СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА И ПОЛУПОГРУЖНОЕ ЛЕДОКОЛЬНОЕ СУДНО
METHOD TO BREAK ICE COVER AND SEMI-SUBMERSIBLE ICEBREAKER SHIP

Изобретение относится к способу разрушения ледяного покрова морскими ледокольными судами для перевозки грузов - жидких (нефтепродукты, сжиженный газ), сыпучих и контейнеров, основанный на использовании архимедовой силы и подъемной силы на горизонтальных рулях. Также изобретение относится к судостроению и может быть использовано при создании крупнотоннажных судов круглогодичного (в том числе ледового) всепогодного плавания.
Существует множество различных способов и устройств разрушения ледяного покрова: от взрывов на поверхности льда или под ней, плавки льда горячим паром, электронагревом, лазерным лучом, резанием льда фрезами и т.п. Однако все они осуществимы в толстых льдах только при остановке судна или при небольшой скорости судна 2-3 узла.
Известен способ разрушения ледяного покрова [1] путем увеличения выталкивающей силы, давящей на лед заводимым под лед ледоразрушующим устройством. Однако данный способ не позволяет разрушать лед толщиной 2-3 метра.
Известен способ разрушения ледяного покрова [2] путем крошения льда режущей поверхностью резцов, расположенных на мачте, соединяющей подводную и надводную части судна. При данном способе движение во льдах толщиной 2-3 метра возможно только с незначительной скоростью и при больших энергетических затратах.
Наиболее близким является способ разрушения ледяного покрова [3] путем создания выталкивающей архимедовой силы, давящей на лед снизу вверх заводимым под лед тараном с режущей кромкой, но т.к. выталкивающая архимедова сила создается только небольшим объемом погружного плота (т.к. сам плот перевозится на судне), то разрушающие усилия не могут быть значительными. Кроме того, при таком способе разрушение льда возможно только при остановке судна.
В части устройства известно полупогружное ледокольное судно [4], состоящее из подводного грузового корпуса с двигателями и движителями и надводной части с надстройкой, причем подводный корпус содержит ледоразрушующее устройство и балластные камеры. Недостатком такого устройства является невозможность функционирования в толстых льдах.
Известно полупогружное ледокольное судно [5], состоящее из подводного грузового корпуса с двигателями и движителями, соединенного с ледоразрушующим устройством и надводной части с надстройкой. Недостатком такого устройства является то, что разрушение льда происходит по принципу ледокола, т.е. часть корпуса наезжает на лед, который под тяжестью носовой части разрушается, при этом используется только часть массы судна.
Известно подводное судно ледового плавания [6], включающее корпус клиновидной формы, имеющий профилированную конусообразную носовую часть, предназначенную для разрушения льда. Недостатком устройства является то, что данное техническое решение производит разрушение льда только носовой частью и не позволяет обеспечить энергетическое преимущество в сравнении классическими ледокольными судами [7].
Наиболее близким является полупогружное ледокольное судно [8], состоящее из подводного грузового корпуса с двигателями и движителями, соединенного с ледоразрушующим устройством и надводной части с надстройкой, причем подводный корпус содержит балластные камеры. Недостатком данного устройства является то, что ледоразрушующее устройство выполнено в виде фрез, из-за чего такое судно будет иметь незначительную скорость перемещения во льдах толщиной 2-3 м при большом расходе энергии на дробление льда. Кроме того, за судном остается узкий проход, из-за чего высока вероятность затирания его льдами, причем судно не имеет возможности освободиться само, т.к. не имеет возможности разворота на 180°, а при его движении поворотная надстройка будет испытывать большие перегрузки на поворотный механизм.
Настоящее изобретение направлено на решение задачи разрушения ледяных полей толщиной 3 м и более с наименьшими энергетическими затратами (снижение потребляемой мощности двигателя и увеличение КПД) и создания крупнотоннажного судна, способного перевозить грузы в условиях толстого льда, двигаясь самостоятельно с высокой крейсерской скоростью при хорошей мореходности судна на открытой воде, и способного без ледокола проводить другие надводные суда при комфортных условиях для экипажа и пассажиров.
