KADŁUB i UKŁAD NAPĘDOWY

KADŁUB

Dla nawigacji, manewrowania i żeglugi oczywistym jest, że najważniejszym elementem statku jest sam kadłub jako istota pojęcia statku, urządzenia przeznaczonego do transportu towarów i ludzi. W zależności od przeznaczenia statku i jego wielkości kadłub ma zróżnicowane kształty a zatem i właściwości.

Najpierw podzielmy jednostki pływające pod względem wielkości gdzie możemy wyróżnić statki:

• małe - nośność do 2000 ton.

• - zwrotne

• - niezbyt szybkie

• - w większości wypadków manewrują samodzielnie w portach i kanałach

• - łatwe w wyczuciu ich właściwości manewrowych

• - łatwe do określenia ich krytycznego momentu sztormowania

• średnie - nośność do 20000 ton

• - dobre właściwości morskie

• - zdolne do samodzielnego manewrowania w portach i kanałach o szerokich akwenach wewnętrznych, ale w większości wypadków używają jednego lub więcej holowników.

• duże - nośność do 50000 ton

• - z reguły, podczas manewrowania w portach, korzystają z pomocy, co najmniej dwóch holowników.

• - w sprzyjających warunkach mogą manewrować samodzielnie przy użyciu maszyn i kotwic.

• bardzo duże - nośność powyżej 50000 ton

• - statki z uwagi na swą olbrzymią energię kinetyczną niezmiernie trudne do manewrowania.

• - konieczność użycia wielu holowników

• - użycie kotwic raczej nie wskazane z uwagi na możliwość zerwania łańcuchów przy tak dużej energii kinetycznej

• - olbrzymia masa statku zmusza do minimalizacji szybkości ruchu co utrudnia wzrokową ocenę parametrów ruchu statku - pozbawia manewrującego t.zw. elementu „czucia statku”

• - trudny do określenia, z uwagi na pozorną niewrażliwość statku na warunki zewnętrzne, właściwy moment do rozpoczęcia sztormowania.

Oczywistym jest, że powyższy podział jest bardzo umowny i płynny. Przeciętna wielkość statków w ostatnich czasach znacznie wzrosła i na skutek rozwoju technicznego i technologicznego poprawiły się znacznie zdolności manewrowe statków większych tak, więc współczesny statek o nośności 30000 ton może mięć zbliżone wartości manewrowe do statku o nośności 20000 ton sprzed kilkunastu lat.

Jednym z podstawowych czynników decydujących o manewrowności statku jest kształt jego podwodnej części kadłuba - jego współczynnik pełnotliwości = δ - stosunek objętości podwodnej części kadłuba do prostopadłościanu o wymiarach statku na lini zanurzenia (δ = V/LxBxT). Jak z powyższego wynika, że mamy doczynienia z „dowolną” ilością współczynników pełnotliwości „δ” dla różnych wodnic pływania - statku w różnych stanach załadowania. Oczywiście podstawowym parametrem, jakim się w tym wypadku posługujemy, jest współczynnik pełnotliwości kadłuba „δ” określony dla wodnicy konstrukcyjnej. Pomocniczymi parametrami w określeniu kształtu podwodnej części kadłuba są:

• współczynnik pełnotliwości wodnicy =  = Fwd/LxB

• współczynnik pełnotliwości owręża = β = F¤/BxT

Parametry te mówią nam o smukłości kadłuba, kształcie jego obła i nawisach dziobowym i rufowym. Jak wiemy już z poprzednich rozdziałów statki smukłe są stateczne kursowo ale ich zwrotność, a więc manewrowość jest zazwyczaj mniejsza.

Podsumowując powyższe możemy zestawić pewne parametry statków mające wpływ na manewrowanie w następujące tabelki:

Stosunki wymiarów głównych w zależności od wielkości i typu statku:

L/B B/T

1 - małe statki handlowe 6 do 7 2,5 do 3,4

2 - średnie statki handlowe 6,5 do 7,5 2,2 do 2,8

3 - duże statki handlowe 7,8 do 8 2 do 2,5

Współczynniki pełnotliwości:

„δ” kadłuba „β” owręża „” wodnicy

1 - statki pasażerskie 0,50 - 0,65 ; 0,90 - 0,96 ; 0,73 - 0,81 inne szybkie

2 - statki handlowe 0,65 - 0,78 ; 0,96 - 0,98 ; 0,82 - 0,87

średnie

3 - statki handlowe 0,75 - 0,78 ; 0,96 - 0,99 ; 0,80 - 0,86

duże

Oprócz statków dużych mamy jeszcze statki bardzo duże o nośności powyżej 100000 ton, nawet do 1000000 ton, których współczynniki zbliżone są do statków dużych.

