Ледовые натурные испытания ледокола "Новороссийск" в Карском море

К.А. Лопашев, К.Е. Сазонов, О.Я. Тимофеев

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург

ЛЕДОВЫЕ НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЛЕДОКОЛА «НОВОРОССИЙСК» В КАРСКОМ МОРЕ

Объект и цель научной работы. Объектом исследования является третий в серии дизель-электрический ледокол проекта 21900М «Новороссийск», цель исследования - подтверждение в натурных условиях его спецификаци-онных характеристик в области ледовой ходкости.

Материалы и методы. Анализ данных натурных испытаний ледоколов проекта 21900М.

Основные результаты. Ледокол «Новороссийск» обладает высокими показателями ледовой ходкости при движении передним и задним ходом, которые практически совпадают с аналогичными показателями ледокола «Владивосток». Ледокол успешно может преодолевать торосистые образования, обладает хорошими показателями ледовой маневренности и поворотливости.

Заключение. Обработанные данные натурных испытаний ледокола подтверждают выполнение всех специфи-кационных требований. По характеристикам ледовой ходкости и управляемости «Новороссийск» соответствует ледовому классу РМРС Icebreaker 7.

Ключевые слова: ледокол, натурные ледовые испытания, ледопроходимость, радиус циркуляции. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Для цитирования: Лопашев К.А., Сазонов К.Е., Тимофеев О.Я. Ледовые натурные испытания ледокола «Новороссийск» в Карском море. Труды Крыловского государственного научного центра. 2017; 3(381): 35-42.

УДК 629.5.018.72(211) DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-35-42

K.A. Lopashev, K.Ye. Sazonov, O.Ya. Timofeev

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

FULL-SCALE ICE TRIALS OF NOVOROSSIYSK ICEBREAKER IN THE KARA SEA

Object and purpose of research. This paper studies Novorossiysk, the third diesel-electric icebreaker of Project 21900M. The purpose of this study is to provide full-scale confirmation of the icebreaker's specification parameters in terms of propulsion performance in ice conditions.

Materials and methods. Analysis of the full-scale test data for Project 21900M icebreakers.

Main results. Novorossiysk icebreaker features a high propulsion performance for both ahead and astern running, her results being practically the same as corresponding parameters of Vladivostok icebreaker. Novorossiysk can successfully go through ridges and has good maneuvrability and turning ability in ice conditions.

Conclusion. Processed full-scale test data for the icebreaker confirm her compliance with all the specification requirements. In terms of propulsion performance and maneuvrability in ice conditions Novorossiysk corresponds to Icebreaker 7 ice class of Russian Maritime Register of Shipping.

Keywords: icebreaker, full-scale ice trials, ice-breaking capability, gyration radius. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

For citations: Lopashev K.A., Sazonov K.Ye., Timofeev O.Ya. Full-scale ice trials of Novorossiysk icebreaker in the Kara sea. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 3(381): 35-42 (in Russian).

УДК 629.5.018.72(211) DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-35-42

В 2016 г. ПАО «Выборгский судостроительный завод» построил и сдал в эксплуатацию третий ледокол проекта 21900М «Новороссийск» (рис. 1). Заказчиком ледокола является ФГУП «Росмор-порт». Ледоколы этого проекта в основном предназначены для эксплуатации в неарктических морях России (Балтийском море и др.) и имеют ледовый класс Российского морского регистра судоходства (РМРС) Icebreaker 6. Ледокол «Новороссийск», как и другие ледоколы данного проекта, оборудован пропульсивной установкой, состоящей из двух вин-то-рулевых полноповоротных колонок (ВРК) с приводом от гребных электродвигателей (ГЭД) мощностью 9000 кВт каждый. Передача мощности от ГЭД к ВРК осуществляется через промежуточный вал, оборудованный упругими муфтами.

Программа ледовых натурных испытаний ледокола «Новороссийск» была идентична программе испытаний ледокола «Владивосток» [1]. В качестве головной организации в области определения ледовых качеств ледокола ПАО «Выборгский судостроительный завод» было определено ФГУП «Крыловский государственный научный центр» (КГНЦ), которое имеет многолетний опыт проведения натурных испытаний судов для изучения их ледовых качеств, включая испытания ледокола пр. 21900 «Санкт-Петербург» [2] и ледокола пр. 21900М «Владивосток» [1]. Специалисты ФБГУ «ААНИИ» выполняли гидрометеорологическое обеспечение экспериментального рейса, выбор полигонов для проведения испытаний, а также измерение толщины и прочностных характеристик льда.

