Pobierz - Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin

ISSN 1733-8670
ZESZYTY NAUKOWE NR 11(83)
AKADEMII MORSKIEJ
W SZCZECINIE
IV MIĘDZYNARODOWA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA
E X P L O-S H I P 2 0 0 6
Tadeusz Szelangiewicz,
Katarzyna Żelazny
Wpływ linii żeglugowej i wielkości statku
na średnią długoterminową prędkość
Słowa kluczowe: statystyczne parametry fali i wiatru, dodatkowy opór od fali i wiatru,
średnia, długoterminowa prędkość statku
W artykule przedstawiono wyniki obliczeń, dokonanych na podstawie metody opisanej w artykule [4], w postaci histogramów słupkowych prezentujących osiągi statków
(średnią długoterminową prędkość) w zależności od linii żeglugowej i jego wielkości
z uwzględnieniem statystycznych warunków pogodowych występujących na danej linii.
A Relation Between an Ocean Route and Ship Size
and the Mean Long-Term Ship Speed
Key words: statistical data of wave and wind, wave and wind induced resistance, mean
long-term ship speed
The paper presents results of calculations based on a method discussed in the paper
[4]. The results are given as bar charts with performance of ships (mean statistical
speed) dependent on an ocean route and the size of a ship. Statistical weather data on
a particular ocean route are taken into account.
307
Tadeusz Szelangiewicz, Katarzyna Żelazny
Wstęp
W kontrakcie na budowę statku zapisana jest prędkość kontraktowa, którą
musi osiągnąć statek w określonych warunkach, ale na wodzie spokojnej.
W rzeczywistych warunkach pogodowych statek będzie osiągał prędkość eksplo-atacyjną, mniejszą od prędkości kontraktowej, której wartość nie jest znana.
W tym celu, w obecnie stosowanych algorytmach projektowania napędu statku
[4], rzeczywiste warunki eksploatacyjne uwzględniane są w postaci dodatku
żeglugowego (niepowiązany ze statystycznymi parametrami wiatru i falowania
występującymi na danej linii). Zaprezentowane wyniki obliczeń pokazują, jaką
średnią, długoterminową prędkość eksploatacyjną może osiągnąć statek lub
jakie jest prawdopodobieństwo utrzymania zadanej prędkości eksploatacyjnej na
określonej linii żeglugowej dla przyjętego, w procesie projektowania napędu
statku, dodatku żeglugowego.
Prędkość eksploatacyjna statku na danej linii żeglugowej
W celu uzyskania prognozy długoterminowej dla rozpatrywanej trasy żeglugowej i określenia średniej statystycznej prędkości eksploatacyjnej potrzebna
jest znajomość chwilowych wartości prędkości eksploatacyjnych statku dla danych warunków eksploatacyjnych, a także statystyki częstości ich wystąpienia.
Statek na danej linii żeglugowej będzie płynął z określonym kursem i prędkością, wynikającą z aktualnego oporu. Ponieważ na statek będą oddziaływały
fale (także wiatr i prąd morski) o różnych parametrach, to i dodatkowy opór statku
będzie się zmieniał. Postępując zgodnie z metodyką opisaną w pracy [4, 5]
i według algorytmów przedstawionych na rysunkach 1 i 2 można określić, dla
wszystkich parametrów pogodowych występujących na linii żeglugowej w długim okresie czasu, wartości dodatkowego oporu i prędkości, jakie statek w tych
warunkach może osiągnąć. Ponieważ poszczególne parametry pogodowe jak
i parametry ruchu statku występują z określonym prawdopodobieństwem, to
i wartości dodatkowego oporu oraz prędkości będą występowały też z określonym prawdopodobieństwem. Ostatecznie częstość wystąpienia danych warunków eksploatacyjnych podczas żeglugi statku po sfalowanej wodzie na zadanej
trasie będzie iloczynem odpowiednich prawdopodobieństw cząstkowych [4, 5].
Parametry statków, dla których wykonano obliczenia
Obliczenia średniego dodatkowego oporu i średniej, długoterminowej prędkości eksploatacyjnej wykonano dla kilku typów statków i różnych wielkości
tych statków. Podstawowe parametry statków, dla których wykonano obliczenia
przedstawiono w tabeli 1.
