Fot. 1 Zniszczenia nabrzeża w Porcie Gdynia

Transkrypt

1 LEWCZUK Łukasz 1 Czynniki zewnętrzne oraz wpływ prędkości strumieni zaśrubowych wytwarzanych przez statki samodzielnie manewrujące na bezpieczeństwo ludzi oraz konstrukcji hydrotechnicznych podczas manewrów podchodzenia i odchodzenia od nabrzeża WSTĘP W ciągu ostatnich 30 lat dzięki postępowi technologicznemu znacząco wzrosła liczba statków mogących samodzielnie wykonywać manewry podchodzenia i odchodzenia od nabrzeża na terenie portu. Brak potrzeby korzystania z usług holowników to niewątpliwa zaleta i duża oszczędność czasu i pieniędzy dla armatorów. Władze portowe dążąc do poprawy bezpieczeństwa wprowadziły ograniczenia prędkości dla statków samodzielnie poruszających się i manewrujących w danym porcie. Najczęściej jest to 20-25% maksymalnej mocy osiąganej przez daną jednostkę. W praktyce dochodzi niejednokrotnie do sytuacji, kiedy kapitan statku zmuszony jest przekroczyć dopuszczalne granice wyznaczone przez port. W przeciwnym razie mogłoby dojść do utraty sterowności jednostki, co doprowadziłoby do znacznie poważniejszych zdarzeń. Sytuacje takie mogą wystąpić podczas trudnych warunków pogodowych, jak silne wiatry, które w znacznym stopniu mogą utrudniać manewrowanie statkiem zwłaszcza podczas operacji podejścia i odejścia od nabrzeża. Ograniczenia prędkości statków manewrujących to nie jedyny sposób ochrony nabrzeża. W zależności od dostępności, preferencji oraz kosztów materiałów stosuje się technologie mające na celu umocnienie dna w rejonie cumowania statków. Do najczęściej stosowanych metod umocnienia dna zaliczyć można narzuty kamienne, wylewki betonowe, a także ułożenie płyt betonowych oraz materacy geotekstylnych wypełnionych piaskiem lub betonem. Siły hydrodynamiczne wytwarzane przez śruby nastawne oraz stery strumieniowe statków powodują obciążenia, które działają destrukcyjne na nabrzeża oraz ich podłoże. W związku z dynamicznym rozwojem krótkich podróży morskich przez statki mogące wykonywać manewry cumowania i odcumowania bez asysty holowników, powstała potrzeba dostosowania i poprawy istniejących konstrukcji hydrotechnicznych oraz opracowania bezpieczniejszych procedur określających reguły manewrowania statków w portach morskich [2]. Nastawy urządzeń napędowych i sterujących, prędkości wzdłużnej, poprzecznej, kątowej strumieni zaśrubowych, odległości od dna i nabrzeża oraz energia kinetyczna statku wpływają na efektywności i bezpieczeństwo wykonania manewru podejścia i odejścia od nabrzeża [1]. Niestety do dnia dzisiejszego nie został całkowicie rozwiązany problem kluczowy z punktu widzenia bezpieczeństwa. Granice przy jakich warunkach pogodowych (wiatr lub prąd) statki mogą samodzielnie wykonywać manewry cumowania i odcumowania zostały określone tylko na podstawie wcześniejszych doświadczeń. Stworzenie precyzyjnych procedur bezpieczeństwa określających w jakich warunkach pogodowych dany statek może samodzielnie manewrować na terenie danego portu powinno być priorytetem dla każdych służb odpowiedzialnych za bezpieczeństwo ludzi, ładunków i obiektów hydrotechnicznych w danym porcie. W trosce o bezpieczeństwo ludzi, oraz o zmniejszenie do minimum kosztów finansowych związanych z naprawą nabrzeży wciąż trwają prace nad jak najdokładniejszym określeniem wpływu prędkości zaśrubowej wytwarzanej przez napędy statków na dno nabrzeża. 1 Akademia Morska w Gdyni, Wydział Nawigacyjny; Gdynia; ul. Aleja Jana Pawła II 3. Tel: , luklew@am.gdynia.pl 3745

