Разработка метода расчета ледового сопротивления судна при движении в крупнобитых льдах и обломках ледяных полей и его применение для оценки различных способов проводки крупнотоннажных судов Добродеев Алексей Алексеевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Обзор предыдущих исследовании 10

1.1. Обзор предыдущих работ по исследованию ледовой ходкости судов 10

1.1.1. Основные определения, связанные с ледовой ходкостью судна 10

1.1.2. Общие принципы оценки ледового сопротивления судна 13

1.1.3. Обзор методов расчета сопротивления сплошного льда движению судна 15

1.1.4. Обзор методов расчета сопротивления битого льда движению судна... 20

1.2. Обзор исследований по способам проводки крупнотоннажных судов в сплошных льдах 22

1.2.1. Оценка возможности проводки крупнотоннажного судна одним ледоколом 22

1.2.3 Проводка крупнотоннажных судов в условиях сжатия льда 31

1.2.4 Разработка новых форм корупса для улучшения ледовых качеств крупнотоннажных судов 1.2.5. Буксируемые и толкаемые системы 35

1.2.6. Инновационные технические средства для прокладки широкого канала во льдах 37

1.3. Формулирование цели исследований 39

ГЛАВА 2. Разработка метода расчета ледового сопротивления при движении судна в крупнобитых льдах и обломках ледяных полей 41

2.1. Обзор работ зарубежных специалистов по описанию процессов

2.2. Описание физической картины движения судна в крупнобитом льду и обломках ледяных полей 45

2.3. Математическая модель движения судна в крупнобитом льду и обломках ледяных полей 48

2.4. Верификация метода расчета данными модельных испытаний 66

2.5. Оценка эффективности проводки крупнотоннажного судна двумя ледоколами 69

ГЛАВА 3. Разработка метода расчета ледового сопротивления курпнотоннажного судна, двигающегося под проводкой одного ледокола по извилистому каналу 72

3.1. Разработка математической модели прокладки ледоколом извилистого канала 72

3.2. Разработка метода расчета ледового сопротивления при движении

3.3. Оценка выбросов углекислого газа крупнотоннажным судном при движении под проводкой ледокола 78

3.3.1. Расчет эксплуатационного индекса энергоэффективности ЕЕОІ транспортного судна 81

ГЛАВА 4. Исследование возможности создания широкого канала во льдах для проводки крупнотоннажных судов 86

4.1. Разработка метода расчета ледового сопротивления многокорпусного ледокола в сплошных льдах 86

4.2. Результаты модельных экспериментов по исследованию ледовой ходкости многокорпусного ледокола 91

4.3. Разработка толкаемой и буксируемой систем для создания широкого

Заключение 105

Литература

• Основные определения, связанные с ледовой ходкостью судна
• Описание физической картины движения судна в крупнобитом льду и обломках ледяных полей
• Разработка метода расчета ледового сопротивления при движении
• Результаты модельных экспериментов по исследованию ледовой ходкости многокорпусного ледокола

Введение к работе

Актуальность работы. В последнее время освоение нефтегазовых месторождений на шельфе арктических морей, а также на прибрежных территориях, получило большое распространение. Отдаленность регионов, где происходит добыча углеводородов, и отсутствие там развитой инфраструктуры, придает вопросам транспортировки добытой продукции особую значимость. Одним из наиболее эффективных способов обеспечения круглогодичного вывоза углеводородов является создание морских транспортных систем (МТС), которые в своем составе используют арктические суда ледового плавания высокой грузоподъемности. При этом ширина крупнотоннажных судов существенно превышает ширину любого из существующих в настоящее время ледоколов. Опыт эксплуатации подобных судов в арктических морях весьма ограничен, что делает практически невозможным получение достоверных данных об особенностях использования крупнотоннажных судов, функционирующих в ледовых условиях. Данный вопрос требует немедленной проработки, т.к. в ближайшие годы в МТС произойдет внедрение строящихся на данный момент судов, предназначенных для эксплуатации в зоне освоения месторождений Ямала. Причем крупнотоннажные суда экономически выгодно использовать не только для вывоза добытых на арктическом шельфе и прилегающих к нему территорий углеводородов, но, и для транзитных рейсов через Северный Ледовитый океан.

