A}}{\text{nD}}$$

unde:

• $D$ – diametrul elicei,

• $n$ – turația în rps.

Dacă presupunem un diametru de ordinul $D = 8,0\ \text{m}$ (valoare tipică pentru LNG Carrier de 174 000 m³ cu motoare X72DF, confirmată de proiecte similare publicate), obținem:

$$J = \frac{7,52}{1,217 \cdot 8,0} = \frac{7,52}{9,74} \approx 0,77$$

Valoarea $J \approx 0,77$ se înscrie în domeniul uzual pentru elice de nave comerciale, ceea ce confirmă că un diametru de ordinul 8 m este compatibil cu regimul de turație al motoarelor (cuplare directă) și cu condițiile de încărcare ale navei.

Coeficient de încărcare al elicei

Un alt parametru util pentru verificare este coeficientul de tracțiune al elicei:

$$C_{T} = \frac{T_{\text{elice}}}{\rho\ n^{2}\ D^{4}}$$

Folosind:

• $T_{\text{elică}} \approx 1,45 \times 10^{6}\ \text{N}$,

• $\rho = 1025\ \text{kg/m}^{3}$,

• $n = 1,217\ \text{rps}$,

• $D = 8,0\ \text{m}$,

obținem:

$$n^{2}D^{4} = {1,217}^{2} \cdot 8^{4} \approx 1,48 \cdot 4096 \approx 6,07 \times 10^{3}$$

$$\rho\ n^{2}D^{4} \approx 1025 \cdot 6,07 \times 10^{3} \approx 6,22 \times 10^{6}$$

$$C_{T} \approx \frac{1,45 \times 10^{6}}{6,22 \times 10^{6}} \approx 0,23$$

Valori ale lui $C_{T}$ în intervalul 0,2–0,3 sunt considerate normale pentru elice de nave comerciale încărcate, fără a indica o supraîncărcare excesivă și fără riscuri evidente de cavitație severă, în condițiile unui design corect al profilului palei. Rezultatul $C_{T} \approx 0,23$ susține alegerea unui diametru de ordinul 8 m pentru elicea ARISTOS I.

Prin urmare, din punct de vedere al:

• coeficientului de avans $J$,

• coeficientului de tracțiune $C_{T}$,

• compatibilității cu turația motorului (cuplare directă),

dimensionarea elicei cu un diametru în jurul a 8 m este coerentă pentru clasa de nave și regimul de exploatare considerat.

Calculul momentului de torsiune pe arbore și al transmisiei (fără reductor)

Puterea la arbore și momentul de torsiune

Fiind vorba de cuplare directă, puterea dezvoltată de motor se transmite prin arbore direct către elice. La regimul CSR, pe fiecare linie de arbori:

$$P_{D} \approx 10\ 295\ \text{kW} = 10,295 \times 10^{6}\ \text{W}\lbrack\text{file}:1\rbrack$$

Relația dintre putere, moment de torsiune și turație este:

$$P_{D} = 2\text{πnQ}\ \Rightarrow \ Q = \frac{P_{D}}{2\text{πn}}$$

cu $n = 73/60 \approx 1,217\ \text{rps}$.

$$Q \approx \frac{10,295 \times 10^{6}}{2\pi \cdot 1,217}$$

$$2\pi \cdot 1,217 \approx 7,65$$

$$Q \approx \frac{10,295 \times 10^{6}}{7,65} \approx 1,35 \times 10^{6}\ \text{N·m}$$

Deci:

• Moment de torsiune pe fiecare arbore principal, la CSR:
  $\boxed{Q \approx 1,35\ \text{MN·m}}$.

La CMCR (12 112 kW) momentul va fi puțin mai mare, dar de aceeași ordine de mărime; dimensionarea se face, de regulă, la CMCR plus marjele cerute de clasă.

Verificare preliminară a diametrului de arbore (torsiune pură)

Presupunând un arbore plin, de diametru $d$, formula torsiunii pentru secțiune circulară:

$$\tau_{\text{max}} = \frac{16Q}{\pi d^{3}}$$

unde $\tau_{\text{max}}$ este tensiunea maximă de torsiune. Pentru oțel structural naval, tensiunile admisibile de oboseală la torsiune pot fi în intervalul 35–50 MPa, în funcție de regulile societății de clasificare și de factorii de siguranță.

Rearanjând pentru $d$:

$$d = \left( \frac{16Q}{\pi\tau_{\text{adm}}} \right)^{1/3}$$

Dacă adoptăm, ca exemplu de calcul, $\tau_{\text{adm}} = 40\ \text{MPa} = 40 \times 10^{6}\ \text{N/m}^{2}$, obținem:

$$d = \left( \frac{16 \cdot 1,35 \times 10^{6}}{\pi \cdot 40 \times 10^{6}} \right)^{1/3} = \left( \frac{21,6 \times 10^{6}}{125,66 \times 10^{6}} \right)^{1/3} = \left( 0,172 \right)^{1/3}$$

$$d \approx 0,55\ \text{m}$$

Rezultatul $d \approx 0,55\ \text{m}$ este de ordinul de mărime a diametrelor reale utilizate pentru arbori principali la nave LNG de această clasă, deși în practică se aplică factori suplimentari (încovoiere, vibrații critice, concentratori de tensiune, caneluri, toleranțe, cerințe de clasă) care conduc, de regulă, la diametre ceva mai mari decât rezultatul unui calcul simplu de torsiune pură.