2 1. CZYNNIKI ZEWNĘTRZNE I ICH WPŁYW NA ZDOLNOŚĆ RUCHU STATKÓW SAMODZIELNIE MANEWRUJĄCYCH Najczęstszą metodą stosowaną przy przewidywaniu wpływu czynników zewnętrznych na ruch statku jest wykorzystanie historycznych danych statystycznych. Informacje historyczne, to ważne źródło informacji, jednak metoda ta nie jest pozbawiona wad. Dane zebrane w ten sposób mogą być zbyt ogólne i nie muszą sprawdzać się dla każdego statku. Dlatego wciąż są poszukiwane metody i dokładne modele matematyczne, które umożliwią ocenę ryzyka dowolnego manewru, dla konkretnej jednostki przy różnych warunkach pogodowych. Ważnym czynnikiem, który musi być uwzględniany przy wykonywaniu dowolnych manewrów w porcie jest wiatr. Oprócz siły wiatru istotny jest również jego kierunek. Nie ma natomiast potrzeby uwzględniania falowania wiatrowego na wodzie płytkiej w przypadku, gdy znaczący okres fali wynosi mniej niż 4 sekundy. W sytuacji, gdy okres fali jest dłuższy dochodzi do występowania kołysania bocznego i burtowego. Kołysania te znacząco wpływają na bezpieczeństwo wykonywania manewrów przez statki [1]. Fotografia 1 przedstawia sytuację z roku, kiedy to w Porcie Gdynia samodzielnie manewrujący prom Stena Spirit, uderzył w nabrzeże raniąc trzy osoby i niszcząc suwnicę oraz kontenery. Najprawdopodobniej główną przyczyną tego zdarzenia był silny podmuch wiatru, który zepchnął statek w kierunku nabrzeża. Fot. 1 Zniszczenia nabrzeża w Porcie Gdynia Do tak poważnych zdarzeń dochodzi na szczęście stosunkowo rzadko. Znacznie częściej uszkodzenia są drobniejsze ale częstotliwość ich występowania jest zdecydowanie większa. Kolejnym czynnikiem mającym istotny wpływ na bezpieczeństwo wykonania manewru jest oddziaływanie statku przepływającego w niedalekiej odległości od statku samodzielnie manewrującego. Wpływ ten zależy od wyporności, prędkości oraz od odległości między dwoma statkami. Szczególną uwagę zwraca się na statki o pojemności powyżej ton, odległości do 150 metrów i o prędkości krytycznej, powyżej której oddziaływanie na statek samodzielnie manewrujący uważa się za znaczące [1]. V kr = 1,5 + (1) Gdzie: V kr prędkość krytyczna [węzły], b kr odległość między statkami [m], B szerokość statku przepływającego obok statku samodzielnie manewrującego [m]. 3746

