Проводка крупнотоннажных судов ледоколами с увеличенной скоростью: исследования в ледовом бассейне

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проводка крупнотоннажных судов ледоколами с увеличенной скоростью: исследования в ледовом бассейне

А.А. Добродеев, К.Е. Сазонов

ФГУП «Крыловский государственный научный центр»

(Санкт-Петербург, Российская Федерация)

Представлены основные результаты исследований, выполненных в ледовом бассейне Крыловского государственного научного центра, по изучению возможности проводки ледоколами крупнотоннажных судов с увеличенной скоростью движения. Экспериментальные данные позволяют оценить эффективность морских транспортных систем. Также полученные результаты могут быть использованы для разработки требований в области ледовой ходкости к проектируемым ледоколам и крупнотоннажным судам ледового плавания.

Ключевые слова: ледокол, крупнотоннажное судно, скорость хода судна, мощность, ледяной канал.

FAST-SPEED ESCORTING OF HEAVY TONNAGE VESSELS BY ICEBREAKERS: RESEARCHING IN ICE MODEL TANK

Dobrodeev A.A., Sazonov K.E.

Krylov State Research Centre (St. Petersburg, Russian Federation)

Abstract

The main results of researching the heavy-tonnage vessels fast-speed escorting by icebreakers performed in ice model tank of the Krylov State Research Centre are presented. The experimental data obtained allow evaluating the efficiency of marine transport system. The tests results obtained can be used in developing the requirements in the field of ice navigation to designed icebreakers and heavy-tonnage vessels of ice navigation.

Keywords: icebreaker, heavy-tonnage vessel, ship's rate of sailing, capacity, ice channel. крупнотоннажный судно ледокол скорость

Введение

Многочисленные расчеты убедительно показывают, что наибольшую экономическую эффективность морским транспортным системам, предназначенным для вывоза углеводородов и других полезных ископаемых из Карского моря, придает использование в их составе крупнотоннажных судов арктического плавания [1; 2]. При создании транспортных систем важным, во многом определяющим облик системы фактором является генеральное направление вывоза -- западное или восточное. Выбор направления вывоза предъявляет различные требования к ледовым и мореходным качествам крупнотоннажных судов и обеспечивающих их проводку ледоколов.

При выборе генерального направления вывоза на запад к крупнотоннажным судам предъявлялись требования максимального расширения возможности самостоятельного плавания во льдах и обеспечения высоких показателей ходкости на чистой воде. Многие специалисты в ориентированной на запад транспортной системе отводили ледоколам вспомогательную роль [3]. Этот вопрос является дискуссионным. Однако в любом случае протяженность участка движения крупнотоннажного судна во льдах Карского моря относительно мала, и скорость его прохождения скорее всего не является критичным параметром, снижающим эффективность системы в целом.

В последние годы все более активно начинает рассматриваться возможность создания морской транспортной системы, ориентированной в восточном направлении в страны азиатского региона [4]. Условия ее функционирования в восточном секторе Арктики существенно сложнее, чем в западном. Это обстоятельство накладывает определенные требования к составу такой транспортной системы. В первую очередь, по всей видимости, должно быть существенно откорректировано ранее существовавшее требование возможности активного самостоятельного плавания крупнотоннажного судна. Это следует из сопоставления протяженностей участков трасс в ледовых условиях в восточном и западном направлениях. Кроме того, по всем параметрам ледовые условия в восточном секторе Арктики более суровы. При движении в восточном направлении вероятность возникновения опасной ситуации при одиночном плавании крупнотоннажного судна резко возрастает, поэтому организация вывоза полезных ископаемых на восток крупнотоннажными судами возможна только при ледокольном обеспечении. По оценке специалистов, для обеспечения эффективности транспортной системы средняя скорость движения судов на трассе должна составлять 10-- 12 уз [5]. Проблемные вопросы, возникающие при увеличении скорости проводки судов ледоколами, были рассмотрены в [6]. В настоящей статье анализируются результаты модельных исследований, выполненных в ледовом бассейне Крыловского центра [7], целью которых было изучение характеристик ледовой ходкости крупнотоннажных судов, двигающихся за ледоколами.