Transmisia fără reductor – implicații

Absența reductorului are două implicații principale:

• Compatibilitate turație motor–elice. Motorul trebuie să funcționeze la o turație suficient de mică (≈ 70–80 rpm) pentru a permite realizarea unui diametru de elice adecvat (≈ 8 m) fără depășirea limitărilor de cavitație și cu un coeficient de avans $J$ în domeniul optim. Motoarele de tip X72DF sunt concepute exact pentru această categorie de aplicații, cu turații nominale potrivite pentru cuplare directă la elice.

• Dimensionarea liniei de arbori. Toată torsiunea și toate eforturile dinamice sunt preluate direct de arborele principal și de lagărul de împingere, fără amortizare suplimentară prin reductor. În consecință:

  • calculul de vibrații torsionale trebuie să țină cont de inerția rotorului motorului, a arborelui și a elicei;

  • diametrele și materialele arborilor, precum și detaliile de prindere a elicei (entașare) se dimensionează cu marje de siguranță adecvate, conform regulilor de clasă.

În ansamblu, rezultatele de mai sus arată că, pentru regimul de putere și turație specific motoarelor WinGD W5X72DF, o elice cu diametrul de ordinul 8 m, direct cuplată pe arbore, este coerentă atât din punct de vedere hidrodinamic (coeficienți $J$, $C_{T}$), cât și din punct de vedere structural (moment de torsiune și diametru de arbore rezultat din verificări preliminare), în contextul unei instalații de propulsie fără reductor pentru o navă LNG Carrier de tip ARISTOS I.

CAPITOLUL 5. Operarea, alarmarea și protecția instalației de propulsie

Sistemul de propulsie al navei ARISTOS I este monitorizat și protejat printr‑un ansamblu integrat format din Engine Control System (ECS/UNIC‑flex) și Integrated Automation System (IAS), care urmăresc în permanență presiunile, temperaturile, debitele, vitezele și concentrațiile de gaz sau ceață de ulei. Pentru fiecare parametru critic sunt definite domenii de funcționare normală și praguri de intervenție pentru alarmă (ALM), reducerea automată a turației (SLD – slow down) și oprire de siguranță (SHD – shut down), respectiv GTrip pentru sistemele de gaz.

Nivele de protecție și logică de intervenție

În logica de protecție a ECS/IAS pot fi distinse trei niveluri principale:

• ALM (Alarm) – depășirea punctuală a unui prag determină generarea unei alarme optice și acustice, fără acțiune automată asupra turației, dar obligând operatorul să analizeze și să intervină.

• SLD (Slow Down) – la depășiri mai grave sau persistente, sistemul reduce automat turația motorului către un regim de siguranță, menținând totuși propulsia (de ex. pentru a putea evita o coliziune).

• SHD (Shut Down) – în cazuri critice (pierdere de ungere, supratemperaturi consistente, gaz sub/suprapresiune), motorul este oprit automat pentru a preveni avarii majore.

Pentru sistemele de gaz, se utilizează suplimentar nivelul GTrip (Gas Trip), care comută motorul din mod gaz în mod diesel și declanșează secvențele de degazare și inertare ale instalației de gaz.

Parametrii de răcire ai motorului principal

Apă de răcire cilindri (HT)

Pentru circuitul de apă dulce de temperatură înaltă (High Temperature – HT), manualul specifică domenii normale și praguri de protecție după cum urmează:

Tabelul 5.1 – Parametri apă de răcire cilindri și praguri de protecție

În operare normală, presiunea între 3,5–5 bar și temperaturile la intrare de 72–90 °C asigură un film termic adecvat și evită șocurile termice asupra cămășilor și capetelor de cilindru. Scăderea presiunii sub valori de 3 bar semnalează, de regulă, probleme de pompare, aerisire sau pierderi de agent, motiv pentru care la 2,5 bar se impune oprirea motorului pentru a preveni griparea.

Răcitor aer de spălare (SAC – LT cooling)

Pentru circuitul de apă dulce de temperatură joasă (LT) la răcitorul de aer de spălare:

• Presiune apă LT la intrare SAC (PT1361A): domeniu normal 2,5–4 bar; ALM Low la 2,0 bar.

• Temperatură apă LT la intrare (TE1371A): domeniu normal 25–36 °C, cu recomandarea de set‑point 25 °C; ALM Low la 21 °C.

Acești parametri au impact direct asupra temperaturii aerului de spălare și, implicit, asupra temperaturii maxime de ardere și a emisiilor.

Parametrii de ungere și protecție mecanică

Ulei de sistem – alimentare generală

Tabelul 5.2 – Parametri principali ulei de sistem și praguri

Scăderea presiunii sub 3,3 bar determină oprirea motorului într‑un interval scurt (10 s), dat fiind riscul imediat de gripare a lagărelor principale și de crosshead. Temperaturile peste 55 °C sunt asociate degradării rapide a proprietăților de lubrifiere și pot indica probleme de răcire a uleiului sau supraîncărcare a motorului.

Lagăre și ulei de răcire piston

Temperatura uleiului la ieșirea din lagăre este monitorizată individual:

• Lagăre principale, lagăre de manivelă, lagăre de crosshead (TE2101/2201/2301‑nnA): domeniu normal 45–60 °C; ALM High 65 °C; SLD High 70 °C (60 s).

• Ulei răcire piston (TE2501‑nnA): domeniu normal 45–75 °C; ALM High 80 °C; SLD High 85 °C (60 s).

Depășirea pragurilor de slow‑down conduce la reducerea automată a sarcinii pentru a limita încălzirea și a preveni deteriorarea suprafețelor de frecare; depășirile persistente impun oprirea și inspectarea lagărelor și a sistemului de răcire a pistonului.

Ulei turbocharger și amortizoare de vibrații

• Presiune ulei lagăre turbocharger (PT2611‑nnA): normal 1,5–5 bar; ALM Low 1,0 bar (5 s); SLD Low 0,8 bar (60 s); SHD Low 0,6 bar (5 s).