3 Głównym zagrożeniem dla statków samodzielnie wykonujących manewry podchodzenia i odchodzenia od nabrzeża jest zła ocena ryzyka. Błędna ocena ryzyka skutkuje brakiem możliwości wykonania poprawnego manewru ze względu na zbyt małą moc urządzeń napędowych i sterujących w określonych warunkach nawigacyjnych i pogodowych. Sytuacja ta może doprowadzić do poważnych wypadków zagrażających bezpieczeństwu ludzi, statków i obiektów portowych. 2. WPŁYW URZĄDZEŃ NAPĘDOWYCH I STERUJĄCYCH NA DNO I NABRZEŻE W celu ochrony nabrzeża tworzy się specjalne umocnienia, które spełniać muszą odpowiednie zalecenia dotyczące projektowania budowli morskich [5]. Wybór odpowiedniej technologii umocnienia dna zależy od lokalnych preferencji, dostępu do surowców oraz charakterystyki terenu. Rysunek 1 przedstawia niezależne od siebie metody ochrony dna nabrzeży. Rys. 1 Metody umocnienia dna nabrzeży Niezależnie od zastosowanej technologii umocnienia dna ulegają stopniowej degradacji. Wynika to z oddziaływania na nie zarówno czynników środowiskowych jak i strumieni zaśrubowych statków. W celu ochrony dna i nabrzeży stosuje się ograniczenia prędkości strumieni zaśrubowych pędników. Wzory empiryczne [3] pozwalają obliczyć rozkłady prędkości przy dnie nabrzeża. Parametry wejściowe zostały określone w sposób ogólny co sprawia, iż w momencie gdy mamy do czynienia ze statkami o podobnej mocy napędu ale różniącymi się urządzeniami sterującymi nie sposób jest dokładnie określić ich wpływu na konstrukcje nabrzeża. Dopiero analiza nawigacyjna, która uwzględni parametry nowego statku pozwoli skutecznie przewidzieć oddziaływanie urządzeń sterujących na umocnienia dna [1]. Jako przykład może posłużyć terminal promowy w Porcie Gdynia. Prom Stena Baltica wyposażony w dziobowe i rufowe stery strumieniowe został zastąpiony przez promy Stena Spirit i Stena Vision, które nie posiadają rufowych sterów strumieniowych. Stena Spirit i Stena Vision aby uzyskać ruch poprzeczny w celu odejścia statku od nabrzeża wykorzystują pędniki statku pracujące w rewersie. Sytuacja ta skutkuje silnym oddziaływaniem strumieni zaśrubowych na dno nabrzeża i co za tym idzie niszczeniem lub przemieszczeniem umocnień dna. Rysunek 2 przedstawia dno przy nabrzeżu promowym w Porcie Gdynia, gdzie można zaobserwować zniszczone lub poprzesuwane elementy ochrony konstrukcji nabrzeża w postaci dwutonowych materacy geotekstylnych. 3747

4 Rys. 2 Zniszczone i przesunięte materace geotekstylne przy nabrzeżu Helskie II w Porcie Gdynia [1] Najbardziej niekorzystnym wariantem z punktu widzenia eksploatacji nabrzeża jest zastosowanie napędu dwuśrubowego przy jednoczesnym braku rufowych sterów strumieniowych. Napędy azymutalne oddziaływają destrukcyjnie na dno i nabrzeże w znacznie mniejszym zakresie niż napęd dwuśrubowy [1]. Średnie prędkości przy dnie wytwarzane przez pędniki i stery strumieniowe promów dwuśrubowych dochodzą do 7m/s [3]. Rysunek 3 przedstawia zaobserwowany przez Lama rozkład prędkości osiowej, w którym wyróżniono dwie strefy formowania i uformowanego przepływu. Rys. 3 Rozkład prędkości osiowych zaprezentowany przez Lama; Rh promień piasta śruby; r 1, r 2 promienie strumieni zaśrubowych, U x,r składowe osiowe prędkości strumieni zaśrubowych [4] W celu określenia rozkładu pola prędkości wytwarzanych przez urządzenia napędowe i sterujące statków wykorzystuje się symulację numeryczną i metody CFD. Otrzymane wyniki porównuje się z danymi otrzymanymi z przeprowadzanymi badaniami na modelach rzeczywistych statków. Rysunek 4 przedstawia rozkład prędkości strumienia zaśrubowego na modelu rzeczywistym w skali prędkości 1:4 zmierzonego za sterem modelu statku zatrzymanego dla wody głębokiej i płytkiej przy różnych kątach wychylenia steru [1] 3748