Основной технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, состоит в многократном снижении величины упора винтов, необходимого для разрушения льдов, увеличении средней скорости движения судна, снижении мощности двигателя, имеющегося у судна и повышении его ледопроходимости при невысоких энергетических затратах (повышение КПД) при обеспечении комфортных условий экипажа (исключены вибрации и удары присущие ледокольному флоту).
При использовании той же мощности двигателей заявляемое техническое решение позволяет увеличить проходимость во льдах и повысить способность преодолевать более толстые льды.
Поставленная задача решается следующим образом.
В части способа осуществляется разрушение ледяного покрова путем создания выталкивающей архимедовой силы, давящей на нижнюю поверхность льда в вертикальном направлении, заводимым под лед тараном с ледоразрушающим ребром, связанным с корпусом судна, согласно изобретению таран воздействует на лед в горизонтальном направлении как своим ледоразрушающим ребром, так и всей своей поверхностью, причем вертикальная выталкивающая сила создается всей положительной плавучестью полупогружного судна и подъемной силой горизонтальных гидродинамических рулей, а разрушение тараном происходит по всей его длине, при этом за движущимся судном образуется полынья шириной, достаточной для прохода надводных судов.
Более того, для разрушения льда судно по ходу совершает вертикальные волнообразные движения, что повышает эффективность разрушения льда и экономит затрачиваемую энергию.
Более того, для разрушения льда судно по ходу движется под любым углом, вплоть до 180°, что позволяет выручать из ледового плена идущие следом суда и обходить непроходимые торосы.
Более того, при движении задним ходом лед рушится кормовой частью тарана, что повышает маневренность судна.
В части устройства заявляется полупогружное ледокольное судно с носовой и кормовой частями, состоящее из подводного грузового корпуса с двигателями, движителями и горизонтальными гидродинамическими рулями, соединенного с ледоразрушующим устройством и надводной части с надстройкой, причем подводный корпус содержит балластные камеры, согласно изобретению ледоразрушующим устройством является таран с острым наклонным разрушающим ребром, начинающийся от носовой части судна и расположенный вдоль всего его корпуса.
Более того, ледоразрушающее ребро тарана расположено под углом от 3° до 7° к продольной оси корпуса, что снижает ледовую нагрузку на таран и позволяет разрушать лед с минимальными затратами энергии.
Более того, надводная часть с надстройкой расположена у кормовой части судна, что позволяет увеличить длину передней части тарана, чем экономится энергия на разрушение льда.
Более того, балластные камеры расположены в носовой и кормовой частях судна, что позволяет повысить и регулировать его дифферент и остойчивость. Такое расположение балластных камер позволяет воздействовать на толщу льда по всей длине судна, что снижает энергетические затраты.
Более того, угол наклона ледоразрушающего ребра тарана, расположеного в кормовой части судна, составляет от 3° до 7°, что повышает маневренность судна.
Более того, горизонтальные гидродинамические рули имеют большую поверхность, что позволяет увеличить вертикальную подъемную силу при низких энергетических затратах.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами:
Фиг.1 - полупогружное ледокольное судно (вид сбоку);
Фиг.2 - полупогружное ледокольное судно (вид сверху);
Фиг.3 - полупогружное ледокольное судно (вид в фас);
Фиг.4 - полупогружное ледокольное судно, аксонометрия;
Фиг.5 - показан параллелограмм сил, приложенных к тарану при прохождении ледяного покрытия, при этом буквой У обозначен упор винтов, а буквой Р разрушающая лед сила;
Фиг.6 - вид экспериментальной установки;
Фиг.7 - экспериментальное исследование с применением заявляемого технического решения;
Фиг.8 - экспериментальное исследование с применением классической ледокольной схемы;
Фиг.9 - сравнительная таблица зависимости ледового сопротивления от толщины льда для ледокола и заявляемого способа.
