УНИВЕРСАЛЬНОЕ ПОЛУПОГРУЖНОЕ КРУПНОТОННАЖНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ СУДНО ДЛЯ ПЛАВАНИЯ В МОРЯХ С ЛЕДОВЫМ ПОКРОВОМ И НА ЧИСТОЙ ВОДЕ
UNIVERSAL SEMISUBMERSIBLE-LARGE-CAPACITY CARRIER SHIP FOR NAVIGATION IN SEAS WITH ICE AND PURE WATER

Изобретение относится к конструкции водоизмещающих судов, в частности полупогружных судов, предназначенных как для эксплуатации в ледовых условиях Арктики, так и в незамерзающих морях.
В настоящее время известны разработки крупнотоннажных транспортных судов с нетрадиционными техническими решениями, позволяющими их эксплуатацию в ледовых условиях Арктики без ледокольной проводки, в том числе использующих для маневрирования судна в ледовых условиях винторулевые колонки (другое название - поворотная колонка), являющиеся разновидностью азимутального подруливающего устройства. Первая такая колонка была разработана в Финляндии на судоверфи «Вяртсиля» и она выпускается под зарегистрированным названием «Azipod».
Известна судовая винторулевая колонка для движения и маневрирования судна в ледовых условиях по патенту РФ №2126762, содержащая обтекаемую стойку и гондолу с размещенными внутри них элементами приводного механизма, гребным валом, на консольной выступающей части которого закреплен гребной винт в направляющей насадке и ледоразрушающие элементы, выполненные в виде лопаток или лопастей, закрепленных перед гребным винтом с возможностью ломки и дробления льда.
Известно техническое решение судна с использованием такой винторулевой колонки по заявке №2010103996, поданной финской фирмой «АКЕР АРКТИК ТЕКНОЛОДЖИ ОЙ». Судно с винторулевыми колонками, размещенными в корме судна, в тяжелой ледовой обстановке имеет возможность развернуться кормой вперед для повышения ледопроходимости, однако в данном техническом решении наряду со значительными затратами времени на двойной разворот судна на 180° предусматривается взаимодействие гребных винтов со льдом, последствием которого может быть повреждение лопастей или разрушение винта.
Известно техническое решение полупогружного судна по патенту №2389640, принятое за прототип, содержащее подводный грузовой корпус, надводную часть в виде главной палубы с надстройкой, узел, соединяющий подводный корпус и надводную часть судна, и ледоразрушающее устройство. Соединяющий узел выполнен в виде ледостойкого пилона, вдоль которого проходит грузовая ватерлиния, пилон расположен в носовой части подводного корпуса непосредственно за форпиком симметрично относительно диаметральной плоскости корпуса судна, верхняя палуба подводного корпуса имеет в районе пилона усиленную конструкцию, при этом конструкция пилона является несущей для главной палубы, а его передняя часть выполнена в виде ледоразрушающего устройства, при этом высота пилона обеспечивает движение главной палубы судна надо льдом, а подводного корпуса - ниже нижней кромки льда. Однако движительный комплекс этого судна размещен традиционно в корме, при этом гребные винты размещаются в кормовом подзоре корпуса.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание полупогружного крупнотоннажного судна, оснащенного винторулевыми колонками, расположенными в носовой оконечности подводного грузового корпуса полупогружного крупнотоннажного судна.
Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в улучшении параметров ходкости в ледовых условиях, в первую очередь ледопроходимости, а также повышении пропульсивных качеств при эксплуатации судна на чистой воде.
Указанный технический результат достигается в техническом решении универсального полупогружного крупнотоннажного транспортного судна для плавания в морях с ледовым покровом и на чистой воде, содержащего надводную часть, подводный грузовой корпус, разделенный по высоте плоскостью срединной ватерлинии на верхнюю и нижнюю симметричные половины, пилон, соединяющий надводную часть с подводным корпусом, имеющий форштевень, конструкция которого позволяет разрушать ледовый покров, а высота пилона обеспечивает движение надводной части судна надо льдом, а подводного корпуса - ниже нижней кромки льда. Кроме того, в носу подводного корпуса в районе сопряжения контура борта и контура носовой ветви срединной ватерлинии в плане по бортам выполнены выкружки, в которых расположены винторулевые колонки, гондолы которых закреплены на поворотных кронштейнах, ориентированных перпендикулярно диаметральной плоскости (далее - ДП), при этом размеры выкружек обеспечивают невыступание лопастей винтов за габаритные размеры судна в нос и на борт и позволяют осуществлять вертикальный поворот осей гондол и соответственно гребных винтов винторулевых колонок обоих бортов в пределах 20° вниз и вверх относительно основной плоскости, кроме того, оси гребных винтов имеют наклон к ДП на угол от 10° до 20°.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется следующими чертежами:
- на фиг. 1 показан боковой вид размещения движительного комплекса;
- на фиг. 2 показана схема размещения движительного комплекса (разрез в плоскости СВЛ) и угол β наклона оси гондолы и гребного винта (вектора тяги) к ДП;
- на фиг. 3 показана система действующих сил для расчета нагрузки на ледовое поле в зависимости от угла α:
- на фиг. 4 показаны вид с носа (по стрелке А) на размещение винторулевых колонок на подводном корпусе и форма поперечных сечений по выкружкам.
