WSPÓŁDZIAŁANIE UKŁADU NAPĘDOWEGO ZE STEREM

Po Zapoznaniu się z urządzeniami, jakimi będziemy się posługiwać podczas manewrowania możemy zabrać się za analizowanie pewnych istotnych zjawisk, jakie mają miejsce podczas używania maszyny (śruby) i steru.

DZIAŁANIE STERU

Siła obracająca steru jest zależna od:

- wielkości płaszczyzny pióra sterowego

- kąta wychylenia tej płaszczyzny do płaszczyzny symetrii statku

- prędkości prądu wody, który uderza w płaszczyznę pióra sterowego

- na ster działa siła naporu „Ps” przyłożona w środku płata steru i skierowana prostopadle do osi symetrii płata

• wielkość siły naporu na ster zależy od prędkości statku i prędkości strug wody narzuconej na płat steru przez śrubę.

Generalnie biorąc statki są wyposażone w śruby stałe - jedną lub więcej, lub w śruby o zmiennym skoku - nastawne.

• Śruba stała - statek posiadający śrubę na stałe zespoloną z wałem napędowym dla wykonania manewru musi manewrować maszyną, czyli musi mieć silnik nawrotny o zmiennych obrotach, którymi reguluje szybkość tak naprzód jak i wstecz - manewry są wykonywane za pomocą silnika

• Śruba nastawna - statek posiadający śrubę nastawną, której kąt wychylenia płatów może być ustawiany z mostku, posiada zazwyczaj silnik o stałych obrotach co do kierunku i wielkości. Manewry naprzód i wstecz są wykonywane zmianą położenia płatów śruby.

• Śruba prawoskrętna - patrząc z mostku w kierunku dziobu śruba stała czy nastawna obracająca się przy ruchu naprzód zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

• Śruba lewoskrętna - patrząc z mostku na dziób, śruba obracająca się przy ruchu statku naprzód przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

Siły powstające na płaszczyźnie steru podczas jego wychylania to przede wszystkim siła obracająca i siła hamująca. Jeśli wielkości tych sił odznaczymy na osi odciętych a kąt wychylenia steru na osi rzędnych, to otrzymamy krzywe, które przetną się w okolicy 45˚.

Jak widać z wykresu, największa siła obracająca, przy jeszcze niezbyt dużej sile zatrzymującej, występuje przy wychyleniu steru 35˚-40˚. W praktyce urządzenia sterowe są tak budowane, żeby ster nie mógł wychylić się więcej - jest to położenie t.zw. „na burcie”.

Jak wspomniałem już wcześniej, obracająca siła hydrodynamiczna zależna jest od prędkości strumienia wody uderzającego w wychylony ster, a więc im statek płynie szybciej tym ta siła jest większa. Z tego też wynika, że na stojącym statku użycie steru jest nieefektywne.

Z powyższego wniosku bierze się też poszukiwanie dodatkowych możliwości dostarczenia strumienia wody na ster przy maszynie zatrzymanej - np. stery aktywne z własnym pędnikiem wytwarzającym strumień wody na ster.

Z tego też biorą się trudności manewrowe statków ze śrubami klasycznymi, które aby móc posuwać się bardzo wolno i utrzymać sterowność przy manewrach, muszą stopować maszynę a kiedy stek już nie słucha steru, ponownie ją startować (należy tutaj pamiętać, że ilość startów w krótkim czasie maszyny nawrotnej jest ograniczona). Statki ze śrubami nastawnymi (o zmiennym skoku i stałych obrotach maszyny) mogą praktycznie cały czas dostarczać nawet bardzo mały strumień wody na płaszczyznę steru i ich minimalne szybkości manewrowe są z zasady znacznie mniejsze.

Statek na skutek określonego wychylenia steru przy stałej szybkości zacznie obracać się w kierunku burty, na którą wychylono ster. Początkowo, w wyniku działania siły bezwładności, obracanie będzie powolne, aby z czasem nabrać szybkości aż do ustabilizowania jej w fazie ustalonej cyrkulacji.

Świadomość potrzebnych wielkości wychyleń steru dla osiągnięcia określonych prędkości kątowych obrotu statku jest bardzo ważna dla bezpiecznego żeglowania i manewrowania. Zawsze powinniśmy zapoznać się z takimi właściwościami statku na jaki mustrujemy.

Należy zdać sobie sprawę z tego, że właściwą efektywność steru - całego układu: maszyna, śruba, ster, poznajemy przy małych, manewrowych szybkościach i pracy maszyny wstecz. Przy „całej naprzód” każdy statek dobrze steruje, gdyż siły hydrodynamiczne na sterze są największe.

