Полупогружной ледокол
SEMI-SUBMERSIBLE ICEBREAKER

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано при создании ледоколов круглогодичного, всепогодного плавания, точнее к разрушению ледяного покрова морскими ледокольными судами, использующих подъемную архимедову и гидродинамическую силу.
Известно полупогружное ледокольное судно [1], состоящее из подводного грузового корпуса с двигателями и движителями и надводной части с надстройкой, причем подводный корпус содержит ледоразрушающее устройство и балластные камеры. Недостатком такого устройства является невозможность функционирования в толстых льдах.
Известно полупогружное ледокольное судно [2], состоящее из подводного грузового корпуса с двигателями и движителями, соединенного с ледоразрушающим устройством и надводной части с надстройкой, причем подводный корпус содержит балластные камеры. Недостатком данного ледокола является то, что разрушающее лед устройство выполнено в виде фрез, из-за чего такое судно будет иметь незначительную скорость перемещения во льдах толщиной 2÷3 м при большом расходе энергии на дробление льда. Кроме того, за судном остается узкий проход, что не позволяет проводить за собой другие суда и высока вероятность затирания его льдами, причем судно не имеет возможности освободиться само, т.к. не может развернуться на 180°, а при его движении поворотная надстройка будет испытывать большие перегрузки на поворотный механизм.
Наиболее близким является полупогружное ледокольное транспортное судно [3] для перевозки жидких, сыпучих грузов и контейнеров, состоящее из подводного грузового корпуса с двигателями, движителями и горизонтальными гидродинамическими рулями, снабженного устройством в виде одного тарана с ледоразрушающим ребром, расположенного вдоль всего корпуса в диаметральной плоскости судна. При большой грузоподъемности 100 тыс.т и более судно обладает значительными габаритами и осадкой. Ширина полыньи, как показали эксперименты, составляет величину порядка 30-40 метров, что не дает возможности проводить за собой суда большого водоизмещения.
В основу настоящего изобретения положена задача создания ледокола, способного разрушать любые Арктические льды с шириной образующейся полыньи 100-120 метров и более для проводки, маневрирования и расхождения супертанкеров и других крупнотоннажных судов; сверхманевренного, способного работать на глубинах до 5 метров в устьях рек и акваториях портов и разрушать лед вокруг морских буровых платформ. Ледокола с массой конструкции в 1,5-2 раза меньшей, чем у современных ледоколов, а следовательно, и меньшей стоимости, и с величиной вертикального разрушающего усилия, равного или превышающего полный вес современных ледоколов, способного преодолеть любые льды.
1
Поставленная задача достигается тем, что в техническом решении полупогружной ледокол состоит из подводного корпуса с двигателями, движителями, соединенного с ледоразрушающим устройством в виде трех таранов с наклонными разрушающими ребрами, расположенным вдоль всего корпуса сверху. Средний таран находится в диаметральной плоскости судна и снабжен надводной частью, состоящей из надстройки, закрепленной на прочном плавнике. Боковые тараны расположены вдоль бортов (бортовые). Для снижения разрушающего усилия разрушающие кромки среднего тарана смещены в нос и корму относительно кромок бортовых таранов на величину L, равную (0,1-0,2)S, где S - расстояние между бортовыми таранами. Разрушающие ребра всех таранов расположены под острым углом к горизонтальной плоскости подводного корпуса судна как в носовой, так и в кормовой частях корпуса судна. В частности, угол наклона разрушающего ребра всех таранов может составлять не более 10° к горизонтальной плоскости подводного корпуса судна.
2
1
1
Подводный корпус ледокола представляет собой широкую плоскую конструкцию, выполненную в виде крыла малого удлинения, с гидродинамическим профилем. Отношение ширины S подводного корпуса к длине L составляет 0,6-1,0, высота подводного корпуса H равна 3-10% от длины L корпуса. Расстояние S между бортовыми таранами определяется соотношением S=S-n, где S- ширина создаваемой полыньи в метрах, n - экспериментально определенная величина, равная 30-40 м.
Подводный корпус содержит балластные цистерны, занимающие большую часть объема корпуса. Площадь герметичной обшивки днища подводного корпуса не превышает 25-30% от общей площади днища, т.к. балластные цистерны подводного корпуса для более быстрого заполнения водой и ее вытеснения воздухом могут быть выполнены без сплошного дна. Герметичными выполняются только верхние и боковые части (эффект водолазного колокола). Герметичная обшивка располагается только в районе машинного отделения, топливных баков и в районе других необходимых герметичных объемов. Отсутствие герметичного днища на большей части площади повышает живучесть ледокола и безопасность его работы на мелководном шельфе. Полностью герметичной выполняется обшивка верхней части подводного корпуса и бортов ледокола. Маршевые движители максимально разнесены к бортам корпуса.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид полупогружного ледокола при разрушении ледяного покрова, на фиг. 2 и 3 - соответственно вид сбоку и вид сверху. Ледокол состоит из подводного корпуса 1, среднего тарана 2 с разрушающими ребрами 3, бортовых таранов 4 с разрушающими ребрами 5, надстройки 6, закрепленной на плавнике 7, и движителей 8. Угол α - угол между разрушающими ребрами и плоскостью льда, Y - вертикальная разрушающая сила, X - горизонтальная сила (упор движителей).