Универсальное полупогружное крупнотоннажное транспортное судно содержит подводный грузовой корпус 1, выкружки 2 для размещения движительного комплекса, подкрепление корпуса 3, гондолы 4, гребные винты 5, носовую оконечность 6, ледовое поле 7, ледоразрушающий форштевень пилона 8, пилон 9, зону пониженного давления 10, упорные струи 11, зону образования кормового давления 12, попутный поток 13, кронштейн гондолы 14, α - угол наклона оси гондолы и гребного винта к основной плоскости, β - угол наклона оси гондолы и гребного винта (вектора тяги) к ДП, h1 - высота главной палубы надо льдом, h2 - толщина льда, h3 - расстояние от верхней палубы подводного корпуса до нижней кромки льда, а-а, б-б, … ж-ж - поперечные сечения выкружки.
У надводных судов движители, размещенные, как правило, в корме судна, создают зону пониженного давления. При этом носовая часть судна подвержена действию сил сопротивления воды и волнового сопротивления.
Размещение винторулевых колонок в носовой части полупогружного судна (на расстоянии 12-15 м от нижней кромки ледового поля) приведет к снижению лобового сопротивления воды, что должно обеспечить улучшение пропульсивных качеств судна и таким образом повысить характеристики ходкости, выражаемые соотношением мощности, затрачиваемой на движение судна с заданной скоростью, и его размерениями.
Обводы выкружек выполнены таким образом, чтобы при расчетном диаметре винта для конкретного проекта судна было исключено выступание лопастей за габаритные размеры судна с носа и с борта, а внутренний объем и форма обводов выкружек позволяли обеспечивать поворот осей гондол и соответственно гребных винтов (вектора тяги) винторулевых колонок обоих бортов в пределах 20° вниз и вверх относительно ОП судна. Размещенные в выкружках винторулевые колонки создают тягу, вектор которой имеет угол β поворота к ДП, т.е. к вектору движения судна, в пределах 20° (по аналогии с вертолетом, у которого также имеется угол между осью вращения винта и направлением вектора его движения). Такое расположение обеспечивает следующие преимущества:
- упорные струи от винтов за счет вектора тяги под углом к ДП не прижимаются к корпусу, а «отжатие» их от поверхности корпуса, начиная от носовой его части, вызывает появление кормового давления, следствием которого является попутный поток в направлении движения судна;
- за счет эжекции в упорные струи попутный поток приобретает скорость, большую, чем скорость судна, что приводит к появлению сил трения, но направленных уже в сторону движения и способствующих ему;
- происходит снижение общего сопротивления трения поверхности подводного корпуса;
- судно приобретает высокую курсовую устойчивость.
Вертикальный поворот гребных винтов винторулевых колонок обоих бортов вверх (в пределах 20°) относительно ОП придает вектору тяги положительный угол, что обеспечивает повышение эффективности маневрирования по осадке судна при подходе к акваториям портов и причальным сооружениям или погрузочно-разгрузочным терминалам.
Такой же поворот гребных винтов вниз обеспечивает дополнительное усилие к массовой нагрузке судна для разрушения ледового поля, т.е. повышение ледопроходимости.
Для количественной оценки дополнительного усилия рассмотрим систему сил, действующих при «навале» форштевня пилона на кромку ледового поля, приведенных к точке опоры форштевня.
Используя систему координат и приведя систему внешних сил к условной материальной точке опоры форштевня на кромку ледового поля (фиг. 3), определим суммарное усилие, которое будет преодолевать суммарную реакцию, т.е. несущую способность ледового поля на упругом основании, и обеспечит пролом льда. Силой трения F с учетом конструкции форштевня по указанному выше патенту, имеющего малую площадь «пятна» контакта со льдом, пренебрегаем. Значением суммарного упора винтов задаемся в соответствии с прототипом по DW и мощности СУ надводного супертанкера с применением поправочного коэффициента 1,3 на увеличенную площадь смоченной поверхности подводного корпуса, т.е. 40000 кН или 4000 тонн. Тогда, спроектировав действующие силы на ось Y, получим:
0
-
уп
R=-Т·Cos70°(G+Q)·Cos20° - для вектора тяги, параллельного ОП;
10
-
уп
R=-Т·Cos60°(G+Q)·Cos20° - для вектора тяги с наклоном 10° к ОП;
20
-
уп
R=-Т·Cos50°(G+Q)·Cos20° - для вектора тяги с наклоном 20° к ОП.
Расчетная схема приведена на фиг. 3,
где: XOY - выбранная система координат;
R - суммарная реакция кромки ледового поля, т;
уп
Т - суммарный упор винтов, т;
F - сила трения форштевня об лед (пренебрегаем);
G - масса судна с грузом, т;
Q - распределенная нагрузка слоя воды над подводным (грузовым) корпусом, т;
20° - угол наклона форштевня к поверхности ледового поля;
α - угол наклона оси винтов к ОП.
Так, для судна (танкера) с грузом, например, 200 тыс. тонн принимаем условно долю суммарного усилия, отнесенного к 1/4 длины корпуса, как 1/4 от:
- массовой нагрузки судна порожнем;
- веса груза;
- распределенной нагрузки столба воды, по треугольнику действующей на всю площадь верхней палубы подводного корпуса шириной 60 м;
- всей массы надводной части.
То есть около 10, 50, 27 и 2 тыс. тонн соответственно.
Учитывая эти значения статей нагрузки, определяем, что при установившемся движении (постоянном действии реакции кромки ледового поля и упругого основания) суммарная нагрузка на кромку льда в виде сосредоточенного усилия будет составлять около 90 тыс. тонн. После подстановки численных значений и проведения вычислений получим суммарное усилие преодоления реакции ледового поля для рассматриваемого судна при указанных выше углах наклона вектора тяги:
0
10
20
R=85960 тонн, R=86600 тонн, R=87160 тонн
Следовательно, изменение угла наклона вектора тяги на 10° дает приращение усилия разрушения льда на 640 тонн, а на 20° - 1200 тонн, таким образом повышается ледопроходимость в сложных ледовых условиях.