ISSN 0209-2069 ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE EXPLO-SHIP 2004 Tadeusz Szelagiewicz, Katarzya Żelazy Progozowaie charakterystyk apędowych statku ze śrubą stałą podczas pływaia w zmieych warukach pogodowych Słowa kluczowe: charakterystyki apędowe statku, praca apędu w zmieych warukach pogodowych Przedstawioo algorytm umożliwiający umerycze obliczaie charakterystyk apędowych statku. Charakterystyki te uzupełioo o wykresy całkowitego oporu w określoych warukach pogodowych. Podao róże możliwości wyboru puktu pracy układu apędowego w zależości od przyjętych kryteriów. Predictio of Propulsio Performace of a Ship with Fixed- Pitch Propeller i Variable Weather Coditios Key words: ship propulsio characteristics, propulsio operatio i variable weather coditios The article presets a algorithm for the umerical calculatio of ship propulsio characteristics. The propulsio characteristics were completed with total resistace charts for give weather coditios. Alterative choices of the propulsio workig poit depedig o assumed criteria were discussed. 489
Tadeusz Szelagiewicz, Katarzya Żelazy Wstęp W projektowaiu statku jak i w przyszłej jego eksploatacji duże zaczeie ma zajomość charakterystyk apędowych. Ciągła dążość do miimalizacji zużycia paliwa, a tym samym kosztów eksploatacji wymaga z jedej stroy stosowaia coraz ekoomicziejszych silików apędowych a z drugiej racjoalego ich wykorzystywaia w trakcie eksploatacji statku, a szczególie w zmieych warukach pogodowych. Zmiay waruków pogodowych podczas eksploatacji statku są bardzo duże od pogody bezwietrzej (co zdarza się dosyć rzadko) do staów sztormowych z wysokimi falami i dużymi prędkościami wiatru. Wybór, w takich zmieych warukach pogodowych, właściwego puktu pracy silika, szczególie przy optymalizacji trasy żeglugi, ma duże zaczeie. W celu ułatwieia w podejmowaiu racjoalych decyzji o astawach paliwowych, które to astawy mają wpływ a pukt pracy układu apędowego oraz a parametry eksploatacyje statku, celowa jest zajomość charakterystyk apędowych zawierających także iformacje o parametrach pogodowych, w jakich może być eksploatoway statek. 1. Charakterystyki apędowe statku Charakterystyki apędowe statku są to krzywe mocy apędu, aporu i mometu a stożku śruby apędowej, zużycia paliwa i ewetualie osiągaej prędkości statku dla daej charakterystyki oporowej. Charakterystyki te są przedstawiae w fukcji obrotów śruby/silika lub w fukcji prędkości statku, a polu pracy silika apędowego. Charakterystyki apędowe, publikowae w literaturze, wykouje się ajczęściej a podstawie: wyików badań modelowych śrub swobodych lub śrub za kadłubem statku, wyików pomiarów przeprowadzoych a statku, wyików pomiarów przeprowadzoych a statku z jedoczesym wykorzystaiem charakterystyk śrub swobodych otrzymaych a drodze badań modelowych lub określoych umeryczie [1, 2]. Stosukowo mało jest charakterystyk apędowych otrzymaych a drodze obliczeń umeryczych, algorytm przydaty do obliczeń tych charakterystyk został zamieszczoy w pracy [3]. Charakterystyki apędowe mają służyć do kotroli stau obciążeia układu apędowego statku i wyboru ekoomiczie uzasadioych parametrów pracy tego układu apędowego, w zmieych warukach pogodowych. Stąd zasadiczą częścią tych charakterystyk są krzywe mocy dla waruków projek- 490
Progozowaie charakterystyk apędowych statku ze śrubą stałą podczas pływaia... towych (tzw. charakterystyka śrubowa) i dla waruków, w których występuje wzrost oporu od wiatru i fali. Dodatkowe charakterystyki mocy są obliczae przy założeiu wzrostu oporu o określoą wartość p. 50, 100, 150% [2]. Tak przedstawioe charakterystyki mocy ie dają możliwości optymalego wyboru parametrów pracy układu apędowego, poieważ ie wiadomo od jakich wartości parametrów pogodowych jest odiesioy jeżeli jest wzrost oporu, to ajczęściej występuje spadek prędkości statku i jest zmiaa relacji pomiędzy oporem a wodzie spokojej a oporem w rzeczywistych warukach pogodowych. W iiejszym artykule zostaą przedstawioe umeryczie obliczoe charakterystyki apędowe z krzywymi mocy obliczoymi dla ustaloych parametrów pogodowych. Na podstawie zajomości takich charakterystyk moża bardziej racjoalie zmieiać parametry pracy układu apędowego przy zmieych warukach pogodowych i przewidywać parametry eksploatacyje statku (p. prędkość), szczególie przy pogarszającym się staie morza. 