308
Wpływ linii żeglugowej i wielkości statku na średnią długoterminową prędkość
V
VC, γC
VA , γ A
V, ψ
V, ψ
Obliczanie oporu statku na wodzie spokojnej bez dryfu R(V)
Wczytanie parametrów prądu morskiego
Obliczanie sił i momentu oddziaływania wiatru XA, YA, MA
Obliczanie sił i momentu oddziaływania fali XW, YW, MW
N
Obliczanie względnego kierunku prądu
Rozwiązanie układu równań momentów
i sił bocznych
MA + MW + MR + MCVz = 0
YA + YW + YR + RCVy = 0
Wyniki: wychylenie steru δR, względne
prędkości statku VRx, VRy
Obliczanie składowych prędkości statku
Vx, Vy i kąta dryfu β
VC = 0 ?
T (brak prądu morskiego)
Rozwiązanie układu równań momentów
i sił bocznych
MA+MW+MR+MC = 0
YA+YW+YR+Ry = 0
Wyniki: wychylenie steru δR,, składowe
prędkości statku Vx, Vy
Obliczanie kąta dryfu β
Obliczanie RCx oporu statku na wodzie
z dryfem  (R = RCx)
Obliczanie RCVx oporu statku na wodzie
z prądem i z dryfem βRV (R = RCVx)
Obliczanie dodatkowego oporu
ΔR = XA+XW+XR
Obliczanie całkowitego oporu
RC = R+ ΔR
Rys. 1. Algorytm obliczania całkowitego oporu statku
Fig. 1. The algorithm for calculation of total ship resistance
309
Tadeusz Szelangiewicz, Katarzyna Żelazny
Założenie: utrzymać zadaną prędkość V
V, ψ, HS, T1, μ, VA, γA, VC, γC
Obliczanie całkowitego oporu statku
Poszukiwanie punktu pracy w polu
pracy ciągłej – dla V obliczyć n
Obliczanie właściwości
morskich
czy rozw.
w polu pracy
ciągłej ?
T
N
N
przekroczone
kryteria ?
Poszukiwanie punktu pracy na granicy
pola pracy ciągłej – rozwiązanie układu
równań – obliczanie V i n
T
bezpieczeństwa
? Redukcja prędkości
Obliczanie oporu całkowitego
– poszukiwanie bezpiecznej
prędkości Vbezp
czy
znaleziono
rozwiązanie ?
N
T
czy
Vbezp > Vmin ?
T
czy
znaleziono
rozwiązanie?
N
N
Przypadki odrzucone
T
Obliczanie dodatkowego
oporu dla zredukowanej
prędkości
Wyniki:
wartości chwilowe V i ΔR
Rys. 2. Algorytm obliczania chwilowej prędkości statku
Fig. 2. The algorithm for calculation of instantaneous ship speed
310
VK
[m/s]
DP [m]
P [m]
Nn
[kW]
nn
[1/s]
R [kN]
Prędkość kontraktowa
Średnica śruby
napędowej
Skok śruby
Nominalna moc silnika
napędowego
Obroty nominalne
silnika napędowego
Opór statku na wodzie
spokojnej dla T i VK
kż [%]
17300
 [m3]
Wyporność dla T
Dodatek żeglugowy
przyjęty w projekcie
napędu statku
8,25
T [m]
Zanurzenie
15
461,3
2,33
6930
3,9
5,2
8,44
22,30
B [m]
Szerokość
140,14
Kontenerowiec
K1
L [m]
Ozn.