Pamiętając o tym nie wychylamy steru o większe kąty przy CN, gdyż może to doprowadzić nawet do katastrofy - siła odśrodkowa może spowodować przechył zewnętrzny przekraczający kąt bezpieczny dla statku w danej kondycji załadowania i utratę ładunku pokładowego lub uszkodzenie, przesunięcie ładunku w ładowni.

Historia wypadków morskich zna bardzo wiele tragedii, zatonięć statków, których przyczyną były niewłaściwe wychylenia steru w niewłaściwym momencie.

DZIAŁANIE BOCZNE ŚRUBY

Działanie boczne śruby jest łatwe do zaobserwowania podczas manewru maszyną wstecz. Jest ono efektem wpływu niejednorodnej prędkości oraz nierównoległości przepływu, jaki występuje zarówno w strumieniu nadążającym jak i w strumieniu zaśrubowym. Zakłócenia te powodują powstawanie poprzecznych sił hydrodynamicznych na śrubie.

Ścisłe, matematyczne określenie tych zjawisk jest stosunkowo trudne. Nas interesuje praktyczne wykorzystanie efektu bocznego śruby i poznanie zachowań statku wynikających z tego zjawiska.

Śruba okrętowa zachowuje się w taki sposób jakby jej płaty w dolnym położeniu napotykały większy opór - głębiej ciśnienie wody jest większe a więc i obrót śruby trudniejszy.

W wypadku ruchu jednostki do przodu śruba prawoskrętna powoduje przemieszczenie rufy statku na prawą burtę - na kompasie będziemy obserwować zmianę kursu w lewo. Te uciekanie statku w lewo sterując kompensujemy wychyleniem steru w prawo. Większe wychylenia na prawą burtę steru można ustawić na autopilocie specjalnym kompensatorem, który będzie wychylał ster na prawa burtę o 1˚ lub 2˚ stopnie więcej niż na lewą.

Kiedy statek o prawoskrętnej śrubie idzie wstecz, to rufa tego statku idzie w lewo a na kompasie obserwujemy zmianę kursu w prawo. Ster omywany jest tylko strumieniem wody o prędkości statku idącego wstecz. Brak tutaj strumienia śrubowego, czyli siły hydrodynamiczne na sterze są mniejsze niż przy ruchu naprzód.

Działanie boczne śrub jest eliminowane przy zastosowaniu dwóch śrub przeciwskrętnych.

Zachowanie się statku w poszczególnych wypadkach wynikające z efektu bocznego działania śruby jest pokazane na rysunku poniżej.

Zilustrowane powyżej boczne działanie śruby występuje wyraźnie na statkach niedoładowanych lub pod balastem, gdy śruba znajduje się blisko powierzchni a szczególnie wówczas, kiedy jej płaty wychodzą ponad nią. Na płytkowodziach boczne działanie śruby może być zakłócone w wyniku zawirowań prądów opływających kadłub, śrubę i ster.

Zrozumiałe jest, że na statkach o śrubach lewoskrętnych wszystkie rozważania należy odwrócić i efekty bocznego działania śruby będą odwrotne.

Na statkach wyposażonych w śruby nastawne (o zmiennym skoku płatów), poprzeczną silę hydrodynamiczną charakteryzuje stały kierunek (stałe kierunek i obroty silnika). Niezależnie od skoku śruby naprzód czy wstecz prawoskrętna śruba nastawna powoduje przesunięcie rufy w prawo, a więc zmianę kursu w lewo. Analogicznie lewoskrętna śruba nastawna przy lewoskrętnym silniku zawsze powoduje przesunięcie rufy w lewo a dziobu w prawo. Dla zachowania pewnej jednolitości zalecane jest stosowanie śrub nastawnych lewoskrętnych i silników o takim samym kierunku obrotów.

Dla manewrujących szczególne znaczenie ma boczne przemieszczenie rufy w wyniku bocznego działania śruby. Występuje często mylne wrażenie przesunięcia się w takich momentach tak rufy w lewo jak i dziobu w prawo. To mylne wrażenie może spowodować błąd decyzyjny niedoświadczonego kapitana, czy pilota. Doświadczenie uczy, że zasadniczemu przemieszczeniu podlega jedynie rufa, co można wykorzystać cumując do nabrzeża.

Uogólniając pewne przemyślenia i wieloletnie doświadczenie manewrowe można podać pewne wskazania dla manewrujących:

- działanie boczne śruby zwiększa się proporcjonalnie do wzrostu jej obrotów.

