Полупогружной ледокол

Полупогружной ледокол

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано при создании ледоколов круглогодичного, всепогодного плавания, точнее к разрушению ледяного покрова морскими ледокольными судами, использующих подъемную архимедову и гидродинамическую силу.

Известно полупогружное ледокольное судно [1], состоящее из подводного грузового корпуса с двигателями и движителями и надводной части с надстройкой, причем подводный корпус содержит ледоразрушающее устройство и балластные камеры. Недостатком такого устройства является невозможность функционирования в толстых льдах.

Известно полупогружное ледокольное судно [2], состоящее из подводного грузового корпуса с двигателями и движителями, соединенного с ледоразрушающим устройством и надводной части с надстройкой, причем подводный корпус содержит балластные камеры. Недостатком данного ледокола является то, что разрушающее лед 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, что не позволяет проводить за собой другие суда и высока вероятность затирания его льдами, причем судно не имеет возможности освободиться само, т.к. не может развернуться на 180°, а при его движении поворотная надстройка будет испытывать большие перегрузки на поворотный механизм.

Наиболее близким является полупогружное ледокольное транспортное судно [3] для перевозки жидких, сыпучих грузов и контейнеров, состоящее из подводного грузового корпуса с двигателями, движителями и горизонтальными гидродинамическими рулями, снабженного устройством в виде одного тарана с ледоразрушающим ребром, расположенного вдоль всего корпуса в диаметральной плоскости судна. При большой грузоподъемности 100 тыс.т и более судно обладает значительными габаритами и осадкой. Ширина полыньи, как показали эксперименты, составляет величину порядка 30-40 метров, что не дает возможности проводить за собой суда большого водоизмещения.

В основу настоящего изобретения положена задача создания ледокола, способного разрушать любые Арктические льды с шириной образующейся полыньи 100-120 метров и более для проводки, маневрирования и расхождения супертанкеров и других крупнотоннажных судов; сверхманевренного, способного работать на глубинах до 5 метров в устьях рек и акваториях портов и разрушать лед вокруг морских буровых платформ. Ледокола с массой конструкции в 1,5-2 раза меньшей, чем у современных ледоколов, а следовательно, и меньшей стоимости, и с величиной вертикального разрушающего усилия, равного или превышающего полный вес современных ледоколов, способного преодолеть любые льды.

Поставленная задача достигается тем, что в техническом решении полупогружной ледокол состоит из подводного корпуса с двигателями, движителями, соединенного с ледоразрушающим устройством в виде трех таранов с наклонными разрушающими ребрами, расположенным вдоль всего корпуса сверху. Средний таран находится в диаметральной плоскости судна и снабжен надводной частью, состоящей из надстройки, закрепленной на прочном плавнике. Боковые тараны расположены вдоль бортов (бортовые). Для снижения разрушающего усилия разрушающие кромки среднего тарана смещены в нос и корму относительно кромок бортовых таранов на величину L₁, равную (0,1-0,2)S, где S - расстояние между бортовыми таранами. Разрушающие ребра всех таранов расположены под острым углом к горизонтальной плоскости подводного корпуса судна как в носовой, так и в кормовой частях корпуса судна. В частности, угол наклона разрушающего ребра всех таранов может составлять не более 10° к горизонтальной плоскости подводного корпуса судна.

Подводный корпус ледокола представляет собой широкую плоскую конструкцию, выполненную в виде крыла малого удлинения, с гидродинамическим профилем. Отношение ширины S₂ подводного корпуса к длине L составляет 0,6-1,0, высота подводного корпуса H равна 3-10% от длины L корпуса. Расстояние S между бортовыми таранами определяется соотношением S=S₁-n, где S₁ - ширина создаваемой полыньи в метрах, n - экспериментально определенная величина, равная 30-40 м.