Полупогружное ледокольное судно (фиг.1 - фиг.4) состоит из подводного грузового корпуса 1, на верхней наружной поверхности которого, начиная от носовой части, вдоль всего корпуса судна продольно сформирован специальный прочный таран, составляющий с корпусом судна единое целое, состоящий из носовой части 2 и кормовой части 3, в корпусе 1 расположены двигатели и движители, в том числе заканчивающиеся маневровыми винтами 4, в носовой и кормовой частях корпуса 1 осесимметрично расположены балластные камеры 5, вдоль корпуса установлены горизонтальные гидродинамические рули 6, на корме корпуса расположена узкая надводная надстройка 7 высотой 15-20 м, заканчивающееся наверху ходовой рубкой 8 с вертолетной площадкой, таран имеет ледоразрущающее острое наклонное ребро 9, начинающееся от носовой части судна и расположенное вдоль всего его корпуса. При этом ледоразрушающее ребро 9 расположено под углом от 1:8 до 1:15 (от 3° до 7°) к продольной оси корпуса 1 судна. Для уменьшения ледового сопротивления при движении корпус 1 судна располагается подо льдом. На поверхности находится только часть тарана и надстройка 7 с ходовой рубкой 8.
Способ состоит в том, что разрушение льда происходит при движении судна специальным прочным тараном, расположенным сверху корпуса по всей его длине. Конструктивно таран представляет собой узкий, не более 3 м, и высокий, не менее 15 м, плавник с наклонным ледоразрушающим ребром. При разрушении льда заявляемым способом корпус судна заглублен на глубину не менее 10 м и имеет обычную, не усиленную конструкцию.
Реализация способа и работа устройства осуществляется следующим образом. В процессе движения корпус судна 1 находится под водой. При движении судна носовая часть 2 тарана заходит под лед, поднимает и разрушает его острым ребром 9, при этом за судном образуется полынья, достаточная для прохода других судов. При движении судна задним ходом лед разрушается кормовой частью 3 тарана.
2
Вертикальное разрушающее усилие P (фиг.5) создается положительной плавучестью судна и горизонтальными гидродинамическими рулями-крыльями 6. Архимедову подъемную силу обеспечивают четыре балластные камеры 5, находящиеся в носовой и кормовой частях (фиг.3). Они же осуществляют продольную и поперечную остойчивость. Например, вертикальная подъемная сила, создаваемая горизонтальными гидродинамическими рулями при их площади 2500 м и скорости судна 20 км/час, может составить порядка 9 тысяч тонн, а положительная плавучесть при водоизмещении судна 200 тысяч тонн (беря 10% от водоизмещения судна) создаст вертикальное разрушающее усилие в 20 тысяч тонн (водоизмещение современных ледоколов), а в сумме (архимедова сила плюс усилие рулей) будет практически равна водоизмещению проектируемым современных ледокольных судов (33 тысяч тонн) (10), а при увеличении тоннажа заявляемого судна - еще и больше. В особо мощных льдах движение становится волнообразным, т.е. судно уменьшает плавучесть и корпус 1 с тараном, при малых упорах винтов, входит под лед на две трети своей длины. Положительная плавучесть повышается до предела, разрушая при всплытии лед ребром тарана, затем цикл разрушения повторяется. При этом судно не дает задний ход, чем повышается крейсерская скорость. Волновое движение может осуществляться и изменением вертикального усилия на горизонтальных рулях-крыльях большой площади.
Пример конкретного применения. Проведенные сравнительные экспериментальные исследования показали преимущество предлагаемого способа движения в тяжелых льдах, по сравнению с классическими ледоколами. Эксперименты проводились на моделях, изготовленных в масштабе 1:100. За классическую схему принималась модель перспективного проектируемого ледокола [9], угол наклона форштевня которого составлял 21° к плоскости льда, а не 29°, как у имеющихся ледоколов. Такая форма носовой части (как показали эксперименты) позволяет в полтора раза уменьшить ледовое сопротивление. Ширина по ватерлинии 0,33 м, что соответствует у натурального ледокола 33 м. Максимальная высота тарана с ледоразрушающим ребром полупогружного ледокольного судна в модельном исполнении составляла 0,03 м (3 м у натуры). Угол наклона острого ребра тарана к продольной оси корпуса судна составил 1:10 (5°), что увеличило вертикальную разрушающую силу в десять раз по сравнению с упором винтов. Такой угол наклона тарана при его длине 200 м позволяет иметь высоту надводной надстройки 20 м, что позволяет производить заглубление корпуса судна на 10 м и более и, соответственно, приводит к снижению гидродинамического волнового сопротивления. Исследования показали семикратное снижение горизонтального усилия ледяного сопротивления при осуществлении заявляемого способа с использованием заявляемого судна. Сравнение проводилось по максимальным амплитудным значениям ледового сопротивления (для классической схемы). При этом при применении заявляемого способа обеспечивается плавность процесса разрушения (в отличие от классической схемы) разрушающая нагрузка практически постоянна. Ширина образующейся полыньи в пересчете на натуру составила 30-40 метров. Это позволяет судну свободно маневрировать, разворачиваясь на месте на 180°, и предотвращает возможность затирания судна льдами, одновременно с этим ширина полыньи позволяет проводить за собой обычные, не ледокольные судна. Кроме того, было установлено, что увеличение угла более чем 1:8 (7°) к продольной оси корпуса при фиксированном упоре винтов приводит к значительному снижению разрушающего вертикального усилия, а при углах, меньших чем 1:15 (3°), высота тарана с ребром становиться недостаточной даже при длине судна больше 200 м (в пересчете к натуре). При недостаточной высоте тарана с ребром при движении судна ледяные плиты упираются в надстройку 7 и создают дополнительное сопротивление, поэтому наименьший угол должен обеспечивать плавное обтекание разрушенными ледяными плитами надледной части тарана, не задевая надстройки 7.