Разработка новых тактических приемов и технических средств для обеспечения безопасной и эффективной проводки крупнотоннажных судов является весьма актуальной задачей. При проводке двумя ледоколами движение крупнотоннажного судна осуществляется в крупнобитых льдах. В связи с этим создание метода определения ледового сопротивления крупнобитого льда и обломков ледовых полей движению судна актуально как в научном, так и в практическом плане при создании морских транспортных систем, проектировании форм корпусов судов ледового плавания и выполнении расчетных исследований ледовых качеств крупнотоннажных судов и ледоколов. При этом анализ их эффективности реализуется с использованием предложенного автором метода расчета ледового сопротивления судна в крупнобитых льдах.

Целью настоящей работы является разработка метода расчета ледового сопротивления судна при движении в крупнобитых льдах и обломках ледяных полей и его применение для оценки различных способов проводки крупнотоннажных судов во льдах. Предложенный метод расчета ледового сопротивления позволяет оптимизировать формы корпусов транспортных судов и обеспечивает создание эффективных морских транспортных систем.

Достижение поставленной цели исследования обусловило необходимость постановки и решения следующих задач:

Анализ предыдущих работ по исследованию ледовой ходкости судов и способам их проводки в сплошных льдах;

Разработка метода расчета ледового сопротивления судна при движении в крупнобитых льдах и обломках ледяных полей, и оценка эффективности проводки крупнотоннажного судна двумя ледоколами;

Верификация метода определения ледового сопротивления судна при движении в крупнобитых льдах и обломках ледяных полей на основе экспериментальных исследований в ледовом бассейне;

Создание метода расчета ледового сопротивления крупнотоннажного судна при движении по извилистому каналу для оценки предложенного способа проводки одним ледоколом и создание математической модели прокладки ледоколом данного извилистого канала;

Разработка метода расчета ледового сопротивления многокорпусного ледокола как нового инновационного технического средства, предназначенного для прокладки широких каналов во льдах;

Разработка технических решений по созданию несамоходных буксируемой и толкаемой систем, предназначенных для прокладки широкого канала в ледовых условиях;

Оценка эффективности прокладки широкого канала во льдах, включающего в себя исследования объемов выбросов углекислого газа при использовании различных типов проводки крупнотоннажных судов.

Методы исследования. В диссертации использованы аналитические методы расчета ледового сопротивления судов, методы гидродинамики, численные методы вычислительной математики. Сопоставление и обобщение результатов исследований производились с привлечением данных литературных источников, модельных и натурных экспериментов.

Научная новизна исследования состоит в разработке:

1. Метода расчета ледового сопротивления судна при движении в крупнобитых льдах и обломках ледяных полей;

2. Математической модели прокладки ледоколом извилистого канала;

3. Метода расчета ледового сопротивления при движении крупнотоннажного судна по извилистому каналу;

4. Экспериментально-теоретических методов оценки возможности создания широкого канала во льдах для проводки крупнотоннажных судов;

5. Метода расчета ледового сопротивления многокорпусного ледокола в сплошных льдах;

6. Технических решений – буксируемой и толкаемой систем для создания широкого канала во льдах.

Достоверность научных положений и выводов подтверждается корректностью математических выкладок при разработке метода расчета ледового сопротивления в крупнобитом льду, обоснованностью используемых допущений, результатами экспериментальной проверки разработанных методов в ледовом опытовом бассейне.

Практическая значимость работы в части создания метода расчета ледового сопротивления в крупнобитых льдах и обломках ледяных полей заключается в возможности методического обеспечения создания современных морских транспортных систем и инновационных способов проводки крупнотоннажных судов во льдах, а также оптимизации форм корпусов судов на ранней стадии проектирования.

Метод расчёта ледового сопротивления многокорпусного ледокола позволяет уже на ранней стадии проектирования достаточно объективно определять его главные размерения, форму обводов, расстояние между корпусами, что дает возможность оптимизировать форму корпуса и повысить качество проектирования инновационного ледокола за счет снижения его потребной мощности и уменьшения ледового сопротивления.

