PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO nr 17 AKADEMIA MORSKA W GDYNII 2005 SHIVANDRA SINGH JANUSZ PAROLCZYK ARKADIUSZ ŁUKASZEWICZ SŁAWOMIR WOŹNICA Jaka katedra DOBÓR PRĘDKOŚCI BEZPIECZNEJ STATKU DO PRZEWOZU KONTENERÓW IV GENERACJI NA TORZE PODEJŚCIOWYM DO PORTU GDYNIA WSTĘP Międzynarodowa konwencja o zapobieganiu zderzeniom na morzu 1972 ratyfikowana przez Polskę oraz przepisy lokalne obowiązujące na redzie i torze podejściowym do portu Gdynia zobowiązują nasz kraj do zapewnienia pełnej i efektywnej informacji dotyczącej bezpiecznej żeglugi w obszarach portów polskich. Bezpieczna żegluga to pełny obraz sytuacji nawigacyjnej, hydrometeorologicznej oraz manewrowej statku. Niezwykle istotnym czynnikiem wpływającym na bezpieczeństwo statku jest tzw. prędkość bezpieczna, prawidłowo wykonane manewry na torze podejściowym oraz podczas podejmowania pilota. Celem artykułu jest określenie prędkości bezpiecznej oraz optymalnych manewrów podjęcia pilota dla statku do przewozu kontenerów IV generacji o pojemności 4500 TEU na torze podejściowym do portu Gdynia. Badania zachowania się statku zostały wykonane przy wykorzystaniu symulatora manewrowego VSHIP 2000. Przy użyciu symulatora manewrowego po uwzględnieniu Zarządzenia porządkowego Nr 5 Dyrektora Urzędu Morskiego w Gdyni z dnia 09 maja 2003r.) został zaprojektowany i wykonany tor podejściowy na którym przeprowadzono szereg prób w różnych warunkach wiatrowych. Próby były wykonywane przy różnych nastawach telegrafu maszynowego (CN Cała naprzód, PN Pół naprzód, WN Wolno naprzód, BWN Bardzo wolno naprzód). Dokładny opis przeprowadzonych badań jest przedstawiony w rozdziale 5 Pomiary. 110
1. CHARAKTERYSTYKI MANEWROWE STATKU Próby manewrowe (The Wheelhouse Poster), wykonywane po wyjściu statku ze stoczni, uwzględniają charakterystyki manewrowe statku przy jego stanie balastowym, które w przybliżony sposób odzwierciedlają zdolności manewrowe statku. Dane statku przedstawione w tabeli 1, nastawy telegrafu maszynowego w tabeli 2 oraz opisano następujące charakterystyki manewrowe dla statku załadowanego w 100%: cyrkulacja (wykonana na obie burty przy prędkości PN i CN (rys. 1), zatrzymanie awaryjne (crash stop) przy prędkości CN i PN. Próba cyrkulacji polega na wykonaniu zwrotu o 360 przy określonym wychyleniu steru (w tym przypadku 35 ). Dla badanego statku taktyczna średnica cyrkulacji wynosi 670 metrów przy zwrocie na prawą burtę i 660 na lewą (rys.1) dla CN. Natomiast dla PN taktyczna średnica cyrkulacji w prawo wynosi 652 metry, a w lewo 639 metrów (rys.1). Cyrkulacje przy CN i PN wykonane w prawo są o około 2% większe. Spowodowane to jest tym, że statek wyposażony jest w stałą śrubę prawoskrętną. Dane statku Tabela 1 Długość [m] 283,0 Szerokość [m] 37,1 Zanurzenie [m] 11,2 Wyporność [T] 71085 Prędkość [w] 23,20 Typ silnika Diesel Liczba śrub 1 Typ śruby stała, prawoskrętna Liczba sterów 1 Typ steru Horn Max. wychylenie steru [ ] 35 Ster strumieniowy Dziobowy Moc steru strumieniowego [KM] 1961 Tabela 2 Nastawy telegrafu maszynowego Nastawa telegrafu Obroty [1/min] Prędkość [węzły] Cała Naprzód 105 23,2 Pól Naprzód 71 14,8 Wolno Naprzód 51 10,2 B. Wolno Naprzód 30 5,4 Cała Wstecz -72-11,35 111
