EFEKTYWNOŚĆ PRACY STERÓW STRUMIENIOWYCH
NA „DARZE MŁODZIEŻY” I „HORYZONCIE II”
W latach 2009–2011 przeprowadzono badania efektywności pracy sterów strumieniowych zamontowanych na statkach szkolnych Akademii Morskiej w Gdyni: „Dar Młodzieży” i „Horyzont II”. Pomierzone zostały prędkości kątowe rotacji niepłynących statków pod wpływem pracy sterów strumieniowych oraz prędkości cyrkulacji statków płynących naprzód z prędkościami manewrowymi przy pracy wyłącznie sterów strumieniowych, ale bez wychylania płetw sterów zaśrubowych statków.
WPROWADZENIE
Stery strumieniowe jako urządzenia umożliwiające manewrowanie statkami niepłynącymi i płynącymi z małymi prędkościami, przy których stery zaśrubowe (zapędnikowe) działają mało skutecznie, stosowane są od lat 60. XX wieku. Szcze-gólnie szybkie tempo wprowadzania takich urządzeń manewrowych na statkach różnych typów i wielkości obserwowano w ostatniej ćwierci poprzedniego stulecia. Nie są to jednak urządzenia niepozbawione wad. Już pod koniec lat 60. XX wieku zaobserwowano silny spadek skuteczności działania sterów strumieniowych (zwłaszcza zamontowanych na dziobach statków), gdy statki poruszają się naprzód [3, 8, 10, 19]. To zagadnienie stało się powodem prowadzenia wielu prac ekspery-mentalnych i teoretycznych, mających za zadanie wyjaśnienie przyczyn spadku prędkości kątowych cyrkulacji statków pod wpływem pracy sterów strumienio-wych przy prędkościach płynięcia naprzód [7, 14]. Badania skuteczności działania sterów strumieniowych podczas płynięcia statków naprzód są prowadzone do dzi-siaj [1, 5, 11, 13,15–17]. We współczesnych poradnikach manewrowania statkami i w publikacjach dotyczących cech manewrowych statków podana jest informacja, że dziobowe stery strumieniowe przestają skutecznie pracować przy prędkości statku rzędu 3–4 węzłów [6, 9, 12, 14]. W dokumentach statków (pilot card) wy-posażonych w stery strumieniowe z reguły jest informacja o spadku efektywności działania zamontowanych na nich sterów strumieniowych [7, 9, 14]. Zawarte w pilot card dane pozwalają oszacować skuteczność planowanych manewrów stat-ku przy korzystaniu ze sterów strumieniowych.
Na statkach szkolnych Akademii Morskiej w Gdyni przeprowadzono ekspe-rymentalne badania, a efekty tych badań w postaci charakterystyk pracy dziobo-wych sterów strumieniodziobo-wych na „Darze Młodzieży” i na „Horyzoncie II”, w funk-cji prędkości pływania statków naprzód, prezentowane są w tym artykule.
1. METODYKA BADANIA CHARAKTERYSTYKI PRACY STERU STRUMIENIOWEGO W TRAKCIE PŁYWANIA STATKU
Charakterystyka pracy steru strumieniowego podczas pływania statku opisy-wana jest jego kinetyczną efektywnością E(v). Tym terminem określa się funk-cyjną zależność (od prędkości pływania statku – v) stosunku prędkości kątowej cyrkulacji płynącego statku – ωV (v), uzyskanej poprzez wyłączną pracę steru
strumieniowego, do prędkości kątowej rotacji niepłynącego naprzód statku – ω0,
również wywołanej wyłączną pracą steru strumieniowego:
0 ) ( ) (v ωωv E = V (1)
Badania efektywności sterów strumieniowych na „Darze Młodzieży“ i na „Horyzoncie II” wykonano dla pracy sterów na obie burty statku.