Для проведения натурных испытаний ФГУП «Росморпорт» был организован исследовательский

рейс ледокола «Владивосток» в Карское море в период с 28.04.17. по 07.05.17. Во время рейса на ледоколе «Владивосток» находилась испытательная партия, в состав которой входили представители КГНЦ, ФБГУ «ААНИИ», ПАО «Выборгский судостроительный завод», ФГУП «Рос-морпорт» и др.

По согласованию со специалистами ФБГУ «ААНИИ» испытания проводились в дрейфующем участке припайного льда примерно в 70 милях северо-западнее острова Диксон.

В процессе проведения натурных ледовых испытаний была выполнена программа, представленная в табл. 1.

В табл. 1 указаны установочные значения мощности движителей. Реальные значения мощности, потребляемой электродвигателями ВРК, измерялись в процессе проведения испытаний и не всегда соответствовали установочным значениям.

При проведении каждого испытания регистрировались следующие параметры:

скорость движения ледокола, определяемая с помощью спутниковой системы GPS по штатным приборам, а также с помощью переносной системы GPS;

мощность, потребляемая каждым из электродвигателей вала ВРК: измерения выполнялись по штатным приборам судна;

частота вращения гребных валов ВРК по штатным приборам судна.

Специалистами ФБГУ «ААНИИ» в процессе проведения натурных испытаний проводились измерения толщин ледяного покрова, слоя снега и прочности льда на изгиб. Непосредственно прочность льда на изгиб определялась путем разрушения дисковых образцов льда, полученных при распиливании кернов. В соответствии с выполненными измерениями дисковая прочность льда на изгиб составила 1,21 МПа. Хорошо известно, что определение прочности льда на изгиб на малых образцах, к которым относятся и диски, подвержено существенному влиянию масштабного эффекта, приводящего к завышению значений прочности по сравнению с испытанием консольных балок. Поэтому для получения значений прочностных свойств льда, необходимых для анализа данных натурного эксперимента, был использован косвенный метод, базирующийся на измерении температуры и солености кернов льда, добытых из ледяного покрова. Измерения температуры и солености льда керна проводились также специалистами ФБГУ «ААНИИ». По полученным ими

Рис. 1. Ледокол «Новороссийск» проекта 21900М Fig. 1. Novorossiysk icebreaker

данным с использованием стандартной формулы Тимко и О'Брайна была рассчитана прочность льда на изгиб, которая составила 500 кПа. Полученные значения прочности ледяного покрова на полигонах соответствуют заданному спецификацией значению 500 кПа.

Натурные испытания ледокола «Новороссийск» проводились на заснеженном участке припая, поэтому при обработке их результатов было учтено влияние снежного покрова на показатели ледовой ходкости. Существует несколько подходов учета влияния снега на характеристики ледо-

Таблица 1. Программа ледовых испытаний

Table 1. Program of ice tests

Номер режима Вид испытаний Примечание

1.1* Сплошной лед. Прямолинейное движение передним ходом. Мощность 100 % 02.05.2017

1.2 Сплошной лед. Прямолинейное движение передним ходом. Мощность 80 % 02.05.2017

1.3 Сплошной лед. Прямолинейное движение передним ходом. Мощность 60 % 02.05.2017

1.4 Сплошной лед. Прямолинейное движение передним ходом. Мощность 40 % 02.05.2017

1.5* Сплошной лед. Прямолинейное движение задним ходом. Мощность 100 % 02.05.2017

1.6 Сплошной лед. Прямолинейное движение задним ходом. Мощность 80 % 02.05.2017

1.7 Сплошной лед. Прямолинейное движение задним ходом. Мощность 60 % 02.05.2017

2.1 Сплошной лед. Циркуляция передним ходом. Угол перекладки ВРК 15°. Мощность 100 % 02.05.2017

2.2 Сплошной лед. Циркуляция передним ходом. Угол перекладки ВРК 30°. Мощность 100 % 02.05.2017

2.3 Сплошной лед. Циркуляция передним ходом. Угол перекладки ВРК 45°. Мощность 100 % 02.05.2017