• Temperatura ulei la ieșirea din turbocharger (TE2601‑nnA): normal 45–100 °C; ALM High 110 °C; SLD High 120 °C (60 s).

• Presiuni ulei în amortizoarele de vibrații torsionale/axiale (PT2711A, PT2721A/2722A): domeniu normal 1,8–5 bar, cu ALM Low în jurul valorilor 1,7–2,2 bar, în funcție de poziție.

Parametrii sistemelor de gaz și combustibil

Detectarea scăpărilor de gaz

Sistemul de detecție a gazului monitorizează permanent concentrația de gaz (în termeni de LEL – Lower Explosive Limit) în zonele critice:

• Gaz sub piston (AE3315C): ALM High la 20% LEL; Gas Trip (GTrip High) la 40% LEL.

La atingerea pragului de 20% LEL se generează alarmă, operatorul fiind obligat să verifice vizual și în sistem mișcările de gaz, iar la 40% LEL ECS/IAS declanșează automat GTrip, comută motorul pe mod diesel, închide alimentarea cu gaz și inițiază secvențele de degazare și inertare.

Presiuni și temperaturi în iGPR și pe ramura de gaz

Pentru modulul de Integrated Gas Pressure Regulation (iGPR):

• Presiune gaz la intrarea iGPR (PT3741C): domeniu normal 10–15 bar; ALM High 16 bar; GTrip High 17 bar (60 s).

• Presiune gaz după flow‑meter (PS3901S/3902S): GTrip High la 18 bar; GTrip Low la 2 bar.

• Temperatura gaz la ieșirea flow‑meter (TT3901C/TS3901S/3902S): domeniu normal 20–50 °C; GTrip High 60 °C (3 s); GTrip Low 0 °C (2–3 s).

Ieșirea din domeniul de presiune sau temperatură admis determină oprirea alimentării cu gaz, trecerea în mod diesel și inițierea secvențelor automate de purjare și inertare descrise de iGPR.

Parametri combustibil lichid

La intrarea în motor se monitorizează în special vâscozitatea combustibilului:

• HFO: vâscozitate admisă la intrarea în motor 13–17 cSt; ALM High 20 cSt; ALM Low 10 cSt.

• MGO: vâscozitate admisă 3–14 cSt; ALM High 17 cSt; ALM Low 2 cSt.

În plus, pe Fuel Supply Unit se supraveghează presiunea și temperatura la intrarea în unitate, precum și debitele de scurgeri din zona de rail și de unitate, cu praguri de ALM High pentru „leakage flow” în jurul unei valori maxime (ex. 10 l/min), depășirea acestora indicând pierderi de combustibil și posibile riscuri de incendiu.

Gaze de evacuare și aer de spălare

Temperaturi gaze de evacuare

Pentru fiecare cilindru și pentru fiecare turbocharger se monitorizează temperaturile gazelor:

• Temperatură gaze evacuare la ieșirea din cilindru (TE3701‑nnA):

  • ALM High la 515 °C, ALM Low la 50 °C;

  • SLD High la 530 °C (60 s); SLD Low la 70 °C (60 s).

• Temperatură gaze la intrarea turbocharger (TE3721‑nnA): ALM High 515 °C; SLD High 530 °C (60 s).

• Temperatură gaze la ieșirea turbocharger (TE3731‑nnA): ALM High 480 °C; SLD High 500 °C (60 s).

Depășirea limitelor superioare indică supraîncărcarea cilindrului, combustie necorespunzătoare sau probleme la sistemul de aer; valori prea scăzute pot indica un cilindru „rece”, cu risc de condensare de acizi și coroziune.

Temperatura aerului de spălare

• Temperatură aer scavenge după răcitor (TE4031‑nnA): domeniu normal 28–55 °C; ALM Low 25 °C; ALM High 60 °C; SLD High 70 °C (60 s).

Supratemperatura aerului de spălare crește temperatura maximă de ardere, accelerează formarea de NOx și poate conduce la deteriorarea componentelor în contact cu gazele fierbinți; de aceea slow‑down‑ul limitat pe baza acestui parametru este esențial pentru protecție.

Aer de pornire, aer de control și alte elemente critice

Aer de control și airspring

Sistemul de aer de control asigură alimentarea supapelor de acționare și a arcurilor pneumatice ale supapelor de evacuare:

• Presiune aer de control la ieșire (PT4401A, 4411A, 4421A): set‑point ≈ 6,5 bar; ALM Low la 2,5 bar.

• Presiune air‑spring (PT4341A): domeniu normal 5,5–6,5 bar; ALM Low 5,5 bar; SLD Low 5,0 bar (60 s); SHD Low 4,5 bar.

Scăderea presiunii în air‑spring poate duce la închiderea defectuoasă a supapelor de evacuare, risc de lovituri mecanice și pierdere de etanșare, motiv pentru care la 4,5 bar se impune oprirea motorului.

Lagăr de împingere și perete cilindru

• Temperatură lagăr de împingere (TE4521A): domeniu normal 45–75 °C; ALM High 80 °C; SLD High 85 °C (60 s); SHD High 90 °C (60 s).

• Temperatură perete cilindru (TE4801/4841‑nnC): valori țintă ≈ 200 °C; ALM High 220 °C; SLD High 240 °C (60 s).

Cresterea temperaturii lagărului de împingere peste 90 °C indică insuficiență de ungere sau supraîncărcare axială, cu risc direct de gripare și avarie majoră la linia de arbori; similar, temperaturile excesive ale peretelui cilindrului sunt asociate cu lubrifiere insuficientă sau ardere anormală.

