WYBÓR BEZPIECZNEJ PRĘDKOŚCI STATKU W AKWENACH OGRANICZONYCH

Dr inż. Grzegorz Rutkowski

Wyższa Szkoła Morska w Gdyni - Katedra Nawigacji,

Aleja Zjednoczenia 3, 81-345 Gdynia, POLSKA

[e-mail]

ABSTRACT

In this paper author presents the attempt to define the following notions: `ship's safe speed', `critical speed', `limited speed', `reachable speed', `economical speed' and `optimal speed'. Author also depicts methods that can be used for estimating ship's safe speed in the restricted sea areas by means of three-dimensional model of the ship's domain.

1. WPROWADZENIE

W niniejszym artykule autor, zgodnie z potrzebami światowego systemu bezpieczeństwa i sprawności transportu, podejmie próbę zdefiniowania prędkości bezpiecznej statku manewrującego w akwenie ograniczonym. Studiując bowiem literaturę dotyczącą wyboru prędkości statku na wodach ograniczonych można dojść do następujących wniosków:

• Unika się podawania konkretnych wartości prędkości z jaką powinien poruszać się statek w akwenach ograniczonych;

• Zgodnie z przepisami Międzynarodowego Prawa Drogi Morskiej (MPDM) [5], wytycznymi Lądowych Służb Kontroli i Organizacji Ruchu (w tym służb pilotowych oraz VTS), zaleceniami lokalnych administracji morskich, wytycznymi armatora oraz zasadami tzw. dobrej praktyki morskiej, statek powinien poruszać się zawsze z prędkością bezpieczną. Przepisy te nie precyzują jednak co należy rozumieć pod pojęciem „prędkości bezpiecznej”, oraz jaką jej wartość można by uznać za wartość prędkości bezpiecznej a jaką już za wartość prędkości niebezpiecznej.

• Prędkość bezpieczna rozumiana według przepisów MPDM nie jest tożsama z prędkością bezpieczną ustaloną według zasad tzw. dobrej praktyki morskiej.

• Wybór odpowiedniej prędkości statku pozostawia się w gestii osoby kierującej statek (tzn. kapitana), stosującego zasady tzw. „dobrej praktyki morskiej”, przy czym samo pojęcie „dobrej praktyki morskiej”, mimo iż jest ono powszechnie używane i stosowane w przepisach MPDM, nadal nie jest jednoznacznie określone.

• Przy definiowaniu prędkości statku na wodach ograniczonych wprowadza się słowne (opisowe) określniki prędkości (np. krytyczna, graniczna, osiągalna, zalecana, optymalna itp.), przy czym nie zawsze są one właściwe i jednoznacznie zdefiniowane.

W niniejszym artykule podjęto więc próbę przeprowadzenia analizy prędkości statku w akwenach ograniczonych oraz (o ile to możliwe) ustalenia w miarę jednoznacznej definicji prędkości bezpiecznej (optymalnej) w akwenach trudnych pod względem nawigacyjnym.

2. PRĘDKOŚĆ STATKU NA WODACH OGRANICZONYCH

W różnych fazach żeglugi istnieją innego rodzaju zakłócenia ruchu statku, które prowadzić mogą do zagrożeń lub awarii. W żegludze oceanicznej istotnym problemem jest wybór prędkości i kursu w stosunku do elementów falowania [2], [3]. Na wodzie płytkiej, w rejonach ograniczonych, główny problem stanowi zakres marginesu bezpieczeństwa statku określony przez model jego trójwymiarowej domeny. W tym przypadku należy rozpatrywać wybór prędkości statku w zależności od zagrożeń w stosunku do trzech jego osi X, Y, Z, gdzie:

v_x - to prędkość bezpieczna ze względu na drogę hamowania (zatrzymania statku w

odpowiednim czasie) w celu uniknięcia zderzenia, uwzględniająca konieczność

zachowania własności manewrowych statku, a zwłaszcza jego zwrotności

(zależy od długości domeny statku);

v_y - to prędkość bezpieczna ze względu na zakłócenia zewnętrzne i ograniczenia

pasa ruchu (toru wodnego), uwzględniająca konieczność zachowania własności

manewrowych statku a w szczególności jego stateczności kursowej (zależy od

szerokości domeny statku);

v_z - to prędkość bezpieczna ze względu na ograniczoną wartość zapasu wody pod

stępką, uwzględniająca maksymalną wartość osiadania statku (zależy od

głębokości i wysokości domeny statku).

Nawigator, podczas żeglugi w akwenie ograniczonym, zanim dokona wyboru odpowiedniej prędkości statku (nastawy silnika) musi uwzględnić wszystkie elementy i czynniki od niej uzależnione i z nią powiązane, a w szczególności charakterystyki manewrowe statku ustalone dla różnych jej wartości.