2. Numerycze obliczaie charakterystyk apędowych Pukt pracy układu apędowego jest ustaloy, gdy całkowity opór statku jest rówoważoy aporem śruby a momet a śrubie będzie rówy mometowi obrotowemu silika apędowego. Te dwa waruki opisae są układem dwóch rówań ieliiowych [3]: Rc T = (1) 1 t PD Q = (2) 2π T, Q apór i momet obrotowy śruby apędowej, R c całkowity opór statku z uwzględieiem wiatru i fali, t współczyiki ssaia, P D moc doprowadzoa z silika apędowego do stożka śruby, obroty śruby. Napór i momet śruby apędowej są rówe: T = K T ρ w D p Q = KQρ w D 2 5 2 p K T, K Q współczyiki: aporu i mometu, (3) (4) 491
Tadeusz Szelagiewicz, Katarzya Żelazy ρ w D p gęstość wody, średica śruby. Dla śruby stałej (o skoku ustaloym), współczyiki aporu i mometu są aproksymowae wyrażeiami: 2 3 0 + A1 J + A2 J A3 J K T = A + 2 3 0 + B1 J + B2J B3J K Q = B + (5) (6) gdzie współczyiki A...B są współczyikami aproksymującymi charakterystyki aporu i mometu a J jest współczyikiem 0 3 posuwu: V J = D ( 1 w) V prędkość statku, w współczyik strumieia adążającego. a mocą N silika apędowego jest astępująca: Zależość pomiędzy mocą P D η s sprawość liii wałów, η R sprawość rotacyja. P D p (7) = N η η (8) Pole pracy silika apędowego jest ograiczoe charakterystykami właściwymi dla daego typu (produceta) silika. Występujący w rówaiu (1) opór całkowity R c jest rówy [4]: s R R c = R + R (9) R(V 2 ) opór a wodzie spokojej, R dodatkowy opór statku, główie od wiatru i falowaia, R = X + X + X (10) A W R 492
Progozowaie charakterystyk apędowych statku ze śrubą stałą podczas pływaia... X A X w dodatkowy opór od wiatru, dodatkowy opór od falowaia. Dodatkowy opór od wiatru i falowaia zależy ie tylko od parametrów wiatru czy falowaia a także od prędkości i kursu statku względem wiatru i fali: X A ( V, V, β ) = f (11) A A ( H, T, V, β ) XW = f W W V A, β A średia prędkość wiatru i jego kieruek względem statku, H W,T, β W średia wysokość fali i okres oraz kieruek względem statku. Rozwiązując umeryczie rówaie (1) i (2) z uwzględieiem związków (3) (11) moża wyzaczyć poszczególe zależości składające się a charakterystyki apędowe p.: T ( V, ) apór osiągay a śrubie, Q ( V, ) momet a śrubie, η 0 ( V, ) sprawość śruby, P D ( V, ) moc a stożku śruby, V ( P D, ) charakterystyka prędkości statku. 3. Przykładowe obliczoe charakterystyki apędowe dla koteerowca Charakterystyki apędowe zostały obliczoe dla koteerowca o wymiarach: długość L = 153,40 m, szerokość B = 22,30 m, zaurzeie T = 8,10 m, wyporość D = 14 100 m 3, prędkość eksploatacyja V = 18,5 węzła. Parametry apędu: moc omiala silika N = 8500 kw obroty omiale silika (i śruby) = 2,6 1/s średica śruby D p = 5,196 m ilość skrzydeł śruby Z = 4 współczyik skoku P/D = 0,75 493
Tadeusz Szelagiewicz, Katarzya Żelazy współczyik powierzchi a E = 0,568 współczyik strumieia adążającego w = 0,219 współczyik ssaia t = 0,174 sprawość liii wałów η LW = 0,98 sprawość rotacyja η R = 1,0044 sprawość kadłuba η K = 1,0576 Na statku ie ma przekładi, więc obroty śruby są rówe obrotom silika apędowego. Charakterystyki apędowe są przedstawiae a polu pracy silika apędowego, a poieważ moc, momet i apór śruby są obliczae a stożku śruby, to moc silika apędowego została przeliczoa też a stożek śruby apędowej. Dla powyższych daych statku (koteerowca) i jego układu apędowego, obliczoe charakterystyki apędowe przedstawioo a rysukach: 1 krzywe stałej prędkości statku i stałej sprawości śruby, 2 krzywe stałej prędkości statku i stałego dodatkowego oporu od wiatru i fali, 3 krzywe stałej prędkości statku, stałego aporu śruby apędowej i stałej prędkości wiatru (statek płyie pod wiatr). N η 0 = 0,5 η 0 = 0,6 η 0 = 0,55 V = 2 V = 3 V = 4 V = 5 V = 6 V = 7 V = 8 V = 9 V = 10 Rys. 1. Wykres stałych prędkości statku i stałej sprawości śruby Fig. 1. The characteristics of the costat ship s speed ad the costat propeller s efficiecy 494
