EFEKTYWNOŚĆ PRACY STERÓW STRUMIENIOWYCH NA DARZE MŁODZIEŻY I HORYZONCIE II

Transkrypt

1 Wojciech Więckiewicz Akademia Morska w Gdyni EFEKTYWNOŚĆ PRACY STERÓW STRUMIENIOWYCH NA DARZE MŁODZIEŻY I HORYZONCIE II W latach przeprowadzono badania efektywności pracy sterów strumieniowych zamontowanych na statkach szkolnych Akademii Morskiej w Gdyni: Dar Młodzieży i Horyzont II. Pomierzone zostały prędkości kątowe rotacji niepłynących statków pod wpływem pracy sterów strumieniowych oraz prędkości cyrkulacji statków płynących naprzód z prędkościami manewrowymi przy pracy wyłącznie sterów strumieniowych, ale bez wychylania płetw sterów zaśrubowych statków. WPROWADZENIE Stery strumieniowe jako urządzenia umożliwiające manewrowanie statkami niepłynącymi i płynącymi z małymi prędkościami, przy których stery zaśrubowe (zapędnikowe) działają mało skutecznie, stosowane są od lat 60. XX wieku. Szczególnie szybkie tempo wprowadzania takich urządzeń manewrowych na statkach różnych typów i wielkości obserwowano w ostatniej ćwierci poprzedniego stulecia. Nie są to jednak urządzenia niepozbawione wad. Już pod koniec lat 60. XX wieku zaobserwowano silny spadek skuteczności działania sterów strumieniowych (zwłaszcza zamontowanych na dziobach statków), gdy statki poruszają się naprzód [3, 8, 10, 19]. To zagadnienie stało się powodem prowadzenia wielu prac eksperymentalnych i teoretycznych, mających za zadanie wyjaśnienie przyczyn spadku prędkości kątowych cyrkulacji statków pod wpływem pracy sterów strumieniowych przy prędkościach płynięcia naprzód [7, 14]. Badania skuteczności działania sterów strumieniowych podczas płynięcia statków naprzód są prowadzone do dzisiaj [1, 5, 11, 13,15 17]. We współczesnych poradnikach manewrowania statkami i w publikacjach dotyczących cech manewrowych statków podana jest informacja, że dziobowe stery strumieniowe przestają skutecznie pracować przy prędkości statku rzędu 3 4 węzłów [6, 9, 12, 14]. W dokumentach statków (pilot card) wyposażonych w stery strumieniowe z reguły jest informacja o spadku efektywności działania zamontowanych na nich sterów strumieniowych [7, 9, 14]. Zawarte w pilot card dane pozwalają oszacować skuteczność planowanych manewrów statku przy korzystaniu ze sterów strumieniowych. Na statkach szkolnych Akademii Morskiej w Gdyni przeprowadzono eksperymentalne badania, a efekty tych badań w postaci charakterystyk pracy dziobowych sterów strumieniowych na Darze Młodzieży i na Horyzoncie II, w funkcji prędkości pływania statków naprzód, prezentowane są w tym artykule.

2 124 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 69, czerwiec METODYKA BADANIA CHARAKTERYSTYKI PRACY STERU STRUMIENIOWEGO W TRAKCIE PŁYWANIA STATKU Charakterystyka pracy steru strumieniowego podczas pływania statku opisywana jest jego kinetyczną efektywnością E(v). Tym terminem określa się funkcyjną zależność (od prędkości pływania statku v) stosunku prędkości kątowej cyrkulacji płynącego statku ω V (v), uzyskanej poprzez wyłączną pracę steru strumieniowego, do prędkości kątowej rotacji niepłynącego naprzód statku ω 0, również wywołanej wyłączną pracą steru strumieniowego: ωv ( v) E( v) = (1) ω Badania efektywności sterów strumieniowych na Darze Młodzieży i na Horyzoncie II wykonano dla pracy sterów na obie burty statku. W trakcie badań zastosowano następujące procedury: 1) podczas rotacji statku: statek stał nieruchomo względem wody lub przy występującym wietrze dryfował w linii wiatru z małą prędkością (rzędu 1 węzła), ster zaśrubowy (rufowy) ustawiany był na zerowy kąt odchylenia, w rejestrowanym czasie włączany był na pełną moc ster strumieniowy statku na lewą (prawą) burtę, w stałych (jednakowych) rejestrowanych odstępach czasu notowano prędkość kątową rotacji statku lub chwilowy kurs statku, po wykonaniu pomiarów parametrów pracy steru na lewą (prawą) burtę, statek wracał na pierwotny kurs (w linii wiatru) i włączany był na pełną moc ster strumieniowy na drugą burtę, podczas pracy steru strumieniowego na drugą burtę rejestrowano te same parametry jego pracy, co przy pracy na przeciwną burtę; 2) podczas cyrkulacji statku: statek płynął stałym kursem (w przybliżeniu pod wiatr) ze stałą prędkością, ster zaśrubowy (rufowy) ustawiany był na zerowy kąt odchylenia, w rejestrowanym czasie włączany był na pełną moc ster strumieniowy statku na lewą (prawą) burtę, w stałych (jednakowych) rejestrowanych odstępach czasu notowano prędkość kątową cyrkulacji statku lub chwilowy kurs statku, po wykonaniu pomiarów parametrów pracy steru na lewą (prawą) burtę, statek wracał na pierwotny kurs (w linii wiatru) i po ustaleniu się prędkości postępowej włączany był na pełną moc ster strumieniowy na drugą burtę, podczas pracy steru strumieniowego na drugą burtę rejestrowano te same parametry jego pracy co przy pracy na przeciwną burtę. 0