Planując prędkość przejścia statku na danym odcinku drogi uwzględnia on rozkład przeszkód nawigacyjnych, założony plan zwrotów i innych manewrów, zagęszczenie ruchu, głębokość akwenu, oraz występowanie takich zakłóceń zewnętrznych jak prąd, wiatr, falowanie. W oparciu o analizę czynników przewidywalnych (zakłóceń ruchu możliwych do określenia) ustala on dla poszczególnych odcinków trasy wstępne wartości prędkości.

Planowana prędkość przejścia na danym odcinku drogi musi być jednak prędkością bezpieczną, a zatem powinna uwzględniać zarówno sytuacje awaryjne jak i wszystkie te czynniki, których nie da się w danej chwili jednoznacznie określić. Prędkość ta musi zatem zawierać pewien margines bezpieczeństwa zwany rezerwą prędkości na nieprzewidywalne sytuacje nawigacyjne (w tym awaryjne oraz te wywołane przez błędne określenie niektórych czynników lub ich nieuwzględnienie).

Przy wyborze prędkości statku w akwenach ograniczonych uwzględnić należy także wartość tzw. prędkości krytycznej (critical speed) v_k, czyli prędkości wywołującej gwałtowne wzrosty oporów ruchu statku. Utrzymywanie prędkości krytycznej związane jest bowiem z większym zapotrzebowaniem na moc silnika, a więc i większym zużyciem paliwa. Wartość prędkości krytycznej można obliczyć z zależności [4]:

[m/s] (1)

Statek poruszający się w kanale za pomocą własnego napędu nie może przekroczyć pewnej granicznej prędkości. Powodem tego jest fakt, że śruba operuje w warunkach krytycznego przepływu za owrężem. Objętość wody napływająca na śrubę nie jest w stanie (niezależnie od dostarczonej mocy i obrotów silnika) spowodować wzrostu prędkości statku. Prędkość ta pozostaje więc stała tak długo, jak długo przepływ wokół kadłuba pozostaje krytyczny. W literaturze maksymalna wartość prędkości jaką statek może rozwinąć w kanale, z uwagi na ograniczoną moc swojego napędu, nazywa się prędkością graniczną. Prędkość natomiast określającą początkową fazę gwałtownych wzrostów oporów ruchu nazywa się prędkością osiągalną. W tabeli 1 zestawiono wartości prędkości granicznych i osiągalnych obliczone równymi metodami dla czterech kanałów żeglownych. W obliczeniach przyjęto parametry maksymalnych statków mogących tam nawigować.

Tabela 1. Wartości prędkości krytycznych, osiągalnych i dopuszczalnych opracowane dla największych statków morskich, które mogą korzystać z wymienionych kanałów morskich.

PRĘDKOŚĆ STATKU [km/h]		NAZWA KANAŁU
				SUESKI	PANAMSKI	KILOŃSKI	ROUEN-PARYŻ
KRYTYCZNA (wzór (1)): vk		49,8	45,9	37,4	24,4
DOPUSZCZALNA W KANALE: vmax		14 / 13	18,5	18,5	10,0
GRANICZNA	Metoda Kempfa: vgrK	46,1	42,5	34,6	22,6
		Metoda Smidta-Stiebnitza: vgrS-S	45,5	41,9	34,1	22,3
		Metoda z promienia hydraulicznego: vl	28,8; (28,6)	31,1; ( 31,4)	20,1; (21,6)	18,2
		Metoda Vermeera: v	38,8; (39,1)	37,2; (37,6)	27,9; (28,7)	18,3
	OSIĄGALNA	Metoda Kempfa: vosK	39,7	36,7	29,8	19,5
		Metoda Smidta-Stiebnitza: vosS-S	35,3	32,6	26,5	17,3
		Metoda Römischa: vosR	17,9; (18,4)	22,9; (23,6)	11,0; (14,7)	13,7
		Metoda z dolnej liczby Froude'a: v	17,7; (18,2)	22,4; (23,0)	11,0; (14,0)	13,2
		Metoda Smidta-Stiebnitza: vosS	* 37,7;(50,7) 41,6; (55,9)	38,3; (51,6)	27,2; (39,2)	19,6
* Dla kanału Sueskiego w metodzie Smidta-Stiebnitza przyjęto długość statku L=6B oraz L=9B.

