ЛЕДОКОЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ПЛАВАЮЩИХ ТЕЛ
ICE-BREAKING SYSTEM FOR FLOATING BODIES

Изобретение относится к ледокольной системе для плавающих тел в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения, а также к способу обеспечения устойчивости положения, с применением соответствующей системы, по пункту 12.
Соответствующие системы для плавающих тел либо судов известны. Из патента JP 59-179493 А известны система и способ, при которых используются балластные цистерны, в особенности в области киля подводной части судна, для перекачивания балластной воды с правого борта на левый, и наоборот, чтобы таким образом добиться кренения корабля. Такое перемещение центра тяжести, усиленное боковыми бульбами в носовой части, позволяет раскалывать лед.
Иначе функционирующая система известна из патента US 3939789. В соответствии с этой публикацией действующее во льду буровое судно оснащено в носовой части затопляемым отсеком. Далее предусмотрен еще один, выступающий плоско над ледовой поверхностью нос. Этот передний затопляемый или дифферентный отсек благодаря относительно большим отверстиям в области днища и бортов может быть быстро затоплен, так что происходит оседание носа относительно обычной ватерлинии и, таким образом, ломается имеющийся под носом лед. Путем нагнетания в этот отсек сжатого воздуха дифферентный отсек вновь продувается. Предусмотрено разделение дифферентного отсека, позволяющее вызывать носовой крен и крен судна на левый и правый борт.
Однако при таком конструктивном исполнении судна существует опасность, что ледяные глыбы могут быть занесены с потоком воды в отсек и при продувке закупорить соответствующие отверстия.
Другая система согласно патенту US 3850125 представляет нос действующего во льду бурового судна в виде острого выступа, а спереди и сзади в донной части судна соответственно имеется отсек, который может быть заполнен и продут. Таким образом, нос судна может подниматься и опускаться, разламывая при этом лед.
Недостатки этой системы также заключаются в опасности обледенения отсеков и относительно сложной конструкции пневматических устройств для продува соответствующих цистерн.
Плавающее тело с буровой вышкой описано в патенте US 3872814. Здесь буровая вышка находится на полупогружной плавучей буровой установке с двумя расположенными по бокам трубчатыми плавающими телами. Эти плавающие тела оснащены сзади и спереди затопляемыми отсеками. Это позволяет путем затопления переднего отсека вызвать оседание и одновременно ледокольное воздействие на ледовую поверхность или дрейфующий лед. Этому еще больше способствует периодическая продувка переднего отсека и затопление заднего отсека. На этой полупогружной плавучей буровой установке можно также управлять кренением буровой платформы. Однако здесь также имеют место довольно дорогостоящая конструкция необходимых пневматических систем и существует угроза обледенения затопляемых отсеков.
Дальнейший вариант осуществления изобретения с ледокольным эффектом представляет патент JP 58-224887, в котором твердый балласт в области киля может быть перетянут спереди назад, чтобы таким образом вызвать килевую раскачку судна с наклоном носа к ледовой поверхности и тем самым выполнить ледокольную функцию.
Для обеспечения возможности судну выполнять и боковые движения ледокол согласно патенту DE 4208682 В4 оснащается, например, как реактивными движителями, так и поворотными пропульсивными установками, так что становятся возможными и боковые движения.
Однако недостатками подавляющего большинства известных систем являются их неэффективное исполнение, большая угроза обледенения дифферентных цистерн и в большинстве случаев слишком медленная продувка отсеков и перемещения центра тяжести.
Поэтому задача изобретения состоит в устранении вышеназванных недостатков и, в особенности, в создании такой ледокольной системы для плавающих тел во льду или у кромки льда, в особенности для буровых и исследовательских судов или платформ, в ледяных полях, паковом льду или дрейфующем льду и тому подобном, которая позволяла бы обеспечить надежное стационарное положение плавающего тела или судна над точкой морского дна, и в указании соответствующего способа обеспечения стационарного положения.
Эта задача решается относительно системы посредством признаков пункта 1 и относительно способа посредством признаков пункта 12 формулы изобретения.
В связи с возрастающим значением арктических морей, учитывая изыскание пригодных для экономического освоения месторождений нефти и других элементов и минералов, растет потребность в исследовательских судах, буровых судах и стационарных плавучих платформах, которые, несмотря на морское течение и дрейфующие ледовые поверхности, должны сохранять стационарным соответствующее их назначению положение над морским дном.