Предложенные технические решения, буксируемая (патент №2508224) и толкаемая (патент №2549738) ледокольные приставки увеличивают ширины ледовых каналов для обеспечения безопасной проводки крупнотоннажных судов во льдах. Они позволяют снизить затраты мощности ледокола при движении во льдах и прокладке им широкого ледового канала, что обеспечивает эффективную, безопасную и дешевую проводку крупнотоннажного судна преимущественно на внутренних водных путях и при каботажном плавании.

Реализация результатов работы. Результаты работы применяются различными подразделениями ФГУП «Крыловский государственный научный центр» при выполнении контрактных работ, как для отечественных, так и для зарубежных заказчиков.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации были изложены и обсуждены на 18 конференциях, в числе которых 8 являются международными.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 научно-технических работ, из них 7 без соавторов. В изданиях из перечня ВАК опубликовано 9 работ, из них 2 без соавторов. Патенты на изобретение: № 2508224 «Буксируемое устройство для разрушения ледового покрова при формировании судоходного канала во льдах», № 2549738 «Толкаемая буксиром-толкачом ледокольная приставка для создания судоходного канала во льдах», № 2585393 «Ледокольное судно».

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, содержит 114 страниц основного текста (включая 5 таблиц и 53 рисунка), 2 страницы оглавления, список литературы, включающий 77 наименований.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

7. Метод расчета ледового сопротивления судна при движении в крупнобитых льдах и обломках ледяных полей;

8. Метод расчета ледового сопротивления при движении крупнотоннажного судна по извилистому каналу, предназначенный для оценки эффективности предложенного способа проводки одним ледоколом;

9. Новые технические решения по созданию толкаемой и буксируемой несамоходных систем, предназначенных для расширения ледового канала при проводке крупнотоннажных судов;

10. Метод расчета ледового сопротивления инновационного многокорпусного ледокола при движении в условиях сплошного ровного ледяного покрова.

Основные определения, связанные с ледовой ходкостью судна

Разработка методов расчета ледовой ходкости осложняется огромным многообразием факторов, влияющих на ледовое сопротивление. Эти факторы обусловлены изменением толщины ледяного покрова, его сплоченности, торосистости, разрушенности, заснеженности, физико-механических свойств при движении судна во льдах. Таким образом, оценка ледового сопротивления на стадии проектирования производится для заданных ледовых условий. Долгое время для удобства оценки характеристик ледовой ходкости были приняты эталонные ледовые условия, которыми считался сплошной ровный лед, не имеющий на своей поверхности снежного покрова. Однако со временем развитие экспериментальной базы и многочисленные теоретические исследования позволили включить в список эталонных условий мелкобитый лед различной сплоченности, торосистые образования, различные типы ледяных каналов. В данной работе сделан еще один шаг к расширению этого списка, заключающейся в разработке методов расчета ледового сопротивления при движении судна в крупнобитых льдах и обломках ледяных полей. Ранее для этого использовалась эмпирическая зависимость [30], позволяющая проводить лишь приближенную оценку ледового сопротивления судна от воздействия крупнобитого льда. Описание нового метода расчета представлено в Разделе 2.

Для оценки ледового сопротивления судна при движении в ровных льдах условно можно выделить несколько направлений. Основным и наиболее информативным является модельный эксперимент в ледовом опытовом бассейне. В настоящее время накоплен огромный опыт в области модельных исследований судов, который сказался на значительном усовершенствовании экспериментальной базы таких стран как Российская Федерация (ФГУП «Крыловский государственный научный центр»), Германия («HSVA»), Финляндия («Aker Arctic»). Однако, сложность моделирования идентичных физико-механических свойств ледяного покрова при проведении комплекса испытаний исследуемого объекта, создает необходимость в использовании теоретических моделей обработки результатов эксперимента для их приведения к единому значению с целью дальнейшего сравнения.

Другим направлением в оценке ледового сопротивления является использование эмпирических зависимостей, которые являются результатом модельных экспериментов и натурных испытаний. Такие формулы удобно использовать на начальных стадиях проектирования судна с целью оценки его будущей ледопроходимости.

Наиболее точно физический процесс взаимодействия корпуса судна со сплошным ледяным покровом можно описать, используя аналитический метод расчета. С его помощью представляется возможным описать процессы, происходящие при движении судна во льду с учетом критериев его разрушения, и форму поверхности корпуса в районе взаимодействия с ледяным покровом.