Podczas normalnej eksploatacji statku dąży się do utrzymywania prędkości ekonomicznych v_e, czyli prędkości podyktowanych optymalnym zużyciem paliwa. Wartości prędkości ekonomicznych uzależnione są od rodzaju występujących zakłóceń ruchu, a w szczególności oporów dennych (osiadania) oraz oporów od wiatru, prądu i falowania. W praktyce, przy jej ustalaniu wykorzystuje się opracowane wcześniej, osobno dla każdego statku, wskaźniki średniego względnego zużycia paliwa. Wskaźniki te określają przybliżoną ilość paliwa potrzebną na pokonanie ustalonej drogi statku nad dnem (zazwyczaj 100 Mm) przy różnych oporach ruchu (zmiennym obciążeniu silnika) i dla różnych nastaw prędkości (zadanych obrotów śruby). Według M.Jurdzińskiego [3] prędkość ekonomiczna związana jest z prędkością krytyczną i przyjmuje zazwyczaj następujące jej wartości:

[m/s] (2)

gdzie: v_e - prędkość ekonomiczna [m/s];

v_k - prędkość krytyczna [m/s];

k - współczynnik zależny od typu statku i warunków zewnętrznych (k=0,5÷0,6).

Prędkość morska statku cała naprzód (CN), jest to prędkość rozwijana podczas przejść morskich. Prędkość ta zależna jest od wielu czynników, w tym między innymi od wzajemnego dopasowania mocy silnika, parametrów zastosowanej śruby oraz kształtu, wielkości i chropowatości kadłuba (jego oporów). Jej wartość ustala armator, który na podstawie dokładnej znajomości technicznych możliwości zespołu napędowego (określonych przez konstruktora) oraz w oparciu o rachunek ekonomiczny może polecić eksploatowanie siłowni przy określonej mocy. W praktyce spotkać można siłownie eksploatowane przy 100% mocy, jednak w przeważającej liczbie wypadków wykorzystuje się tylko 90% jej mocy [4].

W odróżnieniu od prędkości CN- morska w praktyce stosuje się również prędkość CN- manewrowa. Obowiązuje ona od chwili ogłoszenia pogotowia manewrowego dla siłowni - w związku z podchodzeniem do pilota, odcumowaniem, odkotwiczeniem, żeglugą podczas ograniczonej widzialności - aż do chwili ogłoszenia podróży morskiej lub zakotwiczenia, zacumowania czy poprawy widzialności. W praktyce wartość prędkości CN- manewrowa przyjmowana jest w granicach 11-12 węzłów [4]. Pozostałe, mniejsze prędkości manewrowe określane są względem prędkości CN- manewrowa (patrz tabela 2).

Tabela 2. Podział prędkości manewrowych statku. Opracowano na podstawie [4].

Prędkość statku		CN	Prędkość statku		CN
CN	Cała naprzód	100%	CW	Cała Wstecz	70%
PN	Pół naprzód	70%	PW	Pół Wstecz	50%
WN	Wolno naprzód	50%	WW	Wolno Wstecz	30%
BWN	Bardzo Wolno Naprzód	30%	BWW	Bardzo Wolno Wstecz	10%

Prędkość najmniejsza oznacza najmniejszą prędkość statku przy której zachowuje on jeszcze swoją sterowność [1], [4]. Sterowność oznacza przy tym zarówno zdolność utrzymania statku na kursie (czyli stateczność kursową), jak i zdolność do wykonania manewru jego zmiany (czyli zwrotność). W praktyce jednak inne prędkości konieczne są do utrzymania statku na kursie, niż te potrzebne do jego wytrącenia i ustawienia statku na nowym kursie. Do utrzymania statku na kursie potrzebne są odpowiednio mniejsze prędkości statku i w praktyce one to właśnie warunkują wartość prędkości najmniejszej. A zatem z praktycznego punktu widzenia prędkość najmniejsza nie będzie dotyczyć całej sterowności, a jedynie stateczności kursowej. Jej wartość natomiast w głównej mierze zależeć będzie od rodzaju zastosowanego napędu oraz typu jednostki, a w szczególności kształtu jej kadłuba i oporów ruchu.

Przeciwstawieniem prędkości najmniejszych są prędkości awaryjne. Jak sama ich nazwa wskazuje, stosowane są one jedynie w wypadkach bezpośredniego, awaryjnego zagrożenia statku. Odnoszą się one do dwóch skrajnych manewrów: awaryjna- CN i awaryjna- CW. Stosowanie takich manewrów w praktyce możliwe jest przy wykorzystaniu rezerwy mocy utworzonej poprzez stosowanie CN- manewrowa oraz drogą przeciążenia silnika ponad 100% jego nominalnego obciążenia.

