Zmiany ramion prostujących podczas zatapiania wysoko położonego przedziału okrętu

Transkrypt

1 Waldemar Mironiuk Akademia Marynarki Wojennej w Gdyni Zmiany ramion rostujących odczas zataiania wysoko ołożonego rzedziału okrętu. WTĘP ośród wielu czynników wływających na bezieczeństwo okrętu na morzu wyróżnia się m.in.: stateczność, wytrzymałość ogólną kadłuba, niezataialność, ochronę rzeciwożarową (bierną i czynną) oraz odorność na działanie środków bojowych rzeciwnika. Z analizy zagrożeń jednostek ływających wynika, że jednym z ważniejszych czynników bezieczeństwa morskiego jest bezieczeństwo statecznościowe. Okręt w czasie eksloatacji jest często narażony na oddziaływanie środowiska morskiego orzez zalewanie kadłuba falami morskimi, oblodzenie, działanie wiatru, dynamiczne oddziaływanie falowania, kołysanie, które dodatkowo otęgują zagrożenie bezieczeństwa statecznościowego okrętu. zczególną rolę, mającą wływ na bezieczeństwo morskie, mają okręty wojenne. Ze względu na charakter zadań jakie wykonują są one narażone na uszkodzenia, ożary i nawet zatonięcia. Okręt wojenny jest złożonym systemem technicznym, którego niezawodność znacznie wływa na zdolność bojową. Jednak jak wskazuje analiza literaturowa i raktyka morska nawet doskonale zorganizowane floty wojenne nękają wyadki i awarie okrętowe. Mogą one być rzyczyną zagrożenia życia i zdrowia załogi okrętu jak i rowadzić do całkowitej jego utraty. Uszkodzenia owstałe w wyniku wyadków i awarii owodują obniżenie zdolności bojowej okrętu. Z analizy statystycznej danych uzyskanych od Głównej Komisji ds. wyadków i awarii okrętowych MW RP wynika, że w latach zarejestrowano łącznie 55 różnego rodzaju uszkodzeń okrętowych, co średnio daje onad 7 wyadków na rok. Podczas obytu okrętu na morzu znaczne zagrożenie dla jego bezieczeństwa stanowi ożar. Rzadko owoduje on zatonięcie okrętu, jednak zniszczenia, jakie ozostawia są zazwyczaj bardzo oważne i jak zawsze, uzależnione od oziomu wyszkolenia załogi w zakresie obrony rzeciwawaryjnej. Źródłem ożaru odczas okojowej eksloatacji okrętu są zazwyczaj zwarcia w instalacjach elektrycznych, awarie urządzeń i mechanizmów, samozałon czystego tlenu w kontakcie z materiałami rooochodnymi it. Głównym środkiem gaśniczym stosowanym na okrętach jest zazwyczaj woda zaburtowa, która w dużych ilościach stanowi zagrożenia dla stateczności i niezataialności okrętu. Dlatego w racy główny nacisk ołożono na określenie wływu zalania rzedziałów wysoko ołożonych na ołożenie i bezieczeństwo statecznościowe okrętu. Przedstawione w racy wyniki obliczeń zawierają informacje o ilości wody w rzedziale owodującej ogorszenie stateczności okrętu. 2. CHARAKTERYTYKA OKRĘTU ZKOLNEGO Wybrany do badań okręt szkolny jest okrętem flagowym zesołu jednostek szkolno badawczych Marynarki Wojennej RP. Badany okręt odzielony jest dziesięcioma orzecznymi grodziami wodoszczelnymi na rzedziałów wodoszczelnych usytuowanych na wręgach: 3, 6, 25, 35, 50, 60, 7, 80, 9, 0. Taki odział zaewnia zachowanie niezataialności o zatoieniu dwóch sąsiednich rzedziałów za wyjątkiem zatoienia rzedziału siłowni głównej i siłowni omocniczej. Ponieważ okręt ływa w różnych akwenach morskich, więc i w zmiennych, niebeziecznych warunkach ogodowych gdzie ryzyko uszkodzeń jest duże, analiza stateczności awaryjnej o zatoieniu wysoko ołożonych omieszczeń była odstawowym zagadnieniem rzedstawionym w artykule. Charakterystyka ogólna okrętu: wymiary główne: długość całkowita: L c =72,20m, w.mironiuk@amw.gdynia.l Logistyka 4/

