Konfiguracja układu napędowego łodzi ratowniczej o małym zanurzeniu na wody śródlądowe

Transkrypt

1 HERDZIK Jerzy 1 Konfiguracja układu napędowego łodzi ratowniczej o małym zanurzeniu na wody śródlądowe WSTĘP Głównym wyzwaniem doboru napędu i jego konfiguracji są parametry kadłuba łodzi ratowniczej. Ze względu na pracę łodzi na wodach śródlądowych, w tym na większych polskich rzekach, wymaga się od niej relatywnie małego zanurzenia. Parametrem docelowym jest 1m. Pozwala to na wpłynięcie na płytkie wody, zejście do wody, możliwość pomocy z łodzi osobom znajdującym się w wodzie itd. Ma to istotne znaczenie również dla napędu, bowiem łódź musi mieć możliwość samodzielnego zejścia z mielizny, w tym ograniczeń dla napędu (groźby jego uszkodzenia) znajdującego się na dziobie łodzi. Wskazana jest możliwość jej transportu drogą lądową np. w kontenerze czterdziestostopowym. Do dalszych rozważań przyjęto następujące założenia: długość łodzi 8,0 m (na linii wodnej); szerokość 2,2 m; głębność zanurzenia 1,0 m; współczynnik pełnotliwości kadłuba maksymalnie 0,65; wyporność maksymalna 11,44 m 3 ; masa pustej łodzi do 10 t. Przykładowy kształt kadłuba na linii wodnej przedstawiono na rys.1. Rys.1. Przykładowy kształt kadłuba łodzi ratowniczej [własne] 1. PROPOZYCJA KONFIGURACJI ELEMENTÓW UKŁADU NAPĘDOWEGO Elementy układu napędowego powinny zapewnić łodzi możliwość uzyskania maksymalnych prędkości na poziomie ok. 20 węzłów (ok. 37 km/h) na wodzie głębokiej i stojącej. Prędkość łodzi względem nabrzeża na rzecznym prądzie zależeć będzie od wielu czynników, w tym prędkości i kierunku prądu w stosunku do kursu łodzi, kształtu kadłuba, typu pędników itd.. Przy maksymalnych prędkościach prądów rzeki (bystrza) na poziomie 10 węzłów, łódź winna osiągać maksymalne rzeczywiste prędkości na poziomie węzłów. W normalnej eksploatacji łódź poruszać się będzie ze znacznie mniejszymi prędkościami. Z przeznaczenia łodzi wynika wymóg utrzymywania pozycji przy zbliżonej do zera lub zerowej prędkości względem nabrzeża. Oznacza to konieczność 1 Dr inż. Jerzy Herdzik prof. nadzw. AM, Katedra Siłowni Okrętowych, Akademia Morska w Gdyni, georgher@am.gdynia.pl 7546

2 zwiększenia zdolności manewrowych łodzi przy małych prędkościach np. poprzez rozbudowę układu napędowego [3]. Ze względu na małe zanurzenie łodzi, w tym pracę na wodach płytkich, wydaje się konieczne zastosowanie pędników strugowodnych jako napędu zasadniczego. Rozwiązaniem podstawowym winno być układ dwóch symetrycznie rozmieszczonych pędników umieszczonych w części rufowej łodzi, w miarę możliwości jak najbardziej odsuniętych od siebie. Odchylanie dysz pędników o kąt ok. 30 o w obu kierunkach nie powinno istotnie zakłócać ich pracy (zmniejszać sumaryczną siłę uciągu), a pozwoli to na poprawę zdolności manewrowych. Aby je podwyższyć, szczególnie przy małych prędkościach, w części dziobowej (narażonej na wejścia na mielizny) zastosować tunelowy ster strumieniowy. To rozwiązanie będzie mniej wrażliwe na zmniejszenie siły naporu steru przy większych prędkościach. Szczególne znaczenie będzie to miało, podczas utrzymywania pozycji względem nabrzeża (pozycjonowania) przy silnym znoszącym prądzie. Propozycję konfiguracji pędników przedstawiono na rys.2. Rys.2. Konfiguracja