2.4 Сплошной лед. Циркуляция задним ходом. Угол перекладки ВРК 15°. Мощность 100 % 02.05.2017

2.5 Сплошной лед. Циркуляция задним ходом. Угол перекладки ВРК 30°. Мощность 100 % 02.05.2017

2.6 Сплошной лед. Циркуляция задним ходом. Угол перекладки ВРК 45°. Мощность 100 % 02.05.2017

2.7 Преодоление тороса задним ходом. Мощность 100 % 02.05.2017

2.8 Преодоление тороса передним ходом. Мощность 100 % 02.05.2017

2.9 Маневр «звезда» 02.05.2017

* Сплошной лед. Прямолинейное движение передним ходом. Мощность 100 %. Измерение параметров вибрации 02.05.2017 Этот режим не использовался для анализа ледовой ходкости

Измерение параметров вибрации также проводилось при выполнении режимов 1.1 и 1.5. Vibration measurements were also taken in Test Conditions 1.1 and 1.5.

Скорость, уз 18 16 14 12 10 8 6 4 2

О ледокол «Владивосток» ледокол «Новороссийск»

^

0

Рис. 2. Кривая ледопроходимости ледоколов «Владивосток» и «Новороссийск» в сплошных ровных льдах передним ходом. Мощность 100 %

Fig. 2. Ice-breaking capability curve for icebreakers Vladivostok (◦) and Novorossiysk () in level continuous ice. Ahead running. 100 % power

Скорость, уз 12

10

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Толщина льда, м

О О  ледокол «Владивосток» ледокол «Новороссийск»

О

0,8

1,0

1,2

1,4 Толщина льда, м

Рис. 3. Кривая ледопроходимости ледоколов «Владивосток» и «Новороссийск» в сплошных ровных льдах задним ходом. Мощность 100 %

Fig. 3. Ice-breaking capability curve for icebreakers Vladivostok (◦) and Novorossiysk () in level continuous ice. Astern running. 100 % power

вой ходкости судов. В соответствии с ранее применявшейся практикой [1, 2] было принято решение считать толщину снежного покрова эквивалентной толщине льда.

По полученным данным была построена кривая ледопроходимости, с помощью которой могут быть оценены спецификационные показатели ледокола. При построении этой кривой предполагалось, что скорость ледокола на чистой воде при потреблении полной мощности составляет 17,1 уз. Кривая представлена на рис. 2, на этом же графике приведены данные, полученные во время натурных испытаний ледокола «Владивосток». При по-

Скорость, уз 12

10

М-

/

/

/

50

100

150

200

Рис. 4. Скорость движения передним ходом в торосе. Режим 2.8

Fig. 4. Ahead running speed in a ridge. Test conditions 2.8

строении этой кривой были использованы данные, полученные на режимах движения 1.1-1.4. Данные при мощности 80 %, 60 % и 40 % были пересчитаны на другую толщину льда, соответствующую движению ледокола с мощностью 100 % с той же скоростью. Пересчет осуществлялся с помощью скейлинговых соотношений [3]. Соотношение между толщиной преодолеваемого ледоколом льда и его мощностью -

hn

h 2

n.

f

2 0

250 Время, с

где Ал, Л/г - толщины ровного льда, преодолеваемого ледоколом при потреблении мощности N1 и N соответственно, а /(() - функция, учитывающая изменение тяги от скорости движения.

На режимах 1.5-1.7 исследовалось движение ледокола кормой вперед при ступенчатом изменении потребляемой мощности (60 %, 80 % и 100 %). Данные при мощности 80 % и 60 % были пересчитаны на другую толщину льда, соответствующую движению ледокола с мощностью 100 % с той же скоростью по методике, изложенной выше.

По полученным данным была построена кривая ледопроходимости, с помощью которой могут быть оценены спецификационные показатели ледокола при движении задним ходом. Кривая представлена на рис. 3, на этом же графике представлены данные, полученные во время натурных испытаний ледокола «Владивосток».