W trakcie badań zastosowano następujące procedury: 1) podczas rotacji statku:
• statek stał nieruchomo względem wody lub przy występującym wietrze dry-fował w linii wiatru z małą prędkością (rzędu 1 węzła), ster zaśrubowy (rufowy) ustawiany był na zerowy kąt odchylenia,
• w rejestrowanym czasie włączany był na pełną moc ster strumieniowy statku na lewą (prawą) burtę,
• w stałych (jednakowych) rejestrowanych odstępach czasu notowano pręd-kość kątową rotacji statku lub chwilowy kurs statku,
• po wykonaniu pomiarów parametrów pracy steru na lewą (prawą) burtę, sta-tek wracał na pierwotny kurs (w linii wiatru) i włączany był na pełną moc ster strumieniowy na drugą burtę,
• podczas pracy steru strumieniowego na drugą burtę rejestrowano te same pa-rametry jego pracy, co przy pracy na przeciwną burtę;
2) podczas cyrkulacji statku:
• statek płynął stałym kursem (w przybliżeniu pod wiatr) ze stałą prędkością, ster zaśrubowy (rufowy) ustawiany był na zerowy kąt odchylenia,
• w rejestrowanym czasie włączany był na pełną moc ster strumieniowy statku na lewą (prawą) burtę,
• w stałych (jednakowych) rejestrowanych odstępach czasu notowano pręd-kość kątową cyrkulacji statku lub chwilowy kurs statku,
• po wykonaniu pomiarów parametrów pracy steru na lewą (prawą) burtę, sta-tek wracał na pierwotny kurs (w linii wiatru) i po ustaleniu się prędkości po-stępowej włączany był na pełną moc ster strumieniowy na drugą burtę, • podczas pracy steru strumieniowego na drugą burtę rejestrowano te same
2. STER STRUMIENIOWY NA „DARZE MŁODZIEŻY”
Na statku żaglowym Akademii Morskiej w Gdyni „Dar Młodzieży” ster stru-mieniowy został zainstalowany w 2008 roku. Producentem steru jest firma Global Marine Engineering z Heijningen w Holandii. Składa się on z prostoosiowego cylindrycznego tunelu, zamontowanego w dziobowej części kadłuba statku, i z umieszczonego wewnątrz tunelu śrubowego pędnika o stałym skoku. Średnica wewnętrzna tunelu DT wynosi 1,10 m, natomiast zewnętrzna średnica pędnika DS
jest równa 1,088 m. Pędnik, poprzez przekładnię kątową, napędzany jest silnikiem elektrycznym prądu przemiennego o mocy 300 kW. Ze względu na ograniczoną moc agregatu prądotwórczego zasilającego ster strumieniowy maksymalna moc dostarczana do silnika steru wynosi 250 kW. Zmiana parametrów pracy steru stru-mieniowego (kierunku i wielkości wytwarzanego naporu) uzyskiwana jest poprzez nastawę kierunku i wielkości obrotów silnika napędowego steru.
Wzdłużny przekrój (w płaszczyźnie symetrii) dziobowej części kadłuba statku z widocznym tunelem steru strumieniowego przedstawiono na rysunku 1. Rysunek 2 prezentuje wodnicowy przekrój kadłuba statku, a na rysunku 3 naniesiono teore-tyczne wręgi dziobowej części kadłuba „Daru Młodzieży” z zaznaczonym położe-niem tunelu steru strumieniowego.
Rys. 2. Przekrój wodnicowy dziobowej części żaglowego statku szkolnego „Dar Młodzieży”
Rys. 3. Rysunek wręgów teoretycznych dziobowej części żaglowego statku szkolnego „Dar Młodzieży” z zaznaczonym tunelem steru strumieniowego
3. OPIS BADAŃ STERU STRUMIENIOWEGO NA „DARZE MŁODZIEŻY” Badania pracy steru strumieniowego na „Darze Młodzieży” w trakcie pływa-nia statku przeprowadzono w dwóch turach:
• pierwsza tura – 22 czerwca 2009 roku na Zatoce Fińskiej – stan morza 1°D, wiatr 8,4 w.,
• druga tura – 15 września 2009 roku na Zatoce Biskajskiej – stan morza 4–5°D, wiatr zmienny, ok. 16 w.
W obydwóch turach badań statek miał zwinięte żagle, jego reje ustawione były prostopadle do burt.
Wyniki badań pracy steru strumieniowego na „Darze Młodzieży” przeliczono na prędkości kątowe rotacji niepłynącego naprzód statku i na prędkości kątowe cyrkulacji statku płynącego z zadaną prędkością naprzód. Na rysunku 4 przedsta-wiono, pomierzone w pierwszej i drugiej turze badań, prędkości kątowe cyrkulacji i rotacji statku, wywołane pracą steru strumieniowego. Jak można zauważyć, wpływ warunków zewnętrznych (wiatru i falowania morza) na prędkości kątowe statku jest niepomijalny – maleją one w stosunku do prędkości mierzonych na spo-kojnym morzu. Do dalszej analizy przyjęto, że warunki zewnętrzne nie wpływają w istotny sposób na relacje między prędkościami rotacji i cyrkulacji statku pomie-rzonymi w podobnych warunkach pogodowych. Ten wniosek pozwala na wyzna-czenie kinetycznej charakterystyki pracy steru strumieniowego w funkcji prędkości statku jako niezależnej od warunków zewnętrznych. Kinetyczną charakterystykę pracy steru strumieniowego statku „Dar Młodzieży” przedstawiono na rysunku 5.