Pojęcie prędkości optymalnej funkcjonuje w praktyce morskiej do określenia najwłaściwszej prędkości statku w danej sytuacji. Jej wartość ustalana jest na podstawie zasad tzw. dobrej praktyki morskiej, a zatem zależy od doświadczenia osoby kierującej statkiem. To natomiast, jak pokazuje praktyka, może być czasami bardzo zawodne. A zatem prędkość tak ustalona w rzeczywistości nie powinna być określana mianem prędkości optymalnej, bo skoro jako taka nigdzie jak dotąd nie została jednoznacznie określona, nie możemy mieć stuprocentowej pewności, że właśnie z taką prędkością płyniemy. W naszych dalszych rozważaniach, nie popełnimy jednak dużego błędu przyjmując ją, jako prędkość zbliżoną do optymalnej, lub prędkość ustaloną przez eksperta i przez niego zalecaną. Takim ekspertem będzie tu niewątpliwie kapitan statku oraz służby armatorskie i doradcze.

Wybór właściwej prędkości statku dokonywany jest w zależności od przyjętego wariantu przejścia. Statek może bowiem poruszać się z „prędkością optymalną” ze względu na czas realizacji podróży, lub z „prędkością optymalną” ze względu na ekonomiczne zużycie paliwa i zapasów.

Przy realizacji podróży z priorytetem czasowym prędkość ustala się w stosunku do pożądanego czasu jej zakończenia (przybycia do portu przeznaczenia). Jej wartość można zatem wyrazić wzorem:

[w] (3)

gdzie: v_o-T - optymalna prędkość ze względu na zadany czas realizacji podróży [w];

D_o - optymalna droga przejścia od aktualnej pozycji statku do punktu przeznaczenia [Mm];

T_o - pożądany czas przejścia (związany również z ETA) [ h ].

Jeżeli założona rezerwa czasowa (
) okaże się wystarczająco duża, statek będzie mógł podążać z prędkością ekonomiczną v_e. Jeżeli wspomniana rezerwa okaże się jednak zbyt mała, kapitan poleci utrzymywanie prędkości morskiej CN (v_max) i dopiero na jej podstawie zliczy przybliżony czas potrzebny na dojście do portu przeznaczania (ETA):

[ h ] (4)

Obliczony w ten sposób czas (ETA) musi być jednak na bieżąco uaktualniany podczas trwania podróży. Przyjęta do obliczeń prędkość v_max zazwyczaj jest bowiem różna od jej wartości rzeczywistej v. Spowodowane jest to zmiennymi oporami ruchu, w tym między innymi oddziaływaniem takich czynników zewnętrznych jak prąd, wiatr, falowanie.

Podczas żeglugi oceanicznej wybór optymalnej prędkości maksymalnej (ustalonej zazwyczaj w warunkach czarteru) jest jednoznaczny z nastawą silnika na prędkość morską CN (sea speed - full ahead). Nie oznacza to jednak maksymalnej prędkości z jaką statek może tam się poruszać. Prędkością taką byłaby wspomniana już prędkość awaryjna CN (navigaton emergency full ahead). Prędkość morska CN w rzeczywistości jest bowiem jedynie średnią prędkością obserwowaną przy normalnych (sprzyjających) warunkach zewnętrznych (tzn. przy sile wiatru poniżej 4° Beauforta i stanie morza poniżej 3°) i obciążeniu silnika ustalonym przez armatora na 85% (rzadziej 90%) jego nominalnej prędkości obrotowej.

W akwenie ograniczonym, wybór prędkości maksymalnej z jaką statek może się tam poruszać, powstaje w wyniku analizy porównawczej pomiędzy wartością prędkości osiągalnej (rzadziej granicznej), a wartością prędkości dopuszczalnej ustalonej przez lokalne administracje morskie dla danego rejonu żeglugi (patrz tabela 1). Mając na względzie obowiązek poruszania się statku z prędkością bezpieczną (przepisy MPDM), prędkością optymalną (właściwą) powinna być w tym wypadku zawsze prędkość mniejsza.

Wybór prędkości statku ze względu na najmniejsze zużycie zapasów, oznacza wybór wspomnianej już prędkości ekonomicznej, czyli prędkości gwarantującej minimalne zużycie paliwa. Utrzymywanie prędkości ekonomicznej realizowane jest niemal zawsze, gdy statek dysponuje odpowiednią rezerwę czasową.

Według Międzynarodowego Prawa Drogi Morskiej (MPDM'72) każdy statek powinien poruszać się zawsze z prędkością bezpieczną. Przepisy nie precyzują jednak jaką wartość prędkości w węzłach należy uznać za bezpieczną, a jaką już nie. Prawidło 6 MPDM wprawdzie szczegółowo wymienia czynniki, które należy uwzględnić przy ustalaniu prędkości bezpiecznej statku, ale żadnych konkretnych wartości nie podaje. Problem ustalenia prędkości pozostaje więc wciąż w gestii nawigatora i zasad tzw. „dobrej praktyki morskiej”.

