СПОСОБ ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ СУДОВ И СУДА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ARCTIC NAVIGATION AND SHIPS TO THIS END

Изобретение относится к морскому транспорту, а именно к ледовому плаванию с помощью ледокола морских судов ледового и неледового класса.
Известен способ ледового плавания судов через льды лидированием, при котором суда идут самостоятельно по пробитому ледоколом каналу. Важным обстоятельством для безопасности движения в этом случае является сохранение дистанции между всеми судами, которая позволяет каждому судну остановиться, избегая столкновения с впереди идущим судном при неожиданной остановке ледокола в связи с тяжелой ледовой обстановкой (Л.Г. Цой. Морские ледоколы. Особенности проектирования. СПб., 2003).
Такой способ плавания имеет недостаток. При движении судов за ледоколом по мере удаления от ледокола пробитый им канал сужается и постепенно закрывается льдом полностью. Поэтому при движении судов на определенной дистанции друг от друга задние суда испытывают все более частые удары о льдины и вынуждены снижать свою скорость во избежание получения пробоины. Снижение скорости приводит к тому, что суда начинают застревать во льду, что часто приводит к остановке каравана и вмерзанию отдельных судов в лед. Это требует возвращения ледокола и осколки застрявших судов, что существенно снижает скорость ледового плавания всех судов.
Известен способ ледового плавания судов через льды буксировкой, которая обычно совершается «вплотную». При этом носовую часть буксируемого судна втягивают в кормовую выемку ледокола и закрепляют с помощью пропускаемого через якорные клюзы буксировочного конца (Л.Г. Цой. Морские ледоколы. Особенности проектирования. СПб., 2003). Такой способ осуществляют при ледовых сжатиях при движении по «тугому» каналу в толстых сплошных льдах, когда движение на очень малых дистанциях не обеспечивает безопасность или судно не может самостоятельно продвигаться в канале.
Недостатком такого способа плавания является частый обрыв буксировочного троса из-за отбрасывания носовой части ледокола от торосов в сторону более слабого льда, ухудшение управляемости судна, затруднение в буксировке кильватерной колонны. Кроме того, такой способ применим только к судам, существенно менее мощным, чем ледокол, когда проводимое судно практически не может идти своим ходом в канале и не обладает инерцией движения. Для мощных проводимых судов это может привести к столкновению судна с лидирующим ледоколом при его внезапной остановке в случае резкого ухудшения ледовой обстановки.
Существуют специальные требования к конструкции судов, совершающих ледовые плавания (Правила классификации и постройки морских судов, тт.1-5. / Российский морской регистр судоходства. СПб., т.1, - 488 с., 2011). Такие суда должны иметь усиленные корпуса в зависимости от класса. В то же время правила судоходства не позволяют судам обычного класса совершать ледовые плавания. Поэтому известный способ ледокольной проводки судов через льды требует создания специальных транспортных судов усиленного ледового класса. Это ограничивает возможности судовых компаний, располагающих судами неледового класса, гибко реагировать на конъюнктуру рынка перевозок, связанного с арктическими районами.
3
3
3
Известно, что при дальних переходах торговых судов, на борту судна необходимо иметь значительный запас топлива для основного двигателя, а также запас дизельного топлива для вспомогательных дизельных двигателей, обеспечивающих электроэнергией вспомогательные механизмы судна, работу охлаждающих устройств контейнеров-рефрижераторов и т.д. По мере расходования топлива в открытом море для сохранения остойчивости судам необходимо закачивать забортную воду в балластные танки, которые также занимают большие объемы. Так, например, для контейнеровоза CSCL Asia контейнеровместимостью 8468 TEU (twenty-foot equivalent unit) и водоизмещением до 101700 тонн (Г.П. Евдокимов. Контейнеровозы российского и мирового флота. СПб., 2006) объем топливных цистерн основного двигателя равен 10700 м, объем цистерн дизельного топлива равен 560 м, а объем балластных цистерн равен 25200 м.
Недостатком таких судов на дальних переходах является потеря указанных объемов судна для размещения полезного груза.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности и производительности морских перевозок на дальние расстояния при ледовом плавании судов ледового и неледового класса.
Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является возможность существенно уменьшить запасы топлива на борту судна для основного и вспомогательных двигателей и отказаться от балластировки судна, связанной с выработкой топлива на переходах, тем самым существенно сократить объемы балластных танков. Кроме того, техническим результатом является возможность и безопасность плавания судов неледового класса через льды, прекращение использования тяжелого флотского топлива в экологически уязвимых районах Арктики, повышение скорости ледового плавания судов.
Получение технического результата изобретения осуществляют за счет того, что при ледовом плавании судов с лидирующим ледоколом суда соединяют в кильватерную колонну механической и электрической связью между собой и с ледоколом, располагаемым в голове колонны. Предварительно суда неледового класса размещают в суда-доки ледового класса, после чего все суда ледового класса соединяют «в упор», упирая носовую часть каждого судна в кормовую выемку впереди идущего судна. Просвет между кормовой частью каждого судна и носовой частью состыкованного с ним судна перекрывают бортовыми скегами, исключающими воздействие битого льда на носовые обводы судов.