Viteza arborelui și supraturarea turbochargerului

• Viteza arborelui cotit: sistemul de protecție prevede SHD High la 110% din turația CMCR.

• Viteza rotor turbocharger (ST5201‑nnA): ALM High la 16 000 rpm; valori mai mari determină acțiuni de slow‑down sau shutdown, în funcție de setările specifice de clasă și de producător.

Aceste protecții sunt esențiale pentru prevenirea ruperii mecanice a rotorilor și a arborelui la supraturare.

Sinteza abordării operaționale

În practică, exploatarea instalației de propulsie pe ARISTOS I presupune menținerea parametrilor în domeniile normale specificate (presiuni, temperaturi, debite, concentrații de gaz) și interpretarea corectă a mesajelor ALM/SLD/SHD/GTrip din IAS și ECS. Operatorul trebuie să intervină la primele alarme pentru a remedia cauza (filtre colmatate, pierderi de lichid, ventilație insuficientă, abateri de combustibil), lăsând slow‑down-ul și shutdown-ul automat ca ultime bariere de protecție pentru motor, linia de arbori și echipaj.

CAPITOLUL 6. Simularea și modelarea instalației de propulsie în mediu virtual

Simulatorul realizat alături de colegii mei, Bogdan Aftinici și Viorel Chihaia, urmărește reproducerea într‑un mediu software interactiv, a instalațiilor principale ale navei de referință ARISTOS I – în special instalația de propulsie, instalația de caldarine și instalația de aer comprimat – utilizând parametri și configurații constructive cât mai apropiate de cele reale. Prin integrarea modelării 3D, a logicii de proces și a tehnologiilor de realitate virtuală (VR), simulatorul are potențialul de a deveni un instrument didactic pentru formarea viitorilor ofițeri de punte și de mașini, permițând parcurgerea, într‑un mediu controlat, a procedurilor de operare și a scenariilor de alarmă și protecție.

Obiective didactice și rolul simulatorului

Scopul principal al simulatorului este de a oferi un mediu interactiv în care utilizatorul poate explora și opera instalațiile de la bord – în special instalația de propulsie – fără riscurile și costurile asociate unui exercițiu pe navă reală. Simulatorul permite:

• familiarizarea cu aranjamentul general al navei și localizarea principalelor echipamente (motoare, caldarine, compresoare, valve, trasee de tubulaturi);

• exersarea secvențelor de pornire/oprire a instalațiilor, sub formă de pași logici (opening sequence, permissive logic), similare procedurilor reale de bord;

• înțelegerea modului în care modificarea nivelelor în tankuri, deschiderea sau închiderea anumitor valve, punerea în funcțiune a compresoarelor ori a caldarinelor influențează parametrii instalației de propulsie și condițiile de pornire a motoarelor principale.

Din acest punct de vedere, simulatorul nu se limitează la un rendering 3D al navei, ci integrează un model funcțional al fluxurilor de fluide și al semnalelor logice de interblocaj, ceea ce îl apropie de simulatoarele utilizate în centrele de training maritim pentru certificarea ofițerilor.

Procedura de pornire la rece (cold start) nu este tratată doar ca o listă de paşi, ci ca un scenariu dinamic în care utilizatorul trebuie să verifice condițiile de pre‑pornire (nivel apă, presiune combustibil, poziţia supapelor), să gestioneze secvenţa Purging → Igniting → HeatingUp → Producing şi să răspundă la eventuale abateri (aprindere eşuată, presiune insuficientă în header). Astfel, simulatorul permite exersarea securizată a unei proceduri care, la bord, este critică pentru disponibilitatea energetică a navei și nu poate fi repetată la discreție în scop didactic.

Schema lead‑lag Master/Slave este utilizată pentru a introduce cursantul în logica de partajare automată a sarcinii între boilere, cu scopul menţinerii presiunii în intervalul 6,0–9,0 bar fără cicluri excesive „ON/OFF” (anti‑cycling). User-ul poate observa în simulator modul în care boilerul Master își ajustează producția, iar unitatea Slave preia sau cedează sarcină în funcție de variațiile consumului, în timp ce mecanismul de histereză al BMCS previne comutările frecvente şi uzura prematură a echipamentelor.

Componenta de răspuns la alarme (nivel apă, suprapresiune, lipsă combustibil) are rol formativ esenţial: nu se limitează la „confirmarea” alarmelor, ci trebuie să fie identificată cauza sistemică (de exemplu, indisponibilitate pompă de alimentare, supapă închisă, defect de instrumentaţie) şi să restabilească starea de siguranţă înainte de reluarea producţiei de abur.

Gestionarea sistemului de pompe – cu cele şase pompe modelate în stările ON/STANDBY/OFF – permite exersarea strategiilor de redundanţă şi de comutare controlată, aspecte centrale în exploatarea instalaţiilor navale moderne. Cursantul poate experimenta consecințele configurării necorespunzătoare (de exemplu, lipsa pompei de standby la o alimentare critică), într‑un mediu fără impact asupra siguranţei navei, dar cu feedback imediat sub formă de alarme şi variaţii ale nivelului de apă.

Arhitectura tehnică a simulatorului

Arhitectura simulatorului combină trei componente principale:

• modelarea geometrică 3D realizată în Blender, pentru corpul navei și pentru principalele echipamente ale instalațiilor (motoare principale, caldarine, compresoare de aer, tubulaturi, valve, panouri de comandă);

• implementarea logicii de funcționare în Visual Studio, prin cod C#, care descrie comportamentul instalațiilor (stări, condiții de pornire/oprire, dependențe între subsisteme);

• integrarea în motorul grafic Unity, care asigură afișarea scenei 3D, gestionarea interacțiunilor utilizatorului și conexiunea cu modulul VR.