- Średnicę cyrkulacji można zmniejszyć, wybierając kierunek zwrotu zgodny z efektem działania bocznego śruby.

- Podczas zatrzymywania statku można efekt bocznego działania śruby wykorzystać do wykonania pożądanego obrotu statku.

- Zmniejszenie bocznego efektu śruby przy zatrzymaniu uzyskamy zatrzymując statek z małej szybkości (mniej jak 2 węzły i WW)

W praktyce stwierdzono, że podczas manewrów dużymi i bardzo dużymi statkami, przy szybkościach 0,5 węzła, krótkie „kopnięcia” WN i WW nie powodują przesunięć rufy ani zmiany kursu.

Śruby wieloskrzydłowe (5-6 płatów), stosowane na dużych i bardzo dużych statkach, dają mniejszy efekt bocznego działania od śrub cztero, i trzy skrzydłowych.

O bocznym działaniu śruby nie można nigdy zapominać, gdyż jest to efekt, który prawidłowo wykorzystany ułatwia wiele manewrów.

WSPÓŁDZIAŁANIE STERU I ŚRUBY

Rozpatrywanie zagadnień współdziałania układu napędowego ze sterem należy analizować biorąc pod uwagę takie elementy jak:

• prędkość statku

• liczba obrotów śruby (statek o stałej śrubie)

• kierunek obrotu śruby (rozpatrzymy śrubę prawoskrętną)

• wielkość naporu śruby

• położenie steru

Dla analizy zjawisk rozpatrujemy następujące sytuacje:

• statek zatrzymany

• statek poruszający się najmniejsza szybkością do przodu (BWN - w praktyce 4-5 węzłów)

• statek poruszający się taka sama szybkością wstecz

W każdej z powyższych sytuacji należy rozpatrzyć takie warianty jak:

• manewr naprzód

• manewr wstecz

• położenie steru środkowe

• położenie steru na lewej burcie

• położenie steru na prawej burcie

T - siła naporu śruby

TB - siła działania bocznego śruby

P - siła na sterze

Zestawienie powyższych osiemnastu wariantów manewrowych pozwala na przyjęcie pewnych zaobserwowanych w trakcie doświadczeń i praktyki reguł:

- niezależnie od kierunku ruchu statku, razem z wypadkiem jednostki zatrzymanej, manewr śrubą naprzód spowoduje zwrot statku na burtę wychylenia steru

- niezależnie od kierunku ruchu statku, razem z wypadkiem jednostki zatrzymanej, manewr śrubą wstecz spowoduje zwrot statku wynikający z bocznego działania śruby niezależnie od burty na jaka wychylony był ster.

- Podczas ruchu naprzód boczne działanie śruby prawoskrętnej ułatwia wykonanie zwrotu w lewo, natomiast zwiększa średnicę cyrkulacji na prawą burtę.

- Podczas pracy maszyny wstecz i ruchu statku wstecz wyłożenie steru na prawa burtę zmniejsza efekt bocznego działania śruby prawoskrętnej a wyłożenie steru na lewą burtę zwiększa ten efekt.

- W odniesieniu do śrub lewoskrętnych dwie pierwsze zasady nie zmieniają się, pozostałe zaś należy odwrócić.

- W odniesieniu do śrub nastawnych przyjmujemy, że działanie boczne śruby jest skierowane na burtę odpowiadającą skrętowi śruby, niezależnie od kierunku nastawionego skoku(+/-). Tak więc dwie pierwsze reguły pozostają prawdziwe.

- Podczas pracy śruby nastawnej naprzód (+), działanie boczne śruby ułatwia zwrot statku przeciwnie do jej skrętu.

- Podczas pracy śruby nastawnej wstecz (-) i ruchu statku wstecz, wyłożenie steru na burtę przeciwną do kierunku skrętu śruby zmniejsza efekt działania bocznego, jeżeli wychylimy ster na burtę zgodną ze skrętem śruby efekt bocznego działania się zwiększy.

- W odniesieniu do śrub w dyszy Korta stwierdzono minimalizację efektu bocznego, co jest wynikiem prostowania strumienia śruby w dyszy.

- Stwierdzono empirycznie, że można spotkać statki (rzadko), które podczas ruchu wstecz dobrze reagują na wychylenia steru. Jest to wynikiem tego, że siła powstająca na sterze wychylonym na burtę odpowiadająca skrętowi śruby przewyższa siłę bocznego działania tej śruby.

- Badania wykazały, że aby na przeciętnym statku handlowym siła wytworzona na sterze przy pracy wstecz przewyższyła siłę bocznego działania, statek musiałby płynąć z szybkością większą niż 10 węzłów.