Однако, для практического использования наибольшую популярность приобрели полуэмпирические методы определения сопротивления сплошного льда движению судна, которые позволяют нивелировать влияние от отсутствия необходимой информации для построения сложной аналитической теории.

Оценка сопротивления судна при движении в битых льдах является не менее важным направлением в области создания методов расчета ледового сопротивления, т.к. такой режим плавания является довольно распространенным. При этом стоит отметить, что в условиях битого льда могут эксплуатироваться не только ледоколы, но все суда, имеющие ледовые усиления корпуса. Важнейшими параметрами битого льда, которые необходимо учитывать при создании методов расчета, являются характерный размер обломков льда и их сплоченность.

Основным достижением XX века в создании методов расчета ледового сопротивления стали результаты исследований Ю.А. Шиманского, заключающиеся в представлении полного ледового сопротивления как суммы отдельных его составляющих, каждая из которых описывала бы основные показатели взаимодействия сплошного ледяного покрова с корпусом судна. Разделение полного ледового сопротивления на составляющие, отражающие разрушение ледяного покрова, притапливание и раздвигание образующихся обломков, стало основой для большинства разработанных в будущем методик расчета.

Разработкой методов расчета ледового сопротивления занимались также Л.М. Ногид [35], М.К. Таршис [61], М.С. Яковлев [62], В.И. Каштелян [30], Ю.Н. Алексеев и К.Е. Сазонов [1], Б.П. Ионов [29] ряд зарубежных специалистов, среди которых Е. Энквист [67], X. Доргелох [66], Д.Картер [63], Г. Линдквист [68], а также многие другие. Основные параметры, влияющие на ледовое сопротивление судна, стали известны еще одним из первых специалистов, начавших работу в этом направлении. В дальнейшем как российские, так и зарубежные исследователи стремились уже трансформировать имеющиеся знания в формулу расчета, которая была полезна в работе с различными формами корпусов судов ледового плавания.

В.И. Каштелян [31] предложил методику расчета, основанную на двухрядном разрушении ледяного покрова с пятиконтактоной схемой взаимодействия корпуса судна со льдом. В своей методике он использовал предложенные Ю.А. Шиманским [26] коэффициенты ледокольности и ледорезности, характеризующие форму корпуса по конструктивной ватерлинии в интегральном виде. Предложенную им формулу (1.1.1) можно использовать для расчета величины тяги винтов ледокола, которая затрачивается на преодоление ровного ледяного покрова определенной толщины и прочности с заданной скоростью хода в диапазоне от 1 до 5 узлов, а также для определения толщины ровного ледяного покрова в которой может двигаться ледокол при заданных параметрах тяги винтов и скорости хода. кт = 0,004л 7, пцп + 3,6гтВп цп + 0,25л hv, — + к I (1.1.1) где Rj - полное ледовое сопротивление судна в сплошных льдах, т; Rw — сопротивление воды движению судна, т; h - толщина льда, м; аь - предел прочности льда на изгиб, т/м ; ух - удельный вес льда, т/м ; В - ширина судна, м; vs - скорость судна, м/с; ц0 и г/2 коэффициенты Шиманского, характеризующие форму корпуса судна.

Коэффициенты, входящие в формулу (1.1.1), были получены автором метода путем проведения модельных экспериментов ледокола «Ермак» в ледовом опытовом бассейне. Полученное выражение успешно использовалось при оценке ледопроходимости ледоколов до тех пор, пока развитие в области проектирования ледокольных судов не оказало существенного влияния на формы корпусов, расчеты ледопроходимости для которых по формуле Каштеляна стали давать существенные погрешности. В первую очередь, на основании той же схемы, предложенной Ю.А. Шиманским, была разработана зависимость для определения полного ледового сопротивления транспортных судов активного ледового плавания при движении в сплошных льдах под авторством Д.Д. Максутова [34]. Коэффициенты, входящие в формулу (1.1.2), были получены автором метода путем обработки модельных и натурных испытаний судов типа д/э «Лена» и д/э «Амгуема», а также модели гидрографического судна, предназначенного для эксплуатации в условиях Арктики.