В связи с этим соответствующие изобретению система и способ учитывают данные требования. При этом одна из основных идей заключается в том, что в носовой или передней части корпуса судна предусматривается передняя дифферентная цистерна, выдвинутая как можно дальше вперед и поднятая как можно выше над кильватером. В противоположность этому в задней части на соответствующем расстоянии и соответствующей высоте предусмотрена вторая дифферентная цистерна, причем обе дифферентные цистерны аэрогидродинамически связаны между собой посредством минимум одного дифферентного канала. При наличии одного дифферентного канала он проходит по центру в продольном направлении кильватера.
Особыми преимуществами обладает конструктивное исполнение с двумя дифферентными каналами, которые размещены в противолежащих боковых отделах плавающего тела или судна.
На основании предпочтительного расположения передней и задней дифферентной цистерны выше ватерлинии вместе с дифферентными каналами создается замкнутая система. Однако дифферентные цистерны могут быть размещены также в любом другом месте в соответствии с функцией судна. При этом следует учитывать необходимость защиты от промерзания при размещении, в особенности с точки зрения экономии энергии. Учитывая, что система должна быть полностью пригодна к эксплуатации также и при относительно низких арктических наружных температурах, в том числе и при температурах ниже -35°С, используется дифферентная текучая среда, в особенности вода с высоким содержанием соли или с присадками, значительно понижающими точку замерзания дифферентной среды. Цистерны и дифферентные каналы по возможности защищаются снаружи от обледенения посредством коффердамов. Для защиты от обледенения цистерн и/или дифферентных каналов при необходимости может предпочтительно производиться отопление этих установок.
В областях арктических морей, в которых судно или плавучая платформа должны быть насколько возможно стационарно размещены над буровой скважиной, при более или менее закрытом ледяном покрове или дрейфе пакового льда существует проблема, что удерживаемое в стационарном положении судно будет дрейфовать вместе со льдом. При этом из медленно меняющихся направлений могут возникать дрейфовые скорости ок. 0,5 узла или меньше.
Поэтому судно в такой ситуации должно само иметь возможность динамично занимать положение, при необходимости под углом или даже поперечно направлению дрейфа льда или морского течения, например, над соответствующей точкой моря.
Поэтому судно такого рода должно располагать соответствующей ледокольной системой, признаки которой изложены в пункте 1 формулы изобретения.
Согласно способу для обеспечения устойчивого положения корпуса судна такого рода во льду или у кромки льда, в особенности с применением соответствующей ледокольной системы по пункту 1, предусмотрено, что, с одной стороны, определяется дрейф льда и/или морского течения. Что при наличии дрейфа льда корпус судна выправляется и маневрируется таким образом, чтобы в особенности его передняя часть указывала против направления дрейфа льда или морского течения и приводилась в действие ледокольная система корпуса судна.
В зависимости от оснащения корпуса судна соответствующими подводными силовыми агрегатами, которые могут быть выполнены, например, как вращающиеся на 360° пропульсивные устройства и/или реактивные движители в носовой или кормовой части, оснащенное таким образом судно может удерживаться в стационарном положении над морским дном почти диагонально или даже поперечно направлению дрейфа льда или морского течения. При этом ледокольные системы, производя бортовое кренение и/или килевую раскачку, могут способствовать поддержанию стационарного положения корпуса судна.
Таким образом производится относительное движение корпуса судна, соответствующее величине дрейфовой скорости или силе морского течения, против направления дрейфа льда, так что корпус судна или судно может удерживаться в стационарном положении, например, над такой точкой морского дна, как скважина.
Поэтому положение самого плавающего тела определяется, например, посредством системы GPS или других систем позиционирования и на основе установленной дрейфовой скорости и направления дрейфа льда ледокольная функция судна направляется таким образом, что перемещение дифферентного средства со стороны носа и/или кормы в переднюю или заднюю цистерну вызывает килевую раскачку и раскалывания льда. С другой стороны, посредством носового или кормового реактивного движителя, при необходимости в комбинации с электромеханическими или дизельно-механическими пропульсивными устройствами, может быть произведено выравнивание судна с необходимой относительной скоростью в направлении, противоположном дрейфовой скорости, так что судно удерживается в стационарном положении над скважиной. Пропульсивные устройства могут размещаться наподобие люльки на днище судна или интегрироваться в корпус судна.