Rys.1 Cyrkulacja w prawo i lewo dla CN i PN Efekt działania siły bocznej śruby jest szczególnie widoczny w przypadku manewru zatrzymania awaryjnego. Siła boczna śruby powoduje zmianę kursu statku na prawą burtę. Odległość konieczna do zatrzymania statku wynosi: 1350 metrów dla prędkości początkowej CN (23,2 w), 580 metrów dla prędkości początkowej PN (14,8 w). W próbie awaryjnego zatrzymania statku (crash stop) z CN na CW czas przerewersowania silnika wynosi 48 sekund. Zaś czas osiągnięcia maksymalnych obrotów wstecz 68 sekund. Przesunięcie boczne to zaledwie 29 metrów 78% szerokości statku. Dla prędkości początkowej 14,8 w czas przesterowania silnika wynosi 32 sekundy, a osiągnięcia maksymalnych obrotów wstecz 64 sekundy. Przesunięcie boczne to 5 metrów, co stanowi zaledwie 13,5% szerokości badanego statku. 2. PRZEPISY LOKALNE Urząd Morski w Gdyni opracował przepisy dotyczące portu Gdynia, jego redy i toru podejściowego. W odniesieniu do omawianego statku są one następujące: Prędkość bezpieczna poza portem powinna być nie większa niż 7 węzłów. Za zgodą kapitanatu portu można poruszać się z większą prędkością celem wykonania bezpiecznych i prawidłowych manewrów. 112
Ruch statków o długości powyżej 150 m w Kanale Południowym dopuszczalny jest przy zachodnim wietrze o sile nieprzekraczającej 5 B oraz 3 B przy wietrze wschodnim. Statki o długości powyżej 170 m obowiązane są do korzystania z pomocy co najmniej 3 holowników. Statki o długości powyżej 60 m zobowiązane są do korzystania z usług pilota. Statki przewożące ładunki niebezpieczne lub o zanurzeniu powyżej 9 m winny być obsadzane przez pilota przy pławie GD lub na właściwym, wyznaczonym kotwicowisku. 3. TOR PODEJŚCIOWY DO PORTU GDYNIA Tor podejściowy do portu Gdynia wyznaczony jest trzema bojami: Hel, GN i GD. Pozycje poszczególnych boi są następujące: Boja Hel φ = 54 35,50 N, λ = 018 53,40 E; Boja GN φ = 54 31,91 N, λ = 018 47,99 E; Boja GD φ = 54 32,07 N, λ = 018 39,84 E. Cały tor można podzielić na dwie części: pierwsza część pomiędzy bojami Hel GN, a druga pomiędzy bojami GN GD. W pierwszej części szerokość toru wynosi 0,75 Mm, kurs rzeczywisty statku wchodzącego do portu 221,1. Głębokości w torze wynoszą od 77,0 m przy boi Hel do 37,0 m przy boi GN. Głębokości wokół tego odcinka toru są zbliżone do głębokości w torze. Natomiast w drugiej części szerokość toru wynosi 0,50 Mm, a kurs rzeczywisty statku wchodzącego 272,0. Głębokości zarówno w torze wodnym, jak i poza nim wynoszą: przy boi GN 37,0 m i maleją do 25,0 m przy boi GD. Miejsce brania pilota jest na zachód od boi GD w odległości 0,20 Mm. 4. WARUNKI HYDROMETEOROLOGICZNE 4.1 Kierunki wiatrów Na podstawie opracowania Warunki Środowiskowe Polskiej Strefy Południowego Bałtyku w 2000 roku [3], można wywnioskować, że roczny przebieg częstości występowania wiatrów na wybrzeżu polskim, w tym w Zatoce Gdańskiej, nie odbiega od rozkładów występowania kierunków wiatrów z lat 1961 1990. Dla przykładu w okolicach Helu w 2000 roku dominowały wiatry S (17,7%); SW (13,0%) i W (19,0%). Poniżej zostały przedstawione tendencje kierunków wiatru na podstawie badań przeprowadzonych na Helu w 2000 roku. W styczniu i lutym wiatry wiały głównie z kierunków zachodnich (ponad 30%). Charakterystyczny był 113
