DETERMINATION OF THE CALCULATED RANGE OF THE VALUES OF ICE RESISTANCE OF THE ICEBREAKERS OPERATED IN THE VOLGA-CASPIAN SEAWAY CANAL AND IN THE NORTHERN CASPIAN
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
Type:
Article
Pages:
from 45
to 57
Status:
Published
Received:
20.11.2015
Accepted:
25.11.2015
Published:
25.11.2015
Subject area:
UDK [629.561.5.03-8.001.63:624.042.43]:656.61.052.5(262.81)
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
ice resistance, propulsion complex, icebreaker, designing, ice concentrati
Abstract (English):
The method to calculate the ice resistance is extremely important while designing the propulsion systems of icebreakers and ice ships, as it affects the accuracy of the calculated values of the power of the vessel and the optimal choice of the main engine. The method to determine the calculated ice resistance, used when designing the vessel itself and the propulsion system for an icebreaker, in particular, is developed. The structure of the method is presented; an example of its use while designing the propulsive complex for icebreakers operating in the Volga-Caspian seaway canal and in the Northern Caspian is considered. Ice resistance values are determined for a range of statistical values presented as an operational zone for designing the propulsion system of the icebreaker. That allows you to work with a wider range of possible design solutions, in which you can select the optimal values. Taking into account the specific features of the operational area, there were calculated the values of icebreaker resistance in unbroken ice, slightly broken ice and shallow waters for the initial range of the values of the main dimensions and hull lines of the vessel. While determining the resistance in slightly broken ice, the different intensity of ice concentration is taken into account. In order to determine the power of the vessel, there were chosen the calculated values of ice resistance as a result of the comparison of all kinds of the vessel resistance in ice. The choice is explained from the practical and operational points of view, the calculated values are compared with the values of ice resistance of icebreakers operating in the predetermined area of navigation. The calculated values correspond to the ice resistance in slightly broken ice due to 8 points of ice concentration.
The method to calculate the ice resistance is extremely important while designing the propulsion systems of icebreakers and ice ships, as it affects the accuracy of the calculated values of the power of the vessel and the optimal choice of the main engine. The method to determine the calculated ice resistance, used when designing the vessel itself and the propulsion system for an icebreaker, in particular, is developed. The structure of the method is presented; an example of its use while designing the propulsive complex for icebreakers operating in the Volga-Caspian seaway canal and in the Northern Caspian is considered. Ice resistance values are determined for a range of statistical values presented as an operational zone for designing the propulsion system of the icebreaker. That allows you to work with a wider range of possible design solutions, in which you can select the optimal values. Taking into account the specific features of the operational area, there were calculated the values of icebreaker resistance in unbroken ice, slightly broken ice and shallow waters for the initial range of the values of the main dimensions and hull lines of the vessel. While determining the resistance in slightly broken ice, the different intensity of ice concentration is taken into account. In order to determine the power of the vessel, there were chosen the calculated values of ice resistance as a result of the comparison of all kinds of the vessel resistance in ice. The choice is explained from the practical and operational points of view, the calculated values are compared with the values of ice resistance of icebreakers operating in the predetermined area of navigation. The calculated values correspond to the ice resistance in slightly broken ice due to 8 points of ice concentration.
Keywords:
ice resistance, propulsion complex, icebreaker, designing, ice concentrati
ice resistance, propulsion complex, icebreaker, designing, ice concentrati