pędników łodzi ratowniczej: na rufie dwa pędniki strugowodne, na dziobie strumieniowy ster tunelowy (CoG środek ciężkości łodzi) [własne] Z przyjętych założeń oraz poglądowego rys.2 wynika, że możliwe jest uzyskanie odsunięcia osi pędników od osi głównej o ok. 0,75 m (odległość między ich osiami wynosić będzie ok. 1,5 m), przy odległości od środka ciężkości łodzi na poziomie 3 m. Natomiast oś steru dziobowego będzie oddalona od środka ciężkości o ok. 4 m. Wartości te mogą ulegać zmianie w zależności od zapasów zgromadzonych na łodzi, liczby osób znajdujących się na pokładzie itp. 2. ZAŁOŻENIA WYMUSZEŃ ZEWNĘTRZNYCH DZIAŁAJĄCYCH NA ŁÓDŹ RATOWNICZĄ Podstawowym problemem jest możliwość utrzymania pozycji łodzi względem dna na silnym prądzie rzecznym i silnym wietrze. Przyjęto, że maksymalny prąd wynosić będzie 10 węzłów przy sile wiatru 40 węzłów (ok. 74 km/h). Należy rozważyć dwa przypadki: prąd rzeki i kierunek wiatru mają ten sam kierunek oraz prąd rzeki i kierunek wiatru tworzą kąt prosty (90 o ). Ze względu na kształt łodzi oraz konfigurację pędników wskazane jest takie sterowanie łodzią, aby była ona ustawiona dziobem w kierunku działania sił znoszących (przekrój poprzeczny części zanurzonej łodzi jest znacznie mniejszy od wzdłużnego, co najmniej 3,5 krotnie). Ułatwi to proces manewrowania, ponadto obciążenia napędu będą znacznie mniejsze i mniejsze zużycie paliwa. W celu możliwości uzyskania większego momentu obrotowego, należy jak najdalej od środka ciężkości odsunąć położenie pędników. Poprawę stanu można uzyskać również poprzez zastosowanie pędników strugowodnych z odchylanymi dyszami. Odchylenie działania wektora siły zwiększa jej ramię działania (rys.2). 7547

3 3. PODSTAWOWE PARAMETRY ELEMENTÓW UKŁADU NAPĘDOWEGO Punktem odniesienia może być propozycja firmy Castoldi zastosowania 2 pędników strugowodnych typu Turbodrive 238 (2*TD238) sugerowanych do napędu łodzi o długości do 10 m oraz masie 10 ton [7]. Wg producenta ma to pozwolić na uzyskiwanie prędkości minimum 20 węzłów na stojącej wodzie. Zdjęcie ww. pędnika przedstawiono na rys.3, a wymiary gabarytowe na rys.4. Rys.3. Pędnik strugowodny Turbodrive TD238 firmy Castoldi [7] Rys.4. Wymiary gabarytowe pędnika strugowodnego TD238 [7] Według informacji producenta możliwy jest dobór wielu typów silników o mocy do 175 kw, współpracujących poprzez sprzęgło i przekładnię redukcyjną z pędnikiem. Sterowanie pędnikiem odbywa się układem hydraulicznym napędzanym od przekładni znajdującym się na pędniku. Masa pędnika suchego bez silnika wynosi 75 kg. Uzyskiwana siła naporu z pędnika zależy od stosunku prędkości wypływającej wody z dyszy pędnika w do prędkości łodzi u. W warunkach nominalnej prędkości łodzi stosunek ten wynosi u/w = 0,8-0,85 [2]. Uzyskiwany napór wynosi ok. 150 N/kW. Przy mocy dostarczonej do pędnika ok. 160 kw będzie to ok. 24 kn. Należy podkreślić, że podczas pracy na uwięzi (próba zejścia z mielizny) prędkość u wynosić będzie zero, a uzyskiwana siła naporu będzie 4-7 krotnie większa ( kn) co preferuje ten rodzaj napędu, w zastosowaniu do napędu łodzi ratowniczej [2]. Do napędu tunelowego steru strumieniowego należy zastosować silnik elektryczny o mocy około 50 kw. Pozwoli to osiągać siłę naporu na poziomie 5-10 kn (silny opływ wody wokół kadłuba łodzi zmniejsza wytwarzaną siłę naporu). Szacując wielkość wymuszeń od sił zewnętrznych: prądu wody i wiatru uzyskano: przy prędkości prądu wody 10 węzłów (i zerowej prędkości łodzi względem dna) uzyskano siłę naporu 8-24 kn (na wodach głębokich mniej, na płytkowodziu lub w kanałach więcej) w 7548