2 długość miedzy ionami: L =L=64,20m, szerokość maksymalna: B max =2,00m, szerokość: B=,60m, wysokość boczna: H=5,55m. Rys.. Fotografia okrętu szkolnego Źródło: [9]. Obliczenia stateczności rzerowadzano dla wyorności ełnej bez oblodzenia. tan ten charakteryzuje się nastęującymi wielkościami: wyorność: D=745,34t, rzędna środka masy od łaszczyzny odstawowej: z G =4,3m, zanurzenia rufy: T R =3,97m, zanurzenie dziobu: T D =4,05m, zanurzenie średnie: T śr =4,0m, rzegłębienie: t=0,08m, wysokość metacentrum od łaszczyzny odstawowej: z M =5,44m, wysokość metacentryczna: GM=,3m, rędkość: =6,8w wsółrzędne środka masy: x G =29,649 m od ionu rufowego, y G =-0,007 m od łaszczyzny symetrii, z G =4,34 m od łaszczyzny odstawowej []. 3. OBLICZENIA POŁOŻENIA OKRĘTU PO ZATOPIENIU PRZEDZIAŁU Wdarcie się wody do wnętrza kadłuba okrętu i zatoienie rzedziału lub zbiornika ociąga za sobą zwiększenie zanurzenia okrętu, możliwość wystąienia rzechyłu i rzegłębienia oraz zmianę stateczności. Zmiana ta może orawić lub ogorszyć warunki ływania okrętu. W ewnych rzyadkach wystęujące zmniejszenie stateczności może zagrozić bezieczeństwu okrętu i załogi a nawet sowodować jego rzewrócenie. Dla uniknięcia tego rodzaju wyadków konieczne jest srawdzanie stateczności okrętu uszkodzonego i zastosowanie odowiednich środków zaradczych. Zalanie wysoko ołożonego rzedziału lub kilku rzedziałów owoduje zawsze ogorszenie się stateczności okrętu. W konsekwencji może wystąić zmiana wysokości metacentrycznej oraz wartości 698 Logistyka 4/205

3 ramion rostujących. W racy rzedstawiono w ływ zatoienia rzedziału na wartości ramion rostujących. W obliczeniach stateczności uwzględniono okręt, na który rzyjęto masę m w unkcie A (X, Y, Z) jak na rysunku 2 [, 2, 3]. Rys. 2. chemat ołożenia okrętu o rzyjęciu masy m w unkcie A Źródło: [, 2, 3]. Początkowo założono rzyjęcie masy tak, by jej środek znalazł się ionowo onad środkiem owierzchni ola rzekroju wodnicowego WO w unkcie A (X, 0, Z). Można wówczas obliczyć [, 3, 4]: rzyrost zanurzenia według wzoru: m T = () F WO nową orzeczną wysokość metacentryczną według wzoru: nową wzdłużną wysokość metacentryczną według wzoru: m T G M = GM + T + Z GM (2) D + m 2 m G M L = GM L (3) D + m W kolejnym etaie rzesunięto masę z ołożenia urojonego na miejsce rzeczywiście zajmowane: w kierunku orzecznym o odległość e=y-y =Y-0=Y, w kierunku wzdłużnym o odległość l=x-x. Kąt rzechyłu okrętu obliczono ze wzoru: Logistyka 4/

4 m Y tgϕ = (4) ( D + m ) G M a rzegłębienie okrętu ze wzoru: tg m ( X X ) Ψ = (5) D GM L Nowe zanurzenie dziobu i rufy określa się równaniami: T d = Td + T + Td (6) T = T + T + T r r r (7) ostatecznie otrzymano: T d = T d + m F WO L + X 2 m ( X X ) D GM L (8) T r = T r + m F WO L + X 2 m ( X X ) D GM L (9) 3.. Wływ owierzchni swobodnej na stateczność okrętu Wystęowanie swobodnej owierzchni cieczy o częściowym zatoieniu rzedziału owoduje zmniejszenie wysokości metacentrycznej oraz ramion rostujących okrętu. Zmniejszenie to zależy m.in. od kształtu i wielkości tej owierzchni. Wływ swobodnej owierzchni cieczy na stateczność okrętu określono dla okrętu rzechylonego do kąta φ. chemat zbiornika częściowo wyełnionego cieczą o gęstości właściwej i o objętości v rzedstawiono na rys. 3. Masę rzyjętej cieczy w zbiorniku określono zgodnie ze wzorem (0) [, 3, 4]: m = v (0) Rys. 3. Przekrój orzeczny kadłuba z owierzchnią swobodną w zbiorniku Źródło: [2, 8]. 700 Logistyka 4/205