Устройство работает следующим образом. Вертикальная разрушающая сила Y, направленная снизу вверх, создается всей положительной плавучестью судна и/или гидродинамической подъемной силой подводного корпуса. Разрушение ледяного покрова начинается средним тараном 2, а затем образовавшаяся полынья расширяется бортовыми таранами 4. Такая последовательность разрушения значительно снижает величину вертикального разрушающего усилия и позволяет создавать широкую полынью. Разрушающая вертикальная сила Y=X/tgα при малых углах α может во много раз превосходить величину X упора движителей. Угол α может изменяться дифферентом судна, при этом, исходя из обеспечения оптимального условия разрушения льда при работе ледокола величина угла α предпочтительно не должна превышать 10°. Разрушение особо мощных льдов осуществляется следующим образом: ледокол, заполняя цистерны водой, погружает корпус 1 и заводит его под лед до плавника 7, продувая цистерны воздухом и всплывая, разрушает лед таранами 2, 4. Затем весь процесс повторяется. Движение ледокола имеет волнообразный характер. Процесс разрушения льда ледоколом при движении задним ходом аналогичен. Разнесение движителей 8 к бортам широкого корпуса 1 позволяет эффективно управлять ледоколом по курсу только маршевыми движителями, отказавшись от рулей поворота, как легко повреждаемых элементов. При реверсе одного из движителей ледокол может разворачиваться в полынье на 180° практически на месте. Полупогруженный характер движения имеет преимущество и на чистой ото льда воде за счет снижения волнового сопротивления и снижения нагрузок на корпус в шторм, т.к. ударам волн подвержен только прочный плавник ходовой рубки. Связь с атмосферой позволяет использовать обычные (не атомные) судовые двигатели. Сравнительные экспериментальные исследования, проведенные на маломасштабных моделях с одним разрушающим тараном, показали семикратное снижение величины упора движителей, необходимого для разрушения льда. Сравнение проводилось с моделью ледокола, имеющей классические обводы корпуса. При этом процесс разрушения ледяного покрова носил плавный характер, что уменьшает динамические нагрузки на корпус и повышает комфортность экипажа. При использовании трех разрушающих таранов, как показывают расчеты, основанные на экспериментальных данных, величина упора движителей снижается в 2-3 раза, что тоже позволяет устанавливать двигатели меньшей мощности.
2
1
2
3
Пример конкретного применения: пусть ледокольное судно имеет длину L=130 м, ширину S=100 м и высоту корпуса Н=4 м, расстояние между боковыми таранами S=90 м. Тогда горизонтальная площадь подводного корпуса составит величину 12 тыс. м, объем корпуса - 42 тыс. м. При весе конструкции снаряженного ледокола 16 тыс.т, положительная плавучесть (вертикальная разрушающая сила) будет равна 26 тыс.т. Вес корпуса определялся исходя из толщины стальной обшивки носовой части, таранов и плавника в 50 мм, остальной обшивки 30 мм (как у современных ледоколов). Гидродинамическая подъемная сила корпуса на скорости 3 м/сек (10,8 км/час) составит величину порядка 4900 т, а при скорости 5 м/сек (18 км/час) величину - 13700 т. Тогда вертикальная разрушающая сила при этих скоростях в сумме составит величины: 30900 т и 39700 т, соответственно, при мощности на валах - 30-40 Мвт. При n=30 м ширина образующейся полыньи S=S+30 будет равна 120 м. Плоская конструкция корпуса позволяет судну работать на глубине до 6 м. Сравним заявленный ледокол с последним построенным ледоколом и перспективным ледоколом, находящимся в процессе постройки.
Ледокол «50 лет Победы» (в состоянии эксплуатации)
Ледокол проекта 22220 «Арктика» (в состоянии строительства)
Длина - 160 м
Длина - 173,3 м
Ширина - 30 м
Ширина - 34 м
Осадка - 11 м
Осадка - 10,5 м или 8,55 м
Водоизмещение - 25000 т
Водоизмещение - 33540 т
Мощность на валах - 50 МВт
Мощность на валах - 60 МВт
Предельная толщина льда - 2,5 м
Предельная толщина льда - 2,9 м
Сравнительный анализ показывает, что при водоизмещении в 1,5-2 раза меньшем, а следовательно, и меньшей стоимости заявляемого ледокола, создаваемая им при работе суммарная вертикальная разрушающая сила в 1,5 раза больше или равна полному водоизмещению приведенных ледоколов. Такая сила разрушит любые Арктические льды. При этом необходимая мощность на валах в 1,5-2 раза меньше. Ширина образующейся полыньи в 3-4 раза больше, предельные рабочие глубины почти в 1,5-2 раза меньше.
Источники информации
1. Заявка Нидерландов NL2011/050494, Semi-submersible vessel and operating method.
2. Патент США №4350114. Semi-submersible tanker with directional ice cutters.
3. Патент РФ №2535346. Способ разрушения ледяного покрова и полупогружное ледокольное судно.