brak cisz oraz niewielki udział wiatrów z kierunków NE-E-SE (od 0% do 2,4%). W miesiącach tych można było zaobserwować pięciokrotnie większą niż przeciętnie częstość wiatrów z kierunków północnych. W marcu dominowały głównie wiatry z kierunków SW-W-NW, zaś kilkakrotnie rzadziej niż w wieloleciu były wiatry z sektora SE. W kwietniu przeważały wiatry z sektorów E-SE-S oraz N. Częstość wiatrów SE i N była dwukrotnie wyższa niż w wieloleciu. W maju układ wiatrów nie odbiegał od przeciętnego. Udział cisz był równy średniemu z wielolecia. W miesiącach letnich od czerwca do sierpnia przeważały wiatry zachodnie (25 33%), a ich liczba była dwukrotnie większa od układu przeciętnego z wielolecia. Jedynie układ wiatrów z sektora NE był dwa razy mniejszy od układu średniego. We wrześniu przeważały wiatry z sektorów E-SE-S. Charakterystyczne tendencje do występowania wiatrów dotyczyły wiatrów wschodnich, które były czterokrotnie większe, oraz południowo-wschodnich (dwukrotnie większe). Natomiast tendencja do występowania wiatrów zachodnich, południowo-zachodnich i cisz była dwukrotnie mniejsza w porównaniu z układem wieloletnim. W ostatnich trzech miesiącach roku zdecydowaną przewagę miały wiatry południowe w październiku 28%, w listopadzie 40%, w grudniu 39%. Wiatry te występowały dwukrotnie częściej niż w wieloleciu. Dodatkowo w październiku i listopadzie dwa razy większa była tendencja do występowania wiatrów południowo-wschodnich oraz około dwu- trzykrotnie niższy udział wiatrów zachodnich i północno-zachodnich. W listopadzie nie odnotowano ani jednego dnia bezwietrznego. 4.2 Siła wiatru W okolicach Helu występują przede wszystkim wiatry słabe poniżej 4ºB (80,4%) oraz wiatry silne powyżej 6 B (0,9%). Średnia roczna wartość wiatru w Gdyni w 2000 roku wyniosła 4,0 m/s. Dla przykładu w roku poprzednim była dokładnie taka sama. Na Helu występowały wiatry o podobnej wartości i średnia siła wiatru wyniosła w 2000 roku 3,9%. Przeważały ujemne odchylenia średnich miesięcznych prędkości wiatru od średnich wieloletnich (od 2,2 do 0,1 m/s). Jedynie w marcu średnia prędkość wiatru była o 0,3 m/s większa, a w czerwcu była równa średniej wieloletniej. Wartości wiatrów na Helu w 1999 roku były następujące: zima 4,4 6,2 m/s, wiosna 3,5 3,8 m/s, lato 3,0 3,5 m/s i jesień 3,2 5,0 m/s. Natomiast w 2000 roku ich prędkości przedstawiały się następująco: zima 3,5 5,4 m/s, wiosna 3,0 5,1 m/s, lato 2,9 3,7 m/s i jesień 3,3 4,0 m/s. W 1999 roku najwyższe prędkości wiatru w Ustce i na Helu 4 grudnia wynosiły 23 m/s, natomiast w Gdyni 14 m/s. Oprócz tego drugorzędne maksimum zanotowano w Gdyni 4 lutego i 18 kwietnia. Największe odnotowane prędkości wiatru w porywach powyżej 15 m/s w 1999 roku odnotowano na Helu we wszystkich miesiącach oprócz maja, lipca i września. Najwięcej dni z wiatrami w porywach powyżej 15 m/s odnotowano na Helu w grudniu, lutym, październiku i styczniu. Największy wiatr na Helu występował 114
3 i 4 grudnia 1999 i wynosił on 37 m/s; 3 i 4 lutego wiatr dochodził do 32 m/s i 25/26 stycznia do 25 m/s. Dla porównania w 2000 roku najwyższe średnie prędkości wiatru odnotowano 18 stycznia w Gdańsku Porcie Północnym (18 m/s) oraz 31 stycznia na Helu (16 m/s) i w Gdyni (13 m/s). 4.3 Prądy Biorąc pod uwagę aspekt prądów w basenie podejściowym do portu Gdynia, wartości występujących prądów powierzchniowych i przydennych są nieznaczne i dlatego one nie zostały uwzględnione w pomiarach. Z opracowań Rocznika Meteorologicznego oraz Warunków Środowiskowych polskiej strefy południowego Bałtyku w 2000 roku wynika, że wartości prądów powierzchniowych nie przekraczają 0,5 węzła w okresie zimowym i 0,2 węzła w okresie letnim. 