Описание физической картины движения судна в крупнобитом льду и обломках ледяных полей

Оценка ледовой ходкости крупнотоннажного судна, двигающегося под проводкой двух ледоколов в сплошном ровном льду, сводится к анализу скорости его движения в обломках крупнобитого льда различного размера. При создании ледового канала двумя ледоколами размер обломков льда, которые в нем формируются, составляет от 50 до 200 метров. Ледопроходимость судов подобного класса, как правило, составляет чуть меньше 2 метров в сплошном ровном льду с прочностью на изгиб 500 кПа. Также необходимо учитывать, что судам ледового плавания, имеющим высокий ледовый класс Регистра (Arc7 и выше), при форсировании многолетнего льда разрешается работа набегами. По результатам проведенных расчетов в легких ледовых условиях крупнотоннажное судно при различных скоростях хода на чистой воде после встречи с обломком ледового поля характерным размером как 80 м, так и 150 м имеет значительный запас мощности для их прохождения. С увеличением толщины льда до значения 1,2 м при встрече с обломком льда на скорости хода от 5 узлов и выше судно начинает терять свою скорость (рис. 2.3.6 - 2.3.7), однако процессы раскалывания и раздвигания ледяного покрова протекают достаточно быстро по времени, поэтому критического падения скорости не наблюдается. Рассматривая предельную толщину льда, которую судно может преодолевать исходя из требований к прочности его корпуса, динамика движения судна в ней по сравнению с более тонкими льдами ухудшается, однако вероятность заклинивания отсутствует. При высокой сплоченности льда в канале снижается лишь общая скорость движения судна за ледоколами. Это видно по графикам на рисунках 2.3.8 и 2.3.9, когда судно при скоростях хода от 5 узлов и выше при выходе за пределы разрушаемого фрагмента ледового образования с высокой вероятностью не успеет набрать скорость, которая была у него до встречи с ним.

Анализируя динамику движения ледокола в условиях обширных ледовых полей выбирались более тяжелые ледовые условия по сравнению с теми, что рассмотрены для крупнотоннажного судна. Очевидно, что показатели рассматриваемого ледокола в части касающейся ледовой ходкости несколько выше, чем у судна, поэтому толщина рассматриваемого ледяного покрова больше. Оценка результатов показывает, что во льду толщиной 3 метра, ледокол сможет двигаться только набегами. При скорости хода 5 узлов до встречи с ледовым полем, характерный размер которого составляет полкилометра, ледокол может его преодолеть, однако скорость упадет до предельных значений и начинает увеличиваться лишь в последней трети пройденного пути. Таким образом, при высокой сплоченности ледовых полей вероятность заклинивания достаточно высокая, но с ее уменьшением ледокол на участках воды, свободных ото льда, сможет снова набирать необходимую для непрерывного движения в таких условиях скорость хода. Таким образом, ледопроходимость ледокола в обломках ледовых полей, по сравнению со сплошным ровным льдом, может вырасти практически в 1,5 раза.

Анализ результатов расчетов по предложенной математической модели позволяет сказать, что разработан достаточно точный метод, позволяющий описать динамику движения судна в условиях крупнобитого льда и обширных ледовых полей. Из анализа полученных данных можно сделать вывод о том, что одним из важных параметров является характерный размер фрагментов ледового поля, который наравне с толщиной ледяного покрова существенно влияет на скорость движения судна.

Как крупнотоннажное судно, так и ледокол, обладают определенной ледопроходимостью в сплошных ровных льдах. При движении в битых льдах появляется возможность улучшить данную характеристику, т.к. нагрузка на корпус будет меньше чем при движении в сплошном ледовом поле. Используя предложенную методику на стадии проектирования, можно достаточно точно оценить будущие эксплуатационные характеристики судна, рассчитав максимальную скорость его проводки для различных ледовых условий, и тем самым сделать более эффективной работу всей морской транспортной системы. В следующем параграфе представлены результаты верификации расчетной модели с данными модельных испытаний в ледовом опытовом бассейне. 2.4. Верификация метода расчета данными модельных испытаний

Для верификации разработанной расчетной методики были выполнены экспериментальные исследования в ледовом опытовом бассейне, которые позволили оценить точность определения ледового сопротивления судна при движении в крупнобитых льдах. Одним из допущений, которое необходимо учитывать при анализе полученных данных, является скорость хода судна. Эксперимент выполняется путем буксировки голого корпуса судна в жесткой запряжке с тележкой, скорость которой постоянна (рис. 2.4.1). В то время как, расчетная методика позволяет оценить изменение скорости судна во времени. Подробнее об этом изложено в предыдущем параграфе.