Подводный корпус содержит балластные цистерны, занимающие большую часть объема корпуса. Площадь герметичной обшивки днища подводного корпуса не превышает 25-30% от общей площади днища, т.к. балластные цистерны подводного корпуса для более быстрого заполнения водой и ее вытеснения воздухом могут быть выполнены без сплошного дна. Герметичными выполняются только верхние и боковые части (эффект водолазного колокола). Герметичная обшивка располагается только в районе машинного отделения, топливных баков и в районе других необходимых герметичных объемов. Отсутствие герметичного днища на большей части площади повышает живучесть ледокола и безопасность его работы на мелководном шельфе. Полностью герметичной выполняется обшивка верхней части подводного корпуса и бортов ледокола. Маршевые движители максимально разнесены к бортам корпуса.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид полупогружного ледокола при разрушении ледяного покрова, на фиг. 2 и 3 - соответственно вид сбоку и вид сверху. Ледокол состоит из подводного корпуса 1, среднего тарана 2 с разрушающими ребрами 3, бортовых таранов 4 с разрушающими ребрами 5, надстройки 6, закрепленной на плавнике 7, и движителей 8. Угол α - угол между разрушающими ребрами и плоскостью льда, Y - вертикальная разрушающая сила, X - горизонтальная сила (упор движителей).

Устройство работает следующим образом. Вертикальная разрушающая сила Y, направленная снизу вверх, создается всей положительной плавучестью судна и/или гидродинамической подъемной силой подводного корпуса. Разрушение ледяного покрова начинается средним тараном 2, а затем образовавшаяся полынья расширяется бортовыми таранами 4. Такая последовательность разрушения значительно снижает величину вертикального разрушающего усилия и позволяет создавать широкую полынью. Разрушающая вертикальная сила Y=X/tgα при малых углах α может во много раз превосходить величину X упора движителей. Угол α может изменяться дифферентом судна, при этом, исходя из обеспечения оптимального условия разрушения льда при работе ледокола величина угла α предпочтительно не должна превышать 10°. Разрушение особо мощных льдов осуществляется следующим образом: ледокол, заполняя цистерны водой, погружает корпус 1 и заводит его под лед до плавника 7, продувая цистерны воздухом и всплывая, разрушает лед таранами 2, 4. Затем весь процесс повторяется. Движение ледокола имеет волнообразный характер. Процесс разрушения льда ледоколом при движении задним ходом аналогичен. Разнесение движителей 8 к бортам широкого корпуса 1 позволяет эффективно управлять ледоколом по курсу только маршевыми движителями, отказавшись от рулей поворота,как легко повреждаемых элементов. При реверсе одного из движителей ледокол может разворачиваться в полынье на 180° практически на месте. Полупогруженный характер движения имеет преимущество и на чистой ото льда воде за счет снижения волнового сопротивления и снижения нагрузок на корпус в шторм, т.к. ударам волн подвержен только прочный плавник ходовой рубки. Связь с атмосферой позволяет использовать обычные (не атомные) судовые двигатели. Сравнительные экспериментальные исследования, проведенные на маломасштабных моделях с одним разрушающим тараном, показали семикратное снижение величины упора движителей, необходимого для разрушения льда. Сравнение проводилось с моделью ледокола, имеющей классические обводы корпуса. При этом процесс разрушения ледяного покрова носил плавный характер, что уменьшает динамические нагрузки на корпус и повышает комфортность экипажа. При использовании трех разрушающих таранов, как показывают расчеты, основанные на экспериментальных данных, величина упора движителей снижается в 2-3 раза, что тоже позволяет устанавливать двигатели меньшей мощности.

Пример конкретного применения: пусть ледокольное судно имеет длину L=130 м, ширину S₂=100 м и высоту корпуса Н=4 м, расстояние между боковыми таранами S=90 м. Тогда горизонтальная площадь подводного корпуса составит величину 12 тыс. м², объем корпуса - 42 тыс. м³. При весе конструкции снаряженного ледокола 16 тыс.т, положительная плавучесть (вертикальная разрушающая сила) будет равна 26 тыс.т. Вес корпуса определялся исходя из толщины стальной обшивки носовой части, таранов и плавника в 50 мм, остальной обшивки 30 мм (как у современных ледоколов). Гидродинамическая подъемная сила корпуса на скорости 3 м/сек (10,8 км/час) составит величину порядка 4900 т, а при скорости 5 м/сек (18 км/час) величину - 13700 т. Тогда вертикальная разрушающая сила при этих скоростях в сумме составит величины: 30900 т и 39700 т, соответственно, при мощности на валах - 30-40 Мвт. При n=30 м ширина образующейся полыньи S₁=S+30 будет равна 120 м. Плоская конструкция корпуса позволяет судну работать на глубине до 6 м. Сравним заявленный ледокол с последним построенным ледоколом и перспективным ледоколом, находящимся в процессе постройки.