5. POMIARY Wszystkie pomiary potrzebne do ustalenia prędkości bezpiecznej oraz właściwości manewrowych badanego statku zostały wykonane przy wykorzystaniu symulatora manewrowego VSHIP 2000. W tym celu został stworzony tor podejściowy do portu Gdynia wiernie odzwierciedlający warunki rzeczywiste panujące na tym akwenie oraz wymogi związane z przepisami lokalnymi. Obiektem badanym był kontenerowiec pod załadunkiem (4500 TEU). Przeprowadzone symulacje miały na celu wyznaczenie wartości prędkości bezpiecznej dla poruszania się w tym torze, jak również określenie właściwości manewrowych statku w ciężkich warunkach meteorologicznych. Badania polegały na zasymulowaniu zachowania się obiektu w różnych warunkach meteorologicznych ze szczególnym uwzględnieniem wpływu siły i kierunku wiatru. Efektem tych badań jest szereg charakterystyk przedstawiających trajektorię ruchu obiektu. Sam pomiar polegał na przeprowadzeniu statku torem podejściowym od boi HEL (kurs 221 ) do boi GN, a następnie na zmianie kursu statku na 272. Punktem kończącym pomiar było minięcie boi GD z jednoczesnym ustaleniem prędkości bezpiecznej potrzebnej do podjęcia pilota (5 węzłów). Wszelkie komendy związane zarówno z utrzymaniem, jak i zmianą kursu, były symulowane przy użyciu autopilota. W warunkach rzeczywistych autopilot jest wyłączony, a statkiem steruje manualnie sternik manewrowy. Natomiast w przypadku tych badań użycie autopilota było najskuteczniejszym sposobem dzięki temu warunki dla wszystkich pomiarów były jednakowe oraz uniknięto błędów przypadkowych, w tym ludzkich. Zależałyby one w głównej mierze od doświadczenia i kwalifikacji osób sterujących statkiem. Dodatkowy wpływ na jednoznaczność otrzymanych wyników miały: prędkość początkowa oraz identyczne położenie statku dla każdego z pomiarów. 115
Utrzymanie tych parametrów na tym samym poziomie pozwala na łatwe porównanie zachowania się statku w różnych warunkach meteorologicznych. Warunki te nie miały widocznego wpływu na zachowanie się obiektu w torze pomiędzy boją HEL i GN. Nowy punkt początkowy został obrany w odległości 750 metrów od lewego trawersu boi GN (około trzech długości statku) dokładnie na środku toru. Parametr ten był stały dla wszystkich dalszych pomiarów. W miejscu tym statek był ustawiony na kursie początkowym 221. Wraz z uruchomieniem symulacji wydano komendę zmiany kursu na 272. Po ustabilizowaniu się kursu zmniejszono prędkość statku do wartości 5 węzłów w celu podjęcia pilota. Parametrami zmiennymi w tym przypadku były: prędkość początkowa statku (tab. 2.), prędkość wiatru (5, 10, 15, 20 węzłów), kierunek wiatru (N, NE, E, SE, S, SW, W, NW), maksymalne wychylenie steru (5, 10, 15, 20, 35 ). Rezultatem pomiarów jest zbiór charakterystyk przedstawiających trajektorię ruchu statku przy jednoczesnym oddziaływaniu wyżej wymienionych parametrów na jego ruch. 5.1 Pogoda bezwietrzna Pomiary przy pogodzie bezwietrznej były wykonane dla prędkości początkowej Cała Naprzód, Pół Naprzód, Wolno Naprzód i Bardzo Wolno Naprzód. Dla każdej prędkości zmieniano maksymalny kąt wychylenia steru do wartości 5, 10, 15, 20, 35. Trajektorie ruchu statku dla prędkości CN są przedstawione na rysunku 2 i 3. 35 10 20 15 5 GN Rys. 2 Trajektorie ruchu statku dla prędkości CN (23,2 w) przy wartości ograniczenia kąta wychylenia steru 5, 10, 15, 20, 35 Z przeprowadzonych badań można dojść do następujących wniosków: Dla prędkości CN i ustawienia maksymalnego wychylenia steru 5 statek wychodzi z lewej strony toru podejściowego (rys. 2). Jest to spowodowane 116