Ледокольная функция судна и перемещения соответствующей среды в дифферентные цистерны или к дифферентным цистернам целесообразно осуществляются с частотой, которая приведена в соответствие с дрейфовой скоростью льда, и при этом достигается действенный ледокольный эффект.
Поскольку усиление ледокольного эффекта достигается также посредством кренения судна, предусматриваются также и боковые дифферентные цистерны в области боковых бортов платформы, в особенности выше ватерлинии, так что путем изменения их дифферента может производиться кренение. Боковые дифферентные цистерны целесообразно размещены попарно друг против друга относительно линии миделя. С учетом необходимости усиления раскачивания или кренения судна предпочтительно предусматриваются несколько пар боковых дифферентных цистерн, причем они распределены в продольном направлении судна.
Ледокольная функция в смысле дифферентной ломки льда может быть еще усилена за счет того, что килевая или бортовая качка судна вызывается перемещением дифферентной среды в цистерны спереди назад и обратно в сочетании с изменением дифферента боковых дифферентных цистерн и следующим за этим кренением.
Поскольку перемещение дифферентной среды в замкнутой системе из задней дифферентной цистерны в переднюю должно происходить в максимально короткий срок, с одной стороны, в дифферентных каналах предусматриваются трубы большого поперечного сечения, например, от 1 до 4 м в диаметре, и в замкнутую дифферентную систему интегрируются устройства высокопродуктивной подачи текучей среды, например, в виде гидромеханических насосных устройств.
Соответствующие системы подачи текучей среды могут, например, обеспечивать такую производительность, которая позволяет в совокупности перекачивать за 10-30 секунд от 500 до 1000 т дифферентной среды с кормы на нос.
Для перемещения дифферентной среды, например, из носовой дифферентной цистерны в кормовую дифферентую цистерну, в дополнение к высокой производительности систем подачи при изменении дифферента также используется кинетическая энергия колеблющейся массы воды. В этом отношении для перекачивания дифферентной среды используется, так сказать, и обратное колебание массы воды для обеспечения возможности еще более быстрого перемещения дифферентной среды, например, из носовой дифферентной цистерны в кормовую дифферентную цистерну.
Дифферентные каналы эксплуатируются предпочтительным образом с полным объемом в трубах до соответствующих систем подачи, так что при дифферентовании в распоряжении немедленно оказывается весь объем потока. Эта система может быть дополнена соответствующими удерживающими либо обратными устройствами, которые в особенности могут приводиться в действие в двух направлениях и переключаться.
В зависимости от применяемой дифферентной среды системы подачи текучей среды могут быть гидравлического или пневматического действия.
Для достижения максимальной действенности килевой качки судна с целью ломки льда носовая и кормовая дифферентная цистерна предпочтительно размещаются на наибольшем расстоянии по высоте от кильватера или линии днища плавающего тела.
Поэтому носовая и кормовая дифферентная цистерна смещаются до предела вперед или назад и по возможности предусматриваются на уровне верхней палубы. Для защиты и предотвращения замерзания дифферентной среды цистерны и дифферентные каналы предпочтительно ограждены с внешней стороны коффердамами.
Можно также провести разделение носовых и кормовых дифферентных цистерн на секции, в особенности на уроне линии миделя, благодаря чему могут попеременно создаваться весовые нагрузки на борта судна, и, таким образом, может усиливаться кренение для боковой ломки льда.
Учитывая создание килевой или бортовой качки плавающего тела, можно предусмотрть также всего одну, в особенности носовую, дифферентую цистерну.
Эта единичная дифферентная цистерна может заполняться имеющейся в наличии, засосанной морской водой и для опорожнения продуваться сжатым воздухом.
Однако единичная дифферентая цистерна может быть объединена с боковыми промежуточными цистернами в замкнутую систему, так что дифферентная среда, подвергаясь перекачиванию, все же остается в дифферентной системе.
Количество и местоположение дифферентных цистерн, в особенности для килевой раскачки судна, во взаимодействии с дифферентными каналами установлено и рассчитано таким образом, чтобы было возможно за относительно короткие интервалы времени создавать на судне наибольшие дифферентные моменты.