Ледокол «50 лет Победы» (в состоянии эксплуатации)	Ледокол проекта 22220 «Арктика» (в состоянии строительства)
Длина - 160 м	Длина - 173,3 м
Ширина - 30 м	Ширина - 34 м
Осадка - 11 м	Осадка - 10,5 м или 8,55 м
Водоизмещение - 25000 т	Водоизмещение - 33540 т
Мощность на валах - 50 МВт	Мощность на валах - 60 МВт
Предельная толщина льда - 2,5 м	Предельная толщина льда - 2,9 м

Сравнительный анализ показывает, что при водоизмещении в 1,5-2 раза меньшем, а следовательно, и меньшей стоимости заявляемого ледокола, создаваемая им при работе суммарная вертикальная разрушающая сила в 1,5 раза больше или равна полному водоизмещению приведенных ледоколов. Такая сила разрушит любые Арктические льды. При этом необходимая мощность на валах в 1,5-2 раза меньше. Ширина образующейся полыньи в 3-4 раза больше, предельные рабочие глубины почти в 1,5-2 раза меньше.

Источники информации

1. Заявка Нидерландов NL2011/050494, Semi-submersible vessel and operating method.

2. Патент США №4350114. Semi-submersible tanker with directional ice cutters.

3. Патент РФ №2535346. Способ разрушения ледяного покрова и полупогружное ледокольное судно.

1. Полупогружной ледокол, содержащий подводный корпус с двигателями, движителями, балластными цистернами, соединенный с ледоразрушающим устройством, имеющим наклонные разрушающие ребра, расположенные вдоль всего корпуса сверху, и надводную часть с надстройкой, отличающийся тем, что подводный корпус имеет широкую плоскую форму и выполнен в виде крыла малого удлинения с гидродинамическим профилем, создающего вертикальную разрушающую силу, направленную снизу вверх, создаваемую положительной плавучестью и/или гидродинамической подъемной силой всего подводного корпуса, а ледоразрушающее устройство выполнено в виде трех наклонных таранов - среднего и двух бортовых, расположенных на одинаковом расстоянии от среднего тарана, причем разрушающие ребра среднего тарана смещены в нос и корму относительно ребер бортовых таранов на величину L₁, равную (0,1-0,2)S, где S - расстояние между бортовыми таранами, при этом балластные цистерны занимают весь свободный объем подводного корпуса.

2. Полупогружной ледокол по п.1, отличающийся тем, что разрушающие ребра всех таранов расположены под углом не более 10° к горизонтальной плоскости подводного корпуса судна.

3. Полупогружной ледокол по п.1, отличающийся тем, что отношение ширины подводного корпуса к длине составляет 0,6-1,0.

4. Полупогружной ледокол по п.1, отличающийся тем, что высота подводного корпуса составляет 3-10% от длины подводного корпуса.

5. Полупогружной ледокол по п.1, отличающийся тем, что расстояние S между бортовыми таранами определяется соотношением S=S₁-n, где S₁ - ширина создаваемой полыньи в метрах, a n - экспериментально определенная величина, равная 30-40 м.

6. Полупогружной ледокол по п.1, отличающийся тем, что содержит разнесенные к бортам маршевые движители, обеспечивающие высокую маневренность и возможность разворота судна на 180° на месте при реверсе одного из движителей.

7. Полупогружной ледокол по п.1, отличающийся тем, что вертикальная разрушающая сила равна или превышает вес снаряженного ледокола.

8. Полупогружной ледокол по п.1, отличающийся тем, что площадь герметичной обшивки днища подводного корпуса не превышает 25-30% от общей площади днища.