Введение Главные двигатели на ледоколах при работе в тяжелых ледовых условиях приходится загружать значительно выше их нормальной мощности. Так, мощность, развиваемая ледоколом при работе во льдах, может превышать его мощность на чистой воде в 1,3-1,8 раза [1]. При движении судна во льду его скорость может быть невысока, из-за чего главные двигатели работают с пониженным числом оборотов по сравнению с ходом судна на чистой воде. По этой причине в большинстве случаев основным расчетным режимом главного двигателя является режим работы в тяжелых условиях, когда скорость движения судна составляет 15-20 % от скорости хода на чистой воде. Таким образом, при проектировании пропульсивных комплексов ледоколов и судов ледового плавания исключительно большое значение имеет методика определения расчетного ледового сопротивления, от выбора которой зависит точность расчетных значений мощности судна и оптимальность выбора главного двигателя. Определение диапазона исходных данных На начальных стадиях проектирования, когда главные размерения судна не выбраны окончательно, их можно задать путем определения области значений. Преимуществом такого подхода является возможность задания значений не для одного судна с конкретными размерениями, а для рабочей области статистических значений, используемой с целью проектирования ледокола, эксплуатируемого на Северном Каспии и в Волго-Каспийском морском судоходном канале (ВКМСК). Таким образом, рассматривается более широкий диапазон возможных проектных решений, из которого в итоге выбираются оптимальные значения. Рабочая область представлена в виде тела на рис. 1 [2, с. 35], где отображается зависимость главных размерений (Lпп - длина судна между перпендикулярами; В - ширина судна; Т - осадка судна). Рис. 1. Рабочее тело [Lпп, В, Т] Значительную роль в разрушении ледяного покрова корпусом ледокола играют обводы носовой оконечности судна. На основании результатов исследований [3] выбор усовершенствованной традиционной формы носовой оконечности представляется наиболее целесообразным для использования в рассматриваемом районе плавания (река-море). Приведем характеристики обводов проектируемого корпуса ледокола с усовершенствованной традиционной формой носовой оконечности [3]: угол наклона форштевня j = 20°; угол заострения конструктивной ватерлинии (КВЛ) ; угол наклона шпангоута на уровне носового перпендикуляра ; угол наклона 2 шпангоута ; угол наклона мидель-шпангоута . Отношение длины судна между перпендикулярами к его ширине можно определить, опираясь на статистические данные. Проанализирована зависимость изменения Lпп/B от длины, типа энергетической установки (ЭУ) и типа судна. Диапазон Lпп/B для дизельных ледоколов равен 4,12-5,09 при изменении длины судна между перпендикулярами от 20 до 200 м. Зависимость Lпп/B от длины судна в условиях рассматриваемого района плавания приведена на рис. 2. Рис. 2. Зависимость отношения длины между перпендикулярами к ширине судна от длины судна между перпендикулярами Lпп/B(Lпп) Коэффициенты полноты обводов судна задаются как усредненные значения статистических данных, т. к.: - с увеличением размерений судна коэффициенты изменяются несущественно; - усредненные значения для различных типов судов отличаются друг от друга незначительно. Таким образом, примем коэффициент общей полноты δ = 0,544; коэффициент полноты ватерлинии α = 0,726; коэффициент полноты мидель-шпангоута β = 0,850. Расчет сопротивления в сплошном льду Главной особенностью взаимодействия корпуса со льдом при движении ледокола в сплошном льду является разрушение ледяного покрова носовой оконечностью. Рассмотрим силы, затрачиваемые на разрушение (ломку) ледяного покрова, а также на раздвигание и притапливание льдин, их уплотнение, трение о корпус и т. п. Сумма составляющих ледового сопротивления, равная полному сопротивлению ледокола, может быть выражена формулой, предложенной В. И. Каштеляном для расчета сопротивления ледокола «Ермак» при движении в сплошном льду [4, с. 99]: (1) где - полное сопротивление ледокола в сплошных льдах, тс; - сопротивление, обусловленное разрушением ледяного покрова, тс; - сопротивление, обусловленное силами весового характера (притапливание, поворачивание льдин, изменение посадки судна, а также сопротивление сухого трения), тс; - сопротивление, обусловленное раздвиганием разрушенного льда, тс; - сопротивление воды движению ледокола, тс; - толщина льда, м; - предел прочности льда на изгиб, тс/м2; - удельный вес льда, тс/м3; В - ширина ледокола, м; V - скорость движения ледокола, м/с; - коэффициенты, характеризующие форму носовой оконечности корпуса ледокола. Данная формула может быть использована для приближенной оценки проходимости других ледоколов, размерения и форма которых отличаются от размерений и формы ледокола «Ермак». Коэффициенты, характеризующие форму носовой оконечности корпуса ледокола, учитывают влияние формы обводов и соотношений главных размерений на сопротивление ледокола при движении в сплошном льду. Максимальной толщины лед достигает в Северном Каспии, поэтому рассмотрим соответствующие характеристики морского льда с плотностью 1,013 т/м3. Среднее расчетное значение предела прочности льда на изгиб составляет для пресноводного льда и для морского льда (плотность 1,025 т/м3). Таким образом, путем линейной интерполяции можно найти требуемое расчетное значение, которое составляет . Удельный вес морского льда изменяется в сравнительно узких пределах (от 0,84 до 0,93 тс/м3), в