Rys. 4. Zestawienie wyników pomiarów pracy steru strumieniowego na płynącym statku „Dar Młodzieży”
Na rysunku 5 naniesiono również krzywą funkcji aproksymującej kinetyczną efektywność pracy steru strumieniowego na „Darze Młodzieży”. Funkcja ta ma postać: 2 1 ( ) 0,2 1 E v v = + (2)
W zakresie prędkości statku 0–4 węzłów funkcja aproksymująca dobrze od-zwierciedla otrzymaną z badań charakterystykę kinetycznej efektywności pracy steru strumieniowego.
Rys. 5. Kinetyczna efektywność pracy steru strumieniowego na „Darze Młodzieży”
4. STER STRUMIENIOWY NA STATKU „HORYZONT II”
Na statku instrumentalnym Akademii Morskiej w Gdyni „Horyzont II” za-montowany jest ster strumieniowy typu STT 060 LK, produkcji firmy Shottel. Jest to urządzenie aktywnego sterowania, składające się z prostoosiowego cylindrycz-nego tunelu, zamontowacylindrycz-nego w dziobowej części kadłuba statku, i z
umieszczone-go wewnątrz tunelu śruboweumieszczone-go pędnika o stałym skoku i o trzech skrzydłach. Średnica wewnętrzna tunelu DT wynosi 0,64 m, natomiast zewnętrzna średnica
pędnika DS jest równa 0,63 m. Pędnik, poprzez przekładnię kątową, napędzany jest
silnikiem elektrycznym prądu przemiennego. Maksymalna moc dostarczana do steru wynosi 125 kW. Zmianę parametrów pracy steru strumieniowego (kierunku i wielkości wytwarzanego naporu) uzyskuje się poprzez nastawę kierunku i wiel-kości obrotów silnika napędowego steru. Maksymalne obroty pędnika steru wyno-szą 1470 min–1. Tunel steru ma długość ok. 1 m. Na obu otworach wlotowych do
tunelu zamontowane są kraty zapobiegające dostaniu się do wnętrza tunelu zanie-czyszczeń stałych mogących uszkodzić pędnik steru. Usytuowanie steru strumie-niowego wzdłuż kadłuba statku prezentuje rysunek 6. Z kolei na rysunku 7 przed-stawiono linie teoretyczne dziobowej części kadłuba statku z uwidocznionym tunelem steru strumieniowego.
Rys. 7. Wręgi budowlane dziobowej części kadłuba statku „Horyzont II” z naniesionym
Badania skutków pracy steru strumieniowego podczas rotacji niepłynącego statku i podczas cyrkulacji statku płynącego z różnymi prędkościami postępowymi przeprowadzono w dniach 13, 25 i 27 października 2010 roku oraz 21 marca 2011 roku na Zatoce Gdańskiej w trakcie praktyki manewrowej studentów transportu morskiego Akademii Morskiej w Gdyni.
Podczas prowadzenia eksperymentalnych badań jesienią 2010 roku panowały dość niesprzyjające warunki pogodowe. Tylko 13 października wiatr był umiarko-wany – jego prędkość dochodziła do 8 węzłów. Natomiast 25 i 27 października prędkość wiatru była zmienna i wynosiła od 12 do 20 węzłów. Najbardziej ko-rzystne warunki panowały 21 marca 2011 roku – na początku badań praktycznie nie było wiatru, a pod koniec badań jego prędkość wynosiła około 8 węzłów.
Na rysunku 8 przedstawiono pomierzone prędkości kątowe cyrkulacji i rotacji statku „Horyzont II”, uzyskane pracą steru strumieniowego. Otrzymaną na podsta-wie tych danych kinetyczną charakterystykę steru strumieniowego na statku „Horyzont II” E(v) pokazano na rysunku 9.
Rys. 8. Zestawienie wyników pomiarów pracy steru strumieniowego na płynącym statku „Horyzont II”
Na rysunku 9 naniesiono również krzywą funkcji aproksymującej kinetyczną efektywność pracy steru strumieniowego na „Horyzoncie II”. Funkcja ta ma po-stać: 2 2 1 ( ) 0,006 0,15 1 E v v v = + + (3)
W zakresie prędkości statku 0–4 węzłów funkcja aproksymująca dobrze od-zwierciedla otrzymaną z badań charakterystykę kinetycznej efektywności pracy steru strumieniowego.