3. PRÓBA ZDEFINIOWANIA PRĘDKOŚCI BEZPIECZNEJ STATKU

Według przepisów MPDM'72 sposób ustalania prędkości bezpiecznej statku powinien być uzależniony od tego, czy statki wykorzystują w nawigacji radar, czy też nie [3], [5].

Statki wyposażone w radar i stosujące go podczas żeglugi przy ustalaniu prędkości bezpiecznej powinny kierować się następującą zależnością:

(5)

gdzie:

v_BR - prędkość bezpieczna statków stosujących radar podczas żeglugi;

v_B - prędkość bezpieczna statków nie wyposażonych w radar lub nie stosujące go podczas żeglugi

(wzór (6) według M.Jurdzińskiego [3]):

[m/s] (6)

Δv_R - składowa prędkości bezpiecznej statku wynikająca z zastosowania radaru podczas żeglugi

(wzór (7) według M.Jurdzińskiego [3]):

[m/s] (7)

gdzie:

W - widzialność, Ch_R - ograniczenia charakterystyki radaru,

R_G - nasilenie ruchu jednostek, Z_R - ograniczenie zasięgu, użycie

M - manewrowość statku, odpowiedniego zakresu pracy,

D_N - pora doby (dzień, noc), P_(m) - prawdopodobieństwo wykrycia małych

P_(p,w) - stan pogody (prąd, wiatr, fale itp.), obiektów,

T_L - sposób oświetlenia tła (lądu, portu); E_m - liczba obiektów śledzonych w ruchu,

T - zanurzenie, O_w - możliwość oceny stanu widzialności.

h - głębokość,

Z powyższego wynika, iż wybór planowanej prędkości bezpiecznej powinien nastąpić po uwzględnieniu wszystkich wymienionych powyżej elementów (czynników).

Z praktycznego punktu widzenia, mając na względzie wartość prędkości ekonomicznej, na wodach płytkich zalecana jest zasada pływania z prędkością nie przekraczającą 60% prędkości krytycznej. Stosowanie się do tej reguły znacznie upraszcza obliczanie zapasu dynamicznego wody pod stępką, a jednocześnie obniża prawdopodobieństwo uderzenia stępką o dno. A zatem według M.Jurdzińskiego [3] wzór uproszczony na wartość bezpiecznej prędkości statku na wodzie płytkiej może przybrać następującą postać:

(8)

Powyższa zależność nie uwzględnia jednak parametrów statku i jego charakterystyk manewrowych.

3.1. Zastosowanie głębokości G_D i wysokości W_D domeny statku do określenia bezpiecznej prędkości v_z

Wybór bezpiecznej prędkości statku v_z można przeprowadzić również na podstawie analizy przestrzennego modelu domeny. Do tego celu wykorzystamy wzory uproszczone na głębokość G_D i wysokość W_D domeny statku przedstawione w pracy [6], [7], [8]. Wzory końcowe na prędkość bezpieczną statku v_z, uzyskane po przekształceniu zależności na G_D i W_D domeny względem niewiadomej v przybiorą wówczas postać zależną od przyjętej metody obliczeń.

1. Stosując metodę C.B.Barrassa na osiadanie statku w akwenie:

1. Dokładną (z ograniczeniem metody: 0,5≤C_B ≤ 0,9; 0 ≤ t/L ≤ 0,005; 1,1 ≤ h/T ≤ 1,4):

[w] (9)

[w] (10)

2. Uproszczoną:

• dla akwenów płytkich ( z ograniczeniem metody: 1,1 ≤ h/T ≤1,2):

[w] (11)

[w] (12)

• dla kanałów żeglugowych ( z ograniczeniem metody: 0,06 ≤ B⋅T/b⋅h ≤ 0,30)):

[w] (13)

[w] (14)

2. Stosując metodę N.E.Eryuzlu i R.Haussera na osiadanie statku w akwenie:

[w] (15)

[w] (16)

(ograniczenia metody: C_B ≥ 0,75; 1,08 ≤ h/T ≤ 2,78)

3. Stosując metodę G.I.Soukhomela i V.M.Zassa na osiadanie statku w akwenie:

[w] (17)

[w] (18)

(ograniczenia metody: akwen płytki nieograniczony; 3,5 ≤ L/B ≤ 9,0)

gdzie: v_ZG - prędkość bezpieczna statku w celu utrzymywania zadanej głębokości domeny G_D [w];

v_ZW - prędkość bezpieczna statku w celu utrzymywania zadanej wysokości domeny W_D [w];

