RU183492U1 - Ледокол с носовыми обводами ступенчатой формы для разрушения льда продавливанием - Google Patents

Abstract

Ледокол с носовыми обводами ступенчатой формы для разрушения льда продавливанием предназначен для прохода через ледовые поля на скорости около 10 узлов, при которой деформация сжатия льда переходит в деформацию удара, которой присуще более низкое временное сопротивление и за счет этого требуются меньшая масса судна и мощность силовой установки для повышенной ледопроходимости. При движении вперед узкий выдающийся форштевень образует магистральную трещину, вдоль которой сверху на кромки льда заходят горизонтальные поверхности ступеней обводов, разновременно продавливают ледовое поле вниз вдоль кристаллов льда полосами на ширину каждой ступени. Обломленные фрагменты льда двигаются по наклонным поверхностям ступеней вниз до глубины нижнего края льда и сдвигаются вертикальными поверхностями ступеней, изогнутыми в сторону бортов, под ледовый покров.

Description

Ледокол с носовыми обводами ступенчатой формы для разрушения льда продавливанием относится к судостроению и водному транспорту и касается технологии фрагментарного разрушения ледового покрова при плавании во льдах различной толщины.

Улучшенные характеристики разрушения льда обеспечиваются выступающим вперед узким форштевнем и ступенчатой формой носовых обводов на ширину судна для продольного фрагментарного продавливания-сдвига льда различной толщины вниз наклонными поверхностями вдоль корпуса, что повышает ледопроходимость ледокола.

Существующие ледоколы имеют закругленные носовые обводы с носовыми шпангоутами U-образной формы. При взаимодействии со льдом сила давления таких обводов разделяется на три составляющие:

продольную - направлена горизонтально вдоль движения, сминает поверхность льда, заставляет нос вылезать наверх, чтобы весом носовой части прогибать льдины обводами вокруг;

поперечную - направлена горизонтально от бортов в стороны под углом 90 град к линии движения, сминает поверхность ледового поля, раздвигает льдины и прижимает вертикально вставшие к кромке неразрушенного ледового поля; вертикальную - направлена вниз, сминает и изгибает лед до излома, притапливает льдины и поворачивает их вертикально.

В зависимости от конфигурации носовой оконечности - горизонтального угла схождения обводов, угла наклона форштевня и углов развала носовых шпангоутов силы давления на лед имеют разную величину. Это сказывается на ледопроходимости ледокола т.к. сила сопротивления льда зависит от вида и направления нагрузки по отношению к вертикальному расположению кристаллов в ледовом массиве. Эта зависимость определена исследованиями. Так в работе И.А. Степанюк «ТЕХНОЛОГИИ ИСПЫТАНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЯ МОРСКОГО ЛЬДА» Гидрометеоиздат 2001 г. приведены характеристики морского льда и данные его прочности в зависимости от ориентации и вида нагрузки и скорости ее изменения. В ней указано, что реальный лед в большинстве случаев анизотропен по своим свойствам. Прочность льда на сжатие вдоль кристаллов (вертикальный образец), значительно (до 5 раз) превышает нагрузку, прикладываемую поперек кристаллов, прочность льда на изгиб примерно в два раза меньше прочности на сжатие, а прочность на срез (взаимный сдвиг фрагментов) при вертикальной ориентации (действие нагрузки вдоль кристаллов) образцов столбчатой кристаллической структуры в 3-3,5 раза меньше, чем при горизонтальной (поперек) ориентации. Кроме этого, на прочность льда сказывается скорость изменения нагрузки и когда она приобретает характер динамической, вид деформации меняется - деформация сжатия переходит в деформацию удара, которой присуще более низкое временное сопротивление.

Таким образом, для сдвига между собой фрагментов льда по вертикали при достаточной скорости изменения нагрузки (скорости движения ледокола) требуется примерно в 4-5 раз меньше усилий, чем для разрушения льда смятием или изгибом.

Современные носовые обводы ледоколов выполняются исходя из принятого основного принципа ломки льда изгибом, поэтому имеют ложкообразные обводы и, чтобы проложить канал во льду ледокол сначала заходит носовой частью на льдину, сминает верхний слой, затем весом этой части корпуса прогибает лед, который ломается на большие фрагменты шире носовых обводов, и после излома куски льда из примыкающего ледового покрова поворачиваются обводами корпуса вертикально, раздвигаются в стороны к кромке ледового поля. При этом, закругленные обводы сминают лед вдоль кристаллов, и ледокол двигается, преодолевая трение льдин по цилиндрической части всего корпуса, затем льдины затягиваются струей воды на винты, чем уменьшается их сила упора. Общее ледовое сопротивление будущих форм корпусов ледоколов рассчитывают исходя из практических наблюдений, испытаний в ледовых бассейнах и теоретических расчетов усилий на смятие и изгиб льда, как основного принципа прокладки ледового канала, силы трения корпуса о лед и снег и других факторов.