На борт всех проводимых судов с электроприводом гребного винта к электродвигателям гребных винтов подают электроэнергию, которую вырабатывают на ядерной энергетической установке ледокола либо на ядерной энергетической установке одного из проводимых судов.
Ледокол и следующее за ним судно при необходимости соединяют жестко для устранения рыскания ледокола при прохождении тяжелых ледовых полей.
При проводке судов неледового класса в судах-доках ледового класса с электроприводом гребного винта на время проводки главную гребную установку проводимого судна отключают, а после прохождения ледовых полей суда неледового класса освобождают из доков.
Электрическую мощность привода гребных винтов всех судов регулируют с учетом режима движения кильватерной колонны как единого целого.
Преимуществом предлагаемого изобретения является существенное снижение расходов органического топлива главными двигателями проводимых судов и увеличение дальности переходов без необходимости захода в порты для бункеровки, отсутствие необходимости балластировки судов в процессе перехода, существенное увеличение полезного объема проводимого судна для размещения дополнительного груза, а также повышение скорости транспортировки грузов при ледовом плавании. В результате соединения судов в кильватерную колонну «в упор» суммарная мощность двигателей судов (суммарный упор винтов) позволяет более эффективно пробивать ледоколу лед. Это исключает необходимость остановки каравана для работы ледокола набегами при преодолении особо тяжелых ледовых участков. Жесткое соединение с ледоколом судна, следующего за ледоколом, уменьшает рыскливость ледокола при прохождении неоднородного ледового поля. Соединение судов «в упор» с закрытием просвета между судами бортовыми скегами снижает сопротивление движению каждого судна со стороны битого льда и позволяет повысить общую скорость движения. Кроме того, это исключает опасность вмерзания в лед отдельных судов.
Предлагаемый способ поясняется чертежом фиг.1, где представлены схемы ледового плавания судов в кильватерной колонне при расположении судов «в упор».
На фиг.1а) показана кильватерная колонна, в которую входят ледокол 1, суда ледового класса 2 и суда неледового класса 3. Судно 3 неледового класса размещают в судно-док 4 ледового класса. Судно 2 или 4 ледового класса вводят и упирают в кормовую выемку ледокола 1. В кормовую выемку этого судна упирают носовую часть следующего за ним судна 2 или 4 ледового класса и т.д., образуя кильватерную колонну. Просвет между кормовой частью каждого судна и носовой частью состыкованного с ним судна перекрывают бортовыми скегами 5. Для судов с электроприводом гребного винта электродвигатели 6 гребных винтов подключают к бортовым электросетям 7. Бортовую сеть 7 ледокола 1 подключают к электрогенератору ядерной энергетической установки 8 ледокола 1 и кабелями, передаваемыми с судна на судно (не показано), подключают к бортовым сетям 7 всех судов кильватерной колонны.
На фиг.1б) показан вариант колонны с судами с электроприводом гребного винта и выработкой дополнительной энергии на судне 9 энергетического обеспечения с ядерной энергетической установкой 8. Электродвигатели 6 гребного винта судов через бортовые электросети 7 кабелями (не показано) подключают к бортовой электросети судна 9. Бортовую сеть 7 судна 9 подключают к электрогенератору ядерной энергетической установки 8 судна 9. Аналогично любое судно (не показано), следующее в кильватере, подключают кабелями к впереди идущему судну и к судну, идущему следом. В результате электроэнергию, вырабатываемую на ядерной энергетической установке 8 судна 9 энергетического обеспечения, подают на двигатели 6 привода гребных винтов всех судов кильватерной колонны, в том числе, при необходимости, и ледокола 1.
При осуществлении предлагаемого способа, например, на Северном морском пути (СМП) суда собирают в кильватерную колонну перед кромкой ледовых полей и соединяют с ожидающим ледоколом. После прохождения ледовой части пути ледокол и суда-доки покидают колонну проводимых судов, а суда колонны могут двигаться до порта(ов) назначения самостоятельно.
Пример 1
По оценкам специалистов Мурманского морского пароходства, на переход по СМП судна с грузом 25000 тонн тратится 625 тонн мазута (La route du Nord-Est: l'autre canal de Suez?, "Le Mond", 30.11.2012). Соответственно, при перевозке 1 млн тонн грузов будет затрачено 25000 тонн мазута. Известно, что при работе дизельного двигателя в атмосферу выбрасываются окислы азота и сернистый газ. Международная морская организация (IMO) ограничивает выбросы окислов азота величиной 10 г/кВт·час в общих зонах контроля и величиной 2 г/кВт·час в особых зонах контроля. Пределы содержания серы в морском топливе, оговоренные IMO для этих зон контроля, различаются более существенно. При средней теплотворности мазута 38.5 МДж/кг и к.п.д. двигателя 45% при перевозке 1 млн тонн груза в атмосферу будет выброшено минимум 1200 кг окислов азота и 1750 тонн сернистого газа. Если СМП будет ежегодно перевозить 5% от объема грузов, перевозимых через Суэцкий канал, т.е. 50 млн тонн, то в атмосферу Арктики будет выбрасываться 12 тонн окислов азота и 17500 тонн сернистого газа.