Długość między
pionami
Dane
Statek
Ship parameters
15
858,8
1,82
13750
5,8
6,15
9,62
29900
9,85
25,30
171,94
Kontenerowiec
K2
15
1477,5
1,72
26270
6,8
7,42
10,80
47250
10,50
32,24
210,20
Kontenerowiec
K3
Parametry statków
Ship parameters
15
405,9
1,85
4710
4,2
5,0
7,15
21441
8,55
23,0
138,0
Masowiec
M1
15
600,4
2,03
7500
3,9
5,8
7,72
40831
10,65
25,3
185,0
Masowiec
M2
15
65,6
1,64
12000
5,7
6,2
8,2
56396
12,05
32,2
175,6
Masowiec
M3
15
947,6
1,93
12720
4,5
6,5
8,28
73910
11,6
32,2
240,0
Masowiec
M4
Tabela 1
Wpływ linii żeglugowej i wielkości statku na średnią długoterminową prędkość
311
Tadeusz Szelangiewicz, Katarzyna Żelazny
Linie żeglugowe
Morza i oceany, przez które przebiegają linie żeglugowe, dzielone są na
akweny o określonych wartościach średnich statystycznych parametrów falowania lub wiatrów. Do opisu przebiegu tras i warunków pogodowych na nich panujących skorzystano z danych zawartych w atlasach Hogbena [1, 2].
Do obliczenia dodatkowego oporu oraz średniej, długoterminowej prędkości eksploatacyjnej statku przyjęto linie żeglugowe wymienione w tabeli 2
(obliczenia były wykonane zawsze dla rejsu statku w jedną i drugą stronę).
Tabela 2
Wykaz linii żeglugowych, wykorzystanych do obliczeń prędkości eksploatacyjnej statku
A list of ocean routes used in calculations of ship’s service speed
Nr
Nazwa
1
Ameryka Płd. – Europa Zach.
2
USA Wsch. – Europa Zach.
3
USA Wsch. – Zatoka Meksykańska – Europa Zach.
4
USA Wsch. – Morze Śródziemne – Europa Zach.
5
Indonezja – Japonia
6
Zatoka Perska – Japonia
7
Afryka Płn. – Europa Zach.
8
Afryka Płn. – USA Wsch.
9
Zatoka Perska – Afryka – Europa Zach.
10
Europa Zach. – Morze Śródziemne – Zatoka Perska – Japonia
11
Europa Zach. – Kanał Panamski – USA Zach.
12
Europa Zach. – Ameryka Łacińska
Wyniki obliczeń
Wynikami obliczeń dla każdego statku i dla każdej linii żeglugowej są histogramy słupkowe dla dodatkowego oporu ΔR i prędkości eksploatacyjnej VE,
jaką może statek uzyskać, przy założeniu, że będzie utrzymywany zadany kurs
statku w danych warunkach pogodowych. Otrzymane histogramy zostały także
aproksymowane funkcjami rozkładu: dla dodatkowego oporu f(ΔR) i prędkości
eksploatacyjnej f(VE), z podaniem R2 (udział wariancji wyjaśnionej) [3]. Przykładowe histogramy dla statku K1 zawiera tabela 3.
Pod histogramami (tab. 3), dla danego statku i dla danej linii żeglugowej, w
odpowiednich tabelkach są następujące informacje: maksymalny i średni statystyczny dodatkowy opór, jaki wystąpił na danej linii żeglugowej dla danego
312
Wpływ linii żeglugowej i wielkości statku na średnią długoterminową prędkość
statku, przyrost dodatkowego oporu, zadana prędkość eksploatacyjna, minimalna i średnia statystyczna prędkość, prawdopodobieństwo utrzymania na danej
linii żeglugowej zadanej prędkości eksploatacyjnej (przy utrzymaniu zadanego
kursu) oraz ilość (podana w %) przypadków, w których ze względu na przekroczenie kryteriów dla właściwości morskich zredukowano prędkość statku. Podano również brak rozwiązań (ilość podana w % przypadków, w których nie uzyskano rozwiązania), wynikający z faktu, że założono, iż będzie utrzymywany
zadany kurs. Gdy na statek oddziałuje bardzo wysoka i skośna fala, nie zawsze
redukcja samej prędkości jest wystarczająca – w takich sytuacjach należałoby
również zmienić kurs statku.
Tabela 3
Wyniki dla kontenerowca K1 płynącego z Ameryki Płd. do Europy Zach.