Din punct de vedere software, Unity joacă rolul de interfață între mediul 3D și logica de proces: obiectele grafice (valve, pompe, panouri) sunt asociate cu componente C# care primesc și trimit semnale, actualizând în timp real atât starea vizuală a instalației (poziția valvei, culoarea unei linii pe diagramă), cât și valorile numerice afișate în software‑urile de control (debit, presiune, temperatură).

Arhitectura software este concepută modular, fiecare script C# având o responsabilitate clară („single responsibility”), ceea ce facilitează atât întreţinerea codului, cât şi extensia ulterioară către noi instalaţii (de exemplu, sistem de balast sau instalaţia de gaz inert). GameManager.cs acţionează ca „orchestrator” al simulării, gestionând timpul, rezerva globală de apă, iniţializarea subsistemelor şi apelarea ciclică a metodelor de actualizare (Update) ale celorlalte componente. Această abordare adoptă un model de buclă de simulare similar celor utilizate în simulatoarele comerciale de maşini navale.

SteamHeaderManager.cs agregă fluxurile de abur provenite din boilere auxiliare şi exhaust boilere, calculând presiunea în header şi distribuind aburul către consumatori conform cererii termostatice. FeedwaterDistributionManager.cs şi MainToAuxDistributionManager.cs asigură conservarea masei de apă pe cadru de simulare, prin distribuirea proporţională a debitului de alimentare şi transferul controlat al apei din boilerele principale către economizoare, limitat de apa disponibilă.

Componentele SteamConsumer.cs şi PumpController.cs tratează logica locală a consumatorilor şi pompelor: fiecare SteamConsumer implementează un termostat cu histereză (bandă de temperatură sau presiune) şi calculează cantitatea de abur evacuată per cadru (drainAmount), în timp ce PumpController gestionează stările ON/STANDBY/OFF şi comutările comandate de BMCS sau de operator. BoilerControlPanel.cs realizează interfaţa de operator BMCS, cu mecanism „pending” şi confirmare OK/CANCEL, precum şi configurarea modurilor AUTO/Manual şi Master/Slave.

DualEngineSystemManager.cs coordonează subsistemul ME1/ME2, activând preîncălzirea combustibilului prin SteamConsumer‑ii dedicaţi și transmitând sarcina motorului către ExhaustBoilerController, ceea ce permite simularea integrată a relaţiei dintre propulsie şi producerea de abur din gazele de evacuare. Această separare clară a responsabilităţilor facilitează verificarea independentă a fiecărui modul și oferă un cadru robust pentru extinderea ulterioară a simulatorului prin adăugarea de noi scripturi specializate.

Interfața utilizator–sistem în modul desktop

Rulat pe PC, simulatorul se comportă similar unui joc video tehnic: utilizatorul „se află” pe navă, într‑un spațiu tridimensional, și se deplasează folosind tastele WASD, în timp ce interacțiunea cu echipamentele se face prin click sau prin apăsarea tastei E asupra obiectelor active. Această paradigmă de interacțiune permite:

• navigarea intuitivă în interiorul navei (punți, încăpere de mașini, spații tehnice);

• apropierea de echipamente și vizualizarea detaliilor (plăcuțe, denumiri, poziția elementelor de comandă);

• acționarea controlată a valvelelor, întrerupătoarelor sau butoanelor de pe panouri, cu feedback vizual imediat (deschis/închis, pornit/oprit).

Astfel, utilizatorul parcurge secvențe operative similare cu cele de la bord: deschide traseul de aer comprimat pentru a încărca buteliile, configurează traseul de apă și abur pentru caldarine, verifică starea auxiliarelor înainte de a încerca pornirea motoarelor principale. În cazul în care una dintre condițiile obligatorii nu este îndeplinită (de exemplu lipsa presiunii de aer de pornire), simulatorul nu permite declanșarea secvenței de start, imitând logica de permissive reală a sistemelor de propulsie.

Modelarea instalației de propulsie și a interdependențelor

În ceea ce privește instalația de propulsie, simulatorul reproduce:

• prezența celor două motoare principale și a liniei de alimentare cu aer de pornire și combustibil, corelate logic cu starea instalației de aer comprimat și a caldarinelor;

• necesitatea unui traseu corect deschis pe partea de aer comprimat, pentru a asigura presiunea suficientă în butelii înainte de orice încercare de pornire;

• dependența de instalația de abur (când aceasta alimentează sisteme auxiliare sau echipamente de pregătire a combustibilului), reflectând faptul că, fără o instalație de caldarine operațională, anumite regimuri de funcționare ale motoarelor principale nu pot fi atinse în siguranță.

Parametrii instalației (presiuni, debite, temperaturi) au fost preluați pe cât posibil din documentația navei ARISTOS I, iar acolo unde datele exacte nu au fost disponibile au fost adoptate valori aproximative, justificate prin analogie cu instalații similare și prin calculele de dimensionare prezentate în capitolele anterioare.

Conectarea diagramei de proces cu instalația 3D

Un aspect important al simulatorului îl constituie legătura dintre „diagramă” (ecranul software de control) și obiectele fizice din scena 3D:

• software‑urile de control pentru caldarine și aer comprimat sunt conectate logic la valvele reprezentate în modelul 3D;

• atunci când utilizatorul deschide o valvă manual în mediul 3D, poziția acesteia se actualizează automat în schema de proces (P&ID) afișată pe ecranul software‑ului;

• în sens invers, anumite acțiuni inițiate din interfața „de control” (de exemplu pornirea unui compresor) pot modifica starea obiectelor vizuale (pornirea animației, schimbarea culorii etc.).

