ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУДОВ
СУДОСТРОЕНИЕ 3'2001
УПРАВЛЯЕМОСТЬ ТОЛКАЕМОГО СОСТАВА В СПЛОШНЫХ ЛЬДАХ
Н. В. Куликов, канд. техн. наук (НК «ЛУКойл»),
К. Е. Сазонов, канд. техн. наук (ГНЦ ЦНИИ им. академика
А. Н. Крылова) УДК 629.561.2.023.242
В журнале «Судостроение» № 6 за 2000 г. напечатана заметка капитана дальнего плавания В. И. Або-носимова [1], которая содержит критический разбор нашей статьи [2]. Сам факт появления в печати такого отклика свидетельствует об интересе научно-технической общественности к заявленной теме. В самом деле, вопросы, связанные с освоением Арктики, а более конкретно, с добычей на арктическом шельфе нефти и газа, а также с организацией их вывоза, весьма актуальны. Эта актуальность явилась причиной разработки различных проектов транспортных систем для Арктики. Одним из возможных путей решения этой проблемы может быть использование баржебуксирных составов (ББС) наряду с такими техническими решениями, как использование крупнотоннажных танкеров усиленного ледового класса или специальных подводных лодок. Все эти варианты рассматривались в печати [3, 4], причем авторами предпринимались попытки с различных точек зрения рассмотреть их достоинства и недостатки. Последовательное и всестороннее рассмотрение различных аспектов применения того или иного технического средства позволит избежать скоропалительных решений, которые ранее, к сожалению, принимались применительно к ледокольной технике.
Статья [2] как раз и была посвящена рассмотрению возможности использования ББС с точки зрения ледовой ходкости, и выводы, представленные в ней, получены только с этой точки зрения. В статье, представленной в этом номере журнала, рассматриваются вопросы, связанные с управляемостью ББС в ледовых условиях.
Если отбросить эмоциональную составляющую, содержащуюся в заметке В. И. Абоносимова, то по существу его замечания сводятся к следующим пунктам: баржа, входящая в состав ББС, должна иметь крепкий корпус; крайне невыгодно буксировать баржу ледоколом по чистой воде, например, из Владивостока до
Берингова пролива; при плавании в Арктике необходимо «выбирать дорогу», а капитан ледокола не будет иметь возможность это сделать, так как находящаяся впереди баржа существенно ухудшает видимость.
Рассмотрим эти замечания более конкретно. Обеспечение прочности корпуса, соответствующей условиям плавания, является необходимым условием при создании любой транспортной системы. Крупнотоннажные суда, предназначенные для транзитного плавания по трассе Северного морского пути, должны иметь категорию ледовых подкреплений Лу7— Лу8 по новой классификации Регистра. При движении во льдах, даже при проводке ледоколом, эти суда будут вынуждены доламывать ледовое поле своим корпусом. Поэтому прочность корпуса баржи, продвигаемой во льдах методом толкания, не будет существенно отличаться от прочности самоходного судна. Мы полагаем, что более важным вопросом, от решения которого зависит возможность использования ББС, является вопрос прочности сцепного устройства толкача и баржи. Для этого необходимо провести специальные исследования и расчеты.
Вопрос о необходимости буксировки баржи на чистой воде ледоколом вообще не обсуждался в статье [2], так как, по нашему мнению, он относится к числу организационных. В случае создания транспортной системы, в состав которой будут включены ББС, необходимо предусмотреть наличие специальных буксиров-толкачей для транспортировки баржи по чистой воде.
Последнее замечание, касающееся тактики плавания в ледовых условиях, с точки зрения сегодняшних представлений о тактике ледоколов совершенно правильное. Однако оно не применимо к крупнотоннажным судам. Обсуждаемая в настоящее время возможность использования в Арктике крупнотоннажных транспортных судов приводит к необходимости отказа от традиционной тактики использования ледоколов.
Во-первых, это связано с тем, что ширина судна существенно превышает ширину ледокола. Поэтому даже при движении такого судна по каналу, проложенному ледоколом, большой объем работы по созданию свободного ото льда прохода транспортное судно берет на себя, что определяет довольно высокую энерговооруженность судна в соответствии с новыми требованиями Регистра и приводит к концепции самостоятельного плавания судна. В этом случае ледоколу отводится вспомогательная роль обеспечивающего судна. Например, в условиях ледовых сжатий возможна предварительная прокладка канала ледоколом, причем крупнотоннажное судно движется параллельно проложенному каналу, скалывая и сдвигая в него льдины. Необходимо также отметить, что традиционный способ проводки судна, когда судно располагается в канале за ледоколом в непосредственной близи от него, для крупнотоннажных судов перестает быть безопасным. В случае резкой остановки ледокола практически неизбежен навал судна, обладающего большой инерционностью, на корму ледокола.
