Artykuł przedstawia wyniki przeprowadzonych na rzeczywistej jednostce (trawlerze rufowym) badań morskich oraz cechy charakterystyczne innowacyjnego steru płytowego firmy Mapalu polepszającego manewrowość statków przy małych prędkościach i małych kątach wychylenia steru.
Autorzy:
Włodzimierz Hebel
Paweł Łuniewski
Paweł Dereszewski
1. Wstęp
Głównym tematem artykułu jest przedstawienie wyników badań morskich oraz cech charakterystycznych innowacyjnego steru płytowego firmy Mapalu.
Badania przeprowadzone zostały na rzeczywistej jednostce, którą był trawler rufowy typu B280, w którym nowa konstrukcja steru zamieniła typowy ster okrętowy o profilu NACA. Rozwiązanie firmy Mapalu porównywane było pod względem manewrowości ze standardowym rozwiązaniami poprzez przeprowadzenie szeregu testów na morzu bałtyckim w okolicy portu we Władysławowie. Próby polegały na przeprowadzeniu cyrkulacji oraz sprawdzeniu manewrowości dla standardowego rozwiązania oraz steru typu “Hebel”.
Sprawność steru ma duży wpływ na manewrowość jednostki podczas poruszania się w porcie oraz jej bezpieczeństwo podczas warunków operacyjnych na morzu. Zjawiska hydrodynamiczne działające na płetwę oparte są na teorii płata, która mówi iż różnica prędkości pomiędzy stronami opływanego obiektu powodują powstanie różnicę ciśnień co w efekcie generuje siłę nośną, która w przypadku płetwy steru doprowadza do powstania momentu siły. Moment siły prowadzi do obrotu statku.
Problem standardowych płetw pojawia się przy małych kątach wychyłu steru, gdzie generowana różnica ciśnień jest niska, a efektem tego zjawiska jest mały moment obrotowy jednostki czyli słaba sterowność statku.
Rozwiązaniem tego problemu zajął się Pan Włodzimierz Hebel, który dzięki swojemu innowacyjnemu patentowi rozwiązał problem małej sterowności jednostek przy małych kątach wychyłu steru. Jego wynalazek poprzez specjalnie zaprojektowany kształt oraz profil płetwy sterowej umożliwia znaczne polepszenie manewrowości statków przy małych prędkościach oraz kątach wychyłu steru.
Idea kształtu narodziła się w biurze badań i rozwoju firmy Mapalu mieszczącej się w Redzie. Firma po przeprowadzeniu wielu testów laboratoryjnych oraz obliczeń CFD znalazła optymalny kształt oraz geometrię płatów steru, tak aby uzyskać wystarczające polepszenie zdolności manewrowych statków.
W kolejnym etapie swoich działań udało się firmie zainstalować prototyp na rzeczywistym statku o długości 26 m. Do dalszych badań wybrana została jednostka rybacka zbudowana w stoczni Ustka, był nim trawler rufowy typu B-280.
2. Opis jednostki testowej: Trawler rufowy B-280
Trawler rufowy typu B-280 jest popularną jednostką rybacką eksploatowaną przez polskich armatorów. Jednostka został zbudowana w ilości 18 siostrzanych statków w latach 1988-1993 [1]. Statek został zaprojektowany do przeprowadzania połowów na morzu bałtyckim. Konstrukcja kutra została wykonana ze stali całkowicie spawanej przy użyciu systemu poprzecznego układu wiązań kadłuba z lokalnymi wstawkami układu wzdłużnego. Jednostka została zaprojektowana w biurze konstrukcyjno-projektowym stoczni "Wisła".
Jednostka napędzana jest jednym średnio-obrotowym silnikiem diesel o mocy 420 kW. Układ napędowy zawiera przekładnię, wał oraz śrubę nastawną umieszczoną w dyszy korta.