Таблица 1. Основные характеристики газовозов

Скорость движения крупнотоннажных судов ледового плавания при самостоятельном плавании во льдах (носом или кормой вперед) невелика. Ее значения не могут обеспечить необходимые показатели эффективности морской транспортной системы, ориентированной на вывоз углеводородов из Арктики в восточном направлении. Сейчас эта проблема в основном решается путем организации проводок крупнотоннажных судов при плавании по Северному Ледовитому океану с помощью двух ледоколов [2; 8]. Такой способ позволяет проводить в Арктике крупнотоннажные суда любого размера с высокой средней скоростью движения. Основным недостатком такого способа является его повышенная стоимость, обусловленная необходимостью использования двух ледоколов, а также необходимость в большом числе ледоколов. Планируемые на ближайшее будущее объемы перевозок не могут быть обеспечены ледокольной поддержкой в случае использования двух ледоколов для обеспечения проводки. Поэтому основным способом проводки остается классическая схема лидирующего положения ледокола.

В настоящее время ведутся исследовательские работы по созданию нетрадиционных технических средств, позволяющих создавать широкий безопасный канал для проводки крупнотоннажных судов во льдах [9; 10]. Однако эти разработки еще далеки от практического применения, поэтому наиболее перспективным является проект создания атомного ледокола-лидера мощностью 120 МВт [11; 12]. Этот ледокол, прогнозируемая предельная ледопроходи- мость которого составит 4 м, сможет создавать канал шириной более 50 м. По такому каналу сможет безопасно проходить подавляющее большинство существующих и проектируемых крупнотоннажных судов ледового плавания. У остальных проектируемых или строящихся ледоколов максимальная ширина корпуса не превышает 32 м, поэтому они могут создавать лишь «узкий» для крупнотоннажных судов канал. Такой канал крупнотоннажные суда вынуждены расширять своим корпусом, разрушая его кромки. Именно в изучении особенностей движения крупнотоннажного судна по «узкому» каналу состоит основная цель данной работы. Она является продолжением большого цикла исследований по скоростным проводкам крупнотоннажных судов. Выполненные ранее работы в основном были сосредоточены на изучении вопросов безопасности мореплавания (определение безопасной дистанции между ледоколом и крупнотоннажным судном, оценка величины падения скорости ледокола при внезапном взаимодействии с торосом и т. п.) [13].

Объекты и методика исследования

Объектами исследования были современные крупнотоннажные газовозы и существующие и перспективные ледоколы. Одна модель газовоза была изготовлена в размерениях танкера-газовоза класса Arc7 типа «Ямал Макс», головным судном в серии которых является «Кристоф де Маржери». При разработке теоретического чертежа модели стремились наиболее полно воссоздать форму обводов его корпуса, насколько это возможно по имеющимся отрывочным данным. Вторая модель крупнотоннажного газовоза представляет собой разработку Крыловского центра. Теоретический чертеж этой модели создавался с учетом требования сохраненить грузовместимость судна такой же, как и «Кристофа де Маржери». Кормовые оконечности и движительно-рулевой комплекс обеих моделей были одинаковы, что позволило обеспечить равенство тяговых характеристик при одинаковых режимах движения. Основные характеристики газовозов представлены в табл. 1.

В экспериментах использовались модели существующих и перспективных ледоколов, ширина корпуса которых составляет: у ледокола «50 лет Победы» -- 28 м, у ледокола-лидера -- 47,7 м, у ЛК- 60Я -- 34 м, у перспективного ледокола -- 28,5 м.

Все модели крупнотоннажных судов и ледоколов изготовлены в одном масштабе. Все они самоходные, оснащены двигателями и движительным комплексом.

Методика проведения исследований состояла в следующем. С использованием стандартных процедур в ледовом бассейне Крыловского центра намораживались ледяные поля гранулированного льда, толщина которых для натурных условий составляла 1,5 и 2,0 м. Такие толщины льда были выбраны как наиболее характерные для развитого ледяного покрова в районах предполагаемого прохождения ледовых трасс проводки крупнотоннажных судов. Прочность льда на изгиб принималась равной 500 кПа. Перед испытаниями в каждом ледяном поле выполнялись исследования его физикомеханических свойств.