Для выполнения верификации проведены экспериментальные исследования модели в крупнобитом льду нескольких толщин 1,5 м и 2,0 м. Судно, исследованное в рамках апробации разработанного теоретического метода расчета, и исследуемая модель имеют схожую форму корпуса и ледокольные обводы. Моделирование проходило для нескольких скоростей хода судна в диапазоне от 7 до 13,5 узлов. Выбор скорости обусловлен тем, что согласно расчетам специалистов для эффективности работы современных морских транспортных систем, разрабатываемых для Северного морского пути, она должна составлять порядка 10-12 узлов. Характерный размер обломков ледового поля ограничивался возможностями чаши ледового бассейна, и в пересчете на натуру составил 350 метров.

По результатам испытаний выполнен анализ временной реализации ледового сопротивления судна, на которой был выделен участок от его первого контакта с обломком ледового поля до момента раскалывания и раздвигания на величину ширины испытуемой модели. В дальнейшем полученная реализация совмещалась с данными по ледовому сопротивлению, которые определены с использованием теоретического подхода, подробно описанного в предыдущем параграфе.

Разработка метода расчета ледового сопротивления при движении

На снижение ледового сопротивления значительное влияние оказывает толщина льда, а соответственно и размер формируемых ледоколом фрагментов ледового поля. При увеличении толщины льда протяженность фрагмента ледового поля L также растет, т.к. вместе с ними изменяется в сторону curve Г У Г J увеличения и относительный радиус циркуляции ледокола. Таким образом, важным фактором при использовании данного способа проводки крупнотоннажных судов становится выбор скорости движения ледокола и самого судна. Вследствие того, что ледокол движется по криволинейной траектории, при этом угол перекладки ВРК в момент выполнения циркуляции составляет примерно 30 градусов, а крупнотоннажное судно, наоборот, движется прямым курсом, становится очевидным, что скорость ледокола должна быть больше, чтобы между судами постоянно сохранялась безопасная дистанция.

На основании имеющихся данных о современных ледоколах, использующих ВРК и обладающих повышенной управляемостью, их средняя максимальная скорость с учетом выполнения постоянных циркуляции во льдах толщиной около 0,5м составит порядка 5 узлов, во льдах толщиной примерно 1 метр 3 узла [49]. Таким образом, применять такую методику следует на небольших по протяженности участках движения судна, преимущественно в реках, покрывающихся льдом, в период, когда не наблюдается сильных ледовых сжатий, и толщина припая не превышает указанных величин.

Количество судов, которые используются в Арктическом регионе, постоянно растет, поэтому разработка морских транспортных систем для них требует внимательного отношения к вопросу обеспечения экологической безопасности. Разработанная методика расчета ледового сопротивления при движении судна по извилистому каналу позволяет получить исходные данные для оценки количества выбросов углекислого газа. С целью сравнительного анализа экологической эффективности предложенной тактики движения судна расчеты выбросов СОг выполнены дополнительно для способа прокладки широкого канала двумя ледоколами и движения судна в сплошном ровном льду без проводки [20].

Для повышения энергетической и экологической эффективности эксплуатации транспортных судов специалисты в области экологии, гидродинамики судов, а также судостроители используются различные способы. В связи с бурным освоением северного морского пути к этой работе подключаются специалисты в области ледовой ходкости судов.

Выбросы парниковых газов на транспортных судах регламентируются требованиями Международной Морской Организации. В соответствии с выпущенной этим сообществом Резолюцией установлено требование, что для каждого нового судна валовой вместимостью 400 и более тонн должны быть определены конструктивные коэффициенты энергетической эффективности (EEDI). EEDI - это отношение количества произведенного парникового газа СОг к величине транспортной работы судна за определенный период времени (рейс, год и т. д.). Показатель EEDI позволяет оценить связь таких факторов как расход топлива, выбросы углекислого газа и работа судна или системы в целом.