zbyt dużą prędkością statku (23 węzły). Siła, jaka powstaje na sterze, odpowiedzialna za zmianę kursu statku, jest za mała, aby w odpowiednio krótkim czasie zmienić kurs statku. Wychylenie steru do kąta 35 powoduje duże myszkowanie statku, długi czas stabilizacji kursu oraz zmniejszenie jego prędkości do wartości 15 węzłów. Kolejnym mankamentem tego manewru jest powstanie znacznego przechyłu na lewą burtę, dochodzącego do 8. Dla pozostałych prędkości, niezależnie od nastawy steru, statek mieści się w torze. Zmniejszanie prędkości powoduje zacieśnienie skrętu statku. Zalecane byłoby opóźnienie manewru zmiany kursu dla niższych prędkości. Przechyły statku nie dochodzą do wartości większych niż 4 (dla wychylenia steru 35 ). Efekt myszkowania jest niezauważalny. Przy każdej nastawie telegrafu możliwe jest wykonanie manewru zmniejszenia prędkości statku do 5 węzłów, a nawet zatrzymanie go w celu podjęcia pilota. Statek charakteryzuje się dużą statecznością (stabilnością) kursową. WN PN CN GN Rys. 3. Trajektorie ruchu statku dla steru wychylonego do wartości maksymalnej 10, przy prędkościach CN, PN, WN 6.2 Wpływ wiatru Badanie wpływu wiatru na ruch statku zostało wykonane dla pełnego zakresu prędkości statku i wychylenia steru. Do pomiaru zostały przyjęte następujące wartości wiatru: 5, 10, 15, 20 węzłów z kierunków N, NE, E, SE, S, SW, W, NW. Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić: Dla wiatrów o sile nie przekraczającej 10 węzłów wpływ na zmianę trajektorii, w porównaniu do pogody bezwietrznej, jest niewielki. Nie zauważa się znaczących różnic w zachowaniu statku mimo tego, że posiada on dużą powierzchnię boczną, na którą składają się wolna burta, kontenery na pokładzie i nadbudówka statku. Działanie wiatru nie wpływa również na 117
stabilność kursu pomiędzy boją GN i GD. Takie zachowanie nie jest zależne również od prędkości statku. Reakcją statku dla wiatrów większych niż 15 węzłów z kierunków N i NW jest zmniejszenie się promienia średnicy skrętu 45º (rys. 4). Zjawisko to nasila się wraz ze zmniejszeniem prędkości statku. Zwłaszcza dla prędkości WN i przy wychyleniu steru do 35 statek wychodzi poza tor (z jego prawej strony). Dodatkowym niepożądanym efektem jest wzrost zjawiska myszkowania statku po zmianie kursu. Dla wiatru o prędkości 20 węzłów, prędkości statku CN i wychyleniu steru 5 statek mieści się w torze, czego nie można było uzyskać przy bezwietrznej pogodzie. Wynika z tego, że statek ten ma tendencje do ustawiania się dziobem do wiatru. Jest klasycznym statkiem nawietrznym. Niepożądanym efektem przy silnych wiatrach północnych jest spychanie statku na lewą stronę toru (rys. 5). Zjawisko to ma wpływ na nawigację i manewrowanie na prostych odcinkach toru. Dla wiatrów z kierunków S i SE o sile przekraczającej wartość 15 węzłów zauważa się tendencje do wydłużenia skrętu statku przy zmianie kursu z wartości 221 na 272 (rys. 5). Zjawisko to wiąże się z nawietrznymi właściwościami statku. Przy ograniczeniu wychylenia steru do wartości 5, niezależnie od prędkości, statek zawsze wychodzi z lewej strony toru. Tendencja ta nasila się zwłaszcza dla prędkości BWN. Dla wiatru o prędkości 25 węzłów powstała siła naporu na statek jest równa sile powstałej na sterze, czego rezultatem jest brak zmiany