5 a) b) Rys. 4 rozkład prędkości strumienia zaśrubowego dla całej naprzód, prędkości obrotowej n p = 17,08rps oraz kąta skoku skrzydeł śruby = 19 o a) dla wody głębokiej b) dla wody płytkiej. Otrzymane wyniki są zgodne z tezą o wpływie zmiany głębokości na przepływy w okolicach steru. WNIOSKI Obecne ograniczenia portowe dotyczące statków samodzielnie manewrujących oparte są głównie na danych historycznych. Zazwyczaj ograniczenia te dotyczą maksymalnych prędkości przy jakich jednostki mogą samodzielnie manewrować bez asysty holowników. Ograniczenia te są jednak zbyt ogólne, ponieważ najczęściej dotyczą wszystkich jednostek pływających bez podziału na ich rzeczywiste zdolności manewrowe oraz bez uwzględnienia jakimi urządzeniami napędowymi dysponują. Ustalana jest także stała górna granica prędkości wiatru, chociaż wiadomo, że w zależności od wielkości i budowy danego statku siła wiatru może oddziaływać na niego w sposób mniej lub bardziej istotny, co bezpośrednio przekłada się na bezpieczne wykonanie wybranych manewrów. Prowadzone badania wykazują, że granice dopuszczalnych prędkości manewrowych powinny być uzależnione od urządzeń napędowych, które posiada dany statek i zanurzenia statku. Oprócz tego powinny uwzględniać także możliwości konstrukcyjne umocnień dna, które zostały zainstalowane przy danym nabrzeżu, a także wpływ czynników zewnętrznych takich jak wiatr i jego kierunek, czy też ruch innych jednostek. Kluczowym elementem z punktu widzenia bezpieczeństwa przy manewrach podchodzenia i odchodzenia statku od nabrzeży oraz wykonywania innych manewrów na terenie portu jest stworzenie takich modeli symulacyjnych, które dla konkretnego statku i przy określonych warunkach nawigacyjnych i pogodowych byłyby wstanie poprawnie ocenić ryzyko oraz skuteczność wykonania zadanego manewru, zapewniając tym samym bezpieczeństwo członkom załogi, pasażerom, pracownikom portu, przewożonemu ładunkowi oraz konstrukcjom hydrotechnicznym. Streszczenie Artykuł przedstawia wpływ czynników zewnętrznych oraz prędkości strumieni zaśrubowych na bezpieczeństwo ludzi oraz obiektów hydrotechnicznych podczas wykonywania manewrów podejścia i odejścia od nabrzeża oraz pozostałych manewrów wykonywanych na terenie portu przez statki samodzielnie manewrujące. Dokładnie określono czynniki zewnętrzne wpływające na skuteczność manewrów oraz opisano jak prędkość strumieni zaśrubowych może wpływać na konstrukcje hydrotechniczne. W artykule przedstawiono 3749

6 metody otrzymywania prędkości strumieni zaśrubowych poprzez wykorzystanie modeli rzeczywistych i porównanie tych wyników z symulacją numeryczną i metodami CFD. External factors and the impact of jet velocity streams generated by self-maneuvering ships on the safety of people and the design of hydrotechnical structures during berthing maneuvers. Abstract The paper presents the influence of external factors and propellers and thrusters jet velocities for safety of people and hydrotechnical constructions within berthing and other port maneuvers realized by selfmaneuvering veessels. Precisely defined external factors influencing the effectiveness of maneuvers and describes how to propellers and thrusters jet velocities can affect hydrotechnical constructions. The article presents modern methods for obtaining the jet velocities through the use of real models and by comparing these results with numerical simulation and CFD methods. BIBLIOGRAFIA 1. Abramowicz- Gerigk T., Bezpieczeństwo manewrów krytycznych statków w systemie transportowym autostrady morskiej. Transport z. 83, Warszawa Abramowicz Gerigk T., Burciu Z., Lewczuk Ł., Theoretical and experimental methods for prediction the propeller jet hydrodynamic loads. Zeszyty Naukowe Akademia Morska w Szczecinie, Szczecin Gucma S., Jankowski S., Depth optimization of designed new ferry berth. 7th International symposium on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation Trans-Nav 2007, Gdynia Kee C., Hamill G, Lam W., Wilson P Investigation of the Velocity Distributions within a Ship s Propeller Wash. Proc. of the Sixteenth Int. Offshore and Polar Engineering Conference, San Francisco, California, USA, 2006, Mazurkiewicz B., Wiśniewski F., Zespół roboczy zasad projektowania budowli morskich. Morskie budowle hydrotechniczne. Zalecenia do projektowania i wykonywania Z1-Z45, wydanie V, Fundacja Promocji Przemysłu Okrętowego i Gospodarki Morskiej, Gdańsk