WSPÓŁDZIAŁANIE NAPĘDU DWUŚRUBOWEGO

ZE STEREM

Statek dwuśrubowy ma nieco więcej możliwości do ciasnego manewrowania niż statek z napędem klasycznym jednośrubowym. Wynika to z możliwości wytworzenia pary sił na ramieniu równym odległości (rozstawowi) śrub, gdzie siły te mogą być sobie przeciwne - jedna śruba pracuje wstecz a druga naprzód, lub zgodne w kierunku, ale różnej wartości, zróżnicowane poprzez różnicę w obrotach obu śrub. Poza działaniem na ster (lub stery) możemy zatem wytworzyć dodatkową siłę obracającą statek. Z powyższego wynika , że im większy rozstaw śrub tym większa siła obracającą może być wytworzona. Z drugiej strony rozstawiając znacznie śruby pozbawiamy prądu zaśrubowego centralnie ustawiony ster, co powoduje znaczne osłabienie efektywności steru. Dlatego statki
szerokie z zasady mają dwa stery.

Statek dwuśrubowy może w wypadku awarii jednego z dwóch silników kontynuować podróż, rekompensując brak napędu na jednej z burt większym wychyleniem steru (sterów) na burtę przeciwną. Wychylenie to waha się w granicach 10˚. Wielkość tego wychylenia możemy zmniejszyć, jeżeli niepracująca śruba będzie się obracała swobodnie pod wpływem prądu opływającego kadłub.

Utrzymanie kursu na tego typu statkach jest możliwe nawet wówczas kiedy awarii ulegnie ster. Dzieje się tak dzięki możliwości niezależnego regulowania siłami naporu śrub przez zmianę obrotów na obu wałach śrubowych. W praktyce utrzymuje się wówczas maksymalną ilość obrotów na śrubie nawietrznej a starowanie tylko obrotami śruby zawietrznej - ta zasada oczywiście dotyczy statków nawietrznych (większość statków handlowych ma tą cechę).

Często na statkach dwuśrubowych sterowanie obrotami silników znajduje się na mostku (dzisiaj są to już powszechne układy) i utrzymanie kursu za ich pomocą nie nastręcza dużych trudności.

Współdziałanie sił na statkach dwuśrubowych przedstawiono na poniższych rysunkach:

WSPÓŁDZIAŁANIE UKŁADU NAPĘDOWEGO, STERU I STERÓW STRUMIENIOWYCH

Najbardziej komfortowym układem manewrowym jest posiadanie sterów strumieniowych na dziobie i rufie, które pozwalają na obrócenie statku na przestrzeni niewiele większej jak długość statku. Obecnie stery strumieniowe są niemal standardowym wyposażeniem nowoczesnych statków. Najczęściej wyposaża się statki w dziobowe stery strumieniowe, które pozwalają na panowanie nad niepożądanymi odchyleniami dziobu podczas manewrów.

Istotną informacją jest tu efektywność sterów strumieniowych przy różnych szybkościach. Generalne informacje na ten temat zostały podane już wcześniej, ale należy tu dokonać pewnego podsumowania związanego z manewrowaniem przy użyciu tych sterów. Poniższe uogólnienia są pewną średnią wielu badań i doświadczeń wykonanych na konkretnych statkach, więc należy sobie zdawać sprawę z tego, że rzeczywiste wartości mogą nieco odbiegać od indywidualnych przypadków różnych statków i konstrukcji, które wraz z rozwojem nauki, techniki i technologii ulegają znacznym zmianom. A więc ta analiza jest tylko wskazaniem pewnych generalnych zależności, które należy zawsze brać pod uwagę przy manewrowaniu statkiem z takimi urządzeniami.

• ster rufowy osiąga 100% efektywności steru dziobowego dopiero przy szybkości około 2,25 węzła.

• Efektywność steru rufowego osiąga 150% efektywności steru dziobowego przy szybkości 3,4 węzła.

• Efektywność strumieniowego steru dziobowego maleje przy szybkości 2 węzłów do 70%, a przy szybkości 4 węzłów aż do 42%

Generalne zasady posługiwania się sterami strumieniowymi można prześledzić na poniższym rysunku gdzie przedstawiono cztery skrajne możliwości dla ruchu statku naprzód.

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

MANEWROWANIE STATKIEM MORSKIM

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

MATERIAŁY 1/14

LOBO Strona 1 2004-12-31

MSM 013 - WSPÓŁDZIAŁANIE UKŁADU NAPĘDOWEGO ZE STEREM

---