4 przypadku ustawienia łodzi dziobem do kierunku prądu, w przypadku ustawienia bocznego (zmiana położenia łodzi) siła ta może być ok. 3,5 krotnie większa i wynosić ok kn; przy prędkości wiatru 40 węzłów, pełnym jego wyhamowaniu i powierzchni nawiewu z dziobu ok. 2m 2 będzie to ok. 1 kn, natomiast przy bocznym wietrze i powierzchni nawiewu ok. 4 m 2 będzie to ok. 2 kn. Uwzględniając dodawanie geometryczne wektorów sił naporu można przyjąć, że przy małej prędkości łodzi zbliżonej do zera i maksymalnych sił zewnętrznych (wg założeń), sumaryczna siła wymuszeń od sił zewnętrznych zawierać się będzie w przedziale kn. W warunkach pozycjonowania (utrzymywania pozycji) dziobem do kierunku prądu wody nie powinna przekraczać 25 kn w bardzo wąskich kanałach, na wodzie głębokiej nie powinna przekraczać 10 kn. Rys.5. Wymuszenia zewnętrzne działające na łódź ratowniczą [własne] Sumaryczny napór uzyskiwany z pędników strugowodnych przy maksymalnej (nominalnej) ustalonej prędkości wynosić będzie ok. 48 kn. Przy prędkościach bliskich zeru osiągany napór winien przekraczać z obu pędników 200 kn. Porównując dostępny napór do wymuszeń ok. 25 kn, należy uznać, że możliwe jest zniesienie ww. sił poprzez pracę układu napędowego przy obciążeniach częściowych (szacunkowo 15-20% mocy nominalnej) [7,8]. Przy zmianie położenia łodzi (np. obrót w miejscu) trudno będzie uniknąć chwilowego zniosu (zmiany położenia łodzi względem dna). Teoretycznie jest możliwe uzyskanie wypadkowych sił naporu od układu napędowego kompensujących działanie sił zewnętrznych, wymaga to zastosowania pędników strugowodnych z odchylanymi dyszami. Ze względu jednak na szybkie zmiany działających sił i kierunków ich działania, będzie to trudne do uzyskania. Doświadczenie manewrowe operatora łodzi będzie miało decydujący wpływ na jakość wykonanego manewru [4,5]. Możliwość kompensacji momentów obrotowych od sił zewnętrznych będzie możliwa dzięki pracy tunelowego steru strumieniowego, który samodzielnie winien wytworzyć moment obrotowy na poziomie: M o1 = F s *l s = 10 kn*4 m = 40 knm gdzie: - maksymalny moment obrotowy od steru strumieniowego; M o1 F s - maksymalna siła naporu steru strumieniowego; l s - ramię działania siły (wg rys. 2) przyjęto 4 m. Ponadto, zwiększenie siły naporu w jednym z pędników wytworzy, niezrównoważony pracą drugiego pędnika, dodatkowy moment obrotowy o wartości około: M o2 = ΔF p *l p = 40 kn*0,75 m = 30 knm gdzie: M o2 - moment obrotowy od pędnika ; 7549