Przy okazji rozważań nad współdziałaniem podczas manewrowania kadłuba ze sterem i napędem przypomnijmy czynniki jakie wpływają na zmiany parametrów manewrowych statku:

1 - zmiany na wodnicy

• zanurzenie

• przegłębienie wzdłużne

• przechył poprzeczny

2 - prędkość wychylenia steru

• szybkość kątowa

• czas wychylenia

3 - zmiana warunków żeglugi

• kierunek wiatru względem statku

• siła wiatru

• kierunek fali

• wysokość fali

• długość fali

• kierunek prądu względem kursu statku

• siła prądu

• zawirowania wody w rejonie żeglugi

• zmiana głębokości

• zmiana ukształtowania dna

• ograniczenie brzegami

• ograniczenie przeszkodami nawigacyjnymi

Podstawową siłą jaką musimy pokonać podczas żeglugi i manewrowania jest opór całkowity statku, tak w ruchu naprzód jak i we wszystkich innych przypadkach kiedy próbujemy nadać statkowi inny bieg - szybkość i kierunek.

Na całkowity opór statku - R - składają się:

• opór falowy - Rw - wynik wzrostu ciśnienia przed dziobem statku i na jego rufie a spadkiem ciśnienia wzdłuż jego burt i powstaniem fal odchodzących od statku

• opór tarcia - Rf - wynik lepkości wody i oporu stwarzanego przez cząsteczki wody przylegające do kadłuba , ciągnące się ze statkiem.

• opór ciśnienia (opór wirowy) - Rp - wynik powstawania podciśnienia za rufa statku skierowanego przeciwnie do jego ruchu.

• opory dodatkowe - Rd - wśród oporów dodatkowych najistotniejszy jest opór powietrza będący wynikiem oddziaływania mas powietrza na nadwodną część statku.

a więc OPÓR STATKU to suma powyższych oporów:

R = Rw+Rf+Rp+Rd

MASZYNA

Dla poruszania się współczesnego statku handlowego niezbędny jest stosowny silnik zdolny pokonać wszystkie opory stawiane przez statek w środowisku wodnym i atmosferze.

Moc maszyny winna być taka, aby zapewnić statkowi stosowną , ale i ekonomiczną szybkość. I tu mamy też znaczne zróżnicowanie co do stosunku mocy do tonażu statku w zależności od typu i przeznaczenia statku. Inne kryteria w tej dziedzinie będą decydowały przy projektowaniu okrętu wojennego, gdzie szybkość ma walor bojowy, inne zaś przy budowie tankowca, masowca, ekspresowca, czy statku pasażerskiego. Inne też założenia projektowe będą zastosowane przy budowie holownika, lub statku rybackiego (trawlera) gdzie ważnym kryterium jest uciąg.

Na morskich jednostkach handlowych do pewnej, niewielkiej wielkości statków, z reguły na 1 tonę poruszanej masy przypada 1 koń mechaniczny (lub kilowat), ale wraz ze znacznym wzrostem tonażu statku reguła ta przestaje obowiązywać i moc maszyn na wielkich statkach jest tylko znikomym ułamkiem tonażu.

Moc maszyn ma zasadnicze znaczenia dla walorów manewrowych statku, a w szczególności dla jego zdolności przyspieszania i hamowania. Charakterystyczną wartością dla określenia tych zdolności jest m.in. stosunek mocy wytworzonej do wyporności statku, który gwałtownie maleje wraz z wielkością statku. Moc maszyn statku do 300O ton zbliżona jest do jego wyporności (tu 3000 KM), ale już moc maszyn statku ok. 20000 ton będzie znacznie mniejsza - ok. 8000 KM. Moce statków ok. 100000 ton rzadko przekraczają 20000 KM.

ŚRUBY

Drugim niezbędnym elementem napędu statku jest jego śruba, która odgrywa decydującą rolę w przełożeniu mocy wytworzonej na efektywną prędkość statku.

Dopiero silnik wraz se śrubą stanowi tak zw. UKŁAD NAPĘDOWY STATKU, którego oba elementy - silnik i ster, są wzajemnie starannie dobierane do określonych przez zleceniodawcę zadań.

Na przestrzeni lat dokonywano wielu prób i testów dla różnego rodzaju wielkości, kształtów i ilości płatów śrub napędowych. W praktyce spotykamy więc śruby dwu, trzy, cztero i więcej płatowe o ściśle określonych profilach i kątach natarcia w zależności od przeznaczenia statku na jakim są montowane.