4

2

0

8

6

4

2

0

Рис. 5. Зависимость частоты вращения винто-рулевых колонок левого (а) и правого (б) бортов от времени при движении передним ходом в торосе. Режим 2.8

Fig. 5. Time history for RPM of the port side and the starboard pod propulsion units. Ahead running in a ridge. Test conditions 2.8

Частота вращения, об/мин 160

150 140 130

а)

120

0 50 100

Частота вращения, об/мин

160

140

120

100

150

200 Время, с б)

0

50

100

150

200 Время, с

Испытания ледокола «Новороссийск» по преодолению торосистых образований при движении носом и кормой вперед проводились в том же обломке припайного льда, по краям которого имелись торосистые гряды. Одну из таких гряд с высотой паруса 1,5-2,0 м и шириной от 20 до 30 м ледокол преодолел как передним, так и задним ходом. На рис. 4-5 представлены результаты измерения скорости движения ледокола при взаимодействии

с торосом передним ходом, а также изменения частоты вращения движителей.

На режимах движения ледокола 2.7 и 2.8 наблюдалось достаточно сильное взаимодействие гребных винтов со льдом, которое выражалось в заметном падении частоты их вращения. При движении ледокола через торос задним ходом (режим 2.7) было зафиксировано ранее не наблюдавшееся явление «разгона» гребного винта (рис. 6).

Рис. 6. Временные зависимости мощности, крутящего момента и частоты вращения в % от номинальных значений, содержащие явление «разгона» движителя

Fig. 6. Time histories for power, torque and RPM as % of the nominal values, including the "overspeeding" of the propulsor

% от номинального значения 115

110

105

100

95

90

85

- Мощность ] Обороты П [- Момент ПБ ПБ, кВт А

/"г/

А/1 { i [ 1

1 l| А i i I 1

i' 1 л fU ДА J Ï ihâ

i ; íhv-' j iitií/W* \ LW1. J J щщу

иГ г) i * ПГ1 ТГ 1

. jy И i Vi и \ № 1 Ü1 )

V' 1 1 Т'1 W J 1

* 1 г r(i г W\а

1 iyl1 vj

50

100

150

Время, с

0

Перемещение по y 600

500 400 300 200 100

а)

0

100 200 300 400

Перемещение по x

Перемещение по y 400

300

200

100

0

100

200

Рис. 7. Траектория движения ледокола на циркуляции носом (а) и кормой (б) вперед

Fig. 7. Trajectory of icebreaker gyration a) ahead and b) astern

300 Перемещение по x

На этом рисунке хорошо видно, что в течение примерно одной минуты частота вращения правой винто-рулевой колонки возрастала, превысив номинальное значение более чем на 15 %. При этом крутящий момент электродвигателя снижался, а выдаваемая им мощность оставалась примерно постоянной и равной 100 %. Можно предположить, что во время «разгона» гребной винт оказался внутри замкнутой или полузамкнутой ледяной каверны, в которую было ограничено поступление воды. В такой ситуации происходила неизбежная раскрутка винтом воды в каверне и, возможно, возникала вторая стадия кавитации. Очевидно, что и раскрутка воды и вторая стадия кавитации могут приводить к снижению величины гидродинамического момента, действующего

на гребной винт, и к его «разгону». После нарушения целостности ледяной каверны происходит улучшение доступа воды к гребному винту, что сопровождается резким ударным увеличением гидродинамического момента и снижением частоты вращения. Зафиксированное в натурном эксперименте явление «разгона» гребного винта в ледовых условиях необходимо дополнительно исследовать для определения его степени опасности для работоспособности движительно-рулевого комплекса.

В ходе выполнения натурных испытаний изучались и маневренные качества ледокола «Новороссийск» при движении в припайных ровных льдах носом и кормой вперед. Выполнение циркуляции при движении ледокола кормой вперед

Таблица 2. Показатели поворотливости ледокола в сплошных льдах

Table 2. Turning ability of the icebreaker in continuous ice

№ Вид Угол перекладки ВРК, Приведенная толщина льда Относительный

режима движения град по полигону, м радиус циркуляции

2.1 15 5,1

2.2 Полный ход 30 1,25 1,5

2.3 45 1,2

2.4 15 4,2

2.5 Задний ход 30 1,25 3,0

2.6 45 0,7

в ровном льду с приведенной толщиной 1,25 м проводилось при трех значениях угла перекладки ВРК 15°, 30° и 45°, причем обе колонки перекладывались на один и тот же угол. Траектория движения измерялась установленной на мостике ледокола системой GPS (рис. 7а). Циркуляция на заднем ходу при угле перекладки 15° выполнялась на правый борт по ходу движения, а при углах перекладки 30° и 45° - на левый борт по ходу движения. При выполнении циркуляции наблюдалась тенденция снижения частоты вращения ВРК по правому борту при увеличении угла перекладки, при этом с левого борта было зафиксировано незначительное повышение частоты вращения.