5 ΔF p - różnica sił naporu między pędnikami, przyjęto 40 kn (chwilowo może to być do 100 kn); l p - ramię działania siły (rys.2). W przypadku odchylanych dysz pędników strugowodnych możliwe jest dalsze zwiększenie momentu obrotowego. Przy odchyleniu o kąt 30 o tylko jednego z pędników, ramię działania siły zwiększy się do ok. 2,15 m. Przy jednakowych naporach z pędników po 15 kn, powstanie wypadkowy moment obrotowy o wartości ok. 21 knm [15 kn*(2,15-0,75) m = 21 knm]. Przy wychyleniu obu dysz o kąt 30 o w tym samym kierunku, suma ramion działania sił wyniesie ok. 3 m, przy uzyskaniu 45 knm wypadkowego momentu obrotowego od pędników strugowodnych. Wykres kołowy sił od wymuszeń zewnętrznych oraz sił od układu napędowego (po oszacowaniu wg przyjętych założeń) przedstawiono na rys.6. Rys.6. Obszar wymuszeń od sił zewnętrznych (wg założeń) oraz obszar możliwych do uzyskania sił od napędu (wg przyjętego rozwiązania) dla zerowej prędkości łodzi [własne] Około 70% zwiększenie siły działającej od napędu (z 10 kn do ok. 17,3 kn) dokładnie w kierunku prostopadłym do burty jest możliwe w wyniku modyfikacji dziobowego steru strumieniowego (rys.7). Odchylenie kanałów steru o kąt 30 o w kierunku dziobu, pozwala na wykorzystać jeden z pędników strugowodnych do kompensacji obrotu łodzi wokół własnego środka ciężkości, ale zarazem zwiększyć wartość sumarycznej siły działającej w kącie 90 o w stosunku do osi głównej łodzi. Rozwiązanie to ma jednak małą wadę, zmniejsza efektywność działania steru przy zerowej prędkości łodzi i stojącej wodzie. 7550

6 Rys.7. Modyfikacja kanału wylotowego kanałowego steru strumieniowego: a) kanał prostopadły do osi głównej łodzi; b) kanał o kącie 60 o w stosunku do osi głównej łodzi. Podsumowując, możliwe jest uzyskanie z elementów układu napędowego wypadkowego momentu obrotowego na poziomie knm. Wartość tego momentu znacząco przekracza (co najmniej 10 krotnie) możliwy moment obrotowy działający na łódź ratowniczą od wymuszeń zewnętrznych. Pozwoli to na uzyskiwanie dobrych możliwości manewrowych. 4. WYBÓR ROZWIĄZANIA UKŁADU NAPĘDOWEGO Przyjęte rozwiązanie układu napędowego wymusza wybór liczby i konfiguracji silników napędzających pędniki strugowodne i tunelowy ster strumieniowy. Ponadto łódź musi mieć własne niezależne źródła energii elektrycznej, niezbędnej m.in. do oświetlenia łodzi, zasilania naświetlacza, układu sterowania itp. Silniki wytwarzające energię mechaniczną będą miały pompy podwieszone i nie będzie konieczności instalowania pomp rezerwowych napędzanych silnikami elektrycznymi [1,6,10]. Pozostaje jednak doposażenie łodzi w baterie akumulatorów, jako źródła awaryjnego energii elektrycznej oraz rozruchu silników spalinowych, prostowników do doładowywania akumulatorów, pompy zęzowej, której rolę może pełnić w stanach awaryjnych pompa steru strumieniowego. Szacunkowe zapotrzebowanie na energię wynosi: do napędu pędników strugowodnych 2*175 kw, do napędu tunelowego steru strumieniowego 50 kw, na potrzeby własne łodzi ok. 10 kw. Sumarycznie wynosiłoby to ok kw. Jest to relatywnie dużo jak na łódź tej wielkości. Rzeczywiste maksymalne zapotrzebowanie na energię może być trochę niższe ok kw, bowiem przy pełnej mocy pędników strugowodnych nie będzie używany tunelowy ster strumieniowy. W czasie patrolowania, łódź poruszać się będzie ze znacznie mniejszymi prędkościami, rzędu 5-10 węzłów. Zapotrzebowanie na energię, w tym stanie eksploatacji, wynosić będzie znacznie mniej ok kw. W rezultacie przy napędzie mechanicznym pędników strugowodnych obciążenie silników w tym stanie eksploatacji będzie na poziomie 10-25% mocy nominalnej, co oznacza pracę przy niskich sprawnościach i powoduje znaczne zwiększenie