WYNIKI BADAŃ CHARAKTERYSTYKI PRĘDKOŚCIOWEJ MODELU STATKU Z NAPĘDEM HYBRYDOWYM

PRACE WYDZIAŁU NAWIGACYJNEGO nr 19 AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI 2006 JOANNA SŁABCZYŃSKA Akademia Morska w Gdyni Katedra Nawigacji WYNIKI BADAŃ CHARAKTERYSTYKI PRĘDKOŚCIOWEJ MODELU STATKU Z NAPĘDEM HYBRYDOWYM Określanie charakterystyki prędkościowej modelu statku przyjętego do badań stanowi jeden z podstawowych kroków na drodze do przeprowadzenia gruntownych badań symulacyjnych. W szczególności w przypadku nawigacji meteorologicznej nawet niewielkie nieścisłości w określeniu charakterystyki prędkościowej mogą mieć duży wpływ na przebieg wyznaczanej trasy, a w konsekwencji na aspekty ekonomiczne podróży oraz bezpieczeństwo statku, jego załogi i pasażerów. Niniejszy artykuł poświęcono opisowi badań charakterystyki prędkościowej modelu statku B-470 wyposażonego dodatkowo w pędnik wiatrowy. Przedstawiono również opis przyjętego modelu statku wraz z dodatkowym ożaglowaniem. Opisany model statku hybrydowego, łączącego napęd silnikowy i żaglowy, posłuży następnie do badań procesu pogodowego prowadzenia statku w północnych rejonach Oceanu Atlantyckiego. WPROWADZENIE Światowy kryzys paliwowy oraz rosnące naciski pro-ekologiczne spowodowały w ostatnich latach zwiększone zainteresowanie problematyką statków z napędem hybrydowym. O ile sama koncepcja napędu hybrydowego, a więc wspomagania silnika przez dodatkowy pędnik wiatrowy, nie jest nowa sięga ona bowiem połowy lat siedemdziesiątych ubiegłego stulecia, o tyle brak wystarczających środków na badania naukowe oraz wysokie koszty wdrożenia dotychczas skutecznie uniemożliwiały badania na szeroką skalę nad tym typem napędu. Podstawowym celem budowy statku o napędzie hybrydowym jest redukcja czasu podróży, szczególnie na trasach oceanicznych. Dodatkowe kryterium stanowi redukcja zużycia paliwa, wynikająca zarówno bezpośrednio ze skrócenia trasy jak również z częściowego odciążania silnika poprzez pędnik wiatrowy w przypadku napotkania korzystnych wiatrów. 102

Dotychczasowe prace nad nawigacją meteorologiczną statków z napędem hybrydowym (m.in. [1] i [2]) nie wykorzystują nowoczesnych metod sztucznej inteligencji, takich jak np. algorytmy ewolucyjne. Stąd też powstał pomysł, aby zaproponować nowe rozwiązanie nawigacji meteorologicznej dla statków z napędem hybrydowym, oparte na wielokryterialnym algorytmie ewolucyjnym [3]. Punktem początkowym prac był wybór modelu statku do badań oraz określenie jego charakterystyki prędkościowej [4]. Rozdział drugi opisuje przyjęty model statku z napędem hybrydowym wraz z opisem sposobu prognozowania jego prędkości. W rozdziale trzecim przedstawiono wyniki badań symulacyjnych w zakresie charakterystyki prędkościowej modelu. Rozdział czwarty przedstawia interpretację wcześniej przedstawionych wyników, a rozdział piąty podsumowuje wcześniej przedstawiony materiał. 1. MODEL STATKU Z PĘDNIKIEM WIATROWYM Model statku, opracowany przez B. Oleksiewicza ([5]), został oparty na kształcie kadłuba masowca B-470 (rys. 1). Podstawowe parametry modelu przedstawia Tabela 1. Model ten został dodatkowo wyposażony w pędnik wiatrowy. Jak pokazano na rysunku 1, pędnik wiatrowy stanowi tu palisadę sześciu żagli tekstylnych. Powierzchnia każdego żagla wynosi 522 m 2, co daje łączną powierzchnię 3132 m 2. Konstrukcja żagli wzorowana jest na rozwiązaniu znanym ze statku Oceania. y [n] 5D 4D 3D 2D 1D D 0 AP x TP x Rys. 1. Kształt kadłuba i układ żagli pędnika wiatrowego dla przyjętego modelu statku Baza-470 Scole: 1:1000 103