Această dublă reprezentare – grafică și schematică – este esențială didactic: utilizatorul vede simultan atât „harta fizică” a instalației, cât și reprezentarea logică a fluxurilor de fluide, învățând să coreleze poziția unei valve reale cu simbolul său din schemă.

Sistemul de navigaţie pe tab‑uri în modul 2D permite trecerea instantanee de la tabloul principal de distribuţie (MSB) la diagramele de sistem. Acest mod de afişare este apropiat de interfeţele grafice utilizate în simulatoarele comerciale de maşini navale (desktop sau cloud), unde operatorul comută rapid între ecrane tematice (propulsie, abur, apă de răcire, electric).

Vizualizarea 3D din tab‑ul MSB, cu vedere aeriană asupra navei tanc, extinde însă experienţa de instruire dincolo de diagramele de proces, permiţând localizarea echipamentelor şi traseelor de conducte. Cele 20 de perspective tridimensionale, fiecare cu panou dinamic sincronizat, oferă un compromis între un walkthrough complet al compartimentului maşini şi lizibilitatea unei scene focalizate pe echipamentul relevant.

Interacţiunea operatorului este modelată în mod explicit: comenzi cu mecanism „pending” şi butoane OK/CANCEL, acţionarea supapelor manuale din SYS și configurarea pompelor din Pump Overview. Aceste acţiuni sunt similare celor raportate în prototipuri de engine‑room VR training, unde cursanţii manipulează virtual supape, butoane şi panouri de alarmă pentru a exersa proceduri de pornire, oprire şi intervenţie în avarie.

Alarme și protecții simulate

Deși simulatorul nu implementează toate detaliile logiciilor de alarmă și protecție ale sistemelor ECS/IAS ale motoarelor WinGD W5X72DF, au fost preluate și simplificate câteva principii cheie:

• verificări de condiții necesare înainte de pornire (presiune minimă în butelii de aer, traseu de tubulaturi deschis corect, caldarină în funcțiune, niveluri minime în tankuri);

• generarea de alarme vizuale în software când un parametru iese din domeniul „acceptabil” definit (de exemplu presiune de aer insuficientă, temperatură sub prag pentru abur, vană aflată într‑o poziție neconformă cu procedura);

• blocarea anumitor acțiuni (de exemplu imposibilitatea pornirii unui motor sau a unei pompe) dacă un interblocaj nu este îndeplinit, imitând astfel funcțiile de permissive și fail‑safe ale sistemelor reale.

În această fază, logica de alarmare este orientată mai degrabă către învățare decât către protecția echipamentelor: simulatorul atrage atenția asupra unei configurații greșite și împiedică operatorul să „forțeze” o manevră neconformă, ceea ce îl obligă să revină la procedură și să identifice pasul omis. Ulterior, această structură poate fi extinsă pentru a include și scenarii de avarie, cum ar fi pierderea presiunii pe o ramură, supraîncălzirea unui echipament sau declanșarea unei alarme de gaz în spații închise.

Transpunerea în Virtual Reality

Transpunerea simulatorului în realitate virtuală, utilizând echipamentele VR puse la dispoziție în cadrul laboratorului, nu adaugă neapărat noi funcționalități logice, dar schimbă fundamental perspectiva utilizatorului asupra instalațiilor simulate. În modul VR:

• utilizatorul percepe scările, spațiile înguste, diferențele de nivel și accesul la echipamente într‑un mod foarte apropiat de experiența reală de bord;

• acțiunile de operare (apropiere de un panou, rotirea unei valve, apăsarea unui buton) devin gesturi naturale, realizate prin mișcări ale mâinilor și orientarea privirii, ceea ce crește nivelul de imersiune;

• învățarea devine mai intuitivă, întrucât viitorul ofițer memorează nu doar schema logică, ci și „drumul” fizic până la echipament, poziția lui relativă, obstacolele și spațiile din jur.

Prin combinarea modelării geometrice fidele (la scară) cu logica instalațiilor descrisă în capitolele anterioare și cu o interfață interactivă modernă (desktop + VR), simulatorul realizat oferă un exemplu concret de aplicare a tehnicilor de informatică aplicată și realitate virtuală în domeniul ingineriei maritime, demonstrând că analiza instalației de propulsie nu este doar un exercițiu „pe hârtie”, ci poate fi transformată într‑un instrument pedagogic accesibil și eficient pentru formarea ofițerilor de bord.

Literatura de specialitate arată că simularea în VR a compartimentului maşini şi a procedurilor de operaţie poate îmbunătăţi semnificativ conştientizarea spaţială şi pregătirea pentru situaţii de urgenţă, fără riscurile asociate exerciţiilor pe navă. Prin imersiune completă într‑un mediu tridimensional la scară 1:1, cursantul nu mai receptează instalaţia doar ca schemă bi‑dimensională, ci ca un spaţiu real în care trebuie să‑şi găsească drumul, să identifice echipamentele şi să exerseze traseele de intervenţie.

Transpunerea modelului 3D şi a motorului de simulare către platforma VR prin XR Interaction Toolkit conferă simulatorului un nou nivel de realism: aceleaşi formule de calcul şi aceeaşi logică de control (BMCS, SteamHeader, Feedwater, ExhaustBoilers) sunt utilizate atât în interfaţa 2D, cât şi în mediul VR, ceea ce garantează coerenţa pedagogică. Compatibilitatea cu căştile Meta Quest, HTC Vive şi Valve Index facilitează adoptarea tehnologiei în medii educaţionale cu resurse limitate, date fiind costurile mai reduse ale hardware‑ului de consum comparativ cu simulatoarele „full mission” tradiţionale.

