Особенности взаимодействия кормовой оконечности ледоколов и судов ледового плавания с ледяным покровом

К.А. Лопашев

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург

ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОРМОВОЙ ОКОНЕЧНОСТИ ЛЕДОКОЛОВ И СУДОВ ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ С ЛЕДЯНЫМ ПОКРОВОМ

Объект и цель научной работы. Исследование процессов взаимодействия кормовой оконечности с ледяным покровом при движении кормой вперед в условиях льда при различных формах ахтерштевня, включая обтекание корпуса и облегание ледяными обломками.

Материалы и методы. Использованы аналитические методы гидродинамики, а также численные методы математики. Привлечены литературные источники, результаты экспериментальных исследований, как модельных, так и натурных.

Основные результаты. Предложена типизация форм кормовых оконечностей, показавшая значительные отличия процесса взаимодействия между типами, а также расчетный метод определения критического расстояния смыва обломков льда.

Заключение. Заложены основы для разработки метода расчета ледового сопротивления в сплошных льдах при движении кормой вперед.

Ключевые слова: лед, корма, сопротивление, ледокол. Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Для цитирования: Лопашев К.А. Особенности взаимодействия кормовой оконечности ледоколов и судов ледового плавания с ледяным покровом. Труды Крыловского государственного научного центра. 2017; 2(380): 24-31.

УДК 629.5.02:624.042.43 ЭО!: 10.24937/2542-2324-2017-2-380-24-31

K.A. Lopashev

Krylov State Research Centre, Moskovskoe shosse 44, St. Petersburg, Russia

STERNS OF ICEBREAKERS AND ICE-BREAKING SHIPS: ICE INTERACTION SPECIFICS

Object and purpose of research: Ice interaction study for the sterns with stern-posts of different shape, including the flow around the hull and formation of «ice shroud» (layer of broken ice pieces adjoining the hull).

Materials and methods: Analytical hydrodynamic methods, as well as numerical methods of mathematics. The study was also based on literature and results of tests, both model and full-scale.

Main results: This paper suggests the classification of stern shapes that demonstrates the ice to differ significantly from one shape to another, as well as suggests a calculation method to determine the critical distance for washing of broken ice pieces.

Conclusion: The paper lays foundations to develop the ice resistance calculation method for a ship moving astern in continuous ice.

Key words: ice, stern, resistance, icebreaker. Author declares lack of the possible conflicts of interests.

For citations: Lopashev K.A. Sterns of icebreakers and ice-breaking ships: ice interaction specifics. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 2

УДК 629.5.02:624.042.43 DOI: 10.24937/2542-2324-2017-2-380-24-31

Введение

Introduction

В связи с необходимостью судов ледокольного флота выполнять различные морские операции, они должны обладать достаточно высокими показателями ледопроходимости и маневренности на заднем ходу. Отсутствие верифицированных методов определения ледового сопротивления во льдах при движении кормой вперед значительно усложняет процесс проектирования кормовых обводов.

В настоящее время достаточно часто встает вопрос о возможности расчетного определения ледового сопротивления судов при движении кормой вперед. Отличительной особенностью такого движения является влияние гребных винтов на процесс взаимодействия корпуса с ледяным покровом и обломками. Изменение процесса обтекания корпуса за счет омывания гребными винтами может значительно сказываться на значениях ледового сопротивления.

Для того, чтобы получить картину взаимодействия, необходимо провести типизацию форм кормовых оконечностей судов для дальнейшего анализа каждого из типов. Также необходимо рассмотреть процесс взаимодействия ахтерштевня со льдом и формирования обломков (их форма, характерный размер и т.д.). Кроме того, одним из важных этапов является формирование картины образования «ледовой рубашки» и её отличие от таковой при движении носом вперед.

В работе рассматриваются следующие вопросы:

типизация кормовых оконечностей ледоколов и судов ледового плавания;

анализ особенностей взаимодействия кормовой оконечности с ледяным покровом для разных типов;

анализ особенностей обтекания кормовой оконечности и процесса формирования и изменения «ледовой рубашки».

Типизация форм кормовых оконечностей ледоколов и судов ледового плавания

Classification of stern shapes for icebreakers and ice-going ships

Для проведения типизации кормовых оконечностей необходимо проанализировать характерные особенности обводов корпусов ледоколов и судов ледового плавания. Далее представлена таблица, содержащая наименование судов, подвергнутых анализу.

