Strumień zaśrubowy

Definicja strumienia

zaśrubowego

 Strumień zaśrubowy jest to strumień wody

wywołany poprzez ruch obrotowy śruby
napędowej statku. Strumień ten ma kształt strugi
wodnej o średnicy zbliżonej do średnicy śruby dla
śruby nie związanej z kadłubem statku i
umieszczonej w bezprzepływowym środowisku.
Strumień zaśrubowy oprócz prędkości osiowej
posiada prędkość obrotową i odśrodkową.

Strumienie zaśrubowe:

•Obracająca się śruba napędowa statku lub śruba steru
strumieniowego powodują powstawanie w otaczającym ją
środowisku strumienia wody o znacznej prędkości, zwanego
dalej strumieniem zaśrubowy.

•Strumień zaśrubowy statku płynącego na ograniczonej
głębokości może powodować erozję dna, a także erozję
brzegową toru wodnego czy kanału żeglugowego.

•Strumień zaśrubowy statku stojącego przy nabrzeżu lub
manewrującego w jego sąsiedztwie może spowodować
rozmycie dna, a w efekcie zagrożenie stateczności konstrukcji
hydrotechnicznych.

Rysunek strumień zaśrubowy wywołany pracą śruby napędu głównego.

Rysunek strumień zaśrubowy wywołany pracą
śruby steru strumieniowego.

d

sd

v

v

max







Nab

H

N

R

R

,

,

max



Bezpieczna prędkość strumienia

zaśrubowego przy dnie.

•ogranicza stosowanie silnych manewrów maszyną ( CN, PN, CW,
PW ), których czas działania jest dłuższy niż 1 min. Związane jest to z
możliwością podmycia nabrzeża lub zniszczenia umocnień dna.

Warunek wykonania bezpiecznego manewru cumowania wyrażony
jest nierównością:

Prędkość strumienia zaśrubowego przy dnie jest funkcją mocy na śrubach,
parametrów pędnika statku i głębokości przy nabrzeżu. Prędkość krytyczna
strumienia zaśrubowego zależy natomiast od typu nabrzeża i rodzaju dna.
W związku z tym powyższy warunek można zapisać w postaci nierówności:

R





Nab

H

N

R

,

,

max

- rezerwa krytyczna dla określonego statku,
nastawy maszyny, głębokości przy nabrzeżu i typu nabrzeża.

-

rezerwa wody pod stępką

gdzie:















2

81

,

9

2

a

u

F

T

s

s





s

F

a

u

s

s

a

F

T

u



2



gdzie:

- gęstość wody

- prędkość indukowana w przekroju
śruby

- powierzchnie obrysu śruby

Wyznaczanie prędkości strumienia zaśrubowego
Celem wyznaczenia prędkości strumieni zaśrubowych przy
dnie akwenu jest określenie rodzaju i zasięgu wymaganego
umocnienia dna basenu (akwenu) zabezpieczającego
stateczność konstrukcji nabrzeży.
Określenie prędkości wody wywołanej ruchem
obrotowym śruby

na podstawie teorii pędnika idealnego wg której

napór pędnika jest określany ze wzoru:

Stąd określa się prędkość
indukowaną w przekroju
śruby:

s

s

a

F

T

u



2



T

s

K

d

n

T

4

2

81

,

9







n

d

T

K

)

50

,

0

25

,

0

(

do

K

T



nd

u

a

95

,

0



 

s

m

Stąd określa się prędkość indukowaną w przekroju śruby:

Przyjmując napór śruby:

gdzie:

- gęstość wody

- prędkość obrotowa śruby
- średnica śruby

- współczynnik naporu śruby

i po przekształceniach i założeniu że gęstość wody zmienia się w
niewielkim stopniu można wzór uprościć do postaci:

3

1

2















d

P

C

u

d

p

a



d

P

p

C

Prędkość określona powyższym wzorem występuje w odległości równej
promieniowi śruby statku.
Znając moc śruby prędkość strumienia zaśrubowego można określić z
następującej zależności:

gdzie:

- moc śruby

- współczynnik bezwymiarowy równy 1,48 dla śruby swobodnej i
równy 1,17 dla śruby w tunelu

x

u

u

a

m

52

,

1

max

,



d

x

2



a

u

x

1

8

,

2

max

,

b

a

x

d

x

A

u

u

















25

,

1

6

10

2

,

5

1

1













A

Określanie prędkości wody w strumieniu zaśrubowym
W dalszym przebiegu strumień rozprzestrzenia się stożkowo tracąc wraz z odległością
swoją prędkość. Maksymalna prędkość strumienia zaśrubowego w funkcji odległości od
śruby określana jest z następującej zależności:

dla

dla przypadku gdy ster statku ustawiony
jest na zero; gdzie:

- prędkość indukowana w przekroju śruby

Jeśli ster znajduje się w pozycji odchylonej wówczas prędkość strumienia zaśrubowego
wyznaczana jest z następującej zależności:

- odległość od płaszczyzny śruby

1

b



a

p

a

b

d

h

E

u

v















max

p

h

d

R

h

p

6

,

0





R

T

H

R





a

E

gdzie:

- współczynnik dla statków o jednym sterze równy 1,1 dla statków o dwóch sterach równy 0,6

Prędkość maksymalna strumienia zaśrubowego rozprzestrzeniającego się przy
dnie akwenu może być wyznaczona z następującej zależności:

gdzie:

- odległość osi śruby od dna;

- współczynnik bezwymiarowy równy -1,0 dla statków jednośrubowych i równy
-0,28 dla statków dwuśrubowych

- współczynnik bezwymiarowy równy:
0,71 – dla statków jednośrubowych ze sterem położonym centralnie
0,42 – dla statków jednośrubowych bez steru położonego centralnie lub statków
dwuśrubowych ze sterem położonym centralnie
0,52 – dla statków dwuśrubowych z podwójnymi sterami

- kąt położenia steru

3

1

2

,

04

,

1















B

d

b

a

d

P

u



d

P

B

d

Rysunek: wyznaczanie miejsca maksymalnego uderzenia strumienia
zaśrubowego przy dnie
Dla sterów strumieniowych prędkość maksymalna strumienia
zaśrubowego na wyjściu z tunelu może być wyznaczona z następującej
zależności:

gdzie:

- moc steru strumieniowego

- średnica wewnętrzna tunelu steru strumieniowego

0

,

1

,

max

0

,

2

















B

b

a

b

d

L

u

u

L

m

d

max

B

V

















w

w

s

B

m

g

B

V

d







2

2

max

B

2

s

m

max

B

V

s



3

m

kg

w



3

m

kg

Prędkość części strumienia zaśrubowego pochodzącego od steru strumieniowego
a trafiająca w dno akwenu może być wyznaczona z następującej zależności:

gdzie:

- odległość miedzy otworem tunelu steru strumieniowego a ścianą nabrzeża

Graniczna średnica narzutu na dnie

który nie zostanie poruszony przy
największej prędkości przy dnie

gdzie:

= 1,25 dla statków ze sterem położonym

centralnie

= 0,9 dla statków z innym położeniem steru
= 1,20 dla sterów strumieniowych
g= 9,81

- wg Z 30/14

- gęstość materialu kamiennego
narzutu,

- gęstość wody

u

F

w

B

u

g

V

F



2

2







2

m

kG

B

V

2

s

m

w



3

m

kG

CIĘŻAR JEDNOSTKOWY

Płyt prefabrykowanych

gdzie:

- wg Z 30/14

g-

przyspieszenie ziemskie,

- ciężar właściwy
wody,

Prędkość strumienia zaśrubowego przy dnie w funkcji nośności i rezerwy wody pod stępką dla
masowców i zbiornikowców w funkcji nośności i rezerwy wody pod stępką – manewr WN
(badania wlasne)

CZYNNIKI WPLYWAJĄCA NA ROZPRZE SIĘ
STRUMIENIA ZAŚRUBOWGO I PRĘDKOŚCI
W NIM WYSTEPUJACESTRZENIANIE

Ster

Ruch wsteczny śruby

Zanurzenie statku

Głębokość basenu

Ruch statku

WPŁYW STERU

•Ster powoduje rozdzielenie się strumienia zaśrubowego na strumień denny i
powierzchniowy

•Ster powoduje wcześniejsze dochodzenie strumienia do dna

•Zmiana położenia płata steru w granicach ±45º powoduje przesuwanie
kierunku strumienia zgodnie z kierunkiem położenia steru
Większe odchylenia steru powodują odbijanie się strumienia od powierzchni
steru i silne zaburzenia w tym rejonie
Najmniejsze prędkości przy dnie w osi statku stojącego przy nabrzeżu
występują przy odchylaniu steru o kąt 45º w kierunku basenu

WPŁYW RUCHU WSTECZNEGO ŚRUBY
Ruch wsteczny śruby powoduje, że głębokości wybojów są około trzy razy
mniejsze aniżeli przy ruchach naprzód przy zachowaniu tego samego
położenia steru i prędkości obrotowej śruby. Wynika to z faktu, że
charakterystyki śruby przy ruchu wstecz są gorsze ze względu na
niekorzystny rozkład skoku i gorsze warunki opływu. Największe głębokości
wyboju przy ruchu śruby wstecz występują na osi statku.

WPŁYW ZANURZENIA STATKU
Nawet minimalne wynurzenie płatów śruby powoduje zmniejszenie prędkości
strumienia zaśrubowego przy dnie akwenu nawet o 50 %.

WPŁYW RUCHU STATKU
Statek poruszający się w basenie portowym oddziałuje swoim strumieniem
zaśrubowym na dno akwenu w niewielkim stopniu. W miarę spadku prędkości
statku i zwiększaniu obrotów śruby to oddziaływanie wzrasta.

WPŁYW GŁĘBOKOŚCI BASENU
Powiększanie głębokości basenu powoduje zmniejszenie prędkości strumieni
zaśrubowych przy dnie. Wynika to ze zwiększania odległości pomiędzy śrubą
a dnem basenu. W związku z tym strumień rozprzestrzenia się w większym
obszarze wodnym i przyłącza większe ilości wody z otoczenia.