5 Przy dowolnym kącie rzechyłu ciecz w zbiorniku rzelewa się na burtę, a jej owierzchnia układa się równolegle do owierzchni wody za burtą okrętu, rzybierając ołożenie WO. Środek masy cieczy, który w ołożeniu wyrostowanym okrętu znajdował się w unkcie g, rzesunie się do unktu g wskutek zmiany kształtu wyełnionej łynem objętości. Kształt zbiornika w rzekroju orzecznym okrętu rzyomina rostoadłościan. Środek masy cieczy g rzesuwa się o łuku okręgu ze środkiem w unkcie n (odobnie jak rzesuwał się środek wyoru F o łuku ze środkiem krzywizny w metacentrum M). Zatem odległość gn można wyrazić wzorem [, 3, 4]: ib gn = () v w którym: i b moment bezwładności swobodnej owierzchni cieczy w zbiorniku względem osi wzdłużnej, równoległej do łaszczyzny symetrii okrętu i rzechodzącej rzez środek masy tej owierzchni [m 4 ], v objętość łynu w zbiorniku [m 3 ]. Ponieważ rzy małych kątach rzechyłu kierunki działania siły ciężkości cieczy rzechodzą rzez unkt n, zatem wływ swobodnej owierzchni cieczy w zbiorniku na wysokość metacentryczną okrętu będzie identyczny z wływem, jaki wywołałoby rzesunięcie stałej masy (równej ciężarowi cieczy), której środek rzeszedł z unktu g do unktu n. Rzeczywiste rzesunięcie się rzy rzechyle środka masy łynu gg sowoduje równoległe rzesunięcie się środka masy okrętu z unktu G do unktu G, ociągnie to za sobą zmniejszenie się ramienia rostującego GZ a tym samym zmniejszenie stateczności. Kierunek działania siły ciężkości rzy rzechyle będzie więc rzechodził rzez unkt G, rzecinając łaszczyznę symetrii okrętu w unkcie G. W zakresie małych kątów unkt G jest stały. Zmniejszenie zatem wysokości metacentrycznej wskutek rzesunięcia się środka masy okrętu z unktu G do unktu G będzie takie same, jak w wyniku rzesunięcia się środka masy do unktu G. Z tego też owodu unkt ten nazywamy ozornym środkiem masy. Pozorne rzesunięcie środka masy okrętu z unktu G do G wywołane jest ozornym rzesunięciem środka masy cieczy z unktu g do unktu n. tąd też odległość GG wyliczana jest wzorem[, 3, 4]: ib v v ib GG = gn = = (2) v Ponieważ umowne rzesunięcie masy cieczy zawsze ma kierunek ionowy i skierowane jest ku górze, to towarzyszy temu zmniejszenie wysokości metacentrycznej G M : ostatecznie: G M = FM FG GG J B = FG ib (3) G M = J B i b FG (4) W rzyadku, gdy gęstość cieczy jest równa gęstości wody zaburtowej (n. gdy zbiorniki naełnione są wodą morską) owyższy wzór ma ostać: J B ib G M = FG (5) Logistyka 4/205 70

6 Przy większej liczbie zbiorników niezuełnie naełnionych cieczami o różnych gęstościach wływ swobodnych owierzchni sumuje się zgodnie ze wzorem: n k J B ibk k= G M = (6) Jak wynika z owyższych wzorów, obecność swobodnej owierzchni owoduje zmniejszenie wysokości metacentrycznej okrętu, rzy czym zmniejszenie to zależne jest od momentów bezwładności swobodnych owierzchni. Dotyczy to szczególnie okrętów rzeznaczonych do rzewozu ładunków łynnych (zbiornikowców). Przyjęcie na okręt ładunku łynnego, ołączone z wystąieniem swobodnej owierzchni, wływa na zmianę ołożenia środka masy okrętu i tym samym na wysokość metacentryczną GM oraz wartość ramion rostujących GZ. Z tego też względu używanie n. większej ilości wody do gaszenia ożarów na górnych okładach owoduje rzesunięcie środka masy okrętu w górę a w ołączeniu z wystąieniem swobodnych owierzchni może sowodować utratę stateczności i rzewrócenie okrętu. Dla dużych kątów rzechyłu (owyżej 7 ) stateczność okrętu określa się na odstawie krzywych ramion rostujących (krzywa Reeda). Krzywa ta ozwala określić wielkość ramienia rostującego dla dowolnego kąta rzechyłu danego okrętu rzy niezmiennej wyorności oraz niezmiennym ołożeniu środka masy. Z Rys. 4. Ramię stateczności kształtu i masy, N ozorne metacentrum Gdzie: [2, 8] Wartość ramienia rostującego GZ wyznaczana jest z nastęującego wzoru [, 3, 4]: GZ = KC KL (7) gdzie: KL = *sinϕ (8) Z g wysokość środka masy [m], KL ramię stateczności masy [m], Z g 702 Logistyka 4/205