Таблица. Ледоколы и суда ледового плавания, включенные в анализ

Table. Icebreakers and ice-going ships covered by the analysis

№ Проект / Название LB T, м Тип движителя

1 21900 / «Санкт-Петербург» 114x28x8,5 2 ВРК

2 22600 / «Виктор Черномырдин» 147x29x9,5 ВРК/2 ГВ

3 MOSS 828 / «Юрий Топчев» 99x19x8 2 ВРК

4 22220 / «Арктика» 160x30x8,5/10,5 3 ГВ

5 105201 / «50 лет победы» 148x30x11 3 ГВ

6 21900М / «Владивосток» 116x27,5x8,5 2 ВРК

7 «Витус Беринг» 100x21x8 2 ВРК

8 «Феско Сахалин» 100x21x7,5 2 ВРК

9 22280 / «Академик Трешников» 134x23x8,5 2 ГВ

10 UT 758 ICE / «Пасифик Эндевэр» 91,5x19x8,3 2 ВРК

11 «Норильский никель» 169x23x10 ВРК

Данная выборка содержит современные ледоколы и суда ледового плавания, имеющие различные типы движительных комплексов, главные размере-ния и показатели ледовой ходкости, при этом их сравнение проводилось по теоретическим чертежам. Сравнение позволило выделить два характерных типа кормовых обводов ледокольных судов:

«крейсерские»;

приспособленные для установки винто-рулевых колонок (ВРК).

Крейсерские обводы (рис. 1а), характерные для более старых ледоколов и ледоколов, имеющих высокие показатели ледопроходимости (> 2 м), позволяют придать кормовым обводам очертания носовых обводов (пологие батоксы, выпуклые ватерлинии, разваленные шпангоуты) [1].

Развитие технологий и изменения требований к судам ледового плавания (в большей мере к управляемости) привели к появлению азимутальных дви-жительных комплексов (или ВРК). Установка ВРК на суда, в свою очередь, повлекла изменения кормовых обводов, которые должны обладать достаточно плоской площадкой для крепления фундаментов ВРК.

Рис. 1. Типы кормовых оконечностей ледоколов и судов ледового плавания:

a) «крейсерские» обводы;

б) обводы, приспособленные для установки винто-рулевой колонки

Fig. 1. Stern types of icebreakers and ice-going ships: a) cruiser stern;

b) pod propulsion-adapted stern

Также для обеспечения поворота данного типа дви-жительного комплекса на 360 градусов необходимо достаточное расстояние между точками крепления по ширине. Это приводит к появлению развитого кормового подзора и прямоугольной форме кормовой части действующей ватерлинии (рис. 16). Также стоит отметить, что существуют суда ледового плавания (например «Норильский никель» и «Mastera»), оснащенные одной ВРК, имеющие обводы, близкие к «крейсерским».

Все изложенные выше отличия влияют на процесс взаимодействия данных типов кормовых оконечностей с ледяным покровом.

Анализ особенностей взаимодействия кормовой оконечности с ледяным покровом

Analysing the specifics of interaction between stern and ice

«Крейсерские» обводы

В связи с тем, что «крейсерские» обводы схожи с носовыми обводами ледокольных судов, то сходными являются и характер взаимодействия со льдом,

форма и размер обломков, а также процесс образования трещин. Преобладающей формой разрушения ледового покрова является образование одного или нескольких рядов секторов [2, 33] (рис. 2а). Экспериментальные исследования различных судов в ледовом опытовом бассейне подтверждают данную теорию (рис. 26).

Стоит отметить, что основным отличием взаимодействия ровного ледяного покрова с «крейсерской» кормовой оконечностью заключается в омыва-нии корпуса струями гребных винтов, что влияет на облегание подводной части корпуса обломками льда и падение оборотов при взаимодействии обломков с лопастями.

Обводы, приспособленные для установки винто-рулевых колонок В связи с тем, что данные обводы значительно отличаются по геометрическим параметрам (углы развала шпангоутов, угол входа действующей ватерлинии и т.д.) от носовых, то и процесс взаимодействия отличен. Разрушение ледяного покрова происходит, главным образом, за счет изгиба под действием распределенной по кромке ватерлинии силы.