В дополнение к предпочтительно замкнутой дифферентной системе с учетом различных областей использования судов такого рода целесообразно в качестве альтернативного варианта или в комбинации с замкнутой дифферентной системой выполнить также и открытую наружу дифферентную систему. Поэтому с точки зрения проведения ремонтных работ также было бы желательно иметь возможность через трубопроводы для текучей среды связать в особенности носовую и кормовую дифферентную цистерну с морской водой снаружи, чтобы таким образом иметь дополнительную или альтернативну возможность реализовать дифферентный процесс.
Маневренность судна улучшается еще и тем, что в дополнение к главным двигателям имеются и другие прямые или опосредованные приводные устройства, в особенности носовые или кормовые реактивные движители, при необходимости в комбинации, например, с электромеханическими пропульсивными устройствами, при этом последние, будучи подвешены наподобие люлек, в большинстве случаев имеют диапазон вращения от 0 до 360°.
Именно такая комбинация приводов позволяет удерживать соответствующее плавающее тело или судно даже при дрейфе и морском течении, в особенности при управлении с помощью компьютера, в стационарном положении над скважиной или определенным местом морского дна.
Описанная в рамках данного изобретения дифферентная система преимущественным образом рассчитана на управление при помощи компьютера и может использоваться не только на затянутой льдом воде, но и при открытой поверхности воды. Обычно процессы дифферентования полностью автоматизированы, однако допустима также и полуавтоматическая функция. Дифферентование с компьютерным управлением позволяет осуществлять множество дифферентных процессов и регулирований. Так, управлению поддаются как бортовая или килевая качка, так и кренение плавающего тела. Также возможно согласно способу установить периодическую частоту в зависимости от заданных углов, которые должны быть достигнуты при килевой качке либо кренении или же их комбинации.
Поскольку требуется производить процессы дифферентования с максимальной скоростью, при этом согласовывая их с необходимой частотой движений судна, возникает необходимость в системах подачи для текучих сред, позволяющих развивать скорость потока в дифферентных каналах почти до 8 м/сек.
Для сравнения, процессы перекачивания балластной воды или жидкостей происходят со скоростью около 3 м/сек.
В качестве систем подачи текучих сред могут использоваться пневматические приводы, например, нагнетатели воздуха, предельная мощность которых составляет около 110 м водяного столба. По сравнению с ними большими преимуществами обладают уже центробежные насосы, однако скорость переключения на противоположное направление действия в них должна была бы быть выше.
Особенно подходящими для быстрого дифферентования оказались винтовые движители и системы роторных приводов.
Поэтому система обеспечения устойчивости положения должна быть настроена, с одной стороны, на синхронизацию с дрейфовой скоростью льда, а с другой, на частоту килевой и бортовой качки судна с учетом ледокольной функции. Для улучшения ледокольной функции обшивка судна, в особенности в носовой и кормовой части, также должна иметь большие выступы. Это, разумеется, дополняется для всего корпуса судна таким расчетом стенок и днища судна, который требуется для соответствующего ледового класса.
Усиление ледокольного эффекта при кренениях достигается благодаря выполнению бортов судна в виде выступов.
С учетом ледокольной функции могут быть также заданы максимальные дифферентные и креновые углы, которые должны учитываться в процессе дифферентования для бортовой качки и кренения судна. Для ускорения процесса дифферентования дифферентные каналы должны быть всегда заполнены дифферентной средой, по крайней мере, до подающих насосов, а противоположная, пустая дифферентная цистерна не должна содержать остаточной жидкости. В процессе перекачки следует обращать особое внимание на то, чтобы во избежание повреждений вследствие кавитации в насосы не попадал воздух.
Таким образом, процесс дифферентования может быть запущен с незамедлительно имеющимся полным объемом и при соответствующем выборе размеров диаметра дифферентных каналов завершиться за 10-20 секунд даже при дифферентом объеме в 500-1000 тонн.