Podstawowe parametry modelu statku Tabela 1 Nazwa parametru Długość Szerokość Zanurzenie Wysokość Prędkość eksploatacyjna Wyporność Wartość 172 m 22,8 m 9,5 m 14,3 m 15 w 30 288 t 2. PROGNOZOWANIE PRĘDKOŚCI STATKU Prognozowanie prędkości statku przeprowadzane jest oddzielnie dla modelu przy założeniu pracy silnika i jednocześnie wyłączonego pędnika wiatrowego (zwinięte żagle), oznaczona jako v m, przy założeniu zarówno pracy silnika jak i pędnika wiatrowego (żagle rozwinięte), oznaczona jako v ms. W obu przypadkach ostateczna prognoza prędkości (v m_s oraz v ms_s ) stanowi iloczyn wartości prędkości na wodzie spokojnej w tzw. stanie trial (v m_t i v ms_t ) oraz współczynnika redukcji prędkości statku związanego ze stratami prędkości ze względu na opór fal (red_v). Wartość współczynnika red_v jest uzależniona od siły i kierunku wiatru ([6]). Rodzinę charakterystyk współczynnika red_v prezentuje rysunek 2. red_v [ ] A1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0 5 10 15 20 25 30 35 vtr [kn] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Rys. 2. Rodzina charakterystyk współczynnika start prędkości na fali red_v dla przyjętego modelu statku 104

Przy założeniu, że silnik stanowi jedyny napęd statku, jego prędkość na wodzie spokojnej (w stanie trial ) nie zależy od warunków wiatrowych i przyjęta została jako wartość stała (wzór 1). Ostateczna prognoza prędkości w tym przypadku to iloczyn stałej wartości v m_t oraz wartości współczynnika strat prędkości na fali red_v (wzór 2). v m_t = 15,935[w] (1) vm _ s = vm _ t * red _ v( vtr, gamma) (2) gdzie: vtr prędkość wiatru [w], gamma kąt kursowy wiatru rzeczywistego [stopnie]. W wypadku, gdy mamy do czynienia z napędem hybrydowym prędkość statku w stanie trial zależna jest od prędkości i siły wiatru. W celu określenia prędkości v ms_t wykorzystano odpowiednią funkcję (FUN_VPP [5]), której wynik działania prezentuje rysunek 3. Wzory 3 oraz 4 przedstawiają sposób określania wartości prędkości statku z napędem hybrydowym w stanie trial (v ms_t ) oraz ostatecznej prognozy prędkości (v ms_s ). vms _ t = FUN _ VPP( vtr, gamma) (3) vms _ s = vms _ t * red _ v( vtr, gamma) (4) gdzie: vtr i gamma jak we wzorach 1 i 2. FUN_VPP vtr Rys. 3. Wynik działania funkcji FUN_VPP służącej do określenia wartości prędkości modelu statku z napędem hybrydowym w stanie trial 1-11,25 kn 4-22,5 kn 2-15 kn 5-26,25 kn 3-18,75 kn 6-30 kn 105

3. WYNIKI BADAŃ CHARAKTERYSTYKI PRĘDKOŚCIOWEJ PRZYJĘTEGO MODELU STATKU W celu zbadania charakterystyki prędkościowej założonego modelu statku stworzone zostało oprogramowanie w środowisku Delphi 7.0 mające na celu zaprezentowanie takiej charakterystyki dla zadanych parametrów takich jak typ napędu, siła wiatru oraz nastawa telegrafu dla ustawień listwy paliwowej. Zgodnie z opracowaniem [5] możliwe jest badanie charakterystyki prędkościowej dla tego modelu statku przy rozłożonych żaglach w zakresie siły wiatru do 30,00 w. Na rysunkach 4-27 przedstawiono wykresy charakterystyki prędkościowej modelu dla charakterystycznych wartości parametrów wejściowych. Podpisy pod rysunkami oznaczają kolejno: typ napędu: zawsze bez żagli (napęd klasyczny) lub zawsze pod żaglami (napęd hybrydowy), siłę wiatru (w węzłach), nastawę telegrafu dla ustawienia listwy paliwowej. Rys. 4. Napęd klasyczny, 12 w, Bardzo wolno Rys. 5. Napęd hybrydowy, 12 w, Bardzo wolno Rys. 6. Napęd klasyczny, 12 w, Pół naprzód Rys. 7. Napęd hybrydowy, 12 w, Pół naprzód 106

Rys. 8. Napęd klasyczny, 12 w, Cała naprzód Rys. 9. Napęd hybrydowy, 12 w, Cała naprzód Rys. 10. Napęd klasyczny, 18 w, Bardzo wolno Rys. 11. Napęd hybrydowy, 18 w, Bardzo wolno Rys. 12. Napęd klasyczny, 18 w, Pół naprzód Rys. 13. Napęd hybrydowy, 18 w, Pół naprzód 107