7 KC ramię stateczności kształtu [m]. Wzór (7) można rzedstawić nastęująco: GZ = KC *sinϕ (9) Do określenia ramienia rostującego dla dowolnego kąta rzechyłu niezbędna jest znajomość wartości ramienia stateczności kształtu, która zmienia się w zależności od kąta rzechyłu. Wartość tą odczytuje się z tzw. wykresu Pantokaren, który oracowany jest na etaie rojektowania okrętu. Krzywa Reeda (rys. 5) będąca wykresem ramion rostujących stanowi informację o odstawowych arametrach stateczności okrętu takich jak: φ GHmax kąt, rzy którym wystęuje maksymalna wartość ramienia rostującego [ ], GZ max maksymalne ramię rostujące [m], φ r kąt zakresu krzywej ramion rostujących [ ], GM wysokość metacentryczna [m]. Momenty bezwładności stałych elementów konstrukcyjnych znajdujących się w omieszczeniu uwzględniono w obliczeniach momentu bezwładności całej bryły Wływ owierzchni swobodnych na ramoina rostujące W obliczeniach stateczności okrętu uwzględniono wływ momentu bezwładności ochodzącego od owierzchni swobodnej zatoionego rzedziału. Przyjęto, że owierzchnie omieszczenia zalewanego wodą ma kształt rostokąta. Wływ swobodnej owierzchni cieczy na krzywą Reeda uwzględniono orzez tzw. orawkę oznaczoną symbolem X [, 3, 4]: gdzie: y ( ϕ) i ( ϕ) G gdzie: D m i G [ y g ( ϕ )] i i g ( ) i Z g [ y G ( ϕ) ϕ + z ( ϕ) sinϕ] X = cos G (20) Z składowe rzesunięcia środka masy okrętu rzy rzechyle do kąta φ[m], y z G G n [ y ( ϕ) ] mi g i i= ( ϕ ) = (2) D ( ) n [ z ( ϕ) ] mi g i i= ϕ = (22) D wyorność okrętu wraz z ładunkiem łynnym [t], masa ładunków łynnych w oszczególnych zbiornikach [t], [ z ϕ ] składowe rzesunięć środków masy cieczy w zatoionych rzedziałach rzy rzechyle do kąta φ [m] [,4]. Parametry te zostały obliczone rzy wykorzystaniu oracowanego rogramu komuterowego. Program ten rzystosowany jest do obliczeń arametrów statecznościowych dla konstrukcji ływającej w kształcie ontonu rostoadłościennego. Po określeniu orawki od swobodnej owierzchni cieczy nowa wartość ramion rostujących G Z określana jest z zależności (23) [, 3, 4]: = ( ) (23) G Z GZ X φ Logistyka 4/