Rys. 9. Kinetyczna efektywność pracy dziobowego steru strumieniowego na statku „Horyzont II”
WNIOSKI Z BADAŃ
Na obu przebadanych statkach uzyskano podobne kinetyczne charakterystyki pracy dziobowych sterów strumieniowych. Na „Darze Młodzieży” dla prędkości płynięcia naprzód 2,5 węzła otrzymano 50% efektywności pracy steru strumienio-wego uzyskanej dla rotacji na niepłynącym naprzód statku. Dla „Horyzontu II” tego typu prędkość wynosi 2,7 węzła.
Do takich prędkości pływania statków (2,5 w – „Dar Młodzieży”, 2,7 w – „Horyzont II”) można podczas manewrów wspomagać pracę zaśrubowych sterów pracą dziobowych sterów strumieniowych. Powyżej tych prędkości skuteczność
działania dziobowych sterów strumieniowych szybko maleje ze wzrostem prędko-ści pływania i wspomaganie działania sterów zaśrubowych pracą sterów strumie-niowych nie jest skutecznie.
LITERATURA
1. Baniela S., The Performance of a Tunnel Bow Thruster with Slow Speed Ahead: A Revisiting
Issue, Journal of Navigation, 2009, vol. 62.
2. Bertram V., Practical ship hydrodynamics, Butterworth-Heinemann, Oxford 2000.
3. Beveridge J.L., Design and Performance of Bow Thrusters, Marine Technology, 1972, vol. 16., no. 4.
4. Blanke M., Lindegaard K.P., Fossen T.I., Dynamic model for thrust generation of marine propellers, IFAC 5th conference on maneuvering and control of marine craft, Aalborg (Denmark), 23–25 Aug. 2000, Elsevier, Kidlington.
5. Breivik M., Fossen T.I., A unified control concept for autonomous underwater vehicles, IEEE 2006 American Control Conference, Minneapolis (MN), Piscataway, New York 2006.
6. Breslin J.P., Andersen P., Hydrodynamics of ship propellers, Cambridge University Press, 2003. 7. Brix J.E. Manoeuvring Technical Manual, Seehafen, 1993.
8. Brix J.E., Querstrahlsteuer, Hamburgische Schiffbau-Versuchsanstalt GmbH, Hamburg 80/1978. 9. Carlton J.S., Marine propellers and propulsion, 2en ed., Butterworth-Heinemann, Oxford 2007.
10. Chislett M.S., Bjorheden O., Influence of Ship Speed on the Effectiveness of a Lateral – Thrust
Unit., Hydro- og Aerodynamisk Laboratorium, Report no. 8, 1966.
11. Kim J., Chung W.K., Accurate and practical thruster modeling for underwater vehicles, Ocean Engineering, 2006, vol. 33.
12. Molland, A.F., Turnock S.R., Marine Rudders and Control Surfaces, Butterworth-Heinemann, Oxford 2007.
13. Newman P., Westwood R., Westwood J., Market prospects for autonomous underwater vehicles, Exhibitions The 9th Unmanned Underwater Vehicle Showcase, Southampton, Exhibitions Ltd, London 2007.
14. Nowicki A., Wiedza o manewrowaniu statkami morskimi, Trademar, Gdynia 1999.
15. Palmer A., Hearn G.E., Modelling Tunnel Thrusters for Autonomous Underwater Vehicles, Fluid Structure Interactions Research Group, School of Engineering Sciences, University of Southamp-ton 2007.
16. Saunders A., Nahon M., The effect of forward vehicle velocity on through-body AUV tunnel
thruster performance, MTS/IEEE Oceans 2002 – marine frontiers, Biloxi (MI, USA), 29-31 Oct.
2002. IEEE, Piscataway, (NJ, USA) 2002.
17. Sharma R., An Investigation into the Design of Bow Thrusters for Marine Vehicles, Project Report 08/2005 on Ship Design for Efficiency and Economy (SDEE), Department of Ocean Engineering and Naval Architecture, Indian Institute of Technology, Kharagpur 2005.
18. Sharma R., Computer-aided Design of Bow Thrusters for Marine Vehicles, Technical Journal, Marine Engineering, The Institution of Engineers (India) Publications, 2006, vol. 86.
19. Taniguchi K., Watanabe K., Kasai H., Investigation into the Fundamental Characteristics and
BOW THRUSTERS PERFORMANCES ON S/V „DAR MŁODZIEŻY” AND T/V „HORYZONT II”
Summary
In the years 2009–2011 some research works carried out over effectiveness of bow thrusters fit-ted in s/v “Dar Młodzieży” and t/v “Horyzont II”, owner – Gdynia Maritime University. Angular velocity of rotation at zero speed of advance as well as at maneuvering speed have been measured – as the result of using bow thrusters, but with vessel’s rudder amidship.