Fig. 1. Plan ogólny trawlera type B-280 [1]
Tab. 1 Główne dane trawler B-280 [1]
| Długość całkowita | 26,8 m |
| Długość pomiędzy pionami | 23,5 m |
| Szerokość | 7,4 m |
| Zanurzenie | 3,0 m |
| Objętość rejestrowa | 175,6 RT |
| Silnik główny Cegielski | Sulzer Al 20/24 |
| Prędkość | 10 w. |
| Załoga | 8 osób |
| Autonomiczność pływania | 10 dni |
3. Opis płetwy steru typu “Hebel”
Główna idea steru typu ''Hebel'' o budowie zwężki oparta jest na efekcie zwężki Venturiego (zdj. 1), która dzięki przyspieszeniu przepływu płynu pomiędzy zwężającymi się profilami generuje efekt dodatkowej siły (zdj. 2).
Zmiana wychylenia płetwy steru opartego na tym zjawisku nawet we wczesnym momencie procesu wychylania płetwy steru generuje siłę niezależną od efektu płata na której bazują typowe płetwy sterowe, ale na sile działającej w osi płetwy co w efekcie przyspiesza powstanie momentu skręcającego. Efekt “odrzutu” zależny jest głównie od prędkości wody wygenerowanej przez śrubę napędową, dzięki czemu działa on nawet przy niskich prędkościach jednostki.
Zdjęcie 1. Schemat płetwy typu ''Hebel''
Zdjęcie 2.
Na bazie obliczeń teoretycznych oraz badań numerycznych przy wykorzystaniu symulacji komputerowej został wykonany prototyp płetwy steru "Hebel" oraz zamontowany na kutrze typu B280.
Zdjęcie 3.
4. Wyniki badań morskich
Dzięki instalacji prototypu płetwy steru "Hebel" na jednostce pływającej możliwe było zweryfikowanie teoretycznych obliczeń oraz porównanie ich z rzeczywistością.
Próby morskie umożliwiły potwierdzenie wyników uzyskanych w laboratorium na modelu rzeczywistym, poprzez wykreślenie pokonanej drogi czasu niezbędnego do wykonania pełnej cyrkulacji jednostki dla następujących warunków.
Badanie przeprowadzone było dla kilku kątów wychyłu steru przy stałej prędkości jednostki (tj. 5, 10, 30 stopni wychyłu steru). .
Próby zostały przeprowadzone dla statku wyposażonego w standardowy ster typu NACA oraz dla wyposażonego w płytowy ster “Hebel”.
Analiza uzyskanych wyników potwierdziła założenia koncepcji. Ster "Hebel" uzyskał znacznie lepsze wyniki dla małych kątów wychyłu steru względem standardowego rozwiązania oraz nie charakteryzuje się gorszą manewrowością podczas maksymalnych wychyleń steru.
Wyniki badań przestawione są na zdjęciach od 4 do 6 oraz w tabelach 2,3,4.
Ilustracja 1: Zdjęcie 4. Kąt wychylenia 5 stopni
Tabela 2: Wyniki dla 5 stopni wychyłu
Ilustracja 2: Zdjęcie 5. Kąt wychylenia 10 stopni
Tabela 3: Wyniki dla 10 stopni wychyłu
Ilustracja 3: Zdjęcie 6. Kąt wychylenia 30 stopni
Tabela 4: Wyniki dla 30 stopni wychyłu
5. Wnioski
Podczas normalnej eksploatacji jednostki najważniejsze jest wstępna reakcja na zmianę kąta wychylenia steru. Szybkość zmiany zadanego kursu we wstępnym etapie zmiany kąta wychylenia steru jest kluczowa, dla bezpieczeństwa rejsu. Ster firmy Mapalu umożliwia poprawę tej cechy względem standardowego profilu. Płetwa steru typu „Hebel” zwiększa również sterowność przy niskich prędkościach I małych kątach wychyłu co pokazały testy prototypu.
Firma Mapalu oferuje rozwiązanie które może być wykorzystane na istniejących statkach bez konieczności znaczącej ingerencji w konstrukcję kadłuba oraz wymiany maszyny sterowej. Rozwiązanie cechuje się łatwością montażu oraz uniwersalnością.
USD
EUR
CHF
GBP