jednostkowego zużycia paliwa [4]. Sugerowane rozwiązanie: zastosować dwa silniki wysokoprężne wysokoobrotowe o mocy po ok kw, napędzające poprzez sprzęgło rozłączne pędniki strugowodne. Trzeci silnik wysokoprężny o mocy ok. 75 kw napędzać będzie prądnicę prądu przemiennego. Wytwarzana energia elektryczna (o mocy nominalnej kw) powinna wystarczyć na zasilanie tunelowego steru strumieniowego i pozostałych odbiorników energii elektrycznej (rys.8). Zastosowanie napędu elektrycznego pędników strugowodnych wymagałoby komplikacji (i wzrostu kosztów) całego systemu napędu głównego, nie przynosząc istotnych korzyści podczas eksploatacji. Podobnie rozwiązanie typu hybrydowego, w którym silniki wysokoprężne napędzają poprzez sprzęgło rozłączne silniko-prądnice prądu przemiennego, a zarazem możliwe jest odłączenie silnika wysokoprężnego i napędzanie pędnika silniko-prądnicą, w drugim pędniku energia pobierana byłaby z silnika wysokoprężnego (wspólny wał napędowy: silnik-silniko-prądnica-pędnik). Rozwiązanie to miałoby istotne znaczenie przy mniejszych prędkościach łodzi do około węzłów. Pracowałby wówczas tylko jeden wybrany silnik wysokoprężny, na większym obciążeniu, ale poniżej 7551

7 nominalnego. Sumaryczne zużycie paliwa byłoby mniejsze. Ponadto rozwiązanie to ma cechy napędu awaryjnego i redundancyjnego (nadmiarowego). Rys.8. Idea rozmieszczenia silników wysokoprężnych w łodzi ratowniczej [własne] WNIOSKI Poprawny projekt łodzi ratowniczej wymaga uwzględnienia wielu czynników mających duży wpływ na końcowy efekt. Przy ograniczonych gabarytach łodzi (dążenie do osiągnięcia również małej masy) należy zastosować rozwiązania niezawodne, sprawdzone i proste. Zmniejszy to koszty budowy łodzi i ułatwi jej transport drogą lądową do miejsca pracy oraz do zakładu remontowego. Mimo podwyższonych bezpośrednich kosztów eksploatacji (podwyższone zużycie i koszty paliwa), ułatwi to obsługę elementów wyposażenia łodzi (głównie silników i pędników), uprości system sterowania pędnikami oraz przyspieszy proces opanowania manewrowania łodzią. W przedstawionej propozycji nie zapewni to możliwości pozycjonowania łodzi przy jej dowolnym ustawieniu w stosunku do sił wymuszających, ale nie ma takiej konieczności. Ustawienie się dziobem w kierunku działania wymuszeń pozwoli na utrzymanie pozycji względem dna rzeki (nabrzeża) nawet w warunkach znacznie przekraczających przyjęte założenia (prędkość prądu 10 węzłów, prędkość wiatru 40 węzłów). Daje to gwarancje dopłynięcia łodzi w miejsca, w których należy udzielić pomocy oraz bezpieczeństwa przeprowadzanych operacji dla operatora łodzi, ratowników i osób ratowanych. Streszczenie Przedstawiono propozycję rozwiązania napędu małej łodzi ratowniczej na wody śródlądowe. Przyjęto określone założenia i parametry łodzi, w tym warunek małego zanurzenia do 1m. Ze względu na pracę łodzi na wodach płytkich wraz koniecznością wpływania dziobem na mielizny, napęd łodzi powinien umożliwiać jej samodzielne uwolnienie się, stąd wybór typu pędników. Jednym z warunków była możliwość utrzymywania pozycji względem dna rzeki lub nabrzeża, przy określonych wymuszeniach od prądu rzeki i wiatru, stąd pędniki strugowodne będą wspomagane tunelowym sterem strumieniowym. Przyjęto końcowe rozwiązanie