Rys. 26. Napęd klasyczny, 30 w, Cała naprzód Rys. 27. Napęd hybrydowy, 30 w, Cała naprzód 4. INTERPRETACJA WYNIKÓW BADAŃ Przestawione wyniki badań charakterystyki prędkościowej analizowanego modelu statku (rys. 4-27) podzielone są na dwie podstawowe grupy. W lewej kolumnie znajdują się charakterystyki statku z zawsze zwiniętymi żaglami, a w prawej charakterystyki dla zawsze rozwiniętych żagli. Widoczna jest wyraźna różnica wpływu siły i kierunku wiatru na prędkość osiąganą przez statek dla obu tych przypadków, a tendencja ta pozostaje niezmieniona dla różnych wartości siły wiatru oraz nastaw listwy paliwowej statku. Charakterystyki dla napędu klasycznego są zbliżone kształtem do okręgu o lekkim spłaszczeniu dla kątów gamma bliskich zeru, co odzwierciedla stosunkowo niewielki wpływ warunków wiatrowych na prędkość statku. Natomiast w przypadku napędu hybrydowego widoczne jest wyraźne odkształcenie charakterystyki. Spowodowane jest to dominującym wpływem warunków wiatrowych dla tego typu napędu. Dla kątów gamma bliskich zeru (bajdewind) widoczny jest wyraźny spadek prędkości statku dla zawsze rozłożonych żagli i jedynie niewielki spadek w przypadku napędu klasycznego. Im niższa nastawa listwy paliwowej silnika, tym bardziej wyraźny jest spadek prędkości dla napędu hybrydowego. Tendencja ta pogłębia się wraz z rosnącą siłą wiatru. W konsekwencji, dla napędu hybrydowego oraz wiatru o sile 30 węzłów, kącie gamma zbliżonym do 0 i nastawie listwy paliwowej bardzo wolno, widoczne są pętle na charakterystyce prędkościowej (rys. 23), które oznaczają ruch statku w przeciwną stronę. Wynika to z faktu, że zbyt mała nastawa silnika nie rekompensuje znacznej siły oporu wiatrowego. 110

Na podstawie przeprowadzonych badań określić można maksymalny zysk na prędkości statku w zadanym zakresie rozpatrywanych sił wiatru dla maksymalnej nastawy listwy paliwowej ( cała naprzód ). Z rysunków 26 i 27 odczytujemy, że prędkość statku z napędem hybrydowym dla wiatru o sile 30 węzłów i kącie gamma w zakresie 140-160 dla żeglugi prawym halsem wynosi około 17,5 węzła, co stanowi, względem odpowiadającej mu prędkości dla napędu klasycznego około 15 węzłów, zysk w granicach 16%. Mając na uwadze zróżnicowanie wartości prędkości badanego modelu statku w zależności do stanu rozłożenia żagli (a więc typu napędu), naturalną wydaje się propozycja przedstawienia charakterystyki łączonej, zakładającej zawsze maksymalną wartość prędkości statku, co wiąże się z koniecznością automatycznego zwijania i rozwijania żagli w zależności od zmieniających się warunków wiatrowych. Propozycja takiej charakterystyki przedstawiona jest na rysunku 28, który stanowi połączenie charakterystyk z rysunków 26 i 27. Rys. 28. Łączona charakterystyka prędkościowa, 30 w, Cała naprzód 5. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono wyniki badań charakterystyki prędkościowej przyjętego modelu statku z napędem hybrydowym, łączącego klasyczny napęd silnikowy z dodatkowym pędnikiem wiatrowym. Wyniki badań wskazują, że możliwy maksymalny zysk na prędkości wynikający z zastosowania dodatkowych żagli dla przyjętego modelu wynosi około 16%, co stanowi dobry wynik, dający wymierną motywację ekonomiczną w przypadku ewentualnego wdrożenia. Jednocześnie, w przypadku zastosowania automatycznych rozwiązań do rozwijania i zwijania żagli możliwa jest poprawa kształtu 111

charakterystyki, redukująca straty prędkości przy niekorzystnych warunkach wiatrowych. W najbliższym czasie planowane są dalsze badania z wykorzystaniem opisywanego modelu w ramach prac symulacyjnych dotyczących nawigacji meteorologicznej w północnych rejonach Oceanu Atlantyckiego. LITERATURA 1. HAGIWARA, H., Weather routing of (sail-assisted) motor vessels, PhD Thesis, Technical University of Delft, 1989. 2. SPAANS, J.A., Windship routeing, Technical University of Delft, 1986. 3. SZŁAPCZYŃSKA, J., ŚMIERZCHALSKI, R., Multiobjective Evolutionary Approach to Weather Routing For Vessels with Hybrid Propulsion, konferencja ACS, Międzyzdroje 2007. 4. WIŚNIEWSKI, B., Problemy wyboru drogi morskiej statku. Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1991. 5. OLEKSIEWICZ, B., Motor-sailer A hybrid Propulsion for Commercial Vessels. The case study. Polish Maritime Research (w przygotowaniu). 6. DUDZIAK J., Teoria okrętu. Wydawnictwo Morskie, Gdańsk 1988. SPEED CHARACTERISTICS OF A MODEL SHIP WITH HYBRID PROPULSION RESEARCH RESULTS Precise determination of a speed characteristic for a ship is a key element of any weather routing research. Here, even small inaccuracy of computations can cause different route proposal, resulting in amended economy or safety of the voyage. This paper is devoted to results of a research, in which speed characteristics of a model ship with hybrid propulsion have been investigated. The model is based on B-470 ship equipped with additional sails. Description on the elements of the model ship is also provided in the paper. The described ship model will be utilized in research on weather routing for northern Atlantic Ocean. 112