3 W. Więckiewicz, Efektywność pracy sterów strumieniowych na Darze Młodzieży i Horyzoncie II STER STRUMIENIOWY NA DARZE MŁODZIEŻY Na statku żaglowym Akademii Morskiej w Gdyni Dar Młodzieży ster strumieniowy został zainstalowany w 2008 roku. Producentem steru jest firma Global Marine Engineering z Heijningen w Holandii. Składa się on z prostoosiowego cylindrycznego tunelu, zamontowanego w dziobowej części kadłuba statku, i z umieszczonego wewnątrz tunelu śrubowego pędnika o stałym skoku. Średnica wewnętrzna tunelu D T wynosi 1,10 m, natomiast zewnętrzna średnica pędnika D S jest równa 1,088 m. Pędnik, poprzez przekładnię kątową, napędzany jest silnikiem elektrycznym prądu przemiennego o mocy 300 kw. Ze względu na ograniczoną moc agregatu prądotwórczego zasilającego ster strumieniowy maksymalna moc dostarczana do silnika steru wynosi 250 kw. Zmiana parametrów pracy steru strumieniowego (kierunku i wielkości wytwarzanego naporu) uzyskiwana jest poprzez nastawę kierunku i wielkości obrotów silnika napędowego steru. Wzdłużny przekrój (w płaszczyźnie symetrii) dziobowej części kadłuba statku z widocznym tunelem steru strumieniowego przedstawiono na rysunku 1. Rysunek 2 prezentuje wodnicowy przekrój kadłuba statku, a na rysunku 3 naniesiono teoretyczne wręgi dziobowej części kadłuba Daru Młodzieży z zaznaczonym położeniem tunelu steru strumieniowego. Rys. 1. Zład wzdłużny dziobowej części żaglowego statku szkolnego Dar Młodzieży

4 126 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 69, czerwiec 2011 Rys. 2. Przekrój wodnicowy dziobowej części żaglowego statku szkolnego Dar Młodzieży Rys. 3. Rysunek wręgów teoretycznych dziobowej części żaglowego statku szkolnego Dar Młodzieży z zaznaczonym tunelem steru strumieniowego

5 W. Więckiewicz, Efektywność pracy sterów strumieniowych na Darze Młodzieży i Horyzoncie II OPIS BADAŃ STERU STRUMIENIOWEGO NA DARZE MŁODZIEŻY Badania pracy steru strumieniowego na Darze Młodzieży w trakcie pływania statku przeprowadzono w dwóch turach: pierwsza tura 22 czerwca 2009 roku na Zatoce Fińskiej stan morza 1 D, wiatr 8,4 w., druga tura 15 września 2009 roku na Zatoce Biskajskiej stan morza 4 5 D, wiatr zmienny, ok. 16 w. W obydwóch turach badań statek miał zwinięte żagle, jego reje ustawione były prostopadle do burt. Wyniki badań pracy steru strumieniowego na Darze Młodzieży przeliczono na prędkości kątowe rotacji niepłynącego naprzód statku i na prędkości kątowe cyrkulacji statku płynącego z zadaną prędkością naprzód. Na rysunku 4 przedstawiono, pomierzone w pierwszej i drugiej turze badań, prędkości kątowe cyrkulacji i rotacji statku, wywołane pracą steru strumieniowego. Jak można zauważyć, wpływ warunków zewnętrznych (wiatru i falowania morza) na prędkości kątowe statku jest niepomijalny maleją one w stosunku do prędkości mierzonych na spokojnym morzu. Do dalszej analizy przyjęto, że warunki zewnętrzne nie wpływają w istotny sposób na relacje między prędkościami rotacji i cyrkulacji statku pomierzonymi w podobnych warunkach pogodowych. Ten wniosek pozwala na wyznaczenie kinetycznej charakterystyki pracy steru strumieniowego w funkcji prędkości statku jako niezależnej od warunków zewnętrznych. Kinetyczną charakterystykę pracy steru strumieniowego statku Dar Młodzieży przedstawiono na rysunku 5. Rys. 4. Zestawienie wyników pomiarów pracy steru strumieniowego na płynącym statku Dar Młodzieży

