MANEWROWANIE STATKIEM
OPÓR CAŁKOWITY STATKU: w czasie ruchu statku jednostajna prędkością na tym samym kursie na całą powierzchnię jego podwodzia działa siła hydrodynamiczna ośrodka wodnego. Siła ta skierowana jest przeciwnie do kierunku ruchu statku i stąd nosi nazwę oporu statku. Opór ten wywołany jest zakłóceniem równowagi masy wody przez poruszający się kadłub. Można wymienić trzy główne rodzaje zakłóceń powodujące powstawanie trzech oporów składających się w sumie na opór statku. R=Rf+Rt+Rc+Rd
Rf- opór falowy, Rt- opór tarcia, Rc- opór ciśnienia, Rd -opór dodatkowy (np. powietrza).
OPÓR FALOWY: ruch powoduje powstanie różnic ciśnienia wody opływającej podwodną część statku. Wzrost ciśnienia występuje wzdłuż części równoległych statku. Skoro na powierzchnię wody działa jednakowe ciśnienie atmosferyczne, to wzrost i spadek ciśnienia wody powoduje wznoszenie i opadanie jej powierzchni. W ten sposób w rejonach dziobowego i rufowego wzrostu ciśnienia powstają grzbiety niezależnych od siebie układów falowych związanych ze statkiem. Efektem zakłócenia równowagi ośrodka wodnego jest więc powstanie układu fal i stąd opór powodowany tym zakłóceniem nazywany jest oporem falowym. Rf = 0,5Cf *q * V2* Ω
Cf -współczynnik oporu falowego, q -gęstość wody, V- prędkość statku, Ω- powierzchni zwilżona kadłuba.
Zależność ta wskazuje, że opór falowy rośnie wprost proporcjonalnie do kwadratu prędkości statku. Prędkość poruszania się układu falowego równa prędkości statku. Długość fali okrętowej: λ=(2Π/g)* V2= 0,64V2(m/s)=0,169V2[W] jest niezależna od długości statku, a jedynie od prędkości statku.
Prawidłowym działaniem zmierzającym do uniknięcia uszkodzeń spowodowanych obniżeniem i podniesieniem powierzchni wody wywołane ruchem statku jest dostatecznie wczesne i wydatne zmniejszenie prędkości statku.
OPÓR TARCIA: podczas ruchu statku na skutek lepkości wody cząstki jej znajdujące się najbliżej kadłuba przywierają do niego i poruszają się wraz ze statkiem porywając warstwy położone dalej. Zjawisku temu towarzyszy tarcie cząstek wody o kadłub i tarcie między cząstkami wody, stąd też siłę skierowaną przeciwnie do kierunku i ruchu statku.
Rt =0,5Ct *q * V2* Ω. Współczynnik oporu tarcia zależy od prędkości statku I jego długości, lepkości kinetycznej wody oraz chropowatości kadłuba, można określić za pomocą wzorów i wykresów. Procentowy udział oporu tarcia zmienia się wraz z prędkością statku.
OPÓR CIŚNIENIA: strugi wody poruszają się wraz ze statkiem odrywają się od rufowej części kadłuba powodując podciśnienia na rufie oraz tworzenie wirów za kadłubem. Powstająca w związku z tym siła skierowana przeciwnie do kierunku ruchu statku nazywa się oporem ciśnienia a czasem oporem wirowym: Rc = 0,5*Cc *q * V2 *Ω, Cc =0,09*
(Fowręza/Ω )* [(Fowr)1/2/ 2 Lr]1/2 , Fowręża - powierzchnia zanurzonej części owręża, Ω- powierzchni zwilżona kadłuba,
Lr -długość wyostrzenia rufowego mierzona od części równoległej do tylnicy. Wielkość oporu ciśnienia na zwykłych statkach nie przekracza kilku procent oporu całkowitego.
OPÓR POWIETRZA: spośród oporów dodatkowych przydatne jest, z powodu potrzeb manewrowych zamieszczenie wiadomości o oporze powietrza, to jest oporze nadwodnej części kadłuba i nadbudówki. Rpow = 0,5*Cpow *qpow *V2pow*Fn
Fn- powierzchnia nadwodnej części statku.