Od czasu wynalezienia śruby o zmiennym kącie natarcia (t.zw. śruby nastawne) stały się one najbardziej popularnymi pędnikami dla statków o różnych wielkościach. Niewątpliwie śruby tego typu są kosztowne, ale efekty ich stosowania są na tyle korzystne, że armatorzy decydują się na ich stosowanie, ich wyższy koszt jest kompensowany obniżeniem kosztów silników okrętowych, budowanych na stałe, ściśle określone obroty bez konieczności konstruowania kosztownych i skomplikowanych mechanizmów nawrotnych.

Można podsumować zalety śrub nastawnych następująco:

• oszczędność inwestycyjna poprzez zastosowanie silników nienawrotnych

• zmniejszenie konieczności instalacji wysokowydajnych sprężarek i dużych zbiorników powietrza

• zwiększenie żywotności silników, obniżenie kosztów remontu

• rezygnacja z turbin biegu wstecznego i wszystkich z tym związanych urządzeń

• możliwość naprawy śruby poprzez wymianę tylko jednego, uszkodzonego płata, a nie całej śruby

• zmniejszenie ilości załogi maszynowej w wyniku przeniesienia całkowitego sterowania na mostek

• eliminacja ograniczeń wywołanych krytycznymi obrotami silników spalinowych

• zwiększenie precyzyjności manewrowania, małe szybkości manewrowe, sterowe

• eliminacja ryzyka niewykonania manewru „wstecz” co zdarza się na statkach ze śrubą klasyczną.

• liczba manewrów nie jest ograniczona zawartością butli sprężonego powietrza

• eliminacja podczas manewrów pośredniego czynnika ludzkiego (manewru maszyną - śrubą - dokonuje kapitan bezpośrednio na mostku

• wydatnie skraca się czas przyspieszenia i hamowania statku

• znaczne zwiększenie „uciągu” (holowniki, statki rybackie)

Dla uszanowania przyzwyczajeń manewrowych ze statków o śrubach klasycznych konstruuje się silniki lewoskrętne tak, aby przy manewrze wstecz statek zachowywał się podobnie do statku z napędem klasycznym - dziób powinien iść w prawo.

Do dnia dzisiejszego trwa wciąż walka o jak najlepsze wykorzystanie mocy wytworzonej przez układ napędowy. Miedzy innymi wynikiem takich poszukiwań jest powszechnie stosowana dysza Korta. Dyszę Korta obecnie stosuje się nie tylko na małych i średnich statkach, ale stwierdzono bardzo wyraźne polepszenie sprawności układu napędowego na dużych i bardzo dużych statkach. Na podstawie badań i doświadczeń ustalono pewne zależności:

• dysza Korta zwiększa prędkość o 0,35 węzła statku pod balastem

• dysza Korta zwiększa prędkość o 0,40 węzła statku w stanie pełnego załadowania

• przy zastosowaniu dyszy Korta poprawia się znacznie stateczność kursowa

• przy zastosowaniu dyszy Korta poprawia się zwrotność statku

• zmniejsza się dwukrotnie wibracja kadłuba statku w stanie załadowanym

• osiągnięcia zysku mocy 5-6%

• oszczędności paliwa 5-9%

Oczywiście jak w każdym urządzaniu, tak i tutaj, można doszukać się i ujemnych stron, ale są one w porównaniu do zysków praktycznie bez znaczenia:

• wzrost kosztu inwestycyjnego statku

• wzrost kosztu remontu podwodnej części kadłuba

• zwiększenie koniecznego zabezpieczenia katodowego w rejonie rufy.

NAPĘD DWUŚRUBOWY

Napęd dwuśrubowy (wielośrubowy) dla pewnych typów statków jest nie tylko korzystny, ale konieczny z uwagi na niemożność techniczną zastosowania jednej wielkiej śruby. Wśród przyczyn, dla których wyposaża się statki w więcej niż jedna śrubę wyróżnić należy takie jak:

• zwiększenie manewrowności

• zwiększenie zwrotności

• średnica jednej śruby o pożądanej sile naporu byłaby zbyt duża

• w przeszłości moce pojedyńczych silników nie były wystarczające do obrócenia zbyt dużych śrub.

• Statki budowane na płytkowodzia o małych zanurzeniach i niewielkich średnicach śrub.

Na statkach dwuśrubowych teoretycznie można zainstalować następujące warianty:

• Obie śruby lewoskrętne

• obie śruby prawoskrętne

• lewa śruba prawoskrętna a prawa lewoskrętna (do wewnątrz skrętne).