6 128 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 69, czerwiec 2011 Na rysunku 5 naniesiono również krzywą funkcji aproksymującej kinetyczną efektywność pracy steru strumieniowego na Darze Młodzieży. Funkcja ta ma postać: Ev () = 1 (2) 2 0,2v + 1 W zakresie prędkości statku 0 4 węzłów funkcja aproksymująca dobrze odzwierciedla otrzymaną z badań charakterystykę kinetycznej efektywności pracy steru strumieniowego. Rys. 5. Kinetyczna efektywność pracy steru strumieniowego na Darze Młodzieży 4. STER STRUMIENIOWY NA STATKU HORYZONT II Na statku instrumentalnym Akademii Morskiej w Gdyni Horyzont II zamontowany jest ster strumieniowy typu STT 060 LK, produkcji firmy Shottel. Jest to urządzenie aktywnego sterowania, składające się z prostoosiowego cylindrycznego tunelu, zamontowanego w dziobowej części kadłuba statku, i z umieszczone-

7 W. Więckiewicz, Efektywność pracy sterów strumieniowych na Darze Młodzieży i Horyzoncie II 129 go wewnątrz tunelu śrubowego pędnika o stałym skoku i o trzech skrzydłach. Średnica wewnętrzna tunelu D T wynosi 0,64 m, natomiast zewnętrzna średnica pędnika D S jest równa 0,63 m. Pędnik, poprzez przekładnię kątową, napędzany jest silnikiem elektrycznym prądu przemiennego. Maksymalna moc dostarczana do steru wynosi 125 kw. Zmianę parametrów pracy steru strumieniowego (kierunku i wielkości wytwarzanego naporu) uzyskuje się poprzez nastawę kierunku i wielkości obrotów silnika napędowego steru. Maksymalne obroty pędnika steru wynoszą 1470 min 1. Tunel steru ma długość ok. 1 m. Na obu otworach wlotowych do tunelu zamontowane są kraty zapobiegające dostaniu się do wnętrza tunelu zanieczyszczeń stałych mogących uszkodzić pędnik steru. Usytuowanie steru strumieniowego wzdłuż kadłuba statku prezentuje rysunek 6. Z kolei na rysunku 7 przedstawiono linie teoretyczne dziobowej części kadłuba statku z uwidocznionym tunelem steru strumieniowego. Rys. 6. Usytuowanie steru strumieniowego w kadłubie statku Horyzont II

8 130 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 69, czerwiec 2011 Rys. 7. Wręgi budowlane dziobowej części kadłuba statku Horyzont II z naniesionym położeniem tunelu steru strumieniowego

9 W. Więckiewicz, Efektywność pracy sterów strumieniowych na Darze Młodzieży i Horyzoncie II 131 Badania skutków pracy steru strumieniowego podczas rotacji niepłynącego statku i podczas cyrkulacji statku płynącego z różnymi prędkościami postępowymi przeprowadzono w dniach 13, 25 i 27 października 2010 roku oraz 21 marca 2011 roku na Zatoce Gdańskiej w trakcie praktyki manewrowej studentów transportu morskiego Akademii Morskiej w Gdyni. Podczas prowadzenia eksperymentalnych badań jesienią 2010 roku panowały dość niesprzyjające warunki pogodowe. Tylko 13 października wiatr był umiarkowany jego prędkość dochodziła do 8 węzłów. Natomiast 25 i 27 października prędkość wiatru była zmienna i wynosiła od 12 do 20 węzłów. Najbardziej korzystne warunki panowały 21 marca 2011 roku na początku badań praktycznie nie było wiatru, a pod koniec badań jego prędkość wynosiła około 8 węzłów. Na rysunku 8 przedstawiono pomierzone prędkości kątowe cyrkulacji i rotacji statku Horyzont II, uzyskane pracą steru strumieniowego. Otrzymaną na podstawie tych danych kinetyczną charakterystykę steru strumieniowego na statku Horyzont II E(v) pokazano na rysunku 9. Rys. 8. Zestawienie wyników pomiarów pracy steru strumieniowego na płynącym statku Horyzont II Na rysunku 9 naniesiono również krzywą funkcji aproksymującej kinetyczną efektywność pracy steru strumieniowego na Horyzoncie II. Funkcja ta ma postać: E() v = 1 + 0,006v 2 0,15 v (3)