Zależności umożliwiają obliczanie wielkości oporu powietrza dla wypadku ruchu statku kursem przeciwnym lub zgodnym z kierunkiem wiatru. Odchylenie wiatru od linii symetrii powoduje stopniowe zmniejszanie oporu powietrza.
OKREŚLANIE OPORU HOLOWANIA: określona wielkość pomijająca wpływ ośrodka powietrznego nosi nazwę oporu holowania, a więc obejmuje opory falowe, tarcia, ciśnienia oraz opory dodatkowe. Opór holowania można w przybliżeniu obliczyć kilkoma metodami: np. Papniesa, Ayer'a.
NAPĘD STATKU (ŚRUBY NAPĘDOWE): warunkiem ruchu statku jest przyłożenie do niego takiej siły, która zrównoważy wielkość oporu całkowitego. Wytworzenie wspomnianej siły na morskich statkach handlowych odbywa się przy zastosowaniu układu napędowego składającego się z silnika, linii wałów i śruby napędowej. Śruba składa się zwykle z 3lub 4 (rzadziej 5 lub 6) skrzydeł osadzonych promieniowo w piaście wsuwanej na koniec poziomego wału napędowego. Większa ilość skrzydeł powoduje spadek efektywności śruby, lecz stosowana jest w celu zmniejszenia wibracji. Z reguły śruby umieszczane są na rufie i dlatego też wykonane są w wersji pchającej.
Podział śrub napędowych ze względu na kierunek obrotu:
1) Prawoskrętne- śruba wytwarzająca siłę pchającą przy obrocie zgodnym z ruchem wskazówek zegara, gdy patrzeć na nią od strony rufy. 2) Lewoskrętna- śruba wytwarzająca siłę pchającą podczas obrotu w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.
Na statkach handlowych najbardziej rozpowszechnione są śruby prawoskrętne oraz spalinowe silniki wolnoobrotowe.
ELEMENTY ŚRUBY:
1) Strona ssąca: powierzchnia skrzydła śruby zwrócona w kierunku ruchu. 2) Strona cisnąca: powierzchnia skrzydła śruby zwrócona przeciwnie do kierunku ruchu. 3) Krawędź natarcia: brzeg skrzydła zwrócony w kierunku ruchu. 4) Krawędź spływu: brzeg skrzydła zwrócony przeciwnie do kierunku ruchu. 5)Wierzchołek skrzydła: punkt najbardziej oddalony od piasty śruby. 6)Średnica śruby (D): jest to odległość dwóch przeciwległych wierzchołków skrzydeł. 7)Skok śruby (H): odległość, jaką przebyłaby śruba w kierunku osi wału podczas jednego obrotu w ośrodku stałym. 8) Współczynnik powierzchni śruby (S0/S): stosunek sumy pól powierzchni wyprostowanych skrzydeł do pola kręgu śruby.
W rzeczywistości śruba napędowa umieszczona na rufie pracuje w szczególnych warunkach, wytworzonych na skutek wpływu kadłuba i pracy samej śruby. Wpływ pracy śruby wyraża się powstawaniem obszarów podciśnienia przed śrubą i nadciśnienia za nią. Wpływ kadłuba to ruch masy wody porywanej ruchem statku.
STRUMIEŃ NADĄŻAJĄCY- jest to masa wody przemieszczająca się zgodnie z kierunkiem ruchu statku w okolicy rufy. Prędkość strumienia nadążającego jest mniejsza od prędkości statku. POSÓW ŚRUBY- droga jaką przebywa śruba w czasie jednego obrotu i jest mniejsza od skok śruby. POŚLIZG- różnica drogi między skokiem a posuwem śruby.
WSPÓŁCZYNNIK STRUMIENIA NADĄŻAJĄCEGO- stosunek prędkości statku do strumienia nadążającego.
