Опыт проектирования универсального мелкосидящего ледокола

В.А. Чемоданов, С.Н. Степанов

ЦКБ «Балтсудопроект» ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург

ОПЫТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УНИВЕРСАЛЬНОГО МЕЛКОСИДЯЩЕГО ЛЕДОКОЛА

Объект и цель научной работы. Создание проекта нового мелкосидящего ледокола для обеспечения бесперебойной работы портов и портопунктов в бассейнах Азовского и Каспийского морей.

Материалы и методы. Комплексный метод проектирования и оптимизации формы обводов корпуса ледокола, разработка нового комбинированного движительно-рулевого комплекса по средствам широкого спектра экспериментальных исследований.

Основные результаты. На основе анализа климатических условий основных районов использования и опыта эксплуатации существующих мелкосидящих ледоколов сформированы технические требования к проекту нового ледокола, разработан технический проект, проведены модельные испытания.

Заключение. Решения, использованные в проекте, подтвержденные модельными испытаниями, доказали свою эффективность и позволяют сделать вывод о превосходстве нового проекта мелкосидящего ледокола над существующими аналогами.

Ключевые слова: мелкосидящий ледокол, Азовское море, Каспийское море, движительный комплекс, форма корпуса, модельные испытания.

Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Для цитирования: Чемоданов В.А., Степанов С.Н. Опыт проектирования универсального мелкосидящего ледокола. Труды Крыловского государственного научного центра. 2017; 3(381): 50-55.

Object and purpose of research. Development of a new shallow-draught icebreaker to support uninterrupted operation of major and minor ports in the Sea of Azov and in the Caspian.

Materials and methods. Integrated design and optimization method for hull lines of the icebreaker, development of a new combined steering & propulsion system based on a wide range of experimental studies.

Main results. Based on the climate analysis of the main operation areas, as well as on the operation experience for the existing shallow-draught icebreakers, the study has formulated the technical requirements to the design of the new icebreaker, for further detailed design activities and model tests.

Conclusion. The solutions adopted in the design were verified by the model tests, proved their efficiency and show that the new shallow-draught icebreaker is better than her existing counterparts.

Keywords: shallow-draught icebreaker, Sea of Azov, Caspian, propulsion system, hull shape model tests. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

For citations: Chemodanov V.A., Stepanov S.N. Design experience of universal shallow-draught icebreaker. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017; 3(381): 50-55 (in Russian).

УДК 629.561.5.001.63

DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-50-55

V.A. Chemodanov, S.N. Stepanov

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

DESIGN EXPERIENCE OF UNIVERSAL SHALLOW-DRAUGHT ICEBREAKER

УДК 629.561.5.001.63

DOI: 10.24937/2542-2324-2017-3-381-50-55

В настоящее время существует большой интерес со стороны как гражданских, так и военных заказчиков к судам с малой осадкой и, в частности, к мелкосидящим ледоколам.

Основными районами эксплуатации данных судов являются бассейны Азовского и Каспийского морей (рис. 1).

В настоящее время большинство ледоколов, эксплуатирующихся в бассейнах Азовского и Каспийского морей, морально и технически устарели. С учетом постоянного нарастания грузопотока в этих регионах актуальным является создание нового ледокольного флота [1].

Следует отметить, что бассейны Азовского и Каспийского морей отличаются сложными ледовыми и гидрологическими режимами и имеют ряд специфических особенностей, определяющих требования к разрабатываемому проекту ледокола нового поколения:

мелководье, на значительной протяженности не превышающее глубины 5 м;

изменчивость уровня моря, дополнительно уменьшающая глубины;

сложные ледовые условия (средняя эксплуатационная толщина льда составляет около 40 см; максимальные толщины ледового покрова в экстремальные зимы могут достигать 80-90 см, а раз в 100 лет - до 97 см; торосистые и мелкобитые льды высокой сплоченности) [2, 3].

Вместе с этим следует учитывать ограничения по основным размерениям судна, обусловленные требованием обеспечения прохождения шлюзов Единой Глубоководной Системы (ЕГС) Европейской части России.

Анализ опыта эксплуатации существующих мелкосидящих ледоколов и мелкосидящих судов ледокольного типа, таких как «Капитан М. Измайлов», «Капитан Чечкин», «Капитан Евдокимов», «Арктикаборг» и «Мангыстау», позволил выявить положительные и отрицательные качества судов подобного типа (таблица).