При проводке судов ледоколом с энергетическим обеспечением судов от ЯЭУ выбросов в атмосферу не будет. Поэтому вероятное отнесение IMO зоны СМП к особым зонам контроля никак не скажется на развитии перевозок по предлагаемому способу.
Известно судно туер (http://mediaknowledge.ru/lab689f7a43a7443.html), которое приводится в движение электрическим двигателем, получающим электроэнергию от натянутой над фарватером канала двухпроводной контактной сети, напоминающей троллейбусную. Такие суда использовали на канале, который проходил через длинный тоннель (5,5 км, канал Сен-Кантен, Франция), так как использование двигателей внутреннего сгорания в тоннелях было запрещено. Туер не имел выхлопа в атмосферу, не загрязнял воздушный объем тоннеля и соответствовал строгим экологическим требованиям.
Недостатком упомянутого судна, является невозможность такого использования внешнего электроснабжения в открытом море.
Известно судно-док (Патент РФ №2326786), которое содержит доковую камеру, подвижные ворота для закрытия доковой камеры, балластные отсеки, опорные устройства для носимых судов, систему сжатого воздуха. Судно-док также оснащено выдвижными упорами, жестко центрирующими носимое судно и механизмы установки и позиционирования носимых судов. Судно-док предназначено для проведения ремонтно-восстановительных и погрузочно-разгрузочных работ.
Недостатком такого судна-дока является его непригодность к проводке носимого судна на большие расстояния с приемлемыми коммерческими скоростями хода, тем более в условиях ледового плавания. Кроме того, оно предназначено для проведения работ с носимым судном в условиях полностью осушенного дока, что значительно увеличивает его размеры и усложняет балластную систему и систему герметизации дока.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание эффективной системы ледового плавания, осуществляемой с помощью ледокола, судов как ледового, так и неледового класса, обеспечивающей безопасность их ледового плавания и экологическую безопасность арктического региона.
Указанная цель достигается тем, что проводимое ледоколом судно ледового класса имеет унифицированную носовую часть с выдвижным цилиндрическим штоком с шаровым наконечником. Кормовая часть судна имеет унифицированную выемку с установленными в них центрирующими кранцами, в диаметральной плоскости выемки установлен сегментный приемный захват, перемещаемый в диаметральной плоскости, со сферическим углублением-упором и подвижными сегментами захвата. Сегменты захвата имеют внутреннюю сферическую поверхность для захвата шарового наконечника носовой части другого судна и оси вращения для обеспечения их перемещения в радиальном направлении и открытия приемного отверстия захвата. Кроме того, сегменты имеют замок для предотвращения такого радиального перемещения и произвольного открытия захвата. Кормовая часть судна оснащена боковыми скегами, имеющими узлы вращения с вертикальной осью и перекрывающими с внешней стороны бортов просвет между носовой и кормовой частью состыкованных судов. На скегах со стороны носовой части судна, входящего в кормовую выемку, установлены кранцы.
У судов с электрической передачей мощности на гребной винт главный электрический двигатель привода гребного винта подключен через переключатели к электрогенератору собственной энергетической установки и к бортовым электрическим разъемам судна. Бортовые электрические разъемы судна могут быть подключены к бортовым электрическим разъемам других судов либо к бортовым электрическим разъемам ледокола, образуя единую электрическую сеть судов.
Бортовые электрические разъемы судов могут быть соединены воздушным кабелем, отдаваемым с судна на судно.
Собственная энергетическая установка судна состоит из первичного теплового двигателя и приводимого им генератора переменного тока, или ядерной энергетической установки в составе ядерного реактора, парогенератора, паровой турбины и приводимого ей генератора, к которому подключен электрический двигатель гребного винта судна и фидер отвода избыточной мощности, подключенный кабелями к бортовым электрическим разъемам судна.
Боковой скег представляют собой плоский прямоугольный щит с внутренней наборной силовой конструкцией, внутри которой расположен силовой рычаг. Внешняя половина силового рычага, лежащая под углом к плоскости скега, заведена внутрь корпуса судна и своим концом подсоединена к штоку силового гидроцилиндра, при этом подводная часть скега представляет собой решетку горизонтальных силовых пластин, объединенных сплошной концевой частью скега и частью, примыкающей к узлу вращения скега.
Носовая часть судна дополнительно имеет устройства жесткой стыковки с кормовой частью впереди идущего ледокола.