Во-вторых, крупнотоннажное судно имеет худшие характеристики ледовой управляемости, чем традиционные суда ледового плавания, и при самостоятельном плавании, и при движении по каналу оно будет двигаться почти прямолинейно. Таким образом, возможности «выбирать дорогу» у таких судов не будет или она будет существенно снижена. Это обстоятельство в какой-то мере снижает отрицательный эффект ухудшения видимости. Тем не менее, проблема остается и для крупнотоннажных ледовых танкеров. По-видимому, ее можно решить, располагая выносной мастик в носовой части танкера или баржи.
Необходимо еще раз подчеркнуть, что в процессе создания новой транспортной системы для российской Арктики необходимо проводить всесторонний анализ любых, в том числе и нетрадиционных, технических решений для нахождения наиболее оптимального. Этот анализ должен включать технические, экономические, организационные и любые другие значимые аспекты. Только после этого можно быть уверенным в
правильности принятых решений. * * *
СУДОСТРОЕНИЕ 3'2001
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СУДОВ
Для оценки возможности применения для перевозок в Арктике ББС необходимо иметь информацию об их ледовых качествах и о ледовой управляемости. В настоящее время разработаны методики расчета характеристик управляемости ББС при движении на чистой воде [5], однако при этом невозможно учесть ледовые воздействия на ББС и оценить усилия, возникающие в сцепном устройстве между толкачом и баржей при маневрировании ББС в ледовых условиях. В данной работе для расчета параметров установившейся циркуляции ББС в сплошных льдах и оценки сил в сцепном устройстве был разработан метод, базирующийся на интегральном представлении ледовых сил и моментов, действующих на маневрирующее судно [6], и решении уравнений установившегося движения состава. При рассмотрении движения ББС в ледовых условиях, в отличие от движения на чистой воде, необходимо использовать три уравнения движения, так как зависимость гидродинамических и ледовых сил и моментов от скорости движения состава разная. Поэтому невозможно упростить уравнения движения, исключив из них уравнение, определяющее скорость движения состава. На рис. 1 показаны схема ББС, а также системы координат состава. Уравнения движения записываются раздельно для баржи и толкача в подвижных системах координат ХбОбУб и ХтОтУт, начало которых совпадает с центрами тяжести баржи и толкача соответственно. В сцепном устройстве вводятся неизвестные усилие и момент Мс Усилие задается проекциями Хс и Ус на оси координат в системе ХбОбУб: уравнения движения баржи:
Хс - ^ - Х1 - Хв^ " 0; ус- Увр - V Ув^ = 0;Ш Мс + ЧР - Ч-Чю + Ус1с = 0;
уравнения движения толкача:
7есоб8 - Х^ - Хт^ - ХсСОБ^ = 0, + У
7еб1П§ - Утр + Уш - УсСОБ^ = 0,
(2)
Рис. 1. Схема ББС и системы координат
Хw — сопротивление воды при движении судна на циркуляции; Х|(ч), У^ — инерционные силы; У^, М^ — позиционные сила и момент; Мю — демпфирующий момент; Х|, У|, М| — ледовые силы и момент; /с — отстояние сцепного устройства от центра тяжести баржи; ТЕ — тяга движи-тельного комплекса толкача; £т — длина толкача; 8 — угол перекладки винторулевой колонки; ^ — угол между диаметральными плоскостями баржи и толкача.
При определении гидродинамических усилий на корпус толкача по стандартной методике [5] угол дрейфа вт, угловая скорость ют и скорость движения Ут задавались следующими выражениями:
Рт = Рв - агс*9 ют = юв = ю; V V
^ )
ю
Г
(3)
(7еб1П8 + УсСОБ^ —) + Мтв - Мтю - Мс = 0, 2
где В и Т — индексы, относящиеся к барже и толкачу соответственно;
где ^ — расстояние между центрами тяжести баржи и толкача; V — скорость движения; ю — угловая скорость.
Демпфирующий момент Мтю вычислялся для возможно больших значений угла дрейфа по формулам, приведенным в работе [7].
Для вычисления ледовых сил и моментов используется интегральная математическая модель, подробно описанная в работе [6] и базирующаяся на следующих предположениях.
• Закон распределения ледовой нагрузки по длине зоны контакта при криволинейном движении подобен закону распределения ледовой нагрузки при прямолинейном движении. Это предположение позволяет использовать расчетные или экспериментальные данные о ледовом сопротивлении для расчета ле-
довых воздействий на корпус при криволинейном движении.
• Величина ледовой нагрузки в каждой точке зоны контакта линейно зависит от нормальной скорости внедрения корпуса судна в лед и от «эффективной» полуширины корпуса.
Эти предположения позволили получить математические выражения для расчета ледовой нагрузки, которые здесь не приводятся из-за их громоздкости.
Определение параметров установившейся циркуляции ББС представляет собой достаточно сложную задачу, так как необходимо найти совместное решение систем нелинейных алгебраических уравнений (1) и (2) с учетом уравнений связи (3). Эффективные численные методы решения подобных задач основываются на достаточно точном задании начального приближения для корней системы, что в рассматриваемом случае сложно из-за большой неопределенности в оценке угловой скорости и угла дрейфа. Поэтому при выполнении исследования был использован менее эффективный по времени счета метод вариации переменной [8].
Основные характеристики ББС
Барж
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.