Имеется в эксплуатации ледокол «МУДЬЮГ» с почти квадратной носовой оконечностью в горизонтальной плоскости, с наклонной от главной палубы к основной плоскости вогнутой поверхностью и специальными боковыми выступами-ледорезами. При движении ледокол продавливает боковыми ледорезами ледовый покров под корпус сразу по всей ширине корпуса вниз, оставляя сплошным ледовое поле по бортам. Разрушенный ледовый массив идет по вогнутой наклонной поверхности под корпус, но при увеличении толщины льда до метра под корпусом образуется массивная ледовая подушка, которая препятствует движению и останавливает ледокол даже при работе на полную мощность двигателей.

Есть Патент РФ 2458812, «Устройство для концентрированного разрушения ледового поля». Устройство находится перед форштевнем и своей малой площадью по горизонтали существенно повышает удельное давление на лед, что позволяет продавить льдину большой 3-4 м толщины и получить магистральную трещину впереди ледокола в несколько метров. Это нарушает монолитность и сплоченность толстого ледового поля, облегчает изгиб вдоль трещины кромок ледового покрова шире корпуса на отдельные льдины. Но затем обломки притапливаются, поворачиваются вертикально и раздвигаются обводами, дальше идут вдоль цилиндрической части корпуса и затрудняют продвижение ледокола, что, в конечном счете, требует значительных энергозатрат, уменьшает общую ледопроходимость.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение ледопроходимости ледокола для преодоления ледового сопротивления движению при меньших затратах энергии, снижению выбросов вредных веществ в атмосферу и улучшению экологической обстановки в Арктике.

Техническим результатом является прокладка канала в ледовом поле увеличенной толщины и повышение ледопроходимости ледокола при меньшей мощности силовой установки.

Технический результат достигается применением узкого 1-1.5 м форштевня, выступающего вперед на 2-3 метра и ступенчатой формой носовых обводов корпуса, с шагом не менее толщины льда в районе плавания. Продольные наклонные поверхности ступеней идут перпендикулярно к диаметральной плоскости судна (ДП) от палубы носа вниз корпуса до основной плоскости с наклоном около 20-30 град. При соприкосновении с ледовым покровом такая форма обводов разрушает лед не на всю ширину корпуса сразу, а раздельно продольными полосами по ширине каждой ступени силой вертикального давления наклонных поверхностей вниз, сдвигая (скалывая) эти фрагменты льда поочередно по вертикали вниз, начиная от форштевня, относительно поверхности остающейся по бокам части ледового поля. Проходя по наклонным поверхностям ступеней вниз, ниже толщины ледового покрова, куски льдин сдвигаются изогнутыми частями вертикальных поверхностей ступеней в стороны под лед. Количество ступеней, их ширина зависят от технических характеристик ледокола, размеров необходимого канала и глубины моря, толщины льда в будущем районе плавания.

В результате прохода ледокола через ледовое поле будет оставаться канал по ширине ледокола, а фрагменты льдин, по размерам ступеней, будут уходить под корпус и сдвигаться под ледовый покров. Свободный от больших льдин канал облегчит плавание судов в караване.

Конструкция носовых обводов ступенчатой формы изображена на Фиг. 1 (вид спереди), Фиг. 2 (вид снизу) и Фиг. 3 (вид сбоку). Наклонный под углом около 20-30 град форштевень с выступом (5) шириной 1-1,5 м, выдвинут перед первой наклонной ступенью (4), подобные симметричные наклонные ступени (1, 2, 3) (например, для АЛК проекта 22220 «Арктика» с шириной корпуса 33 м возможное количество: 4 ступени по 4 метра шириной по каждому борту или 5 ступеней по 3.2 м по каждому борту при ширине выступающего форштевня 1 м). Вертикальные поверхности ступеней (6, 7, 8, 9), переходят в изогнутые участки (10, 11, 12, 13) для смещения обломанных фрагментов льда под водой в стороны под поверхность ледового покрова. Вертикальные борта (14) цилиндрической части корпуса, усиленный носовой палубный пояс (15) для выравнивания поверхности льда перед продавливанием, фальшборт 16, конструкционная ватерлиния судна - КВЛ.

На Фиг. 4 изображено фото снизу носовой оконечности левой половины корпуса, на Фиг. 5 - фото слева носовой оконечности левой половины корпуса: форштевень 5, усиленный носовой пояс 15, вертикальная поверхность 6 крайней бортовой ступени, изогнутая к борту часть 13 вертикальной поверхности бортовой ступени, наклонная поверхность бортовой ступени 1, цилиндрическая часть левого борта корпуса 14, конструкционная ватерлиния судна - КВЛ.