W celu utrzymania prędkości statku konieczne jest przyłożenie do statku takiej siły, która zrównoważy opór całkowity. Wytworzona siła musi być większa od oporu całkowitego o tyle by pokonać wpływ obszaru podciśnienia powstającego przed śrubą. Wytworzona siła nazywa się naporem śruby , a jej część konieczna do pokonania podciśnienia nosi nazwę siły ssania. T=R+ΔT, T- napór śruby, R- opór statku, ΔT- siła ssania. WSPÓŁCZYNNIK SSANIA- stosunek siły ssania do naporu śruby, zależy przede wszystkim od kształtów kadłuba.
PARAMETRY ŚRUBY muszą być tak dobrane aby odpowiadały wielkości i kształtowi kadłuba oraz mocy siłowni:
1) Średnica śruby- najlepsze rezultaty zapewnia śruba o maksymalnie dużej średnicy; ograniczeniem jest tutaj przestrzeń w rufowej części statku oraz obwodowa prędkość końcówek skrzydeł śruby przy której nie występuje zjawisko kawitacji. 2) Liczba obrotów śruby- dobre rezultaty zapewnia dobór najmniejszej liczby obrotów powodujących największy napór śruby. 3)Liczba skrzydeł śruby- zależy ona od takich czynników jak: wytrzymałość, wzbudzanie drgań, trudności technologiczne i sprawność. 4)Grubość skrzydeł - musi zapewniać dostateczną wytrzymałość.
MOC NAPĘDU: do pokonania oporu powstającego przy danej prędkości statku konieczne jest wykonanie pracy mierzonej iloczynem użytej siły i przebytej drogi. Stosunek pracy do czasu jej trwania nazywany jest w odniesieniu do statku mocą holowania. Moc holowania jest więc wielkością potrzebną do pokonania oporu holowania powstającego przy danej prędkości statku. Stąd też moc naporu powinna odpowiadać mocy holowania. W zależności jednak od rodzaju wzajemnych wpływów kadłuba i śruby moc naporu może być nieco różna od mocy holowania. Stosunek mocy holowania do mocy naporu nazywa się SPRAWNOŚCIĄ KADŁUBA, która zależy od wielkości współczynnika ssania i strumienia nadążającego, czyli od kształtu, rodzaju i liczby śrub napędowych.
DYSZE KORTA: znaczne polepszenie sprawności napędowej uzyskane jest przez umieszczenie śruby w pierścieniowej dyszy zamocowanej na stałe do kadłuba. Dysze powodują znaczny wzrost prędkości przepływu wody, w związku z czym wydatnie wzrasta siła naporu śruby. Z manewrowego punktu widzenia, zastosowanie dysz stałych zapewnia poprawę stateczności kursowej a nawet polepszenie zwrotności podczas ruchu naprzód, to jednak podczas ruchu wstecz należy się liczyć ze szczególnym pogorszeniem sterowności.
ŚRUBY NASTAWNE: śrubami nastawnymi są konstrukcje umożliwiającą dowolną zmianę skoku śruby podczas ruchu statku. Śruby nastawne z ekonomicznego punktu widzenia są kosztowniejsze od śrub klasycznych. Jednak śruby nastawne charakteryzują się wysokim stopniem niezawodności, a silniki główne nie są narażane na przeciążenia występujące przy śrubach klasycznych w trakcie wykonywania awaryjnego CN i CW (ograniczenie remontów). Pozytywny wpływ na manewrowość statku wynika z możliwości dowolnej i natychmiastowej regulacji skoku śruby, podczas gdy napęd główny pracuje ciągle na stałych obrotach i w jednym kierunku. Śruba nastawna ma jedną zdecydowanie ujemną cechę, a mianowicie w wypadku ruchu statku do przodu nastawienie skoku na zero powoduje praktycznie natychmiastową utratę sterowności, a nawet rozpoczęcie niekontrolowanego zwrotu. Śruba nastawna na statkach jest z reguły lewoskrętna. Zastosowanie tego typu śruby wynika stąd, iż przy ustawieniu skoku śruby na wsteczny, obracająca się nadal w lewo śruba będzie powodowała zwrot dziobu w prawo, to jest w tym samym kierunku co prawoskrętna śruba konwencjonalna pracująca wstecz. Taki zwrot statku zatrzymywanego za pomocą napędu głównego jest pożądany w wąskich przejściach, rzekach, kanałach, gdzie obowiązuje ruch prawostronny. Zastosowanie śruby nastawnej prawoskrętnej wywoła podczas zatrzymania zwrot dziobu w lewo, a więc skierowanie statku na środek przejścia. Stwarza to tym samym możliwość zderzenia z jednostkami podążającymi w kierunku przeciwnym. Innym argumentem za stosowaniem śrub nastawnych lewoskrętnych jest przyzwyczajenie kapitanów, pilotów do odchodzenia dziobu w prawo podczas manewru napędem wstecz.