Все работающие в регионах ледокольные суда, выполняющие в течение многих лет практически аналогичные функции, разрабатывались с учетом более низких требований к ледовым усилениям: они имеют либо ледовый класс Речного Регистра, либо ледовый класс, аналогичный Arc 5 Российского морского регистра судоходства (РС). Ледопроходимость существующих ледоколов в рассматриваемых регионах недостаточна. В тяжелые зимы они не обеспечивают бесперебойную работу транспортных систем Азовского и Каспийского морей. В процессе проектирования поставлена задача получить максимально возможную величину ледопроходимости с учетом фактических ограничений по размерениям судна. Имеющиеся данные о повреждениях корпусных конструкций существующих мелкосидящих ледоколов заставляют сделать выбор в сторону увеличения ледового класса до Icebreaker 6 [4].

На основе обобщения информации по судам-аналогам ФГУП «Крыловский государственный научный центр» (КГНЦ) совместно с Росморреч-флотом были сформулированы такие требования к новому мелкосидящему ледоколу:  возможность работы в тяжелой ледовой обстановке - с толщинами льда до 1 м (обеспечение ледового класса Icebreaker 6, обеспечение максимальной тяги гребных винтов и наибольшей ледопроходимости);

Рис. 1. Основные районы эксплуатации мелкосидящего ледокола Fig. 1. Main operation areas of the shallow-draught icebreaker

Анализ опыта проектирования мелкосидящих ледоколов Shallow-draught icebreakers: design experience analysis

Проект / Головное судно «Капитан М. Измайлов» / «Капитан Косолапов» 1105 / «Капитан Чечкин» 1191 / «Капитан Евдокимов» Arppe / «Арктика-борг» Mangystau / «Мангыстау-1» 22740 / Проектируемый ледокол

Количество судов в серии 2 6 8 2 5 4

Страна Россия Россия Россия Казахстан Казахстан Россия

Изготовитель Wartsila Helsinki Wartsila Helsinki Wartsila Helsinki Wartsila Helsinki STX OSV Румыния Определяется

Год постройки 1976 1977 1983 1998 2010 -

Классификационное общество РС РРР РРР РС BV РС

Ледовый класс Arc 5 М-СП 2,5 (ледокол) М-СП 3,5 (ледокол) Arc 5 IA Super, (Arc 5) Icebreaker 6

Длина, м 56,2 77,5 76,5 65,1 66,0 78,1

Ширина, м 16,0 16,4 16,6 16,6 16,4 16,8

Осадка, м 4,2 3,5 3,0/2,5 2,9 3,0/2,5 3,0/ок. 2,7

Водоизмещение полное, т 2047 2240 2341 2093 1828 2758

Тип ГЭУ Дизель-электрическая Дизель-электрическая Дизель-электрическая Дизель-электрическая Дизель-электрическая Дизель-электрическая

Мощность на гребных винтах, МВт 2,5 3,2 3,8 3,24 4,8 6,4

Количество гребных винтов 2 3 4 2 3 4

Состав движительно-рулевого комплекса 2 валопровода 2 руля 3 валопровода 3 руля 4 валопровода 2 руля 2 тянущие ВРК (Azipod Arc 5) 3 тянущие ВРК (Schottel) 2 валопровода + 2 тянущие ВРК

Скорость на чистой воде, уз 13 14 13,9 13 12 14,4

Ледопроходимость, м 0,7 0,7 0,8 0,6 0,6 1,0

Автономность, сут. 15 10 20/15 (3/2,5 м) 13 20/15 (3/2,5 м) 15

Экипаж, чел. 24 19 25 12 12 12

Регионы эксплуатации Балтийское, Белое моря Балтийское, Каспийское, Азовское моря, реки арктического региона Белое, Балтийское, Азовское, Каспийское моря, реки арктического региона Каспийское море Каспийское море Азовское, Каспийское моря, возможно Балтийское, Белое моря, реки арктического региона

Рис. 2. Форма корпуса ледокола проекта 22740

Fig. 2. Hull lines of Project 22740 icebreaker

Рис. 3. Кормовая оконечность ледокола проекта 22740 с инновационным пропульсивным комплексом

Fig. 3. Stern of Project 22740 icebreaker with innovative propulsion system

рабочая осадка около 3 м, минимальная - около 2,5 м;

ширина не более 16,8 м (ограниченная требованиями прохождения шлюзов ЕГС);

обеспечение высоких маневренных качеств. Вышеперечисленные требования вошли в состав Технического задания для КГНЦ на разработку технического проекта нового мелкосидящего ледокола. Проект 22740 разработан ЦКБ «Балтсудопро-ект» в кооперации с научно-исследовательскими отделениями КГНЦ на класс РС [5].