z dwoma pędnikami strugowodnymi oraz tunelowym sterem strumieniowym. Określono wielkość sił wymuszających i wyznaczono dostępne siły naporu od pędników i steru. Z analizy wynika, że propozycja rozwiązania układu napędowego, spełni przyjęte założenia do projektu. Problemem jest dobór typu układu napędowego, aby przy ograniczonych kosztach inwestycyjnych, uzyskać w pełni funkcjonalny układ napędowy przy rozsądnych kosztach eksploatacyjnych. Zaproponowano konfigurację elementów układu napędowego, w tym silników wysokoprężnych. Wskazano na konieczność zapewnienia bezpieczeństwa podczas akcji ratunkowych, które powinno zostać zapewnione ze strony napędu, przy zaproponowanym rozwiązaniu. Słowa kluczowe: system napędowy, łódź ratownicza, wody śródlądowe, konfiguracja, utrzymywanie pozycji Configuration of propulsion system for emergency boat of small-draught for inland waterways Abstract It was presented a proposition of propulsion solution for small emergency boat for inland waterways. It was accepted specified assumptions and boat parameters, small-draught up to 1 m including. Taking into account 7552

8 the boat operation area on shallow waters and the necessity of run aground, the boat propulsion system ought to allow independent acquitting, so it was the influence on thrusters selection. The possibility of boat station keeping in relation to the river bottom or the wharf was the one of design condition at specified forces from river current and wind, so the water-jets will be assisted with tunnel bow thruster. The analysis shows that the proposition of propulsion solution fulfill the specified design assumptions. The selection of propulsion system type is the real problem to get the full functional propulsion system at reasonable operation costs and at investment cost limits. It was proposed the arrangement of propulsion system elements, including diesel engines. It was shown for the necessity of safety assurance during rescue actions, ensured from propulsion system, at the proposed design solution. Keywords: propulsion system, emergency boat, inland waterways, configuration, station keeping BIBLIOGRAFIA 1. Bocheński D., Economical analysis of selected variants of power plant for inland waterways passenger ship intended for operating on Berlin-Kaliningrad route, Polish Maritime Research, Special Issue 2006/S2, str Domachowski Z., Próchnicki W., Waterjet propulsion of small-draught inland waterways ships, Polish Maritime Research, Special Issue 2006/S2, str Herdzik J., Challenges of ship propulsion systems during DP operations, Journal of KONES, WARSAW ISSN Vol. 19 No. 2. pages Herdzik J., Possibilities of improving safety and reliability of ship propulsion system during DP operation, Journal of KONES, WARSAW ISSN Vol. 19 No. 2. pages Herdzik J., Zmiana położenia środka ciężkości statku a poprawność działania systemów dynamicznego pozycjonowania, Technika Transportu Szynowego, 10/2013 str Przepisy klasyfikacji i budowy statków śródlądowych, PRS Gdańsk, Willem N., Bulten H., Numerical Analysis of a Waterjet Propulsion System, N.W.H. Bulten, Holandia Katalog firmy CastoldiJet Turbodrive depliant/ html Kodeks morski, Ustawa z dnia 19 kwietnia 2013 r. Dz.U nr 758 poz.1545 z późn. zm. 7553