STERY OKRĘTOWE: sterowność statku zapewniana jest konstrukcyjnie poprzez zastosowanie sterów umieszczonych z reguły w części rufowej. STER PŁASKI- (lub płytowy)- najprostszy rodzaj steru w postaci prostokątnej płyty stalowej, mocowanej jedną krawędzią do pionowego trzonu cechującego się swobodą obracania w granicach pewnego kąta na obie burty statku.
Stery z reguły umieszczone są na przedłużeniu linii wału, co umożliwia ich pracę w zasięgu strumienia nadążającego bezpośrednio za śrubą napędową, na przedłużeniu linii symetrii statku.
Podczas ruchu jednostki do przodu ster omywany jest strumieniem zaśrubowym, gdy śruba obraca się naprzód oraz strumieniem wody wynikającym z ruchu statku. W momencie wyłorzenia steru o kąt α w kierunku jednej z burt po stronie zwróconej w kierunku dziobu tworzy się obszar nadciśnienia a po przeciwnej obszar podciśnienia. Różnica ciśnień jest równoważona z powstaniem SIŁY HYDRODYNAMICZNEJ P, działającej w kierunku przeciwnym niż wyłożono ster. Siła ta jest praktycznie prawie prostopadła do powierzchni steru. Siłę hydrodynamiczną P można rozłożyć na dwie składowe:
1) równoległą do wzdłużnej osi statku- siła zatrzymująca RS
2) prostopadłą do wzdłużnej osi statku- siła skręcająca s
Zakładając jednostajną prędkość statku oraz stałe pole powierzchni steru przyjmuje się , iż wielkości powstającej na sterze siły hydrodynamicznej jest zależna tylko od kąta wychylenia steru.
Przebieg -wielkości wzrostu siły dla kolejnych kątów wychylenia steru zestawione w postaci rzutu wektora siły na prostą prostopadłą do osi wzdłużnej statku.
Rozłożenie kolejnych wielkości sił hydrodynamicznych ma składowe zatrzymujące i skręcające.
Przebieg zmian obu składowych siły hydrodynamicznej powstającej na sterze przedstawiony w postaci dwóch krzywych wskazuje, że: --siła zatrzymująca wzrasta nieprzerwanie wraz ze zwiększaniem kąta wychylenia steru, -- siła zatrzymująca osiąga 50% swojej wielkości przy kącie wychylenia steru 450, --siła skręcająca wraz ze zwiększaniem się kąta wychylenia steru osiągając maksymalną wartość dla kąta 450, -- wraz z dalszym wzrostem kąta wychylenia steru powyżej 450 siła skręcająca maleje, po czym zanika całkowicie przy kącie 900, --max wielkość siły skręcającej występująca przy wyłożeniu steru 450 odpowiada 50% max wielkości siły zatrzymującej, -- obie siły przyjmują jednakową wielkość przy kącie wychyle steru równym 450.
Wielkość siły P jest wprost proporcjonalna do wielkości pola powierzchni steru i zmienia się z kwadratem prędkości przepływu wody i wprost proporcjonalnie do kąta wychylenia steru.