Обеспечиваемая автономность по результатам разработки проекта (15 сут.) является оптимальной для выполнения ледоколом операций.

Ввиду ограничений по осадке при проектировании судна большое внимание было уделено оптимизации веса корпусных конструкций и применяемого оборудования. Корпус выполнен из высокопрочной стали, надстройка - из алюминиевого сплава.

Оригинальное техническое решение по форме корпуса, принятое в проекте, а именно использование в миделевой части судна шпангоутов с изломом, позволило удовлетворить требования Правил РС по углам наклона бортов в районе ледового пояса и ограничить потерю водоизмещения судна (рис. 2).

В проекте применена хорошо зарекомендовавшая себя в ледовых условиях система электродвижения с генераторами переменного тока, обеспечивающая поддержание постоянной мощности гребной установки в широком диапазоне режимов работы двигателей (от швартовного режима до хода на свободной воде).

При выборе типа движительного комплекса учитывались ограничения по ширине и осадке судна с одновременным достижением повышенной тяги и требуемой ледопроходимости, а также необходимость обеспечения повышенных маневренных качеств для выполнения операций проводки судов и ледового менеджмента, в том числе в портах.

Рис. 4. Модельные испытания ледокола проекта 22740 Fig. 4. Model tests of Project 22740 icebreaker

Mangystau-1

Капитан Чечкин

Капитан Евдокимов À

Скорость движения во льдах, уз 8

7 -6 -5 -4 -

2 H

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Толщина ровного сплошного льда, м

Рис. 5. Ледопроходимость ледокола проекта 22740 и ледоколов-аналогов

Fig. 5. Ice-breaking capability of Project 22740 icebreaker and similar ships

Эксплуатация существующих многовальных ледоколов типа «Капитан Чечкин» (3 традиционных гребных винта) и типа «Капитан Евдокимов» (4 традиционных гребных винта) показала, что данные суда не обладают высокой маневренностью и недостаточно эффективно работают на режимах движения задним ходом.

Опыт работы ледокольного буксира «Мангыстау» с тремя механическими винто-рулевыми колонками (ВРК) показал, что средняя ВРК используется достаточно редко, так как при маневрировании имеется возможность управлять одновременно только двумя колонками. Кроме этого, при такой компоновке движительного комплекса ухудшается устойчивость судна на курсе.

Рис. 6. Проектное изображение нового мелкосидящего ледокола проекта 22740

Fig. 6. Conceptual view of the new shallow-draught icebreaker

Применение ВРК типа «Азипод» с электродвигателем в гондоле нецелесообразно из-за их больших габаритов, позволяющих при ограниченной ширине судна установить либо две такие колонки, либо одну между двумя бортовыми винтами с выкружками. В обоих случаях это не позволяет получить требуемую тягу движительного комплекса.

При проектировании ледокола разработан новый комбинированный движительно-рулевой комплекс, состоящий из двух классических гребных винтов на валопроводах и двух тянущих механических ВРК, что в сочетании с оптимизированной формой носовой оконечности позволило получить наилучшее соотношение ледовой ходкости, маневренности и управляемости судна, а также обеспечить высокую надежность движительного комплекса и хорошие качества работы на заднем ходу (рис. 3).

ВРК в тянущем исполнении установлены в кормовой части судна в центре, так как из опыта натурных и модельных исследований известно, что на многовальных судах при движении передним ходом и особенно при маневрировании во льдах бортовые винты значительно интенсивнее взаимодействуют с обломками льда, чем центральные движители. Таким образом, бортовые винты защищают центральные ВРК, и только на режимах движения задним ходом все винты одинаково фрезеруют лед.