Results for a container ship (K1 type) sailing from South America to Western Europe
8,44
7,78
318,36
274,45
230,50
186,63
142,72
98,80
54,89
0
10,98
0,2
y=exp((-64,2556)+(7,60567)*x)
R2=0,999
7,12
0,4
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
6,46
y=exp((-0,5831113)+(-0,024341)*x)
R2=0,986
5,14
0,6
Histogram i funkcja rozkładu
prędkości eksploatacyjnej
5,80
Histogram i funkcja rozkładu
dodatkowego oporu
Opór na wodzie spokojnej
dla prędkości VK [kN]
R
461,26
Zadana prędkość
eksploatacyjna [m/s]
VZE
8,44
Opór dodatkowy max [kN]
ΔRmax
367,70
Prędkość minimalna [m/s]
Vmin
1,88
Średni opór dodatk. [kN]
R
35,77
Średnia prędkość [m/s]
8,38
Przyrost oporu [%]
7,8
Prawdopodobieństwo VZE
V
PV
Brak rozwiązań [%]
0,11
Redukcja prędkości [%]
E
0,90
0,11
Obliczone histogramy dla wszystkich statków (tab. 1) i dla wszystkich linii
żeglugowych (tab. 2) wraz z pozostałymi wynikami zostały zamieszczone w
załączniku do pracy [5]. Uzyskane w ten sposób informacje zebrano w postaci
wykresów zbiorczych, w celu analizy wpływu typu i wielkości statku na parametry związane z jego prędkością na danej linii żeglugowej. Ponieważ badane
statki różnią się między sobą prędkością kontraktową VK, zdefiniowano wskaźnik WP utrzymania zadanej prędkości VZE w postaci:
313
Tadeusz Szelangiewicz, Katarzyna Żelazny
WP 
VE
100 %
VZE
(1)
który umożliwia lepsze porównanie osiągów poszczególnych statków na danej
linii żeglugowej. Na rysunkach 1 – 4 pokazano odpowiednio: prawdopodobieństwo PVE utrzymania zadanej prędkości eksploatacyjnej VZE, wskaźnik WP (1)
dla masowców i kontenerowców. Wszystkie obliczenia dla każdego statku zostały wykonane dla stałego zanurzenia i dla stałego stanu powierzchni kadłuba
oraz śruby napędowej, co umożliwiło lepsze porównywanie typów i wielkości
statków na danej linii żeglugowej.
Z porównania tych wykresów widać, że osiągi tych statków na danej linii
żeglugowej różnią się między sobą. Jedne statki mają większe prawdopodobieństwo PVE utrzymania zadanej prędkości eksploatacyjnej VZE i większy wskaźnik
WP niż inne. Osiągi wszystkich analizowanych statków, biorąc pod uwagę
prawdopodobieństwo PV E , różnią się maksymalnie o 22% na wszystkich trasach. Porównując natomiast między sobą statki danego typu dla tej samej trasy
uzyskuje się różnice między ich osiągami rzędu: dla masowców max. 5%, a dla
kontenerowców max. 11%. Z przeprowadzonych obliczeń wynika również,
że dla danej trasy żeglugowej, w większości przypadków, prawdopodobieństwo
utrzymania zadanej prędkości eksploatacyjnej jest większe dla kontenerowców
niż dla masowców. W grupie statków typu kontenerowce można zauważyć,
że osiągi poprawiają się wraz z wielkością statku, natomiast w grupie masowców nie widać takiej prawidłowości.
Można więc zauważyć, że głównym elementem decydującym o parametrach eksploatacyjnych statku (m.in. prędkości) jest przebieg linii żeglugowej,
a co za tym idzie warunki pogodowe tam panujące. Natomiast wpływ typu statku oraz jego wielkości na te parametry (opór, prędkość) nie jest tak duży, jak
wpływ linii żeglugowej. Wyraźnie jednak widoczne różnice w efektywności
statków tego samego typu na danej linii żeglugowej świadczą m.in. o różnej
doskonałości zaprojektowanych układów napędowych. Uzyskana chwilowa
prędkość eksploatacyjna wynikała również z ilości redukcji prędkości ze względu na przekroczone np. kołysania boczne. Na podstawie wszystkich obliczeń
wynika, że w przypadku jednego ze statków ilość redukcji prędkości była większa niż dla pozostałych. Tak więc na ostateczną wartość prędkości eksploatacyjnej mają również wpływ właściwości morskie statku.
