АРКТИЧЕСКОЕ ЛЕДОКОЛЬНОЕ ТРАНСПОРТНОЕ КРУПНОТОННАЖНОЕ СУДНО С ЛЕДОСТОЙКИМ ПИЛОНОМ
ARCTIC ICE-BREAKER FREIGHT SUPERSHIP WITH ICREPROOF PYLON

Изобретение относится к морским крупнотоннажным транспортным средствам, предназначенным для эксплуатации в ледовых полях Арктики без ледокольного сопровождения, в том числе в условиях малых глубин Арктического шельфа.
В настоящее время перевозка грузов в осенний и весенний периоды в арктических районах осуществляется надводными транспортными судами ледового класса водоизмещением 10-20 тыс.т. во льдах средней толщины (1-1,5 м) при движении за ледоколом. Однако при движении судна за ледоколом во льдах большей толщины (более 2 м) такой способ проводки малоэффективен, т.к. арктические колотые льды зажимают транспортное судно, останавливая его в канале битого льда. Этот фактор значительно усиливается при перевозке грузов крупнотоннажными транспортными судами с увеличенной площадью ледового пояса, что делает их эксплуатацию в зимний период практически невозможной.
Известна концепция создания ледокольного газовоза вместимостью 125000 куб. м, СПГ мощностью 150000 л.с., способного двигаться без помощи ледокола в ледяных полях толщиной до 3 метров, проект которого разрабатывал консорциум Melville Shipping Ltd. Согласно этому проекту такой газовоз для обеспечения указанной вместимости имеет увеличенные главные размеры, а значит, и увеличенную площадь ледового пояса. Для обеспечения движения во льдах такого судна требуется создание специальной мощной силовой установки. Этот фактор, а также высокая стоимость всего проекта явились главными препятствиями для его осуществления.
Известен проект крупнотоннажного танкера для перевозки грузов подо льдами Арктики, разработанный компанией «Дженерал Дайнемикс» (Проблемы подводного судоходства в зарубежной Арктике», В.Ф.Бурханов и др. Сборник статей по иностранному судостроению, вып.126, 1965 г.). Это судно - подводный танкер, имеющий большую рабочую глубину погружения 120 м и, следовательно, прочный корпус. Подобные проекты подводных танкеров появились в последнее время и в России. Однако главные размеры таких танкеров, обусловленные рентабельностью перевозок, например высота (диаметр корпуса), составляет 25-30 м, требуют строительства глубоководных портов или оборудованных подводных хранилищ и причалов, отдаленных от берега. Это ограничивает выбор путей транспортировки груза и делает невозможным их эксплуатацию в условиях малых глубин арктического шельфа.
Известен полупогружной грузопассажирский танкер (патент РФ №2043261), принятый за прототип, содержащий подводный грузовой корпус и надводную часть с надстройкой, соединенные полыми стойками обтекаемой формы, в передней части которых установлены наклонные ледоразрушительные устройства.
Однако в целом судно-прототип может использоваться только для работы в условиях относительно тонкого льда. Для ледяных полей Арктики толщиной 2-3 м его ледоразрушительные устройства не смогут собой заменить мощных атомных ледоколов. Кроме того, при движении судна-прототипа за ледоколом во льдах даже средней толщины (1-1,5 м) ледяные обломки арктических полей будут застревать между его стойками, что увеличит общее сопротивление движению судна вплоть до его остановки. А в случае вмерзания такого судна в ледовое поле его освобождение ледоколом представляется невозможным, т.к. его конструкция не предусматривает подход ледокола для освобождения ото льда внутри его стоек.
Настоящее изобретение направлено на решение задачи создания крупнотоннажного судна, способного перевозить грузы в условиях северных морей, двигаясь самостоятельно без помощи ледокола, в том числе и в районах на малых глубинах, имеющихся на Арктическом шельфе российских морей.
Основной технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в повышении эффективности автономного ледоразрушающего устройства, имеющегося у судна, а также повышении ледопроходимости судна.
Указанный результат достигается за счет того, что аналогично прототипу заявленное ледокольное транспортное судно содержит подводный грузовой корпус, надводную часть в виде главной палубы с надстройкой, узел, соединяющий подводный корпус и надводную часть судна, а также ледоразрушающее устройство.