Судно-док для проводки судов неледового класса имеет разнесенные друг от друга отдельные бортовые корпуса с общим днищем, но без перекрывающей палубы, которые жестко соединены с цельной кормовой частью и носовой частью с раскрываемыми створками либо с цельной носовой частью и кормовой частью с раскрываемыми створками, и образуют док для размещения проводимого судна. При этом судно-док имеет унифицированную носовую часть с выдвижным цилиндрическим штоком с шаровым наконечником, а кормовая часть судна-дока имеет унифицированную выемку с установленными в них центрирующими кранцами. В диаметральной плоскости выемки установлен сегментный приемный захват, перемещаемый в диаметральной плоскости, со сферическим углублением-упором и подвижными сегментами захвата, имеющими внутреннюю сферическую поверхность для захвата шарового наконечника носовой части другого судна. Сегменты имеют оси вращения для обеспечения их перемещения в радиальном направлении и открытия приемного отверстия захвата, и замок для предотвращения такого радиального перемещения и произвольного открытия захвата. Кормовая часть судна-дока оснащена боковыми скегами, имеющими узлы вращения с вертикальной осью и перекрывающими с внешней стороны бортов просвет между носовой и кормовой частью состыкованных с ним судов, на которых со стороны носовой части судна, входящего в кормовую выемку, установлены кранцы. Бортовые корпуса, носовая часть и кормовая часть имеют балластные танки для частичного погружения и всплытия судна-дока.
На обращенных друг к другу бортах разнесенных бортовых корпусов, кормовой части и носовой части судна-дока установлены кранцы и оборудование для швартовки проводимого судна в доке.
На кормовой части судна-дока с раскрываемыми створками носовой части установлены лебедки для втягивания сопровождаемого судна в док.
На носовой части судна-дока с раскрываемыми створками кормовой части установлены лебедки для втягивания сопровождаемого судна в док.
В бортовых корпусах дока установлены механизмы центрирования и фиксации сопровождаемого судна внутри дока, выполненные в виде велосипедного самолетного шасси, упираемого в борт сопровождаемого судна с помощью гидравлических цилиндров и окатывающего его бортовые обводы при движении относительно дока.
Раскрываемые створки носовой части имеют гидравлический привод и поперечный гидроканал подруливающего устройства, в котором в каждой створке установлен гребной винт с независимым приводом, для их открытия и закрытия, а также замок, препятствующий их самопроизвольному раскрытию.
Собственная энергетическая установка судна-дока является установкой малого хода.
Унифицированная носовая часть судна-дока с раскрываемыми створками носовой части с выдвижным цилиндрическим штоком с шаровым наконечником установлена в одной из раскрываемых створок носовой части судна.
Сегментный приемный захват кормовой части судна-дока с раскрываемыми створками кормовой части установлен в одной из раскрываемых створок кормовой части судна.
Боковой скег судна-дока представляет собой плоский прямоугольный щит с внутренней наборной силовой конструкцией, внутри которой расположен силовой рычаг. Внешняя половина силового рычага, лежащая под углом к плоскости скега, заведена внутрь корпуса судна и своим концом подсоединена к штоку силового гидроцилиндра, при этом подводная часть скега представляет собой решетку горизонтальных силовых пластин, объединенных сплошной концевой частью скега и частью, примыкающей к узлу вращения скега.
Ледокол для проводки судов ледового плавания в кормовой части имеет унифицированную выемку с установленными в ней центрирующими кранцами. В диаметральной плоскости выемки установлен унифицированный сегментный приемный захват, перемещаемый в диаметральной плоскости, со сферическим углублением-упором и подвижными сегментами захвата, имеющими внутреннюю сферическую поверхность для захвата шарового наконечника носовой части проводимого судна. Сегменты имеют оси вращения для обеспечения их перемещения в радиальном направлении и открытия приемного отверстия захвата, и замок для предотвращения такого радиального перемещения и произвольного открытия захвата. Кормовая часть ледокола оснащена боковыми скегами, имеющими узлы вращения с вертикальной осью и перекрывающими с внешней стороны бортов просвет между его кормовой частью и носовой частью состыкованного с ним проводимого судна, на которых со стороны носовой части судна, входящего в кормовую выемку ледокола, установлены кранцы.
Ледокол имеет на борту ядерную энергетическую установку в составе ядерного реактора, парогенератора, паровой турбины и приводимого ей генератора, к которому подключен электрический двигатель гребного винта ледокола и фидер отвода избыточной мощности, подключенный кабелями к бортовым электрическим разъемам ледокола.
Боковой скег ледокола представляет собой плоский прямоугольный щит с внутренней наборной силовой конструкцией, внутри которой расположен силовой рычаг. Внешняя половина силового рычага, лежащая под углом к плоскости скега, заведена внутрь корпуса ледокола и своим концом подсоединена к штоку силового гидроцилиндра, при этом подводная часть скега представляет собой решетку горизонтальных силовых пластин, объединенных сплошной концевой частью скега и частью, примыкающей к узлу вращения скега.
Преимуществом предлагаемого изобретения является существенная экономия органического топлива на дальних морских переходах, отсутствие необходимости балластирования судов на переходе, а соответственно, освобождение значительных объемов балластных и топливных танков для размещения грузов. Преимуществом также является отсутствие выбросов от сжигания тяжелого флотского мазута на переходах в экологически уязвимых районах Арктики. При ледовой проводке судов, соединенных «в упор», преимуществом является повышение эффективности проводки каравана ледоколом. Кроме того, открываются возможность использования обычных судов неледового класса для ледового плавания.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами на фиг.2-10.
На фиг.2 дана схема подвода электроэнергии к гребному электродвигателю судна.