Рис. 1. Движение модели крупнотоннажного судна за моделью ледокола

Все испытания проводились в самоходном режиме движения моделей, при этом электропитание моделей осуществлялось с помощью гибких кабелей с буксировочной тележки, которая сопровождала движущуюся модель. Частота вращения движителей моделей подбиралась из условия переработки полной мощности.

Как правило, эксперимент протекал в следующей последовательности. Вначале самоходная модель ледокола прокладывала в поле ровного моделированного льда канал, самостоятельно двигаясь с той скоростью, которая соответствовала заданной мощности. Затем по проложенному каналу также в самоходном режиме двигалась модель крупнотоннажного судна. Во время ее движения фиксировались упор движителей и скорость ее движения, кроме того, с помощью фото- и видеоаппаратуры регистрировались характер взаимодействия модели со льдом, положение модели в ледяном канале и другие параметры. Одновременно через подводные иллюминаторы бассейна шла видеозапись характера взаимодействия подводной части корпуса модели и ее движителей со льдом. Иногда эксперимент осуществлялся при одновременном движении моделей ледокола и крупнотоннажного судна (рис. 1).

После завершения основной части исследований в оставшейся части ледяного поля дополнительно изучалась ледовая ходкость крупнотоннажных судов в каналах, заполненных тертым льдом.

Результаты экспериментов и их обсуждение

Полученные результаты можно разделить на две группы: влияние ширины канала за лидирующим ледоколом и формы корпуса крупнотоннажного судна на скорость его движения и влияние других ледовых условий на скорость движения крупнотоннажного судна. Рассмотрим эти группы результатов отдельно.

Влияние ширины канала и формы корпуса крупнотоннажного судна. Такие испытания были основной целью исследования. Их важной особенностью было то, что ледяной канал прокладывался моделью соответствующего ледокола в отличие от прежних экспериментов, когда ледяной канал формировался путем вырезания из ледяного покрова полосы льда, равной по ширине максимальной ширине ледокола. Использование модели ледокола позволяло получать реалистичное очертание кромки канала (наличие выступов и впадин), а также, вероятно, приводило к некоторой разрушенности оставшихся ледяных кромок. В механике разрушения льда хорошо известно, что при разрушении изгибом образуется несколько радиальных трещин, причем обломок льда формируется по ближайшей к корпусу концентрической трещине [14]. Кроме того, после прохода модели ледокола в ледяном канале остается мелкобитый лед, который, особенно при большой толщине ледяного покрова, может оказывать существенное влияние на ходкость судна по каналу. На рис. 2 представлены фотографии движения оптимизированной модели в канале за моделью ледокола ЛК-60.

Результаты экспериментов представлены в табл. 2. На рис. 3 приведены обобщенные результаты испытаний, которые показывают экспериментальные зависимости скорости движения по каналу крупнотоннажного судна от относительной ширины ледяного канала (отношение ширины судна к ширине канала).

Рис. 2. Движение оптимизированной модели в канале за ледоколом ЛК-60. Вид сверху (а) и снизу (б)

Данные табл. 2 и рис. 3 демонстрируют вполне предсказуемые зависимости скорости движения от толщины льда и относительной ширины канала. При детальном рассмотрении последней зависимости можно увидеть некоторое несоответствие в данных, относящихся к первоначальной модели крупнотоннажного судна, а именно скорость движения первоначальной модели за ледоколом ЛК-60 (ширина канала 35 м) незначительно ниже скорости движения за ледоколом «50 лет Победы» (ширина канала 30-- 31 м). Возможность возникновения такой ситуации была описана в [2; 15]. Суть явления заключается в том, что крупнотоннажное судно с умеренным ледокольным носом и прямостенными бортами в районе цилиндрической вставки вынуждено доламывать кромки «узкого» канала далеко не оптимальными для разрушения льда участками корпуса. В этом случае корпусом выламываются относительно большие куски льда. При определенных значениях скорости движения и толщины преодолеваемого льда может возникнуть ситуация, когда выломанные куски льда не создают необходимого по ширине канала для свободного прохода судна.