B,L,T,H_C,t, C_B - parametry statku: szerokość B, długość L, maksymalne zanurzenie T_max, wysokość

całkowita kadłuba H_C [m] oraz współczynnik pełnotliwości kadłuba C_B [-];

b,h,h_f - parametry akwenu: głębokość h[m], szerokość b [m], wysokość fali [m];

n,m,k,l - współczynniki domeny określone w [6]: n∈(1,1;1,2); m∈(0,5;1,3); k∈(1;2); l∈(1,1;1,5) [-];

g - przyśpieszenie ziemskie równe 9,81 m/s²

Obliczone w oparciu o wzoru (9) ÷ (18) prędkości bezpieczne statku v_ZG i v_ZW dla jednostek typu „Szczecin” i „Blue Lady” poruszających się w kanale o parametrach: b= 100m, h= 25 m (±1m), H_o = 50 m (względem h=26m), parametry fali: h_f=1,5 m, λ= 50 m zobrazowano w tabeli 3.

Tabela 3. Przykładowe wartości maksymalnych prędkości statku v_ZG i v_ZW obliczone dla kanału żeglownego o parametrach: b= 100m, h= 25 m (±1m), H_o = 50 m (względem h=26m) i parametrów fali: h_f=1,5 m i h_f=0,0 m λ= 50 m, w zależności od pożądanych wartości G_D i W_D domeny statku.

PRZYJĘTA METODA OBLICZEŃ vZG i vZW

„Szczecin”

„Blue Lady”

D=59 972 t; L=219 m; B=30,5m; T=12,1 m; Hc=60 m CB= 0,744; v=15,1w; 14 600 HP/ 137 rpm; LW: h=24 m

D= 323 660 t; L=331 m; B=57,0m; T=20,6 m; Hc=75m, CB= 0,79; v=15,2w; 27 000 HP/ 85 rpm;

Woda niska (LW): h=24 m; Ho=52 m;

Woda wysoka (HW): h=26 m; Ho=50 m

Wzór

hf= 1,5 m

hf= 0 m

hf= 1,5 m

hf= 0 m

Pożądana wartość GD

15 m

16 m

17 m

15 m

16 m

17 m

24 m

25 m

26 m

24 m

25 m

26 m

Prędkość bezpieczna vZG [w]

1

(9)

3,3 w

10,7 w

14,6 w

10,6 w

14,5 w

17,6 w

Przejście niemożliwe

3,5 w

7,0 w

3,5 w

7,0 w

9,2 w

(11)

3,6 w

12,1 w

16,8 w

12,1 w

16,7 w

20,4 w

6,4 w

12,9 w

6,3 w

12,9 w

17,1 w

(13)

2,5 w

8,6 w

11,9 w

8,5 w

11,8 w

14,4 w

4,5 w

9,1 w

4,4 w

9,1 w

12,1 w

2

(15)

4,5 w

17,5 w

25,1 w

17,4 w

25,0 w

31,1 w

6,1 w

13,3 w

6,0 w

13,3 w

18,2 w

3

(17)

4,7 w

16,0 w

22,1 w

15,9 w

22,0 w

26,8 w

6,9 w

13,9 w

6,7 w

13,9 w

18,4 w

Pożądana wartość WD

50 m

51 m

52 m

50 m

51 m

52 m

50 m

51 m

52 m

50 m

51 m

52 m

Prędkość bezpieczna vZW [w]

1

(10)

Przejście niemożliwe

5,7 w

11,6 w

5,6 w

11,5 w

15,2 w

BRAK ROZWIĄZANIA PRZEJŚCIE NIEMOŻLIWE

BRAK ROZWIĄZANIA PRZEJŚCIE NIEMOŻLIWE

(12)

6,3 w

13,2 w

6,2 w

13,1 w

17,5 w

(14)

4,5 w

9,3 w

4,4 w

9,3 w

12,4 w

2

(16)

8,4 w

19,2 w

8,3 w

19,1 w

26,3 w

3

(18)

8,3 w

17,4 w

8,2 w

17,3 w

23,1 w

Użyte współczynniki:

n = 1,15 ; m =1,0; k = 1,0 ; l = 1,1;

n = 1,15 ; m =1,0; k = 1,0 ; l = 1,25;

3.2. Zastosowanie długości D_D i szerokości S_D domeny statku do określenia bezpiecznej prędkości v_x i v_y

Analogicznie wybór bezpiecznej prędkości statku v_x i v_y można przeprowadzić na podstawie analizy wzorów uproszczonych na D_D i S_D przestrzennego modelu domeny opisanego w pracy [6], [7]. Z uwagi jednak na ograniczony charakter niniejszego artykułu oraz dość skomplikowaną postać wzorów na D_D i S_D, będących funkcją wielu zmiennych powiązanych z prędkością v zarówno przez postać wielomianów wyższego stopnia, jak również i przez parametry złożonych funkcji trygonometrycznych, wyprowadzenie jednoznacznych wzorów na v_x i v_y zostanie tu pominięte. Podjęcie takiego działania wymagałoby zresztą przeprowadzenia oddzielnych badań powiązanych z szeroką analizą manewrowości statku w sensie ogólnym, która zostanie tu pominięta.