На фиг.3 дана схема стыковки «в упор» двух судов и передачи энергии между судами.
На фиг.4 дана схема стыковочного узла при соединении судов «в упор».
На фиг.5 дана схема судна-дока с раскрываемыми створками носовой части как вариант судна для осуществления ледового плавания.
На фиг.6, 7 и 8 даны схемы, поясняющие размещение проводимого судна в судне-доке с раскрываемыми створками носовой части и кормовой части.
На фиг.9 показано подруливающее устройство в створках носовой части судна-дока.
На фиг.10 показано устройство скега.
На фиг.2а) представлена схема подключения главного гребного двигателя проводимого судна. Главный электрический двигатель 6 привода гребного винта 10 каждого судна подключен через переключатели 11 кабелем 12 к электрогенератору 13 собственной энергетической установки 14 и кабелем 15 через переключатели 16 к бортовым электрическим разъемам 17 судна.
На фиг.2б) представлена схема подключения главного гребного двигателя ледокола или судна энергетического обеспечения с ЯЭУ на борту. Главный электрический двигатель 6 привода гребного винта 10 подключен через переключатели 11 кабелем 12 к ядерной энергетической установке 8, которая имеет фидер 18 отвода избыточной мощности.
На фиг.3 дана схема соединения судов «в упор» и передачи энергии между судами. Судно 19, которым может быть судно 2, 4 или 9 фиг.1, для стыковки к судну 20, которым может быть судно 1, 2, 4 или 9 фиг.1, имеет в носовой части 21 носовую часть стыковочного узла 22. Судно 20 имеет в своей кормовой части унифицированную выемку 23. В диаметральной плоскости выемки 23 установлен сегментный приемный захват ответной, кормовой части стыковочного узла 22, перемещаемый в диаметральной плоскости. Стыковочный узел 22 на фиг.3 показан условно. В выемке 23 кормовой части судна 20 установлены центрирующие кранцы 24. Носовая часть 21 судна 19 имеет бортовой разъем 17 бортовой электрической сети 7. Кормовая часть судна 20 имеет бортовой разъем 17 бортовой электрической сети 7. Бортовые сети 7 судов 19 и 20 через разъемы 17, разъемы 25 и электрический кабель 26 соединены в единую бортовую сеть. Кормовая часть судна 20 оснащена бортовыми скегами 5, имеющими узлы вращения 27 с вертикальной осью вращения. Скеги 5 перекрывают просвет с внешней стороны бортов между носовой частью 21 судна 19 и кормовой частью состыкованного с ним судна 20. На скегах 5 со стороны носовой части 21 судна 19, входящего в кормовую выемку 23 судна 20, установлены кранцы 28. На кормовой части ледокола дополнительно установлены устройства жесткой стыковки в виде стяжек 29.
Стыковочный узел 22 показан на фиг.4. Выдвижной шток 30 (механизм не показан) стыковочного узла 22 оканчивается шаровым наконечником 31. Принимающая сторона стыковочного узла 22 состоит из упора 32 со сферическим углублением-упором и подвижных сегментов 33 с хвостовыми частями. Внутренняя поверхность сегментов в сборе является сферической для охвата шарового наконечника 31. Хвостовые части подвижных сегментов 33 имеют оси вращения 34, установленные в силовой втулке 35. На хвостовых частях подвижных сегментов 33 имеются упоры 36, входящие в щелевые канавки 37 замка 38, выполненного в виде внешней втулки, скользящей по наружному диаметру силовой втулки 35 и подвижных сегментов 33.
На фиг.5а) показано общее устройство судна-дока с раскрываемыми створками носовой части для проводки судов неледового класса. Судно-док 4 имеет разнесенные друг от друга отдельные бортовые корпуса 39 с общим днищем 40, жестко соединенные с кормовой частью 41. Кормовая часть 41 имеет унифицированную выемку 23, в которой установлены центрирующие кранцы 24 (не показано) и принимающая сторона стыковочного узла 22. Кормовая часть 41 судна-дока 4 оснащена бортовыми скегами 5, имеющими узлы вращения 27 с вертикальной осью вращения. Скеги 5 перекрывают просвет с внешней стороны бортов между носовой частью стыкуемого с судном 4 судна и кормовой частью судна 4. На скегах 5 со стороны носовой части 21 судна 19 (по фиг.3), входящего в кормовую выемку 23 судна 4, установлены кранцы 28 (не показано).
Носовая часть судна-дока 4 имеет раскрываемые створки 42. В одной из раскрываемых створок 42 расположена носовая часть стыковочного узла 22, ось которой при закрытых створках лежит в диаметральной плоскости судна. При этом симметричная половина стыковочного узла 22 находится в выступающей части 43 створки, которая при закрытых носовых створках размещена в соответствующей нише 44 противоположной створки 42. На обращенных друг к другу бортах разнесенных бортовых корпусов 39 и кормовой части 41 судна-дока 4 установлены кранцы и оборудование для швартовки проводимого судна в доке (не показано). В кормовой части судна-дока 4 установлены лебедки 45. На фиг.5б) показано проводимое судно 3 неледового класса в доке судна-дока 4.