Экспериментальная установка (фиг.6) состоит из направляющей, по которой ходит специальная каретка. Перемещение каретки осуществляется лебедкой с электроприводом. К каретке крепится исследуемая модель и на ней же расположено силоизмерительное устройство, измеряющее горизонтальное разрушающее усилие моделей. Все эксперименты проводились на моделях, изготовленных в масштабе 1:100 в натурных зимних условиях. Исследования проводились следующим образом. Вначале осуществлялся прогон модели тарана предлагаемой конструкции (фиг.7) на длине 4 метра, а затем модели классического ледокола (фиг.8) на такой же длине. Это обеспечивало равенство условий сравнительных испытаний. Результаты исследований приведены в таблице (фиг.9).
Новизна и преимущество заявляемого технического решение в части способа состоит также в том, что при горизонтальном движении судна за счет разрушающей силы, создаваемой острым ребром тарана, поднимающей лед снизу вверх, создается полынья, сравнимая с шириной судна (подтверждено экспериментально), что позволяет проводить по образующейся полынье другие судна. Причем для этого требуются в 7-10 раз меньше усилий от энергетических установок судна по сравнению с классической схемой, кроме того, с увеличением водоизмещения судна возрастает эффективность ледокольных свойств при той же мощности силовой установки. Предложенный способ позволяет сочетать мореходные качества судна по чистой воде с хорошими ледокольными. Кроме того, благодаря плавности движения при разрушении льда команда судна находится в комфортных условиях по сравнению с ледоколом. Это позволяет судну преодолевать любые арктические льды с приемлемой коммерческой скоростью. Полупогруженный режим движения на чистой воде также выгоден, т.к. значительно уменьшает гидродинамическое волновое сопротивление и снижает удары волн при штормах.
Таким образом, что совокупность известных и новых признаков предложенного технического решения позволяет обеспечить получение таких технических результатов как повышение эффективность движения судна в ледовых полях толщиной 3 м и более, а именно увеличение средней скорости движения, снижение мощности двигателя, имеющегося у судна, и повышение его ледопроходимости при невысоких энергетических затратах (повышение КПД) при обеспечении одновременно комфортных условий экипажа, и при этом позволяет создавать полынью, достаточную для обеспечении прохода других судов.
Литература:
1. Авторское свидетельство СССР №1758976. Устройство для разрушения льда.
2. Патент США №3868920. Semi-submerged cargo transport system.
3. Патент РФ №2360825. Устройство для разрушения ледяного покрова.
4. Заявка Нидерландов NL 2011/050494. Semi-submersible vessel and operating method.
5. Патент РФ №2389640. Арктическое ледокольное транспортное крупнотоннажное судно с ледостойким пилоном.
6. Патент РФ №95101443.
7. Ледоколы. В.И. Каштелян и др. Судостроение, 1972 г.
8. Патент США №4350114. Semi-submersible tanker with directional ice cutters.
9. Л.Г. Пой. Двухосадочный ледокол для Арктики // Атомная стратегия XXI, 2008, №36, стр.20.