Однако в предлагаемом решении соединяющий узел в отличие от прототипа выполнен в виде ледостойкого пилона, вдоль которого проходит грузовая ватерлиния. Этот пилон расположен в носовой части подводного корпуса непосредственно за форпиком симметрично относительно диаметральной плоскости корпуса судна, а 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.
Необходимая высота подводного корпуса для эксплуатации судна в условиях малых глубин достигается за счет того, что в частном случае предлагаемого технического решения подводный корпус упомянутого судна в поперечном сечении выполнен в форме прямоугольника со скругленными углами, высота которого составляет не более 12 м, а отношение высоты к ширине не более 1:6.
В другом частном случае для размещения грузовых трубопроводов и устройств под верхней палубой подводного корпуса предусмотрен герметичный тоннель, проходящий от форпика до переборки машинного отделения, а для выполнения швартовых операций подводный корпус судна имеет в корме по обоим бортам выдвижные швартовные кнехты.
С учетом того, что при движении ледокольного судна во льдах возможны ситуации, когда сила ледового сопротивления превышает величину тяги гребных винтов, в этом случае приходится прибегать к продвижению судна «набегами». С целью использования кинетической энергии, возникающей при набегах вперед, для разрушения льда в еще одном частном случае дно носовой части подводного корпуса оборудовано, начиная от форпиковой переборки, двумя рельсовыми путями протяженностью около 50 м, выполненными симметрично диаметральной плоскости. На этих путях с возможностью перемещения по ним вперед и назад размещаются колесные тележки, на которые установлены два одинаковых контейнера, в которые загружено не менее 1/3 от общей массы твердого балласта.
В четвертом частном случае у форпиковой переборки подводного корпуса на расстоянии не менее 20 м от диаметральной плоскости симметрично расположены два вертикальных льдоупорных выдвижных гидродомкрата мощностью не менее 1,5 тыс. тонн. Эти домкраты предназначены для использования в аварийной ситуации при вмерзании пилона.
Для соединения подводного корпуса судна с его надводной частью предлагается ледостойкий пилон, передняя часть которого значительно выступает в нос от подводного корпуса и выполнена в виде ледоразрушающего устройства. Ширина всего пилона значительно меньше ширины подводного корпуса судна, и он выполнен в виде прочного корпуса с поперечным и продольным рамными наборами. Этот корпус имеет симметричную в плане форму в виде вытянутой трапеции с меньшим основанием в корме, в поперечном сечении - трапеции с меньшим основанием вверху, а транцевая переборка пилона верхним основанием наклонена в нос, при этом высота пилона обеспечивает движение главной палубы надо льдом, а подводного корпуса - ниже нижней кромки льда.
1
1
4
4
В частном случае предлагаемого технического решения длина пилона не превышает / длины подводного корпуса судна, ширина пилона составляет не более / ширины подводного корпуса судна, а высота пилона не более 20 м от верхней палубы подводного корпуса до главной палубы надводной части судна. Такие размеры позволяют обеспечить снижение площади ледового пояса в 3 и более раз по сравнению с площадью ледового пояса надводного судна равного водоизмещения, и значительно снижается величина результирующего вектора ряда факторов сопротивления движению судна в ледовом поле. За счет такого решения пилона обеспечивается минимально возможная площадь ледового пояса судна и тем самым обеспечивается повышенная ледопроходимость судна.
В другом частном случае передняя часть пилона - ледоразрушающее устройство, выступающее в нос на длину не менее 20 м, имеет форштевень, выполненный в виде цилиндрической оболочки, ось которой наклонена к плоскости ватерлинии под углом 10-20 градусов, к форштевню притыкается в диаметральной плоскости продольная переборка, а с обоих бортов обшивка ледоразрушающего устройства толщиной не менее 40 мм, обводы которой по обоим бортам снаружи имеют скулу, начинающуюся от форштевня на 1 м выше конструктивной ватерлинии и проходящую в корму до пересечения с конструктивной ватерлинией, образованную точками экстремума изменения кривизны шпангоутов, нижние ветви которых в носу под скулой имеют вогнутые очертания, а затем, постепенно изменяя кривизну на положительную, переходят к выпуклой форме, достигая прямой вертикальной линии в месте сопряжения ледоразрушающего устройства с остальным корпусом пилона. Совокупность признаков этого случая обеспечивает эффективность ледоразрушающего устройства и повышенную ледопроходимость судна.