Progozowaie charakterystyk apędowych statku ze śrubą stałą podczas pływaia... N V = 5 V = 2 V = 3 V = 4 R =0 R =400 R =200 R =200 V = 6 V = 7 V = 8 V = 9 V = 10 Rys. 2. Wykres stałych prędkości statku i stałego dodatkowego oporu Fig. 2. The characteristics of costat ship s speed ad the costat added resistace N V = 2 V = 6 V = 7 V = 8 V = 9 V = 10 V = 3 T = 800 V A = 30 V A = 20 V A = 10 V A = 0 V = 5 V = 4 T = 200 T = 300 T = 700 T = 600 T = 500 T = 400 Rys. 3. Wykres stałych prędkości statku i stałego aporu i stałej prędkości wiatru Fig. 3. The characteristics of costats: ship s speed, thrust ad wid velocity 495
Tadeusz Szelagiewicz, Katarzya Żelazy Na rysuku 3 zamieszczoo charakterystyki stałej prędkości wiatru wiejącego w określoym kieruku względem kieruku ruchu statku (w tym przypadku statek płyie pod wiatr takie charakterystyki moża przedstawić dla dowolych kieruków wiatru i/lub fali). Takie charakterystyki umożliwiają prawidłowy wybór puktu pracy układu apędowego w zmieych warukach pogodowych lub przewidywaie p. maksymalej prędkości statku przy pogarszającym się staie morza. Możliwości zmiay puktu pracy układu apędowego (śruba o skoku ustaloym) wywołae przyrostem dodatkowego oporu, w tym przypadku od wiatru (statek płyie pod wiatr), przedstawioo a rysuku 4. W tym przykładzie w pozycji wyjściowej (pukt B), statek płyie a wodzie spokojej z prędkością V B (V A = 0) i obrotami śruby B. Od wiatru wiejącego z prędkością V A > 0 od dziobu powstaje dodatkowy opór. Są możliwe astępujące zmiay puktu pracy (pukt C) układu apędowego (rys. 4): a) zachowując stałe obroty B, zwiększa się dawkę paliwa (rośie moc silika) aż do osiągięcia puktu C a charakterystyce V A, prędkość statku spada do wartości V C ; b) zachowując stałą prędkość statku V B zwiększa się dawkę paliwa (rośie moc silika i obroty do wartości C ) aż do osiągięcia puktu C (stałą prędkość statku moża utrzymać aż do krzywej graiczej dla daego silika); c) zachowując stałą moc silika osiąga się pukt C, zmiejsza się prędkość statku do V C oraz obroty silika do C ; d) utrzymując stałe jedostkowe zużycie paliwa aż do osiągięcia puktu C zmiejsza się prędkość statku i obroty silika. Wymieioe 4 możliwości osiągięcia owego puktu pracy układu apędowego statku przy wzroście oporu w tym przypadku prędkości wiatru mogą być stosowae przy różych przyjętych kryteriach, p.: stałej prędkości statku, maksymalej możliwej do osiągięcia prędkości statku, miimalego zużycia paliwa czy stałej lub maksymalej sprawości śruby apędowej. Przedstawioa umerycza metoda progozowaia charakterystyk apędowych statku i poszukiwaia puktu pracy układu apędowego może być stosowaa w dowolych zmieych warukach pogodowych (w artykule podao obliczeie tylko dla jedego przypadku statek płyie pod wiatr). 496
Progozowaie charakterystyk apędowych statku ze śrubą stałą podczas pływaia... a) V C V B C charakterystyka śrubowa V A = 10 m/s B V B V A = 0 m/s B C b) C V A = 10 m/s V A = 0 m/s B B V C V B c) V A = 10 m/s C B N = cost d) V A = 0 m/s C B V C V B C V A = 10 m/s B V A = 0 m/s C B Rys. 4. Przykłady zmiay puktu pracy układu apędowego Fig.4. A example of the chage of the propulsio workig poit 497
Tadeusz Szelagiewicz, Katarzya Żelazy Literatura 1. Chachulski K., Podstawy apędu okrętowego, Wydawictwo Morskie, Gdańsk 1988. 2. Chachulski K., Eergetycze problemy eksploatacji apędów okrętowych, Wydawictwo Morskie, Gdańsk 1991. 3. Szelagiewicz T., Żelazy K., Symulacja pracy śruby apędowej podczas pływaia statku po sfalowaej wodzie, EXPLO-SHIP 2002, Wyższa Szkoła Morska w Szczeciie, Zeszyty Naukowe r 65, s. 323 334. 4. Szelagiewicz T., Żelazy K., Predictio of Mea Log-Term Ship Service Speed o Ocea Routes, Marie Techology Trasactios, Polish Academy of Scieces, Brach i Gdańsk, Vol. 14, 2003, pp. 105 114. Recezeci dr hab. iż. Oleh Klyus, prof. AM dr hab. iż. Zbigiew Matuszak, prof. AM Adresy Autorów prof. dr hab. iż. Tadeusz Szelagiewicz mgr iż. Katarzya Żelazy Politechika Szczecińska Wydział Techiki Morskiej Katedra Oceaotechiki i Projektowaia Systemów Morskich al. Piastów 41, 71-065 Szczeci Wpłyęło do redakcji w lutym 2004 r. 498