Chcąc określić dokładniej, jaki wpływ ma wielkość statku lub jego typ na
jego parametry eksploatacyjne na danej linii żeglugowej, należy przeanalizować
znacznie większą liczbę statków (ok. 30 każdego typu).
314
Wpływ linii żeglugowej i wielkości statku na średnią długoterminową prędkość
PVE
[-]
1,0
0,9
0,8
0,7
M1
0,6
M2
0,5
M3
0,4
M4
0,3
0,2
0,1
0,0
1a 1b 2a 2b 3a 3b 4a 4b 5a 5b 6a 6b 7a 7b 8a 8b
Linia żeglugowa
Rys. 3. Prawdopodobieństwo utrzymania zadanej prędkości eksploatacyjnej dla masowców
Fig. 3. Probability of holding of intended operational speed for bulkers
VE
VZE
[-]
1,00
0,99
0,98
M1
0,97
M2
M3
0,96
M4
0,95
0,94
0,93
1a 1b 2a 2b 3a 3b 4a 4b 5a 5b 6a 6b 7a 7b 8a 8b
Linia żeglugowa
Rys. 4. Wskaźnik utrzymania zadanej prędkości eksploatacyjnej dla masowców
Fig. 4. Operational speed holding indicator for bulkers
315
Tadeusz Szelangiewicz, Katarzyna Żelazny
PVE
[-] 1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
K1
0,5
K2
0,4
K3
0,3
0,2
0,1
0,0
1a 1b 2a 2b 3a 3b 4a 4b 5a 5b 6a 6b 7a 7b 8a 8b
Linia żeglugowa
Rys. 5. Prawdopodobieństwo utrzymania zadanej prędkości eksploatacyjnej dla kontenerowców
Fig. 5. Probability of holding of intended operational speed for containers
VE
VZE
[-] 1,00
0,99
0,98
0,97
K1
K2
0,96
K3
0,95
0,94
0,93
1a 1b 2a 2b 3a 3b 4a 4b 5a 5b 6a 6b 7a 7b 8a 8b
Linia żeglugowa
Rys. 6. Wskaźnik utrzymania zadanej prędkości eksploatacyjnej dla kontenerowców
Fig. 6. Operational speed holding indicator for containers
316
Wpływ linii żeglugowej i wielkości statku na średnią długoterminową prędkość
Podsumowanie
Program komputerowy, który został opracowany na podstawie metody opisanej w pracach [4, 5] i wykorzystany do wykonania zaprezentowanych w artykule obliczeń, może być użyty również do badania wielu innych parametrów
eksploatacyjnych statku (np. sprawności układu napędowego). Możliwa jest
również analiza mająca na celu określenie wielkości dodatku żeglugowego
(w zależności od linii żeglugowych) na takim poziomie, który będzie gwarantował utrzymanie w długim okresie zadanej prędkości eksploatacyjnej o założonym prawdopodobieństwie przekroczenia.
Literatura
1.
2.
3.
4.
5.
Hogben N., Dacunha N.M.C., Olliver G.F., Global Wave Statistics, BMT,
1986.
Hogben N., Lumb F.E., Ocean Wave Statistics, National Physical Laboratory, London, 1967.
Jóźwiak J., Podgórski J., Statystyka od podstaw, Polskie Wydawnictwo
Ekonomiczne, Warszawa 2001.
Szelangiewicz T., Żelazny K., Obliczenie oporu i prędkości statku w ramach prognozy długoterminowej, Międzynarodowa Konferencja NaukowoTechniczna EXPLO-SHIP 2006, Szczecin-Kopenhaga, maj 2006.
Żelazny K., Numeryczne prognozowanie średniej długoterminowej prędkości eksploatacyjnej statku transportowego, praca doktorska WTM PS,
2005.
Wpłynęło do redakcji w lutym 2006 r.
Recenzent
prof. dr hab. inż. Bernard Wiśniewski
Adresy Autorów
prof. dr hab. inż. Tadeusz Szelangiewicz
dr inż. Katarzyna Żelazny
Politechnika Szczecińska
71-065 Szczecin, al. Piastów 41
317