В третьем частном случае наружная обшивка с обоих бортов и продольная переборка в диаметральной плоскости простираются по высоте от главной палубы до днища подводного корпуса, а по длине от форштевня до кормы пилона, что увеличивает прочность корпуса пилона.
В еще одном частном случае поперечное сечение форштевня пилона имеет форму полуэллипса, что также служит повышению ледопроходимости судна.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 показаны три проекции общего вида заявляемого арктического ледокольного транспортного крупнотоннажного судна.
На фиг.2 показан вид сбоку носовой оконечности судна, пилона с ледоразрушающим устройством и форштевнем.
На фиг.3 показана теоретическая форма шпангоутов носовой части пилона.
На фиг.4 показано размещение в носовой части подводного корпуса контейнеров с балластом.
Арктическое ледокольное крупнотоннажное транспортное судно представляет собой (фиг.1) трехкорпусную конструкцию, основными элементами которой являются форпиковая переборка 1, пилон с ледоразрушающим устройством 2, главная палуба 3, надстройка 4, верхняя палуба подводного корпуса 5, тоннель 6, грузовые танки 7, машинное отделение 8, подруливающее устройство 9, выдвижные кнехты 10, гидродомкраты 11, L, B, H - длина, ширина и высота борта.
У заявленного судна перевозимый груз расположен в подводном корпусе 5, имеющем размеры, обеспечивающие требуемую грузоподъемность и способность двигаться в условиях ограниченных глубин арктического шельфа. При этом подводный корпус благодаря малой рабочей глубине судна не требует прочного (усиленного) исполнения, кроме района верхней палубы подводного корпуса, соединяемой с пилоном.
Высота пилона должна быть достаточной для обеспечения движения подводного корпуса 5 подо льдом, а надводной части 2 - надо льдом. В случае исключительной ситуации - вмерзания судна в ледяное поле - высота и трапециевидность бортов его пилона 4 должны быть достаточны, чтобы обеспечить некоторое технологическое погружение судна, обеспечивающее подход ледокола для обкалывания льда. Кроме того, такая форма пилона обеспечивает уменьшение трения льдин по обшивке пилона.
Боковой вид пилона с ледоразрушающим устройством 2, его относительные размеры, а также практическое расположение по отношению к ледовому полю видно из фиг.2. Кроме того, на фиг.2 показано накатно-откатные емкости 12, обтекатель 13, форштевень 14, скула 15, а также h1 - высота главной палубы над ледовым полем (4,0 м), h2 - расчетная толщина льда (4 м), h3 - расстояние от верхней палубы подводного корпуса до нижней кромки льда; 1-1, 2-2, 3-3, 4-4, 5-5, 6-6 - положение поперечных сечений носовой оконечности.
Значительно выступающая в нос от подводного корпуса передняя часть пилона, доходящая до главной палубы, за счет этого вылета обеспечивает навал на кромку ледового поля и ее разрушение под действием усилия, создаваемого большой массой груза, размещенного в подводном корпусе, и массой надводной части судна с главной палубой и надстройкой, а также при непрерывном движении массой столба воды над верхней палубой носовой части подводного корпуса.
Носовые обводы ледоразрушающего устройства сформированы таким образом, что после навала на кромку льда в начале его разрушения обеспечивается притапливание, поворачивание и раздвигание льдин к и под боковые кромки ледового канала, а также продвижение льдин только вдоль бортов в отличие от ледокола, у которого значительная часть битого льда уходит под днище. Для этого на обоих бортах носовой части пилона выполнена скула, образуемая точками экстремума изменения кривизны шпангоутов, ветви которых ниже скулы имеют вогнутую форму, а далее в корму постепенно изменяют кривизну на выпуклую вплоть до наибольшей ширины пилона. Эта вогнутость способствует прохождению льдин только вдоль бортов ледоразрушающего устройства и пилона. Теоретическая форма шпангоутов показана на фиг.3 в сечениях фиг.2.