8 Na odstawie wzoru 23 dokonano obliczeń i analizy wartości ramion rostujących okrętu o zatoieniu rzedziału okrętowego Wyniki obliczeń stateczności okrętu z zatoionym rzedziałem Pierwszy eta obliczeń rzerowadzono dla rzedziału nawigacyjnego znajdującego się na wysokości 0,2m od łaszczyzny odstawowej. Przedział ten o wymiarach: szerokość 8,64m i długość 9,49m osiada ole owierzchni, o uwzględnieniu jego wyosażenia, równe 47,6m 2. Przedział ten zalewano do określonych wysokości wody H. Na rysunku 5 rzedstawiono wływ wysokości wody w rzedziale na rzebieg krzywej Reeda. Z analizy rzebiegu zmian wartości ramion rostujących o zatoieniu rzedziału wynika, że dla wysokości wody w rzedziale H=,2m i H=,6m krzywa ramion rostujących rzecina oś rzędnych rzy kątach odowiednio φ = i φ 2 =22. Wysokości metacentryczne w zakresie tych kątów rzyjmują wartości ujemne. 0,9 0,8 0,7 0,6 Ramię rostujące GZ [m] 0,5 0,4 0,3 0,2 0, φr -E , GM -0,2-0,3-0,4-0,5-0,6-0,7 φs φs2 rad kąt rzechyłu φ [ ] tan oczątkowy Dla wysokości wody w rzedziale H=0,m Dla wysokości wody w rzedziale H=0,4m Dla wysokości wody w rzedziale H=0,8m Dla wysokości wody w rzedziale H=,2m Dla wysokości wody w rzedziale H=,6m Rys. 5. Wływ wysokości wody w rzedziale na krzywą Reeda. 704 Logistyka 4/205

9 4. WNIOKI W wyniku rzerowadzenia analizy stateczności o zatoieniu wysoko ołożonych rzedziałów otrzymano nastęujące wnioski:. Zatoienie wysoko ołożonych rzedziałów owoduje: zmniejszenie wartości wysokości metacentrycznej GM, zmniejszenie wartości ramion rostujących GZ, wzrost wartości kąta stałego rzechyłu φ. 2. Zatoienie rzedziału do wysokości wody H=,2m owoduje utratę stateczności oczątkowej. Przy mniejszych wysokościach wody w rzedziałach okręt zachowuje stateczność oczątkową dodatnią, ale zakres ramion rostujących zmniejsza się z ok. 95º do ok. 65º treszczenie, W artykule rzedstawiono zagadnienia obliczeniowe stateczności okrętu szkolnego z wysoko zatoionym rzedziałem okrętowym. Określono algorytm obliczeń stateczności statycznej z uwzględnieniem owierzchni swobodnej o zatoieniu wysoko ołożonego rzedziału okrętu szkolnego. Na odstawie wyników obliczeń odstawowych arametrów stateczności okrętu wykonano wykres krzywej ramion rostujących dla różnych oziomów cieczy w zatoionym rzedziale okrętowym. Dokonano analizy otrzymanych wyników oraz sformułowano odowiednie wnioski. łowa kluczowe: stateczność okrętu, wysokość metacentryczna, kąt rzechyłu, ramię rostujące. The effect of shi high altitude flooded comartment on the shi righting lever Abstract The aer resents the stability comutational issues of training shi with high flooded shi comartment. The algorithm of comuting static stability was determined with regard to the free surface after the flooding of high altitude comartment of the training shi. Based on the calculation results of shi basic stability arameters the lot of righting lever for different levels of liquid in the flooded shi s comartment was made. The analysis of the obtained results and formulation of the suitable conclusions were done. Key words: shi stability, matacentric height, angle of heel, righting lever. LITERATURA [] Kabaciński J.: tateczność i niezataialność statku, Gdańsk 995. [2] Chabowski A.: Analiza stateczności awaryjnej okrętu tyu 888. AMW. Gdynia [3] Derett D. R.: hi stability for Masters and Mates, BH. Oxford, UK, [4] Dudziak J.: Teoria okrętu, Wydawnictwo Morskie, Gdańsk [5] Jakus B., Korczewski Z., Mironiuk W., zyszka J., Wróbel R.: Obrona rzeciwawaryjna okrętu, cz., Gdynia 200. [6] Mironiuk W.: Preliminary research on stability of warshi models, COPPE Brazil, Rio de Janeiro, [7] Mironiuk, W., Pawlędzio, A., Wróbel, R. Trenażer do walki z wodą. Przegląd Morski nr 5 Gdynia [8] Mironiuk W., Pawlędzio A., Wróbel R.: Analiza stateczności statycznej ontonu rostoadłościennego o wymiarach LxBxH. Zeszyty naukowe AMW. Gdynia [9] Mironiuk W., Pawlędzio A., Zacharewicz M.: Badania modelowe stateczności i niezataialności okrętów. AMW Gdynia [0] Mironiuk W., Pawlędzio A.: Modelling studies of the roll and the itch training shi. Maritime Transort & hiing, London, UK, 203. Logistyka 4/