Prędkość bezpieczną statku v_x i v_y można jednak obliczyć bezpośrednio ze wzorów uproszczonych na D_D i S_D sposobem numerycznym (przy pomocy kalkulatora lub komputera z wykorzystaniem np. funkcji „Solver”) lub za pomocą metody kolejnych przybliżeń. W tabeli 4 i 5 przedstawiono wartości bezpiecznej prędkości statku v_x i v_y uzyskane sposobem numerycznym przy pomocy kalkulatora programowalnego firmy HP-48GX.

Tabela 4. Przykładowe wartości prędkości v_xdz i v_xr obliczone dla statków „Warta” i „Blue Lady” poruszających się w kanale żeglugowym o wymiarach: b= 300 m , h= 25 m, K_p =120°, v_p = 1,5w, przy fali o h_f= 0,2 m, dla założonych wartości D_D oraz odległości do najbliższego niebezpieczeństwa d_N

PRZYJĘTA METODA OBLICZEŃ DD

LCC „Warta” D=176 967 t; B=48 m; LRD=250m;L= 293 m; T=15,5 m;Hc=55 m;CB= 0,844; 29 000HP/ 122 obr/min

VLCC „BlueLady” D= 323 660 t; B=57m;LRD=285m; L=331 m; T=20,6 m; Hc=75 m; CB= 0,79; 27 000HP/ 85 obr/min

Pożądana wartość długości domeny DDdz

500 m

750 m

1000 m

1250 m

1500 m

535 m

750 m

1000 m

1250 m

1500 m

DDdz

vxdz CW

0,00 w

2,80 w

4,48 w

5,75 w

6,82 w

0,00 w

2,19 w

3,68 w

4,80 w

5,73 w

vxdz STOP

0,00 w

0,78 w

1,38 w

1,88 w

2,32 w

0,00 w

0,68 w

1,29 w

1,80 w

2,24 w

Pożądana wartość długości domeny DDr

293 m

400 m

500 m

600 m

700 m

296 m

400 m

500 m

600 m

700 m

DDr

vxr CW

0,00 w

1,59 w

2,84 w

4,01\w

5,14 w

0,00 w

1,38 w

2,47 w

3,49 w

4,47 w

vxr STOP

0,00 w

0,41 w

0,80 w

1,18 w

1,57 w

0,00 w

0,39 w

0,77 w

1,15 w

1,53 w

Tabela5. Przykładowe wartości prędkości v_yp i v_yl obliczone dla statków „Warta” i „Blue Lady” poruszających się w kanale żeglugowym o wymiarach: b= 300 m , h= 25 m, K_p =120°, v_p = 1,5w, przy fali o h_f= 0,2 m, dla założonych wartości S_D oraz odległości do najbliższego niebezpieczeństwa d_N

PRZYJĘTA METODA OBLICZEŃ SD

LCC „Warta” D=176 967 t; B=48 m; LRD=250m;L= 293 m; T=15,5 m;Hc=55 m;CB= 0,844; 29 000HP/ 122 obr/min

VLCC „BlueLady” D= 323 660 t; B=57m;LRD=285m; L=331 m; T=20,6 m; Hc=75 m; CB= 0,79; 27 000HP/ 85 obr/min