Ниже изобретение будет более подробно описано на основе схематичного изображения двух примеров осуществления. Там показано следующее:
фиг.1 изображение в разрезе с горизонтальной проекцией оснащенного ледокольной системой судна примерно на уровне главной палубы, при этом передняя, задняя и две боковых дифферентных цистерны с соединяющими дифферентными каналами отмечены штриховкой;
фиг.2 - вертикальный разрез судна по фиг.1 вдоль дифферентного канала со стороны правого борта с изображением в разрезе передней и задней дифферентой цистерны;
фиг.3 - вертикальный поперечный разрез примерно на уровне линии разреза 3-3 по фиг.1;
фиг.4 - вертикальный поперечный разрез примерно на уровне линии разреза 4-4 по фиг.1;
фиг.5 - схематичное изображение носовой части судна с ледокольной функцией и изображенная посредством трех контуров килевая качка судна с ледокольной функцией.
На фиг.1 показано горизонтальное сечение судна 1 примерно на уровне главной палубы с основными блоками дифферентной системы. В носовой части 2 посредством штриховки изображена передняя дифферентая цистерна 10, а в кормовой части 3 - задняя дифферентая цистерна 16. Дифферентные цистерны 10, 16 вынесены максимально вперед в носовую часть или назад в кормовую часть судна.
Как показано в разрезе на фиг.2, дифферентные цистерны 10, 16 размещены на максимально возможном расстоянии от кильватера 4 либо днища судна 7. По причине такого размещения в крайних положенииях, выше обычной ватерлинии, значительно усиливаются действующие на ледовой поверхности моменты сил.
В приведенном примере дифферентные цистерны 10, 16 соединены аэрогидродинамически с двумя перемещенными во внешнюю область судна дифферентами каналами. Дифферентные каналы 12, 13 находятся ниже нижнего уровня дифферентных цистерн 10, 16, но в обычном случае все же выше ватерлинии.
С дифферентными каналами 12, 13 и находящейся в них дифферентной средой связаны по действию подающие насосы 18, 19, являющиеся высокопроизводительными насосами.
Можно также дополнительно разместить на дифферентных каналах и другие подающие насосы, со смещением на корму, подобно тому, как показано на фиг.1.
Для создания крена судна с двух бортов предусмотрены боковые дифферентные цистерны 21 и 22. Эти боковые дифферентные цистерны 21, 22 находятся, как показано на фиг.2, очень глубоко в судне, в особенности в области днища судна.
Как изображено на фиг.2, нос 2 судна имеет плоскую форму. Это также относится и к корме 3, которая имеет очень плоско оканчивающуюся часть.
Носовая часть может быть также выполнена в виде ложкообразного носа. Плоское очертание спереди и сзади может быть также реализовано при помощи достаточно выступающего форштевня и ахтерштевня, что позволяет хорошо выполнять ледокольную функцию.
На изображении стороны правого борта по фиг.2 схематично представлен винт-движитель 31 с подшипником вала 32 и силовой агрегат 33.
В изображении вертикального разреза по фиг.3, которое показывает разрез вдоль линии 3-3 по фиг.1, дифферентные каналы 12, 13 предусмотрены очень глубоко внизу в области днища судна. Подшипники вала 32 и 35 изображены выступающими вниз.
Боковые борта судна 1 выполнены как выступающие бортовые стенки 24, 25, так что при кренении происходит усиление ледокольной функции.
В изображении в разрезе по фиг.4 вдоль линии разреза 4-4 схематично показано, что дифферентные каналы 12 или 13 переходят в боковые коробки выводов кормовой дифферентной цистерны 16 и имеют на срезе Г-образную форму.
Дифферентные каналы 12, 13 могут с учетом подающих насосов 18, 19 также иметь круговой поперечник, который может составлять, например, от 1 до 4 метров.
С учетом защиты с внешней стороны дифферентные каналы и дифферентные цистерны дополнительно ограждены расположенными снаружи коффердамами.
Схематичное изображение по фиг.5 показывает носовую часть 2 судна 1 и дрейфующую в сторону носового скоса 38 ледовую поверхность 41. По причине килевой раскачки судна в результате дифферентовки в носовую и кормовую дифферентную цистерну за счет движения носа 2 вверх и вниз создается ледокольный эффект, так что ледовая поверхность 41 разламываются на мелкие плиты льда 42.
Аналогичный эффект обнаруживает и кренение на бока при поддерживающем действии выступающих боковых бортов 24, 25.
Таким образом, ледокольная система и соответствующий способ позволяет поддерживать плавающие тела или суда в стационарном положении над точкой морского дна, например, для проведения буровых работ, даже в ледяном покрове арктических морей до определенной толщины льда.