На фиг.6 показано расположение проводимого судна в судне-доке. В бортовых корпусах 39 судна-дока 4 установлены механизмы 46 центрирования и фиксации судна 3 в судне-доке 4. В носовой части судна в створках 42 имеется поперечный гидроканал 47 подруливающего устройства.
На фиг.7а) показано устройство судна-дока с раскрываемыми створками кормовой части для проводки судов неледового класса. Одна створка 48 показана в раскрытом состоянии. В каждой створке 48 установлен электродвигатель 6 привода гребного винта 10. В кормовом вырезе 23 в одной из створок 48 расположена принимающая сторона стыковочного узла 22, ось которой при закрытых створках лежит в диаметральной плоскости судна. При этом симметричная половина стыковочного узла 22 находится в выступающей части 49 створки 48, которая при закрытых кормовых створках размещена в соответствующей нише 50 противоположной створки 48. В носовой части судна-дока 4 установлены лебедки 51. Положение проводимого судна 3 в доке условно показано на фиг.7б).
На фиг.8 показан подробнее механизм 46 центрирования и фиксации судна в доке. Механизм 46, размещенный в бортовых корпусах 39 судна-дока 4, выполнен в виде велосипедного шасси с кареткой 52. В каретке 52 установлены обрезиненные катки 53. Каретка 52 закреплена на штоке 54 гидроцилиндра 55 с возможностью вращения в горизонтальной плоскости относительно оси, перпендикулярной оси штока 54.
На фиг.9 показан подробнее поперечный гидроканал 47 подруливающего устройства в створках 42 носовой части. В канале 47 в каждой створке 42 установлены механизмы 56 гребных винтов 57 подруливающего устройства. Каждый гребной винт 57 через механизм 56 приводится в действие своим двигателем 58.
На фиг.10 представлено устройство скега. Скег 5 представляет собой плоский прямоугольный щит с внутренней наборной силовой конструкцией (не показано). Скег 5 имеет вертикальную ось вращения и крепится на внешней стороне бортов кормовой части судна. Внутри наборной конструкции расположен силовой рычаг 59. Внешняя половина рычага 59 обращена под углом к плоскости скега 5 и заведена внутрь корпуса судна. Конец внешней половины рычага 59 соединен со штоком 60 гидравлического цилиндра 61. Подводная часть скега 5 представляет собой решетку горизонтальных силовых пластин 62, объединенную сплошной концевой частью скега 5 и частью, примыкающей к узлам вращения скега 5.
Судно согласно настоящему изобретению работает следующим образом. Перед сборкой судов в кильватерную колонну каждое судно при движении и маневрах использует собственную энергетическую установку.
В соответствии с фиг.2а) на судне работает двигатель 14, который приводит во вращение электрогенератор 13. Электроэнергия от электрогенератора 13 по кабелю 12 через включенный переключатель 11 подается на электродвигатель 6, который вращает гребной винт 10. После сборки судов в кильватерную колонну движение колонны осуществляется за счет электроэнергии, вырабатываемой на ЯЭУ судна энергетического сопровождения или ледокола. Для этого двигатель 14 останавливается, а переключатель 11 разрывает цепь. Переключатель 16 подключает электродвигатель 6 гребного винта по кабелю 15 к бортовым электрическим разъемам 17 судна. Бортовые электрические разъемы 17 судна подключены через кабели в общую электрическую сеть, в которую подают электроэнергию от ЯЭУ 8 судна энергетического обеспечения 9 или ледокола 1.
В соответствии с фиг.2б) электроэнергия к судну поступает от ЯЭУ 8 судна энергетического обеспечения 9 или ледокола 1 с фидера 18. Для собственного хода судна энергетического обеспечения 9 или ледокола 1 электроэнергия подается по кабелю 11 через переключатель 10 к электродвигателю 6 гребного винта 10.
Стыковка судов «в упор», изображенная на фиг.3, работает следующим образом. Бортовые скеги 5 за счет поворотов в узлах вращения 27 разводятся в стороны. Судно 19 своей носовой частью 21 входит в промежуток между бортовыми скегами 5 и углубляется в унифицированную выемку 23 судна 20. Для направления носовой части 21 судна 19 и защиты от ударов служат центрирующие кранцы 24. После сближения и выравнивания в диаметральной плоскости осей носовой 21 части и ответной (кормовой) части стыковочного узла 22 суда стыкуются. При этом за счет выдвижения штока 30 шаровой наконечник 31 вводится в кормовую часть стыковочного узла 22, который закрывается на замок. После этого с помощью кабеля 26 через электрические разъемы 17 и 25 соединяются бортовые электрические сети 7 судов 19 и 20. Бортовые скеги 5 за счет поворотов в узлах вращения 27 сводятся к носовой части судна 19 до упора в кранцы 28. При необходимости жесткого соединения кормовой части ледокола 1 и следующего за ним судна дополнительно используют стяжки 29 (показано условно).