Рис. 2. Взаимодействие «крейсерской» кормовой оконечности с ровным ледяным покровом:

а) схема образования одного или нескольких рядов секторов;

б) результат экспериментальных испытаний в опытовом бассейне

Fig. 2. Interaction of cruiser stern with level ice:

a) formation of ice sectors (one or several rows);

b) model test results

Рис. 3. Взаимодействие приспособленной к установке ВРК кормовой оконечности с ровным ледяным покровом:

а) схема образования секторов трещин;

б) результат экспериментальных испытаний в опытовом бассейне

Fig. 3. Interaction of the pod propulsion-adapted stern with level ice: a) formation of fractured sectors; b) model test results

В процессе разрушения формируется концентрическая трещина и далее несколько радиальных трещин, которые вместе образуют несколько секторов (рис. 3). При этом количество и расположение радиальных трещин зависит от формы корпуса (наличие килеватости, ледового зуба и т.д.). При при-тапливании этих секторов скуловая часть обводов участвует в процессе их поворота.

В начальный момент взаимодействия кормовой оконечности с ледовым полем происходит нагружение вертикальной распределенной силой кромки, что приводит к образованию крупных секторов (рис. 4).

Нагрузка приложена по ширине судна в кормовой оконечности, а распределение зависит от конкретной ее формы. Расчетное решение данной задачи лежит в области определения максимальных моментов и точек, в которых они приложены для полубесконечной балки, лежащей на сплошном упругом основании. В работе [3] представлены некоторые расчетные формулы и решения для данной задачи. Так, координата действия максимального момента определяется по формуле, которая позволяет оценить максимальный размер обломка в продольном направлении:

/ =

а

где а - некоторый коэффициент, зависящий от жесткости упругого основания и цилиндрической жесткости пластины; у1 - функция, зависящая от а и ширины приложения распределенной нагрузки Ь.

Процесс взаимодействия типов кормовых оконечностей с ледяным покровом отличен. Схожесть «крейсерских» обводов с носовыми даёт возможность при определении расчетного сопротивления

пользоваться известными подходами (напр. метод Ионова), при этом стоит учитывать различия в обтекании и формирования «ледовой рубашки». Эти различия влияют на значения ледового сопротивления (в частности, сопротивления трения цилиндрической вставки). Они требуют дальнейшего изучения и, возможно, введения поправочных коэффициентов.

Для получения зависимостей для определения ледового сопротивления судов, оборудованных ВРК, необходимо разработать новую физическую модель взаимодействия с ледяным покровом.

Данный тип судов иногда применяется для преодоления торосистых образований задним ходом [4]. Форма кормовой оконечности может оказывать существенное влияние на возможность выполнения этой операции. В настоящее время это влияние практически не изучалось [5], и должно также стать предметом дальнейших исследований.

Рис. 4. Схема нагружения при взаимодействии кормы второго типа с ледовым полем

Fig. 4. Ice interaction of pod propulsion-adapted stern. Loading pattern

Анализ особенностей обтекания

кормовой оконечности и процесса формирования и изменения «ледовой рубашки»

Analysing the specifics of the flow around the stern and the process of «ice shroud» formation and changes

В связи с изложенным выше необходимо проанализировать процесс обтекания кормовой оконечности. Обтекание, главным образом, влияет на процесс формирования и изменения «ледовой рубашки».

При движении вперед принято считать, что «ледовая рубашка» облегает значительную часть погруженного корпуса ледокола. Граница распространения «ледовой рубашки» определяется из условия равенства ординаты действующей ватерлинии на каждом шпангоуте длине покрытой льдом части шпангоута, которая отсчитывалась от действующей ватерлинии [2, 71]. Распределение «ледовой рубашки» при движении носом вперед представлено на рис. 5, при этом стоит отметить, что согласно исследованиям, представленным в работе [6], в районе 15 теоретического шпангоута происходит ее отрыв от корпуса.