К кромкам форштевня с кормы притыкается обшивка таким образом, чтобы обеспечить свободный выход воды из-под льда для снижения значения вертикальной составляющей сопротивления движению судна от гидравлической упругости основания (воды), на котором лежит ледовое поле. Для этого шпангоуты ледоразрушающего устройства сразу за форштевнем, начиная от его кромок, выполнены ниже скулы с обратной кривизной (вогнутостью), за счет чего в обводах по обоим бортам образуются впадины для выхода воды из-под разрушаемого льда. Выходящая вода также способствует снижению коэффициента трения элементов колотого льда между собой и по обшивке пилона. Такая конструкция носа пилона - ледоразрушающего устройства - позволяет его форштевню не врезаться в лед, а только «наезжать» на него, разрушая ледовое поле под действием совокупного сосредоточенного усилия от трех его составляющих, указанных выше.
В диаметральной плоскости к форштевню с кормы притыкается продольная переборка, простирающаяся по длине до транцевой переборки пилона по всей его высоте от главной палубы до днища грузового корпуса. К кромкам форштевня с кормы притыкается с двух бортов усиленная наружная обшивка ледоразрушающего устройства, которая также «пронизывает» подводный корпус до его днища. Все конструкции ледоразрушающего устройства - форштевень, обшивка бортов, полотно продольной переборки в диаметральной плоскости, поперечный и продольный набор - образуют усиленную конструкцию носовой оконечности пилона, в целом способную преодолевать реакцию, возникающую при навале на ледовое поле. Для судна с грузом, например, 100 тыс. тонн на преодоление этой реакции направлены усилия массовой нагрузки носовой части подводного корпуса (1/4 длины судна) с грузом около 25 тыс. тонн, надводной части судна - около 2 тыс. тонн и при непрерывном движении, (постоянном действии реакции ледового поля) столба воды над всей площадью носовой части подводного корпуса - около 12 тыс. тонн. Итоговое сосредоточенное усилие разрушения льда приближенно будет составлять около 40 тыс.т, что позволит разрушать лед толщиной 3 м и более на непрерывном ходу, даже без учета динамической горизонтальной составляющей скорости движения и кинетической энергии массы судна.
Наличие подводного корпуса у заявленного судна обуславливает необходимость размещения в нем твердого балласта, так как массовая нагрузка у подводного транспортного судна всегда меньше его объемного нормального водоизмещения. В то же время в заявке предлагается использовать часть этого балласта не только по прямому назначению, но и для разрушения льда. На фиг.4 показано размещение контейнера с твердым балластом правого борта в поперечном сечении судна, где изображены: контейнер с балластом 12, прочная обшивка пилона 16, продольная переборка в диаметральной плоскости 17, второе дно 18, днищевой набор 19, колесная тележка 20, рельсовый путь 21, верхняя палуба подводного корпуса 22. В штатном положении эти контейнеры зафиксированы на расстоянии 50,0 м от форпиковой переборки, а при продвижении судна «набегами» накат их в нос будет добавлять кинетическую энергию массы судна и создавать дополнительное вертикальное усилие ледоразрушающего устройства для разрушения льда. В контейнерах размещено не менее 1/3 от массы твердого балласта, суммарная масса которого около 3 тыс. тонн для судна водоизмещением порядка 100 тыс.т.
Для преодоления аварийной ситуации (вмерзания судна) пилон в поперечном сечении выполнен в виде трапеции, с меньшим верхним основанием, при этом транцевая переборка верхним основанием наклонена в нос, что позволяет осуществить дополнительное погружение и освобождение ото льда. Кроме того, в аварийной ситуации судно для освобождения ото льда оборудовано двумя вертикальными выдвижными льдоупорными гидродомкратами мощностью около 1,5 тыс.т каждый, установленными у форпиковой переборки по обоим бортам на расстоянии 20 м от диаметральной плоскости. Эти гидродомкраты в выдвинутом состоянии создают давление на ледовое поле и совместно с массовой нагрузкой судна ломают лед по схеме изгиба балки, лежащей на двух опорах, загруженной посередине сосредоточенной силой.
Заявленное техническое решение арктического ледокольного транспортного крупнотоннажного судна, имеющего подводный грузовой корпус и надводную часть с главной палубой и надстройкой, пилон, соединяющий подводный корпус и надводную часть судна, а передняя часть которого выполнена в виде ледоразрушающего устройства, обеспечит автономное передвижение судна без ледокольного сопровождения в ледовых условиях Арктики, в том числе на малых глубинах в шельфовых районах арктических морей.