PODSTAWOWE ZASADY MANEWROWE:
1) Na statku poruszającym się z małą prędkością można wytworzyć dużą siłę na sterze stosując chwilowe zwiększenie obrotów śruby napędowej. 2) Na statku poruszającym się z dowolną prędkością zmniejszenie liczby obrotów śruby lub jej zatrzymanie pociąga za sobą wydatne zmniejszenie siły powstającej na sterze. 3)W celu utrzymania statku na żądanym kursie należy stosować małe kąty wychylenia steru, zapewniając uniknięcie strat prędkości. 4) Ster może być użyty w celu zmniejszenia prędkości statku, jeżeli zastosowane będą duże kąty wychylenia steru.
Statek poruszający się naprzód omywany jest strugami wody o kierunku przeciwnym do utrzymywanego kursu. Z chwilą wyłożenia steru o dowolny kąt w prawo pojawia się na sterze siła hydrodynamiczna P, którą można rozłożyć na składowe: skręcającą TS i zatrzymującą RS. Przyjmuje się że miejscem przyłożenia siły P jest oś trzonu steru. Siła zatrzymująca RS sumuje się z siłą oporu holowania w związku z czym w chwili wychylenia steru następuje pewne zmniejszenie prędkości. Równocześnie składowa skręcająca pokonując siłę bezwładności kursowej statku wywołuje zwrot w kierunku przeciwnym niż wychylono ster. PRZESUNIĘCIE UJEMNE- niewielkie poprzeczne przemieszczenie kadłuba, występujące w okresie od wyłożenia steru z pozycji środkowej do momentu, w którym statek zaczyna zmieniać kurs pod wpływem działania siły skręcającej.
Zwrot statku pod wpływem wychylenia steru następuje z pewnym opóźnieniem, koniecznym do pokonania bezwładności kursowej. Prędkość zwrotu rośnie w miarę wzrostu wielkości sił skręcających ster i naporu wody. Każdy zwrot pociąga za sobą straty prędkości statku powodowane działaniem sil zatrzymujących na sterze i kadłubie. Przyspieszenie zwrotu jest tym większe im większa jest różnica między prędkością statku a prędkością strumienia zaśrubowego. Efektywność działania steru jest proporcjonalna do kwadratu prędkości statku.
RODZAJE STERÓW KONWENCJONALNYCH:
Klasyfikacja sterów ze względu na następujące cechy konstrukcyjne:
--kształt boczny powierzchni steru, --sposób zamocowania do kadłuba, --kształt przekroju poziomego, -- miejsce poprowadzenia steru.
Z manewrowego punktu widzenia klasyfikacja sterów ze względu na wielkość siły hydrodynamicznej: --stery płaskie (płytowe), --stery opływowe 9profilowane lub wyporowe).
PODZIAŁ STERÓW OPŁYWOWYCH ze względu na miejsce poprowadzenia osi trzonu sterowego: --niezrównoważone- gdy oś steru znajduje się tuż przy przedniej krawędźią płetwy (ster Oertza), --częściowo zrównoważone- gdy oś steru znajduje się między przednią krawędzią płetwy a miejscem przyłożenia siły naporu (ster Simplex). -zrównoważone- gdy oś steru znajduje się w miejscu przyłożenia siły naporu, --przerównowazone- gdy miejsce przyłożenia siły naporu znajduje się między przednią krawędzią a osią trzonu sterowego.
Odległość osi od krawędzi przedniej steru nie przekracza 25-30% długości płetwy sterowej. Wielkość siły naporu jest wprost proporcjonalna m.in. do wielkości pola powierzchni steru.
WIELKOŚĆ POWIERZCHNI STERU- zależy od wielkości statku, jego zakładanej prędkości i pożądanej zwrotności. Powierzchnia powinna być tym większa, im mniejsza jest prędkość statku i im większa jest wymagana zwrotność.
WSPÓŁDZIAŁANIE NAPĘDU I STERU:
DZIAŁANIE BOCZNE ŚRUBY: działaniem bocznym śruby określa się w praktyce manewrowej łatwe do zaobserwowania przy pracy napędu głównego wstecz efekty wpływu niejednorodnej prędkości oraz nierównoległości przepływu, występujące zarówno w strumieniu nadążającym jak i w strumieniu zaśrubowym, które powodują powstawanie poprzecznych sił hydrodynamicznych na śrubie.