Введение IMO нормирования индексов EEDI активно обсуждается в среде судостроителей. Задуманная как мера по контролю за уровнем выбросов углекислого газа судами, система «индексов эффективности энергопотребления» направлена на ограничение мощности для перевозки нормированного груза. Такой подход вызывает серьезные опасения, в частности, в связи с безопасностью мореплавания [40]. Не исследованными остаются вопрос оценки выбросов парниковых газов при движении судна в ледовых условиях и методы снижения вредного воздействия на окружающую среду. Создавая новые арктические транспортные системы, в том числе для Северного морского пути, необходимо реально оценивать показатели энергоэффективности судов, чтобы одновременно обеспечить эффективность их эксплуатации и снизить вредное воздействие на экологию одного из немногих не тронутых промышленностью уголков Земли.

Суда, способные работать в ледовых условиях без ледокольной поддержки, оснащаются энергетической установкой повышенной мощности для создания достаточной тяги движительного комплекса, обеспечивающей заданные параметры ледопроходимости (например, для Карского моря не менее 1,5 м). Используя различные методы ледокольной проводки при эксплуатации ледовых судов, мощность энергетической установки может быть существенно снижена, а вместе с ней и выбросы СОг. В случае использования для проводки атомных ледоколов, уровень загрязнения парниковыми газами становится еще меньше. Согласно руководству по методам расчета EEDI выбросы С02 можно оценить, используя следующее выражение [65]: где CF - безразмерный коэффициент, связывающий расход топлива в граммах и эмиссию С02, также измеренную в граммах, базирующийся на содержании в топливе углерода. Индексы ME и АЕ относятся к главным и вспомогательным машинам; В руководстве для расчетов EEDI при определении базовых значений предложено использовать: а) постоянное значение для коэффициента эмиссии С02 - 3,1144 г С02/ г топлива; б) постоянное значение удельного расхода топлива SFCME =190 г/кВт час для всех главных двигателей и SFCAE = 215 г/кВт час для вспомогательных двигателей. При расчете базовых значений все корректирующие коэффициенты принимаются равными 1, а все индексы инновации - равными 0. Тогда расчетная формула примет вид

Результаты модельных экспериментов по исследованию ледовой ходкости многокорпусного ледокола

Разработанная толкаемая ледокольная приставка состоит из трех корпусов, имеющих наклонные форштевни и разваленные борта (рис. 4.3.1) [57]. Эти корпуса скомпонованы в виде одного головного и двух боковых, при этом все они жестко связаны между собой рамной конструкцией, которая снабжена устройством для плотного ее контактирования с буксиром-то лкачем. Каждый из трех корпусов, на уровне действующей ватерлинии, имеет форму, которая близка к треугольной, и обрубленную плоскую корму. Такие обводы упрощают технологию производства корпусов, а также снижают их металлоемкость.

Боковые корпуса расположены со смещением вниз по потоку от головного корпуса. Их расположение способствует улучшению прохождения обломков битого льда между корпусами ледокола, что приводит к снижению ледового сопротивления состава в битых льдах, и, следовательно, к снижению потребляемой буксировщиком мощности. Боковые корпуса имеют одинаковую ширину, а их одинаковое расположение по обе стороны от головного корпуса позволяет повысить устойчивость всего состава на курсе, что также положительным образом сказывается на снижении ледового сопротивления буксирующего судна [56]. Наибольшая ширина создаваемого ледоколом канала обеспечивается размещением боковых корпусов по обе стороны от головного с отстоянием их диаметральных плоскостей от диаметральной плоскости ледокольного судна на , В +В расстоянии / не менее чем определяемом из соотношения: / — - + 5, м, где Вг и Вв - ширина соответственно головного и бокового корпуса по миделю. При этом устройство для сцепления приставки с буксиром, расположенное на рамной конструкции выступает на величину не менее 3 м за линию, проходящую через ахтерштевни бортовых корпусов [57]. Такое расположение корпусов обеспечивает свободное прохождение с наименьшим сопротивлением обломков битого льда и, соответственно, снижение сопротивления буксирующего судна.

Положительный эффект от описанного расположения корпусов ледокольной приставки и буксира достигается за счет изменения характера разрушения ледяного покрова боковыми корпусами. Они будут разрушать лед, скалывая и направляя значительные его обломки в канал, прокладываемый головным корпусом. Это приводит к снижению ледового сопротивления состава «приставка-буксир» в целом.