Modul de navigaţie şi interacţiune în VR

Arhitectura VR se bazează pe componentele de locomotion şi interacţiune ale XR Interaction Toolkit, combinând teleportarea (deplasări discrete între zone îndepărtate ale navei) cu mersul continuu (locomotion analogic) pentru a reduce riscul de discomfort vizual („VR sickness”) şi a permite atât inspecţii rapide, cât şi observaţii detaliate. Interacţiunea cu echipamentele – rotirea supapelor manuale (grab + twist), apăsarea butoanelor (trigger), inspecţia manometrelor la scară 1:1 şi activarea panourilor contextuale (tooltips 3D) prin gaze‑based activation – respectă paradigmele de Human‑Computer Interaction explorate în proiecte de engine‑room VR training, în care precizia gesturilor şi feedback‑ul vizual/haptic sunt esenţiale.

Această combinaţie de locomotion şi interacţiune reproduce, în măsura posibilului, gesturile reale ale ofiţerului mecanic: deplasarea între echipamente, operarea supapelor, verificarea instrumentelor, confirmarea alarmelor. În plus, instrumentele VR permit logarea automată a acțiunilor cursantului, ceea ce creează premisele pentru evaluări obiective ale performanţei, în linie cu cerinţele moderne privind documentarea instruirii şi a competenţelor.

Simulatorul naval integrat 2D+3D+VR dezvoltat în Unity 3D reprezintă contribuţia tehnică originală centrală a prezentei lucrări, situându‑se în linie cu direcţia actuală a cercetării privind engine‑room VR training, dar adaptat constrângerilor de cost şi infrastructură ale mediului universitar. Implementarea fidelă a logicii de control BMCS (schema lead‑lag Master/Slave cu mecanisme anti‑cycling), a dinamicii termodinamice a boilerelor auxiliare şi a economizoarelor şi a sistemului de gestiune a pompelor permite reproducerea cu acurateţe matematică a funcţionării reale a instalaţiei de abur.

Panourile 3D dinamice, sincronizate în timp real cu motorul de simulare, împreună cu cele şase scenarii de antrenament – de la pornirea la rece până la răspunsul la alarme critice – oferă un mediu de instruire complex, repetabil şi evaluabil, capabil să dezvolte atât competenţe tehnice, cât şi abilităţi de decizie în condiţii de stres. Transpunerea către platforma de realitate virtuală (XR Interaction Toolkit, compatibil Meta Quest şi HTC Vive) extinde accesibilitatea soluţiei şi activează memoria musculară a cursanţilor, un obiectiv dificil de atins prin studiu teoretic sau simulare bidimensională.

Comparativ cu soluţiile profesionale existente (Kongsberg K‑Sim Engine, simulatoare VR de tip „full mission”), soluţia propusă oferă un raport cost–eficacitate superior, cu potenţial real de implementare în instituţiile de învăţământ naval care doresc să introducă tehnologii de VR în curricula fără investiţii majore în hardware dedicat. Arhitectura modulară şi integrarea unitară 2D+3D+VR creează premisele pentru extinderea ulterioară a simulatorului către alte instalaţii ale navei (balast, inert gas, propulsie dual‑fuel), transformând proiectul într‑un „laborator digital” scalabil pentru instruire maritimă.

Concluzii

Lucrarea de licență a urmărit două direcții complementare: pe de o parte, analiza tehnică a instalației de propulsie a unui LNG carrier, incluzând estimarea rezistenței la înaintare și a puterii efective necesare la elice pentru viteza de serviciu; pe de altă parte, proiectarea și implementarea unui simulator integrat 2D+3D+VR în Unity, capabil să redea cu fidelitate matematică și vizuală funcționarea acestei instalații de propulsie (motoare principale dual‑fuel, sistemul de combustibil, pompe și circuite auxiliare) în scop didactic.

În prima parte a lucrării s‑a demonstrat că estimarea preliminară a rezistenței totale la înaintare, realizată pe baza formulelor ITTC‑57 pentru coeficientul de frecare, a unui factor de formă tipic pentru LNG carrier și a unei suprafețe udate estimate, conduce la valori ale rezistenței și puterii efective compatibile cu puterea instalată la arbore pentru nava ARISTOS I. Rezultatul pentru viteza de serviciu de 19,5 kn se află în aceeași ordine de mărime cu specificațiile de proiect ale motoarelor principale și ale instalației de propulsie, conform manualelor de mașini și fișelor tehnice ale navei, validând astfel metodologia de calcul adoptată și asigurând coerența dintre datele hidrodinamice și modelul de simulator dezvoltat ulterior.

În partea a doua, lucrarea a prezentat arhitectura unui simulator naval integrat, în care modelul fizic 2D (diagrame de sistem, BMCS, tablou de alimentare fuel gas, overview pompe) și modelul geometric 3D sunt îmbinate într‑un singur proiect Unity, partajând același motor de simulare și același ciclu de actualizare. Scripturile C# care implementează logica de control a motoarelor principale, a sistemului fuel gas, a compresoarelor LD, a pompelor de alimentare și de circulație și a consumatorilor auxiliari au fost concepute modular, respectând principiul „single responsibility” și permițând extinderea ulterioară către alte instalații ale navei (balast, gaz inert, distribuție electrică) fără restructurarea arhitecturii.

Integrarea nativă 2D+3D a fost completată prin transpunerea simulatorului în realitate virtuală, utilizând XR Interaction Toolkit și suportul OpenXR pentru căști VR de consum precum Meta Quest și HTC Vive. În acest fel, aceleași formule de calcul și aceeași logică de control (BMCS, management fuel gas, distribuția debitelor, stările pompelor, scenariile de avarie) sunt disponibile simultan pe interfața grafică 2D și în mediul VR 1:1, asigurând coerența pedagogică și eliminând riscul unei „simulări simplificate” în VR, semnalat în unele studii de specialitate privind engine‑room VR training.