Стыковочный узел 22, изображенный на фиг.4, работает следующим образом. Перед стыковкой замок 38 сдвигается в осевом направлении, открывая внешнюю поверхность подвижных сегментов 33. При этом упоры 36 свободно перемещаются в щелевых канавках 37 замка 38. После того как упоры 36 упрутся в концы щелевых канавок 37 за счет усилия со стороны замка 38, действующего на упоры 36, возникает момент, вращающий сегменты 33 вокруг осей вращения 34. В результате раскрывается кормовая часть стыковочного узла 22, как это показано на фиг.4а). После входа носовой части 21 судна 19 в унифицированную выемку 23 кормовой части судна 20 и центрирования с помощью центрирующих кранцев 24 выдвижной шток 30 (механизм не показан) вводится в открытую кормовую часть стыковочного узла 22. Шаровой наконечник 31 упирается в сферическое углубление упора 32. После этого внешняя втулка замка 38 возвращается на место, при этом своей торцевой частью воздействуя на внешнюю поверхность подвижных сегментов 33 и возвращая их в исходное положение. Внутренняя сферическая поверхность сегментов 33 охватывает шаровой наконечник 31, как показано на фиг.4б). При движении состыкованных судов при волнении и маневрировании стыковочный узел 22 позволяет перемещения осей состыкованных судов, как показано на фиг.4б) пунктиром. В процессе движения состыкованных судов осевое усилие между ними передается через шток 30, шаровой наконечник 31, сферическую поверхность углубления упора 32, а также внутреннюю сферическую поверхность подвижных сегментов 33, оси вращения 34 и силовую втулку 35.
Судно-док с раскрываемыми створками носовой части в соответствии с фиг.5, 6, 8 и 9 работает следующим образом. Перед приемом сопровождаемого судна 3 в док судно-док 4 набирает балласт и притапливается для безопасного введения в док в зависимости от осадки судна 3. Открывается замок (не показано), препятствующий самопроизвольному раскрытию носовых створок 42. За счет работы механизмов гидравлического привода и разнонаправленной работы винтов 57 через механизмы 56 от двигателей 58 открываются носовые створки 42. Судно-док 4 подходит к сопровождаемому судну 3 со стороны кормы и заводит трос кормовой лебедки 45 на корму судна 3. Зацепив кормовой гак тросом, с помощью лебедки 45 втягивают судно 3 в док судна-дока 4. На фиг.8 стрелками показано направление движения судна относительно стенок дока. При этом судно 3 центрируется в доке с помощью механизма 46 центрирования и фиксации судна 3 в доке, как показано на фиг.6 и фиг.8. За счет согласованного действия гидравлических цилиндров 55 с обоих бортов дока штоками 54 выдвигаются каретки 52. Каретки 52 прижимают обрезиненные катки 53 к бортам втягиваемого в док судна 3. При движении по скуловым обводам кормовой части каретки разворачиваются в горизонтальной плоскости за счет вращения вокруг своих вертикальных осей. При этом они равномерно обжимают корпус судна 3, центрируя его в доке. По завершении ввода судна 3 в док судно-док 4 освобождают от излишнего балласта, устанавливая безопасное расстояние между килевой поверхностью судна 3 и днищем 40 дока. Обрезиненные катки 53 ставят на тормоз (не показано). За счет работы винтов 57 в канале 47 подруливающего устройства носовые створки 42 судна-дока 4 закрывают.
Судно-док с раскрываемыми створками кормовой части в соответствии с фиг.7 и 8 работает следующим образом. Перед приемом сопровождаемого судна 3 в док судно-док 4 набирает балласт и притапливается для безопасного введения в док в зависимости от осадки судна 3. Открывается замок, препятствующий самопроизвольному раскрытию кормовых створок 48 (не показано). За счет работы механизмов гидравлического привода и основных винтов 10 задним ходом открывают кормовые створки 48. Судно-док 4 подходит к сопровождаемому судну 3 со стороны носа и заводит трос носовой лебедки 51 на нос судна 3. Зацепив носовой гак тросом, с помощью лебедки 51 втягивают судно 3 в док судна-дока 4. На фиг.8 стрелками показано направление движения судна относительно стенок дока. При этом судно 3 центрируется в доке с помощью механизма 46 центрирования и фиксации судна 3 в доке, как показано на фиг.7 и фиг.8. За счет согласованного действия гидравлических цилиндров 55 с обоих бортов дока штоками 54 выдвигаются каретки 52. Каретки 52 прижимают обрезиненные катки 53 к бортам втягиваемого в док судна 3. При движении по скуловым обводам кормовой части каретки разворачиваются в горизонтальной плоскости, за счет вращения вокруг своих вертикальных осей. При этом они равномерно обжимают корпус судна 3, центрируя его в доке. По завершении ввода судна 3 в док судно-док 4 освобождают от излишнего балласта, устанавливая безопасное расстояние между килевой поверхностью судна 3 и днищем 40 дока. Обрезиненные катки 53 ставят на тормоз (не показано), а кормовые створки 48 судна-дока 4 закрывают за счет работы винтов 10.