При движении кормой вперед будет иметь место совершенно иная картина распределения «ледовой рубашки». За счет омывания струями гребных винтов распределение обломков изменяется; в зоне перед гребными винтами возможен «подсос» обломков и их «фрезерование»; после обломки попадают в зону омывания, где они либо сбрасываются с корпуса, либо перемещаются но-

совее. Также стоит отметить, что могут существовать условия, при которых струи не могут сбить обломки льда - прежде всего, это связано с ослаблением их действия по мере отдаления от поля диска винта, а также с размерами и массой обломков. Данный факт отмечен в работе [7].

Выполним оценочный расчет, показывающий относительное критическое расстояние, на котором при заданных значениях упора гребного винта смываются обломки льда. В работе [7] получено выражение для критической скорости в струе необходимой для смыва обломков льда:

Vcr =

6g(Pw - Pi)l2h{ (slop) I Pw (cA2 + 2cX2l2) ,

где р» - плотность воды; р/ - плотность льда; Р - угол наклона борта; сХ1 и сХ2 - коэффициенты гидродинамической силы (согласно [7], они могут быть приняты равными 1,2 и 0,6 соответственно); Ы - толщина льда; I - характерная длина обломка (принята 18Л/).

Согласно теории идеального движителя по [8], можно оценить вызванную скорость в поле диска винта по формуле

V =

2T

PwAV2

-+1

-1

V /2,

где Т - упор гребного винта; А - площадь диска винта; V - скорость движения судна.

Рис. 5. Распределение «ледовой рубашки» при движении носом вперед

Fig. 5. Distribution of «ice shroud». Ahead running

Относительное критическое расстояние смыва а)

ч,. 'Ч,, ^ ... Ч„ ч 15 МВт

^...... 10 МВт *'ч„

3 МВт .... ( 5 МВт

40 45 50 Угол раскртия струи, °С

Рис. 6. Относительное критическое расстояние смыва: а) толщина льда 1 м, скорость движения 5 уз; б) угол раскрытия 55 градусов, скорость 5 уз

Fig. 6. Relative critical washing distance: a) ice thickness 1 m, speed 5 kn.; b) opening angle 55°, speed 5 kn

Допустив, что струя воды от гребного винта при взаимодействии с корпусом уплощается и расширяется, введем значение угла раскрытия струи а. Далее с учетом равенства расхода в поле диска винта и на некотором удалении х получим выражение для скорости потока в зависимости от расстояния от гребного винта

0,79 DV

Vt (*) =

1 +

2,54Г

D 2V2 р„

+1

1,57 D + п-x - tg

где Б - диаметр гребного винта; к1 - коэффициент, учитывающий изменение высоты струи при взаимодействии с корпусом.

Приравняв выражения (2) и (3), и выразив х, можно получить аналитическое выражение для критического расстояния смыва обломков льда (использовался математический пакет МаШСас!). Расчет проводился для значений а в пределах от 40 до 60 градусов (значения выбраны на основании наблюдений за модельными экспериментами) и четырех значений упора. Каждое значение упора подбиралось из условия возможности переработки подводимой мощности гребным винтом заданного диаметра (4,3 м) согласно [9] (рис. 6а). Также проводился расчет для фиксированного значения угла раскрытия струи и тех же мощностей (рис. 6б).

Анализ расчета показывает, что на процесс формирования «ледовой рубашки» влияет множество факторов, среди которых основными являются упор гребных винтов, толщина льда и скорость движения. Уточнение данного метода расчета требует проведения опытов по определению течений в кормовой оконечности, а также получению полей скоростей в потоке за гребным винтом. Стоит отметить, что на процесс формирования «ледовой рубашки» влияет взаимодействие гребных винтов со льдом, т. к. при этом изменяется упор, форма струи и размер обломков. Все эти факторы так или иначе необходимо учесть при создании модели облегания подводной части корпуса обломками льда при движении кормой вперед.

В ледовом опытовом бассейне ФГУП «Крылов-ский государственный научный центр» проводилось множество модельных испытаний, включающих движение модели кормой вперед. Наблюдения за процессом движения обломков ровного льда через донные иллюминаторы позволяют выявить определенную картину процесса взаимодействия подводной части корпуса с обломками льда.

При движении задним ходом лед покрывает подводный корпус от точки начального касания до зоны действия гребных винтов. Далее часть обломков может попадать в гребные винты, образуя более мелкие обломки, а часть, проходя носовее, попадает в зону действия струй и сбрасывается с корпуса.