Literatura de specialitate privind instruirea maritimă subliniază că simulatoarele joacă un rol esențial în dezvoltarea competențelor tehnice și a capacității de decizie în scenarii de avarie, oferind acces la situații care nu pot fi reproduse în siguranță pe nave reale, din motive economice, de securitate și de etică. Lucrările recente dedicate compartimentului mașini în realitate virtuală arată că imersiunea tridimensională poate îmbunătăți conștientizarea spațială și pregătirea pentru urgențe, completând instruirea clasică și simulatoarele grafice convenționale.

În acest context, contribuția originală a lucrării constă în demonstrarea faptului că un simulator integrat 2D+3D+VR, bazat pe Unity și pe hardware de consum, poate atinge un nivel satisfăcător de fidelitate funcțională pentru instalația de propulsie a unui LNG carrier.

Din punct de vedere didactic, lucrarea demonstrează că abordarea integrată – în care analiza tehnică (hidrodinamică, termodinamică, control automat al motoarelor și al alimentării cu gaz) este direct transpusă într‑un instrument de simulare – crește relevanța și aplicabilitatea cunoștințelor dobândite. Utilizatorul nu doar „învață formule și diagrame”, ci le vede aplicate într‑un mediu interactiv și poate verifica imediat consecințele deciziilor sale asupra instalației de propulsie simulate: răspunsul motoarelor la modificarea sarcinii, variația presiunilor în circuitul fuel gas, impactul comutării pompelor și al configurării supapelor în scenarii normale și de avarie.

Această sinteză între modelare, simulare și realitate virtuală corespunde tendințelor actuale de digitalizare a instruirii maritime și oferă un exemplu concret de proiect care poate fi extins și către alte componente ale navei, în logica unui „system‑of‑systems” educațional. În perspectivă, lucrarea deschide mai multe direcții de dezvoltare: validarea simulatorului prin studii de caz cu studenți și ofițeri în exercițiu, integrarea cu simulatoare de navigație pentru scenarii „bridge–engine” combinate și extinderea modelului către instalații suplimentare (balast, apă de răcire, sistem de gaz inert, propulsie dual‑fuel avansată) în vederea construirii unui „laborator digital” complet pentru instruire navală.

În același timp, rezultatele hidrodinamice privind rezistența la înaintare și coerentizarea lor cu puterea instalată la arbore pentru LNG carrier‑ul studiat oferă un fundament tehnic solid pentru scenariile de exploatare simulate și pentru eventuale extinderi ale simulatorului către analiza performanței energetice a instalației de propulsie (eficiența motoarelor dual‑fuel, gestionarea boil‑off‑ului, optimizarea regimurilor de funcționare în raport cu rezistența la înaintare).

În concluzie, lucrarea îndeplinește obiectivul de a construi o punte între teoria instalațiilor de propulsie navale și practica instruirii moderne, demonstrând că un simulator integrat 2D+3D+VR, ancorat în modele fizice și algoritmi de control realist, poate deveni un instrument eficient, accesibil și extensibil pentru formarea viitorilor ofițeri mecanici pe nave LNG.

BIBLIOGRAFIE

A. Cărți, tratate și manuale tehnice

1. Bertram, V. – Practical Ship Hydrodynamics, ediția a 2-a, Butterworth-Heinemann, Oxford, 2012.

2. Molland, A. F., Turnock, S. R., Hudson, D. A. – Ship Resistance and Propulsion, Cambridge University Press, Cambridge, 2011.

3. Woodyard, D. – Pounder’s Marine Diesel Engines and Gas Turbines, ediția a 9-a, Butterworth-Heinemann, Oxford, 2009.

4. Taylor, D. A. – Introduction to Marine Engineering, ediția a 2-a, Butterworth-Heinemann, Oxford, 1996.

B. Standarde și reglementări

5. International Maritime Organization (IMO) – MARPOL Annex VI, Regulations for the Prevention of Air Pollution from Ships.

6. Bureau Veritas – Rules for the Classification of Steel Ships, Part C – Machinery, Electricity, Automation and Fire Protection.

C. Documentație tehnică

7. WinGD (Winterthur Gas & Diesel) – X72DF Marine Installation Manual / Engine Technical Data.

8. GTT (Gaztransport & Technigaz) – Mark III Flex Containment System, Technical Documentation.

9. Hyundai Heavy Industries Co., Ltd. – ARISTOS I, Ship Particulars and Machinery Operation Manual (Yard no. 3105).

D. Articole din Baza de date științifice ANMB (http://www.anmb.ro/reviste)

10. https://www.anmb.ro/buletinstiintific/buletine/2022_Issue2/02_EEA/156-168.pdf

11. https://www.anmb.ro/buletinstiintific/buletine/2017_Issue1/NMS/34-42.pdf

12. https://www.anmb.ro/buletinstiintific/buletine/2024_Issue1/01_MES/44-51.pdf

E. Surse electronice

13. U.S. Energy Information Administration (EIA) – Today in Energy. https://www.eia.gov/todayinenergy

14. UNCTAD – Review of Maritime Transport. https://unctad.org/topic/transport-and-trade-logistics/review-of-maritime-transport

15. WinGD – X-DF Dual-Fuel Technology. https://www.wingd.com

16. GTT – Mark III Containment System. https://www.gtt.fr

F. Lucrări proprii prezentate la manifestări științifice

17. Dințică, B.-A. – Proiectarea și Operarea Instalației de Propulsie a unei Nave Tip LNG Carrier, prezentată în cadrul CADETNAV 2026, Academia Navală „Mircea cel Bătrân”, Constanța, 2026.