Взаимодействие предлагаемой формы носовых обводов с ледовым полем происходит следующим образом. При ударе на достаточной для существующего льда скорости узким выступом (5) форштевня по вертикали в толщину льда, в ледовом покрове появляется продольная магистральная трещина длиной несколько метров, чем нарушается монолитность льдины. Вслед за образованием трещины на края расколотой льдины вдоль магистральной трещины надвигается наклонная поверхность первой от форштевня ступени (4) и силой веса носовой части корпуса сдвигает фрагмент льда края трещины на ширину ступени вниз вдоль кристаллов. Т.к. прочность льда на сдвиг вдоль кристаллов значительно в 4-5 раз меньше прочности на смятие или излом, то эта полоса льда уходит вниз, отламываясь от остающейся наплаву части льдины. Сдвинутые вниз и отломившиеся куски льда за счет скорости ледокола перемещаются водой по наклонной поверхности ступени под корпус до глубины нижнего края ледового поля, и далее изогнутой частью вертикальной поверхности (10) ступени двигаются в сторону бортов под ледовый покров. Таким же образом на остающийся край поверхности льдины действует следующая ступень (3), сдвигает на свою ширину полосу льда вниз, которая тоже ломаясь, уходит под корпус и двигается в сторону изогнутой частью поверхности (11) под лед вместе с кусками от ступени центральной части. Такой процесс сдвига льда вниз повторяется каждой следующей ступенью 2,1, и за последней по ширине судна ступенью (1) по краю канала нет обломанных и вертикально повернутых кусков льдин, цилиндрическая часть бортов корпуса 14 идет между ледовых кромок по каналу свободно, без трения. Благодаря кристаллической структуре льда и неодинаковой прочности участков ледового покрова, при достаточной скорости воздействия, происходит разновременное хрупкое разрушение ледового массива сдвигом вниз на разные по величине фрагменты. Таким образом, соударение ступеней корпуса с неразрушенным ледовым массивом происходит разновременно.

Разновременный фрагментарный процесс разрушения массива льда ступенями требует значительно меньше энергии, чем у существующих ледоколов, когда давление или соприкосновение на малой скорости округлых носовых обводов с кромкой ледового поля сминает покров, затем прогибает его, и силой упора винтов носовая часть корпуса выходит на поверхность льдины всей площадью обводов. В такой ситуации ледоколы и суда ледового плавания, обычно, останавливаются и требуется немало усилий для сползания носовой части корпуса с льдины назад и возвращения судна обратно на воду в состояние свободной плавучести. Если удельное давление носовой части на лед окажется достаточным для изгиба и последующего излома ледового поля, оно разрушается по размеру больше ширины корпуса на отдельные льдины, которые затем притапливаются и поворачиваются вертикально носовой частью, раздвигаются и прижимаются к кромкам канала бортовыми обводами, создавая дополнительное трение корпуса об эти льдины. В таком вертикальном положении льдины доходят до кормовых подзоров, и струей винтов затягиваются под корму, представляя опасность повреждения незащищенной винторулевой группе любого типа.

При плавании ледокола со ступенчатыми обводами в разрушенном льду узкий форштевень будет раскалывать большие льдины и раздвигать мелкие, которые, попадая при движении под наклонные поверхности ступеней, силой течения воды будут проталкиваться вниз и сдвигаться к бортам расходящимися в стороны изогнутыми частями вертикальных поверхностей ступеней под плавающий слой расколотого льда. Поэтому перед ледоколом не будут собираться обломки льдин и тормозить движение. Ледоколам с классическими обводами нужна значительная энергия при плавании в крупнобитом льду для смятия поверхности льда, излома больших льдин и раздвигания широкими носовыми обводами отломанных кусков, их притапливания и поворачивания, и последующего преодоления трения льда о цилиндрическую часть корпуса.

В предлагаемой модели понадобится значительно меньше энергии, которая нужна только на вертикальный сдвиг вдоль кристаллов ледового покрова, притапливание кусков льда ступенями сразу под корпус и преодоление трения на движение вниз по поверхностям ступенчатых носовых обводов до выталкивания обломков под плавающий слой льда. За ледоколом остается свободный от крупных льдин канал по ширине корпуса для прохода ведомых судов.

Разрушение льда не на принципе ломки льда изгибом, а продавливанием - сдвигом вдоль кристаллов наклонными поверхностями ступенчатых обводов позволит значительно уменьшить массу (водоизмещение) и осадку ледоколов для плавания в толстом льду на мелководных участках морей и в устьях рек. Таким образом, для разрушения льда и повышения ледопроходимости ледоколов понадобится меньшая общая мощность силовой установки и меньшая прочность винторулевого комплекса, что снизит затраты на строительство и уменьшит выбросы продуктов сгорания в атмосферу.

Claims (1)

1. Ледокол с носовыми обводами для разрушения льда продавливанием, содержащий форштевень и носовые обводы ступенчатой формы, отличающийся тем, что имеет выступающий узкий шириной 1-1,5 м форштевень для раскалывания ледового покрова с образованием магистральной трещины, ступени, имеющие наклонные поверхности, перпендикулярные диаметральной плоскости корпуса, для продавливания – вертикального сдвига вниз вдоль кристаллов полос льда по ширине каждой ступени, и вертикальные поверхности с изогнутыми внизу к бортам частями для выталкивания фрагментов льда под поверхность ледового покрова для образования за ледоколом канала, свободного от больших льдин для безопасного прохода следующих караваном судов.

Images