По измеренным траекториям, с помощью методики МКОБ (ITTC), изложение которой приводится в работе [4], были определены радиусы циркуляции ледокола. Результаты испытаний представлены также в табл. 2.

После выполнения циркуляций ледокол «Новороссийск» выполнил в тех же ледовых условиях разворот методом «звезда».

Анализ результатов натурных испытаний в Карском море позволяет сделать выводы о том, что ледокол «Новороссийск»:

обладает хорошими показателями ледовой ходкости при движении передним и задним ходом, которые практически совпадают с аналогичными показателями ледокола «Владивосток». Ле-допроходимость этих ледоколов существенно превышает значение, требуемое Правилами РМРС для ледоколов класса Icebreaker 6 - 1 м ровного льда при наличии снега и прочности его на изгиб 500 кПа;

может успешно преодолевать торосистые образования передним и задним ходом;

обладает хорошими показателями ледовой маневренности и поворотливости во льдах как при движении передним, так и задним ходом;

по характеристикам ледовой ходкости и управляемости соответствует ледовому классу РМРС Icebreaker 7.

Библиографический список

References

1. Костылев АИ., Сазонов КЕ., Тимофеев О Я, Егиа-заров Г.Е., Соловьев А.С., Егоров ДН, Штрам-брант ВИ. Ледовые натурные испытания ледокола «Владивосток» / Судостроение. 2016. № 6. С. 9-12. [A. Kostylev, K. Sazonov, O. Timofeev, G. Yegiazarov,

A. Solovyev, D. Yegorov, V. Shtrambrant. Full-scale ice trials of Vladivostok icebreaker / Sudostroyeniye (Shipbuilding). 2016; 6: 9-12. (in Russian)].

2. Апполонов ЕМ., Беляшов В А., Сазонов К.Е., Скрябин Д.С., Игошин Е.В. Исследование ледовой ходкости ледокола «Санкт-Петербург» в Карском море // Судостроение. 2011. № 4. С. 9-12. [Ye. Appolonov, V. Belyashov, K. Sazonov, D. Skryabin, Ye. Igoshin. Ice propulsion study of Novorossiysk icebreaker in the Kara Sea // Sudostroyeniye (Shipbuilding). 2011; 4: 9-12. (in Russian)].

3. Сазонов К.Е. Скейлинговые соотношения в ледовой ходкости судов // Морской вестник. 2010. № 3(35). С. 104-105. [K. Sazonov. Scaling relationships in ice propulsion performance of ships // Mor-skoy Vestnik (Maritime Messenger). 2010; 3(35):104-5. (in Russian)].

4. Сазонов К.Е. Ледовая управляемость судов. СПб: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2006. [K. Sazonov. Ice maneuvrability of ships. St. Petersburg: Krylov Shipbuilding Research Institute; 2006. (in Russian)].

Сведения об авторах

Лопашев Кирилл Андреевич, инженер 2 категории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-48-23. E-mail: lopashev_k@mail.ru. Сазонов Кирилл Евгеньевич, д.т.н., профессор, начальник лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-45-23. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

Тимофеев Олег Яковлевич, д.т.н., доцент, заместитель генерального директора по судостроению и морской технике - начальник 5 отделения ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-65-09, 8 (812) 727-96-21. E-mail: o_timofeev@ksrc.ru.

About the authors

Lopashev, Kirill A., 2nd Category Engineer, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-48-23. E-mail: lopashev_k@mail.ru.

Sazonov, Kiril Ye., Doctor of Technical Sciences, Prof., Head of Laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-45-23. E-mail: krylov@krylov.spb.ru.

Timofeev, Oleg Ya., Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor, Deputy Director General on Shipbuilding and Marine Technology, Head of Division, Krylov State

Поступила / Received: 29.05.17 Принята в печать / Accepted: 19.06.17 © Коллектив авторов, 2017

Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-65-09, 8 (812) 727-96-21. E-mail: o_timofeev@ksrc.ru.