10 132 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 69, czerwiec 2011 W zakresie prędkości statku 0 4 węzłów funkcja aproksymująca dobrze odzwierciedla otrzymaną z badań charakterystykę kinetycznej efektywności pracy steru strumieniowego. Rys. 9. Kinetyczna efektywność pracy dziobowego steru strumieniowego na statku Horyzont II WNIOSKI Z BADAŃ Na obu przebadanych statkach uzyskano podobne kinetyczne charakterystyki pracy dziobowych sterów strumieniowych. Na Darze Młodzieży dla prędkości płynięcia naprzód 2,5 węzła otrzymano 50% efektywności pracy steru strumieniowego uzyskanej dla rotacji na niepłynącym naprzód statku. Dla Horyzontu II tego typu prędkość wynosi 2,7 węzła. Do takich prędkości pływania statków (2,5 w Dar Młodzieży, 2,7 w Horyzont II ) można podczas manewrów wspomagać pracę zaśrubowych sterów pracą dziobowych sterów strumieniowych. Powyżej tych prędkości skuteczność

11 W. Więckiewicz, Efektywność pracy sterów strumieniowych na Darze Młodzieży i Horyzoncie II 133 działania dziobowych sterów strumieniowych szybko maleje ze wzrostem prędkości pływania i wspomaganie działania sterów zaśrubowych pracą sterów strumieniowych nie jest skutecznie. LITERATURA 1. Baniela S., The Performance of a Tunnel Bow Thruster with Slow Speed Ahead: A Revisiting Issue, Journal of Navigation, 2009, vol Bertram V., Practical ship hydrodynamics, Butterworth-Heinemann, Oxford Beveridge J.L., Design and Performance of Bow Thrusters, Marine Technology, 1972, vol. 16., no Blanke M., Lindegaard K.P., Fossen T.I., Dynamic model for thrust generation of marine propellers, IFAC 5th conference on maneuvering and control of marine craft, Aalborg (Denmark), Aug. 2000, Elsevier, Kidlington. 5. Breivik M., Fossen T.I., A unified control concept for autonomous underwater vehicles, IEEE 2006 American Control Conference, Minneapolis (MN), Piscataway, New York Breslin J.P., Andersen P., Hydrodynamics of ship propellers, Cambridge University Press, Brix J.E. Manoeuvring Technical Manual, Seehafen, Brix J.E., Querstrahlsteuer, Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH, Hamburg 80/ Carlton J.S., Marine propellers and propulsion, 2 en ed., Butterworth-Heinemann, Oxford Chislett M.S., Bjorheden O., Influence of Ship Speed on the Effectiveness of a Lateral Thrust Unit., Hydro- og Aerodynamisk Laboratorium, Report no. 8, Kim J., Chung W.K., Accurate and practical thruster modeling for underwater vehicles, Ocean Engineering, 2006, vol Molland, A.F., Turnock S.R., Marine Rudders and Control Surfaces, Butterworth-Heinemann, Oxford Newman P., Westwood R., Westwood J., Market prospects for autonomous underwater vehicles, Exhibitions The 9th Unmanned Underwater Vehicle Showcase, Southampton, Exhibitions Ltd, London Nowicki A., Wiedza o manewrowaniu statkami morskimi, Trademar, Gdynia Palmer A., Hearn G.E., Modelling Tunnel Thrusters for Autonomous Underwater Vehicles, Fluid Structure Interactions Research Group, School of Engineering Sciences, University of Southampton Saunders A., Nahon M., The effect of forward vehicle velocity on through-body AUV tunnel thruster performance, MTS/IEEE Oceans 2002 marine frontiers, Biloxi (MI, USA), Oct IEEE, Piscataway, (NJ, USA) Sharma R., An Investigation into the Design of Bow Thrusters for Marine Vehicles, Project Report 08/2005 on Ship Design for Efficiency and Economy (SDEE), Department of Ocean Engineering and Naval Architecture, Indian Institute of Technology, Kharagpur Sharma R., Computer-aided Design of Bow Thrusters for Marine Vehicles, Technical Journal, Marine Engineering, The Institution of Engineers (India) Publications, 2006, vol Taniguchi K., Watanabe K., Kasai H., Investigation into the Fundamental Characteristics and Operating Performances of Side Thrusters, Mitsuibishi Technical Bulletin, 1966,

12 134 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 69, czerwiec 2011 BOW THRUSTERS PERFORMANCES ON S/V DAR MŁODZIEŻY AND T/V HORYZONT II Summary In the years some research works carried out over effectiveness of bow thrusters fitted in s/v Dar Młodzieży and t/v Horyzont II, owner Gdynia Maritime University. Angular velocity of rotation at zero speed of advance as well as at maneuvering speed have been measured as the result of using bow thrusters, but with vessel s rudder amidship.