• lewa śruba lewoskrętna a prawa prawoskrętna (na zewnątrz skrętne).

W praktyce dwa pierwsze układy nie znalazły zastosowania ze względu na znaczne pogorszenie stateczności kursowej. Układ „do wewnątrz skrętny” rzadko stosowany z uwagi na gorsze wyniki manewrowe i większą możliwość uszkodzenia śrub na zanieczyszczonych akwenach.

Przy dwóch śrubach możliwe są układy jedno lub dwu sterowe. Pojedynczy ster po środku rufy nie zapewnia dobrej stateczności kursowej i korzyści z dwóch śrub przy manewrowaniu. Znacznie lepsze wyniki w manewrowaniu uzyskuje się na statkach dwuśrubowych z dwoma sterami umieszczonymi za śrubami.

Zalety układu dwuśrubowego to:

• możliwość wykonywania zwrotów na bardzo małym obszarze

• możliwość utrzymania kursu tak płynąc naprzód jak i wstecz

• możliwość utrzymania zdolności żeglugowej nawet przy awarii jednego z silników (jeżeli śruby były napędzane niezależnymi silnikami).

Do wad układu dwuśrubowego możemy zaliczyć:

• obniżenie stateczności kursowej, szczególnie na małych szybkościach, na jednostkach wyposażonych w jeden ster - konieczne manewrowanie silnikami poprzez zmianę obrotów.

• Zwiększone ryzyko uszkodzenia śrub podczas manewrów w porcie czy żeglugi w lodach - śruby są bliżej ewentualnych zagrożeń.

UKŁAD NAPĘDOWY

Dla statku, w stosunku do jego zdolności manewrowych, jak już wspomniano, nie można rozpatrywać ani maszyny ani śruby osobno, to jest jakby jedno urządzenie dla określonych celów.

W całym układzie napędowym następują pewne zjawiska, których efektem jest moc naporu skrzydeł śruby na ośrodek w jakim się ona obraca.

Dla uporządkowania zagadnień związanych z układem napędowym musimy zdefiniować kilka pojęć, którymi będziemy się w tym aspekcie posługiwać.

• jednostka mocy - Koń Mechaniczny [KM] = 75 kG/s

• 1KM = 1,0139 HP (horse power)

• 1HP = 0,9863 KM

• Moc naporu [KM][kGm/s] - moc, jaką wytwarza śruba napędowa - THP (thrust horse power)

Nt = TVp/75

T - napór śruby [kG]

Vp - prędkość postępowa śruby [m/s]

• Moc holowania [KM][kGm/s] - wielkość potrzebna do pokonania oporu holowania powstającego przy danej prędkości statku - EHP (efective horse power)

No= RV/75

R - opór holowania [kG]

V - prędkość statku [m/s]

• Sprawność kadłuba - stosunek mocy holowania do mocy naporu, zależna od współczynników ssania i strumienia nadążającego, czyli od kształtu kadłuba, rodzaju i liczby śrub napędowych, dla statków jednośrubowych jest zwykle większa od jedności, a dla dwuśrubowych mniejsza.

ηk= No/NT

• Moc doprowadzona - śruba mająca swoją własną sprawność musi wytworzyć siłę większą od oporu holowania, a więc moc doprowadzona do śruby musi być większa od mocy holowania, ta większa moc nosi właśnie nazwę mocy doprowadzonej - DHP (delivered horse power).

• Sprawność napędowa - stosunek mocy holowania do mocy doprowadzonej

η = No/Nd

No - moc holowania [KM]

Nd - moc doprowadzona [KM]

• Moc wytwarzana - moc uzyskiwana bezpośrednio z silnika bez uwzględnienia strat na lini wału.

• Sprawność przeniesienia - stosunek mocy dostarczonej do mocy wytworzonej przez silnik.

ηw= Nd/Nw

Nd=moc doprowadzona [KM]

Nw=moc wytworzona [KM]

Zależność pomiędzy mocą naporu, mocą holowania, mocą doprowadzoną a mocą wytworzoną i sprawnościami: napędową, kadłuba i przeniesienia.

Szkoła Morska - 81-340 Gdynia, Hryniewickiego 10 *szkoł[e-mail]

MANEWROWANIE STATKIEM MORSKIM

Kpt.Ż.W. Tomasz Sobieszczański *[e-mail]

MATERIAŁY 13/13

LOBO Strona 13 2004-12-31

MSM 011 - KADŁUB I UKŁAD NAPĘDOWY

---