W przypadku ruchu jednostki do przodu śruba prawoskrętna powoduje przemieszczenie rufy na prawo, wskutek czego obserwować można zmianę kursu w lewo. Efekt ten eliminuje się odpowiednim katem wychylenia steru 9ster omywany jest strumieniem zaśrubowym). Na statkach wyposażonych w dysze Korta efekt bocznego działania śruby może nie występować.
W wypadku ruchu statku wstecz śruba prawoskrętna obracająca się wstecz powoduje przesuwanie rufy w lewo. Ster omywany jest tylko masą wody o prędkości równej prędkości statku (nie umożliwia to eliminacji działania bocznego śruby), stąd obserwuje się zmianę kursu jednostki w prawo.
W wypadku ruchu statku naprzód nadanie śrubie prawoskrętnej obrotów wstecz powoduje przesuwanie rufy w lewo i zmianę kursu w prawo.
W wypadku ruchu statku wstecz nadanie śrubie prawoskrętnej obrotów naprzód powoduje przesuwanie rufy w prawo, a więc zmianę kursu w lewo. Efekt ten można eliminować niewielkim wychyleniem steru.
Na statku zatrzymanym uruchomienie śruby naprzód powoduje, że po prawej burcie występuje narzucanie wody na ster, po lewej zaś pewne rozrzedzenie. W rezultacie pojawia się chwilowo siła przesuwająca rufę statku w lewo, a więc powstaje tendencja do zmiany kursu w prawo. Zjawisko to zanika z chwilą uformowania się strumienia zaśrubowego.
W przypadku uruchomienia śruby prawoskrętnej wstecz na statku zatrzymanym powstaje siła przesuwająca rufę w lewo, powstaje zmiana kursu w prawo.
Opisane wyżej efekty bocznego działania śruby występują wyraźnie na statkach niedoładowanych lub pod balastem, gdy śruba napędowa znajduje się tuż pod powierzchnią wody, a tym bardziej, gdy wierzchołki skrzydeł wystają ponad powierzchnię.
Ograniczenie zanurzenia śruby tylko do jej piasty powoduje zwielokrotnienie działania bocznego działania śruby zarówno podczas ruchu statku naprzód jak i wstecz.
Na statkach wyposażonych w śrubę lewoskrętną zachodzą odwrotne zjawiska niż opisane wyżej (a-f).
Na statkach wyposażonych w śrubę nastawną, poprzeczną siłę hydrodynamiczną charakteryzuje z uwagi na stały kierunek obrotów. Prawoskrętna śruba nastawna zawsze powoduje przesuwanie rufy w prawo a więc zmianę kursu w lewo (naprzód i wstecz). Odwrotnie zjawisko wywołuje lewoskrętna śruba nastawna:
1) Działanie boczne śruby zwiększa się proporcjonalnie do wzrostu liczby jej obrotów. 2)Średnice cyrkulacji można zmniejszyć, wybierając kierunek zwrotu zgodny z efektem działania bocznego śruby. 3)Podczas zatrzymania statku zależność między liczba obrotów śruby a wielkością efektu działania bocznego można wykorzystać w celu osiągnięcia pożądanej wielkości zwrotu. 4)Podczas zatrzymania statku można wydatnie zmniejszyć efekt działania bocznego śruby, jeżeli przed wykonaniem manewru wstecz napędem głównym prędkość statku będzie dostatecznie mała (ok. 2,0w), a obroty wstecz nie przewyższą WW. 5)Praktyka manewrowania dużymi i bardzo dużymi statkami wskazuje iż przy prędkościach rzędu 0,5w krótkie manewry WN i WW nie powodują poprzecznych przemieszczeń rufy oraz zmian kursu. 6)Śruby wieloskrzydłowe (5 do 6 skrzydeł), stosowane na bardzo dużych statkach wykazują mniejsze efekty działania bocznego w porównaniu do śrub czteroskrzydłowych.