Как результат, предлагаемая толкаемая ледокольная приставка для разрушения ледяного покрова обеспечивает создание широкого ледового канала, обеспечивающего безопасную проводку крупнотоннажных судов во льдах преимущественно на внутренних водных путях и при каботажном плавании. Ее применение положительно влияет на снижение затрат мощности при движении во льдах и прокладке широкого канала ледоколом. Другой предлагаемой концепцией для создания широкого канала является буксируемое устройство (рис. 4.3.2) [21]. Буксируемое средство предполагается использовать в сочетании с традиционным ледоколом, в результате чего можно формировать достаточно широкий канал для движения в нем крупнотоннажных судов [2].

Корпус буксируемого устройства для разрушения ледяного покрова, как и у толкаемой приставки, состоит из трех корпусов. Такое расположение корпусов обеспечивает увеличение ширины прокладываемого судоходного канала во льдах не менее чем на 10 метров, по сравнению с шириной канала, проложенного однокорпусным ледоколом. Эффективность использования такой приставки обуславливается снижением ее ледового сопротивления по сравнению с ледоколом той же ширины. В предлагаемом решении разрушение ледяного покрова будут осуществлять четыре корпуса: корпус буксирующего судна и три корпуса буксируемого устройства. Из известных математических соотношений следует что В + 2\В ) (В +2В ) , поэтому сопротивление буксируемого

Буксируемое устройство для разрушения ледяного покрова устройства будет меньше, чем сопротивление ледокола с такой же шириной как у буксируемого устройства [21]. Боковые корпуса данного устройства расположены симметрично относительно его диаметральной плоскости. Наличие центрального ледокольного корпуса обеспечивает дополнительную прочность конструкции буксируемого устройства при движении во льдах. Эффект всей конструкции в целом заключается в том, что боковые корпуса разрушают лед, скалывая его значительные куски в канал, проложенный буксирующим судном. В этом случае ледовое сопротивление корпуса составляет примерно 0,6 от полного ледового сопротивления одиночного корпуса. При этом в случае обеспечения минимального расстояния между бортами буксирующего судна и буксируемого устройства не менее 7 м, обеспечивается свободный пропуск битого льда между корпусами и исключается возможность буксировки ледяных нагромождений предлагаемым буксируемым устройством.

В результате, данное устройство обеспечивает снижение ледового сопротивления проводимого судна, а также снижает затраты мощности ледокола при движении во льдах и прокладке широкого судоходного канала. Проведение модельных испытаний буксируемого устройства в ледовом опытовом бассейне С целью экспериментальной проверки работоспособности и эффективности предложенных технических решений для одного из вышеперечисленных изобретений - буксируемого устройства для разрушения ледяного покрова, была изготовлена и испытана в ледовом опытовом модель в масштабе 1:30. Далее приведены некоторые результаты проведенных экспериментов [14].

В процессе проведения модельных экспериментов производились измерения силы сопротивления льда, действующей на каждый из двух боковых корпусов устройства (рис. 4.3.3). Предложение об использовании центрального вспомогательного корпуса возникло уже после анализа результатов испытаний, а также оценки прочности всей конструкции. Поэтому в ходе испытаний моделирование центрального корпуса не производилось, но при этом можно с уверенностью сказать, что его вклад в ледовое сопротивление всей конструкции будет не значителен, т.к. он располагается позади ледокола, осуществляющего буксировку, и не участвует в разрушении льда, к тому же имеет небольшую, по сравнению с остальными корпусами, ширину.

Испытания проводились в сплошном ровном льду различной толщины, которая в натурных условиях соответствует значениям 0,9, 1,5 и 2,1 метра, а также в торосистой гряде. В результате были получены зависимости ледового сопротивления буксируемого устройства от скорости движения. Ширина формируемого канала позади буксируемого устройства в пересчете на натурные условия составила порядка 55 метров. Стоит отметить, что при этом ширина ледокола типа Москва, взятого для данного анализа, составляет всего 28 метров. Основной вклад в создание широкого канала, вносят именно боковые корпуса буксируемого устройства.