kursu statku. Efekt ten zmniejsza się wraz ze zwiększaniem maksymalnego ograniczenia steru. Jednak dla wartości nastaw 10 i 15 statek przekracza lewą skrajną linię toru. Dla prędkości większych od BWN siła działania steru na ruch statku jest znacznie większa i powyższe zjawisko nie występuje. Kąt wychylenia steru może wynosić tylko 10. Wzmożone działanie wiatru ma również wpływ na zachowanie się statku w prostych odcinkach toru. Pomiędzy bojami GN i GD wiatry południowe powodują spychanie go na prawą część toru. Duży wpływ ma na to powierzchnia boczna statku. Należy również uwzględnić poprawkę kursu na wiatr. Wynosi ona maksymalnie 3. Wiatry z kierunków E, SE, W i NW nie mają większego wpływu na zachowanie się statku w torze. Różnice pomiędzy trajektoriami dla pogody bezwietrznej i zasymulowanymi warunkami nie są większe niż 20 metrów. Jedyny wpływ na statek to zmiana jego prędkości. Lecz w tym przypadku nie jest ona większa niż 3 węzły. Niezależnie od kierunku wiatru i jego siły (maksymalna zasymulowana wartość 40 węzłów) istnieje możliwość zmniejszenia prędkości statku lub jego zatrzymania w celu podjęcia pilota. Należy jednak pamiętać, że po zatrzymaniu statku może dojść do jego zdryfowania i zmiany kursu. Dlatego 118
też zaleca się utrzymywać prędkość na poziomie około 4 węzłów. Zapewnione są wtedy wystarczające właściwości manewrowe statku, nawet przy silnym bocznym wietrze. 0 5 10 20 GN Rys. 4 Trajektorie statku przy prędkości CN, maksymalnym wychyleniu steru 10 i prędkościach wiatru 0, 5, 10, 20 węzłów z kierunku NW GD GN Rys. 5. Wpływ wiatru północnego na zachowanie się statku 20 35 15 10 5 GN Rys. 6. Trajektorie ruchu statku przy wietrze SE, o sile 25 węzłów i komendach na ster 5, 10, 15, 20 i 35. Prędkość statku BWN 119
6. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych prób manewrowych kontenerowca na torze podejściowym do portu Gdynia można wyciągnąć następujące wnioski: Statek tego typu powinien poruszać się w zakresie prędkości WN PN (10 15 w). Zapewnione są wtedy bezpieczne warunki i dobre właściwości manewrowe statku. Sytuacja ta dotyczy zarówno odcinków prostych toru pomiędzy bojami HEL, GN i GD, jak i miejsca zwrotu przy boi GN. Wartości wychylenia steru (w tym przypadku zmiany kursu) powinny być w przedziale 10 20. Nastawy powyżej 20 powodują wzrost zjawiska myszkowania. Przy wartościach mniejszych niż 10 siła powstała na sterze jest zbyt mała i przy wiatrach z kierunków północnych będzie powodowała ściąganie statku na lewą stronę toru. Prędkość CN (23,2 węzła) nie może być brana pod uwagę ze względu na przepisy lokalne, które w obrębie redy portu Gdynia dopuszczają prędkości nie przekraczające 7 węzłów oraz konieczność zatrzymania się statku w miejscu podjęcia pilota. Przy prędkości BWN (5,4 w) statek zachowuje swoje właściwości manewrowe związane ze stabilnością kursową. Podczas zmiany kursu z 221 na 272 wytraca on prędkość. W efekcie tego zjawiska dochodzi do utraty sterowności statku i wyjście poza tor. 7. LITERATURA 1. South Part of Baltic Sea and Gulf of Riga, Baltic Pilot, Vol. II, 10ed. NP 19, 1978. 2. SZYMOŃSKI M., PAROLCZYK J., Przewodnik metodyczny do ćwiczeń na symulatorze manewrowym VSHIP 2000, AM, Gdynia, 2001. 3. Warunki środowiskowe polskiej strefy południowego Bałtyku w 2000 roku - materiały oddziału morskiego Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Gdynia 2001. 120