Рис. 7. Эпизоды испытаний в ледовом опытовом бассейне:

а) «крейсерская» корма;

б) обводы, приспособленные для установки винто-рулевых колонок

Fig. 7. Episodes of ice model tests:

a) cruiser stern;

b) pod propulsion-adapted stern

В результате омывания корпуса «ледовая рубашка» в таких примерах экспериментов практически отсутствует (рис. 7), что означает уменьшение сопротивления трения.

Требуется дальнейшее изучение данного вопроса с целью разработки подхода, позволяющего оценивать уменьшение значения сопротивления трения о лед и ледовое сопротивление в целом.

Также отдельному изучению был подвергнут факт влияния оборотов гребных винтов на ледовое сопротивление судна при движении кормой вперед. При этом при одной толщине льда проводились буксировочные испытания модели с работающими винтами (100 % и 63 % от оборотов). Далее по методике Кры-ловского центра была произведена обработка результатов (рис. 8).

Рис. 8. Результаты буксировочных испытаний модели при различных оборотах

Fig. 8. Towing test results for the model at various RPMs

Относительное сопротивление

1 1 1 100% от оборотов; ....... 63% от оборотов + *

у''

^ * , - ,

2 3 4 Скорость движения, уз

Результаты показали расхождения в значениях на 20 % и 30 % на 2,5 и 7,5 уз соответственно. Это говорит о крайней необходимости соблюдения в масштабе оборотов гребных винтов при проведении испытаний в ледовом опытовом бассейне.

Выводы

Conclusions

В данной работе проведен анализ особенностей взаимодействия кормовой оконечности ледоколов и судов ледового плавания с ледяным покровом.

Проведена типизация форм кормовых оконечностей, которая позволяет разделить их на два типа: «крейсерскую» и форму, приспособленную для установки ВРК.

Определены особенности взаимодействия с ледяным покровом, показавшие, что процесс взаимодействия отличен для двух разных типов.

Приведен расчетный метод, позволяющий получить значения критического расстояния смыва обломков льда, показавший необходимость дальнейших исследований вопросов обтекания кормовой оконечности.

На основании наблюдений за экспериментальными исследованиями проанализированы особенность обтекания кормовых оконечностей и процесс формирования «ледовой рубашки». Анализ показал значительные отличия между характером облегания обломками льда для переднего и заднего хода, что говорит о необходимости проведения дополнительных исследований, которые в дальнейшем позволят разработать методику определения ледового сопротивления при движении кормой вперед ледоколов и судов ледового плавания

Библиографический список

Reference

1. Каштелян В.И., Рывлин А.Я., Фадеев О.В., Ягод-кин В.Я. Ледоколы. Л.: Судостроение, 1972.

2. Сазонов К.Е. Теоретические основы плавания судов во льдах. СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2010.

3. Хейсин Д.Е. Прочность ледяного поля под действием нагрузки, приложенной к его кромке // Труды ААНИИ. 1960. Т. 237. С. 133-152.

4. Сазонов К.Е. Форсирование ледоколами торосов задним ходом // Морской вестник. 2005. № 1(13). С. 84-86.

5. Сазонов К.Е., Тарица Г.В., Штрамбрандт В.И., Щербаков И.В. Анализ влияния компоновки движитель-ного комплекса ледокольного судна на работу в торосах // Морской вестник. 2010. № 2. С. 89-92.

6. Зуев В А. Рабинович М.Е., Яковлев М.С. Динамические расчеты ледоколов. Горький: Изд-во Горьковского политехнического института, 1979.

7. Лобачев М.П., Сазонов К.Е. Исследование некоторых аспектов гидромеханики судов двойного действия // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2005. Вып. 24(308). С. 89-98.

8. Справочник по теории корабля. Л.: Судостроение,

1985.

9. Цой Л.Г. Морские ледоколы. Особенности проектирования. СПб.: СПБГМТУ, 2003.

Сведения об авторах

Лопашев Кирилл Андреевич, инженер ФГУП «Кры-ловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-48-23. E-mail: lopashev_k@mail.ru

About the authors

Lopashev, KirillA., Engineer, address: 44, Moskovskoye sh. St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-48-23. E-mail: lopashev_k@mail.ru

Поступила: 09.02.17 Принята в печать: 30.03.17 © К. А. Лопашев, 2017