Рис. 3. Сравнение результатов испытаний первоначального и оптимизированного вариантов корпуса танкера-газовоза класса Arc7

Таблица 2. Скорость танкера-газовоза Arc7 с первоначальной и оптимизированной формой корпуса в свежем канале, уз

Остаются еще незначительные первоначальная и оптимизированная модели показали близкие результаты по скорости движения, причем оптимизированная модель -- более высокую скорость. В толстом льду толщиной 2,1 м скорость движения оптимизированной модели еще больше возросла по сравнению с исходным вариантом. В морской ледотехнике хорошо известно, что при движении судна в мелкобитых льдах по ледяному каналу, ширина которого близка к ширине судна, ледовое сопротивление существенно возрастает [16].

В модельном эксперименте такая ситуация однозначно отслеживается, после прохождения модели остаются ровные края образовавшегося канала, на поверхности которых наблюдается характерное скопление раздробленного и выдавленного корпусом льда.

Небольшое изменение ширины первоначального канала как в сторону увеличения, так и при уменьшении может исключить возникновение сценария взаимодействия корпуса крупнотоннажного судна со льдом. Наличие у крупнотоннажного судна ледокольного носа и наклонных бортов, как у оптимизированной модели, практически исключает возможность возникновения такой ситуации, о чем свидетельствуют эксперименты.

Полученные данные позволяют аппроксимировать линейной функцией зависимость скорости движения крупнотоннажного судна от относительной ширины канала. Как следует из рис. 3, наклон графика этой зависимости существенно зависит от формы корпуса судна. Для оптимизированной модели наклон заметно меньше, что свидетельствует о том, что она обладает повышенной ледокольной способностью. Можно утверждать, что чем выше предельная ледопроходимость судна при движении носом вперед в сплошных ровных льдах, тем лучше такое судно будет двигаться по «узкому» каналу, проложенному ледоколом.

Значительный интерес представляют данные о движении крупнотоннажных моделей за ледоколом-лидером. В этом случае практически на всех участках канала его ширина незначительно превышает ширину моделей судов. Скорость движения моделей по такому каналу определяется взаимодействием корпуса с битым льдом и редкими взаимодействиями с отдельными выступами кромки льда.

Изменение формы носовой оконечности и придание углов наклона шпангоутов в районе цилиндрической вставки у оптимизированной модели привело к попаданию большего количества льда на подводную поверхность корпуса. Прямостенные борта в районе цилиндрической вставки, как у исходной модели, очень хорошо защищают движительный комплекс от прямого взаимодействия со льдом. При испытаниях оптимизированной модели с помощью средств визуализации ледового бассейна регистрировались процессы попадания льда к движителям. Результаты наблюдений (рис. 2б) показали, что у оптимизированной модели к движителям попадает лишь незначительное количество притопленного корпусом льда, которое не может повлиять на ходовые качества судна.

Движение крупнотоннажного судна в тертом льду. Для крупнотоннажного судна указанный режим движения может реализоваться при подходах к местам загрузки, например в судоходных каналах на морском участке Карского моря. Речные участки акватории, например от кромки льдов Карского моря до порта Сабетта, подлежат отдельному рассмотрению, так как являются мелководными. Небольшой зазор между дном акватории и днищем газовоза, составляющий порядка 1,5 м, создает дополнительный эффект присасывания судна. В процессе движения на мелководье с докритическим скоростями (V <-jgH ) наряду с резким ростом сопротивления наблюдается увеличение осадки на миделе и угла ходового дифферента. Кроме того, работа движителей судна в условиях предельного мелководья протекает в условиях стесненного подтока воды к движителям, что приводит к существенной потере их полезной тяги, а также становится причиной «присоса» кормовой оконечности корпуса к дну.

Таблица 3. Скорость танкера-газовоза Arc7 с оптимизированной формой корпуса в широком канале с тертым льдом на грузовой осадке, уз