Pożądana wartość szerokości domeny SDp

286 m

500 m

1000 m

1500 m

1750 m

2000 m

297 m

500 m

1000 m

1500 m

1750 m

2000 m

SDp

vyp Cyrkulacja

0,00 w

0,00 w

0,00 w

0,00 w

6,82 w

18,50w

0,00 w

0,00 w

0,00 w

0,00 w

0,00 w

7,85 w

vyp CW etapowe

0,00 w

6,53 w

28,83w

49,17w

59,17w

69,13w

0,00 w

3,93 w

22,74w

39,89w

48,35w

56,78w

vyp STOP

0,00 w

3,01 w

9,35 w

15,62w

18,76w

21,88w

0,00 w

4,41w

9,09w

15,25w

18,32w

21,39w

Pożądana wartość szerokości domeny SDl

286 m

400 m

500 m

750 m

1000 m

1250 m

297 m

400 m

500 m

750 m

1000 m

1250 m

SDl

vyl Cyrkulacja

0,00 w

5,09 w

10,30w

21,45w

31,90w

42,10w

0,00 w

2,87 w

3,93 w

16,75w

25,52w

34,10w

vyl CW etapowe

0,00 w

0,00 w

0,00w

4,01w

16,35w

27,03w

0,00 w

0,00 w

0,00 w

0,00w

10,87w

19,91w

vyl STOP

0,00 w

1,68 w

3,01w

6,20w

9,35w

12,49w

0,00 w

1,53w

4,41w

5,99w

9,09w

12,17w

3. WNIOSKI

Reasumując można stwierdzić, iż niezależnie od przyjętego wariantu podróży, zgodnie z przepisami MPDM oraz zasadami dobrej praktyki morskiej, statek powinien poruszać się zawsze z prędkością bezpieczną. Jednoznaczne jednak zdefiniowanie prędkości bezpiecznej z pominięciem marginesu bezpieczeństwa statku wyznaczonego przez zarys jego trójwymiarowej domeny jest zagadnieniem zbyt złożonym, które przy obecnym stanie wiedzy nie może nam dać jednoznacznej odpowiedzi co do konkretnej wartości prędkości bezpiecznej statku w akwenach ograniczonych.

Praktyka nakazuje aby wybór właściwej prędkości statku na wodach ograniczonych, był swego rodzaju kompromisem pomiędzy prędkością optymalną (ze względu na czas lub zużycie paliwa), a prędkością bezpieczną ustaloną dla aktualnej sytuacji nawigacyjnej.

Prędkością optymalną (tą właściwą), będzie zatem prędkość umożliwiająca realizację podróży w odpowiednim czasie (wywiązanie się z kontraktu), a jednocześnie stale gwarantująca zachowanie odpowiedniego marginesu bezpieczeństwa (tzw. rezerwy prędkości) na wypadek zaistnienia sytuacji nieprzewidywalnych, awaryjnych oraz tych wynikających z rozmieszczenia (usytuowania) przeszkód nawigacyjnych wokół statku.

W efekcie tego, ustalenie prędkości optymalnej zawsze sprowadzać się będzie do analizy porównawczej poszczególnych składników prędkości bezpiecznej: v_x ,v_y ,v_z ustalonych w oparciu o model przestrzenny domeny statku.

LITERATURA

1. Gucma S., Jagniszczak I. Nawigacja Morska dla kapitanów, Wydawnictwo Foka, Szczecin 1997.

2. Jurdziński M. Planowanie prędkości statku na wodach ograniczonych, Gdynia 1999.

3. Jurdziński M. Planowanie nawigacji w żegludze przybrzeżnej, Fundacja Rozwoju WSM w Gdyni, 1998.

4. Nowicki A. Wiedza o manewrowaniu statkami morskimi, Wydawnictwo Trademar, Gdynia 1999.

5. Rymarz W. Podręcznik Międzynarodowego Prawa Drogi Morskiej, Wydawnictwo Trademar, Gdynia 1995.

6. Rutkowski G. Modelowanie domeny statku w procesie manewrowania w ograniczonych akwenach, Politechnika Warszawska Wydział Transportu, rozprawa doktorska, Warszawa 2000.

7. Rutkowski G. Domena statku a bezpieczeństwo nawigacji na akwenach trudnych pod względem nawigacyjnym, Prace Wydziału Nawigacyjnego WSM, Zeszyt 6, Gdynia1998.

8. Rutkowski G. Modelowanie głębokości i wysokości domeny przez określenie elementów składowych pionowej rezerwy nawigacyjnej statku, Materiały z III Sympozjum Nawigacyjnego w WSM w Gdyni, Gdynia1999.

W pracy wykorzystano również parametry manewrowe statków: „Warta”, „Szczecin” i „Blue Lady”, których modele dostępne są w Ośrodku Fundacji Bezpieczeństwa Żeglugi i Ochrony Środowiska (Ship Handling Training Centre Iława-Poland, The Foundation for Safety of Navigation and Environment Protection).

Prędkość bezpieczna w rozumieniu MPDM dotyczy tylko prędkości, która umożliwia bezkolizyjne prowadzenie statku względem obiektów rozmieszczonych na powierzchni wody.

O wyborze bezpiecznej prędkości statku w zależności od elementów trójwymiarowej domeny okrętu wspominał też M. Jurdziński w pracach (np. [2]).

Np. pilot, operator systemu VTS, główny nawigator armatora.

ETA - z ang. Estimated Time of Arrival , przybliżony czas przybycia.

Utrzymywanie awaryjnej prędkości statku CN (CW)) z uwagi na krytyczne obciążenie silnika możliwe jest tylko w sytuacjach awaryjnych i to przez bardzo krótki okres czasu (maksymalnie około1 godziny i nie częściej jak raz na dobę).

10

---