Уровень воды внутри и за бортом дока поддерживается одинаковым за счет свободного перетока воды через неплотности. После этого судно-док 4 состыковывают с другими судами в кильватерную колонну. При движении судна-дока 4 в ледовом поле его бортовые корпуса 39 с общим днищем 40 носовая и кормовая часть защищают судно 3 неледового класса от воздействия льда. При швартовке и маневрировании судна-дока при закрытых створках 42 за счет согласованной работы винтов 57 осуществляется подруливание.
В соответствии с фиг.10 скеги 5 работают следующим образом. При необходимости развести скеги 5 в стороны для ввода носовой части судна в кормовую выемку впереди идущего судна включается гидравлический цилиндр 61. В результате шток 60, втягиваясь в цилиндр 61, воздействует на плечо силового рычага 59, который разворачивает скег 5 наружу. При сведении скегов 5 к бортам носовой части судна, установленной в кормовую выемку, гидравлический цилиндр 61 выдвигает шток 60, что создает момент, который разворачивает скег 5 внутрь до упора кранца 28 в носовую часть судна.
При движении судов, состыкованных в кильватерную колонну, скеги защищают пространство между кормовой частью судна и носовой частью судна, следующего за ним. Верхняя горизонтальная образующая надводной части скега расположена выше ледового пояса в районе переменных осадок, а нижняя горизонтальная образующая подводной части затоплена примерно до уровня скулового пояса. Нижняя часть скегов, выполненная в виде решетки пластин, позволяет свободное движение воды от винта судна, но препятствует попаданию льда в область между носовой частью судна и кормовой частью впереди идущего судна.
Таким образом, льдины, находящиеся в пробитом ледоколом канале, не воздействуют на носовые части судов, а воздействуют только на борта судов. Это снижает общее сопротивление движению судов в канале, а значит, и снижает потребную мощность. Кроме того, в сжатых льдах скеги защищают винты и носовые части судов и препятствуют остановке и вмерзанию судов в лед.
Пример 2
Оценим для кильватерной колонны судов, соединенных «в упор», ледопроходимость, т.е. предельную толщину ровного сплошного льда, преодолеваемого непрерывным ходом. Для этого воспользуемся эмпирической формулой (Л.Г. Цой. Морские ледоколы. Особенности проектирования. СПб, 2003), полученной для отдельного судна с ледокольной носовой оконечностью:
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0.07</mn><msup><mrow><mi>cos</mi></mrow><mrow><mfrac><mn>3</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow></msup><mi>φ</mi><msqrt><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>α</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>β</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>β</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mn>3</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow><mrow><mroot><mrow><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mrow><mn>2.6</mn></mrow></mroot><mroot><mrow><mi>L</mi><mo>/</mo><mi>B</mi></mrow><mn>5</mn></mroot><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mrow><mfrac><mn>3</mn><mn>2</mn></mfrac></mrow></msup><mo stretchy="false">(</mo><mn>90</mn><mo>−</mo><msub><mi>β</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mi>e</mi></msub></mrow><mi>B</mi></mfrac></mrow></msqrt><mroot><mi>D</mi><mn>6</mn></mroot></mrow>
Здесь:
φ=20° - угол наклона форштевня к КВЛ,
0
α=45° - угол заострения КВЛ,
0
β=65° - угол развала шпангоута на нулевом теоретическом шпангоуте,
2
β=50° - угол развала шпангоута на втором теоретическом шпангоуте,
10
β=15° - угол развала шпангоута на мидель-шпангоуте, все углы приняты по рекомендациям для перспективных ледоколов,
L - длина судна по КВЛ,
B - ширина судна по КВЛ,
D - водоизмещение по КВЛ,
e
P - суммарная тяга гребных винтов на режиме, близком к швартовному,
d
f - коэффициент динамического трения корпуса о лед.
На фиг.11 представлены расчетные графики зависимости скорости движения колонны из 5 судов-контейнеровозов, соединенных в упор, во главе с ледоколом. В таблице представлены расчетные значения ледопроходимости колонны в зависимости от типа ледокола и проводимых судов.
Ледокол
ЛК-16
ЛК-25
ЛК-60Я
ЛК-110Я
Проводимое судно
Asian Trader
Pegasus
APL Venezuela
NYK Procyon
Мощность ледокола, МВт
16
24
60
110
Суммарная мощность колонны, МВт
64.65
110
191.35
328.1
Ледопроходимость, м
4.1
4.25
5.26
6.29
Видно, что объединяя в колонне мощности двигателей всех судов, можно существенно увеличить ледопроходимость колонны. Так, например, ледокол ЛК-16 имеет ледопроходимость 1.5 м при мощности 16 МВт, а расчетная ледопроходимость колонны с суммарной мощностью двигателей 64.65 МВт равна 4.1 м. Из графика на фиг.11 видно, что колонна может двигаться во льдах толщиной 2.5 м со скоростью 13.2 узла. Для сравнения: атомный ледокол «Арктика» с мощностью двигателей 49 МВт имеет ледопроходимость 2.25 м, т.е. способен преодолевать сплошные льды такой толщины непрерывным ходом при скорости 2 узла. В этом случае и скорость следующей за ним колонны при традиционном способе ледового плавания будет равна 2 узлам максимально.