Широкий спектр проведенных экспериментальных исследований (в глубоководном и кавитационном бассейнах) позволил разработать движительный комплекс ледокола, эффективно перерабатывающий при малых осадках судна высокую мощность гребных электродвигателей в тягу, значительно превосходящую достижимую на существующих аналогах.

Параллельно с проектированием ледокола КГНЦ и финской компанией Aker Arctic Technology были проведены модельные испытания на глубокой воде, в условиях мелководья и в ледовых условиях (рис. 4).

По результатам испытаний были оптимизированы формы носовой и кормовой оконечностей, что позволило обеспечить максимально достижимые эксплуатационные характеристики судна.

Результаты испытаний в ледовом опытовом бассейне подтвердили преимущества нового мелкосидящего ледокола над существующими аналогами: ледокол пр. 22740 имеет большую скорость движения в одинаковой ледовой обстановке и значительно более высокую ледопроходимость по сравнению с судами-прототипами (рис. 5).

Достигнутые показатели ходкости на чистой воде и в ледовых условиях, подтвержденные модельными испытаниями, позволяют говорить о целесооб-

разности постройки серии ледоколов по проекту 22740 для обсечения бесперебойной работы портов и портопунктов в бассейнах Азовского и Каспийского морей в условиях растущего грузооборота. Перспективным также видится использование ледоколов данного проекта в Финском заливе, на Белом море и в устьях рек Сибири.

На выполненный технический проект нового мелкосидящего ледокола, получены положительные отзывы со стороны заказчика (Росморречфлот), планирующего строительство серии из четырех судов (рис. 6).

Библиографический список

References

1. Единая государственная система информации об обстановке в Мировом океане [Электрон. ресурс] / Сайт ЕСИМО. URL: http://morinfocenter.ru [Portal of the Unified National System of the Ocean Information (ESIMO) (in Russian)].

2. Бухарицин И.П. Сравнительные характеристики многолетней изменчивости ледяного покрова северной части Каспийского и Азовского морей // Вестник Астраханского государственного технического университета. 2008. Вып. 3. С. 206-213. [I. Bukharitsyn. Comparison of multi-year ice sheet fluctuations in the northern parts of the Sea of Azov and the Caspian // Vestnik of Astrakhan State Technical University. 2008; 3: 206-13. (in Russian)].

3. Думанская И.О. Типовые ледовые условия на основных судоходных трассах морей европейской части России для зим различной суровости // Труды Гидрометцентра России. 2013. Вып. 350. С. 142-166. [I. Dumanskaya. Typical ice conditions at the main shipping lanes in the seas of the European Russia during winters of different severity // Proceedings of the Hy-drometeorological Center of Russia. 2013; 350: 142-66. (in Russian)].

4. Лобанов В А. Ледовые качества и ледовая аварийность флота внутреннего и смешанного плавания [Электрон. ресурс] / Интернет-журнал «Науковедение». 2013. №4. С. 1-12. URL: http://naukovedenie.ru /PDF/70tvn413.pdf. [V. Lobanov. Ice Performances and ice accidents fleet inland and river-sea navigation / Online journal Naukovedenie. 2013; 4: 1-12. (in Russian)].

5. Правила классификации и постройки морских судов Российского морского регистра судоходства. Т. 1-3. СПб.: РМРС, 2014. [Rules for Classification and Construction of Sea-Going Ships. Vol. 1-3. St. Petersburg: Russian Maritime Register of Shipping, 2014. (in Russian)].

Сведения об авторах

Чемоданов Владимир Александрович, начальник сектора проектного отдела ЦКБ «Балтсудопроект» ФГУП «Кры-ловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 415-48-41. E-mail: bsp@ksrc.ru. Степанов Сергей Николаевич, заместитель начальника проектного отдела - начальник сектора ЦКБ «Балтсудопроект» ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Телефон: 8 (812) 748-63-63. E-mail: bsp@ksrc.ru.

About the authors

Chemodanov, Vladimir A., Head of Sector, Design Department, CDB Baltsudoproyekt, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-48-41. E-mail: sp@ksrc.ru. Stepanov, Sergey N, Deputy Head of Design Department -Head of Sector, CDB Baltsudoproyekt, Krylov State Research Centre. Address: 44 Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 748-63-63. E-mail: bsp@ksrc.ru.

Поступила / Received: 02.05.17 Принята в печать / Accepted: 20.05.17 © Чемоданов В.А., Степанов С.Н., 2017