качестве расчетного принимается 0,84 тс/м3. Как правило, расчетный диапазон скорости ледокола во льду принимается в пределах от 1 до 4-5 узлов, средняя расчетная скорость составляет 2 узла, что соответствует скорости ледоколов, эксплуатируемых в заданном районе плавания («Капитан Чечкин», «Капитан Букаев» и «Капитан Мецайк»). Коэффициенты и определяются по диаграммам из [5] в зависимости от отношения длины к ширине судна Lпп/B и коэффициента полноты носовой ветви КВЛ , которая определяется из следующей формулы [5, с. 127]: , где n рассчитывается по формуле [3, с. 127]: , где - угол входа КВЛ. С учетом вышеизложенного коэффициент полноты носовой ветви КВЛ равен: ; . Графики расчетных коэффициентов в зависимости от длины судна приведены на рис. 3. Рис. 3. Зависимость расчетных коэффициентов от длины судна между перпендикулярами (Lпп) и (Lпп) В соответствии с теорией гидродинамического подобия и моделирования, сопротивление воды движению судна вычисляется по формуле [6, с. 8]: , (2) где С - безразмерный коэффициент буксировочного сопротивления; ρ = 1,013 - плотность воды, т/м3; v - скорость движения судна, м/с; Ω - площадь смоченной поверхности судна, м2. Коэффициент буксировочного сопротивления С является функцией формы корпуса судна, чисел Рейнольдса и Фруда [6, с. 8]: , (3) где - коэффициент сопротивления трения эквивалентной гладкой пластины; - коэффициент остаточного сопротивления; - коэффициент сопротивления шероховатости; - коэффициент выступающих частей; - коэффициент воздушного сопротивления. Величина смоченной поверхности рассчитывается по формуле, предложенной С. П. Мурагиным [6, c. 8]: . Относительная скорость рассчитывается по формуле и определена для скорости движения 2 узла. Коэффициент сопротивления трения эквивалентной гладкой пластины равен , где - число Рейнольдса; ν =1,5710-6 м2/с - кинематический коэффициент вязкости. Коэффициент сопротивления шероховатости, согласно [6], изменяется в диапазоне (0,3-0,4)10-3 при длине судна 50-150 м; коэффициент выступающих частей равен 0,4510-3. Коэффициент воздушного сопротивления составляет 2 % от общего коэффициента сопротивления судна. Коэффициент остаточного сопротивления определяется путем пересчета с прототипа для судов внутреннего и смешанного плавания. Согласно [6], этот метод основан на результатах систематизации и обработки данных модельных и натурных судов [6, c. 27]: , где V - водоизмещение, м3; a1, b1, c1, d1 - коэффициенты, учитывающие различие в соотношениях L/B, T/B, Lц/L, δ проектируемого судна и судна-прототипа; Lц - длина цилиндрической вставки. Коэффициенты a1, b1, c1 и d1 рассчитываются по формулам: ; ; ; , где ap, bp, cp, dp - коэффициенты для расчетного судна; aп, bп, cп, dп - коэффициенты для судна-прототипа, определяемые по следующим формулам: ; ; ; . Для расчета сопротивления на чистой воде как составляющей сопротивления во льду используются данные одного из судов-прототипов, приведенные в [6]. Проектируемое судно имеет следующие характеристики: L/B = 4,39-4,74; T/B = 0,146-0,263; δ = 0,544. В качестве прототипа принимается буксирное судно со следующими характеристиками: L/B = 4,99; T/B = 0,243; δ = 0,545. Таким образом, aп = 1,34; bп = 1,12; dп = 0,69. Значения ледового сопротивления в сплошном льду для выбранных диапазонов главных размерений представлены в виде поверхности на рис. 4, указаны также проекции поверхности на плоскости системы координат. Рис. 4. Сопротивление в сплошном льду Rл (Lпп, B) Расчет сопротивления в мелкобитых льдах Для плавания ледокола в мелкобитых льдах характерно раздвигание льдин носовой оконечностью. Ломка льдин практически не имеет места, что исключает необходимость учитывать предел прочности и модуль упругости льда. Сопротивление движению ледокола в таких льдах определяется потерями кинетической энергии при ударах ледокола о льдину, а также работой, затрачиваемой ледоколом на раздвигание и притапливание льдин, преодоление сил трения и т. п. Влияние на сопротивление оказывают размеры льдин, их сплоченность, сжатие и ширина канала мелкобитого льда [7, с. 68]. Формула для расчета сопротивления в мелкобитых льдах приведена в [4]: (4) где γл - удельный вес льда, кг/м3; r - протяженность мелкобитого льда, м; h - толщина мелкобитого льда, м; Sсж - сжатие льда; α = 0,726 - коэффициент полноты ватерлинии; fT - коэффициент трения борта о лед, равный 0,1; , , , - безразмерные коэффициенты; численные значения определяются на основании данных модельных испытаний, приведенных в [4]. Коэффициент характеризует сопротивление, обусловленное притапливанием и поворачиванием льдин бортом судна, возникающим при этом волнообразованием и изменением посадки судна. Данная величина имеет постоянное значение 12010-2. Коэффициент является постоянным и равен 4,3. Для «природных» морских мелкобитых льдов расчетное значение параметра является более или менее постоянным и составляет 4,0 м2. Относительная ширина канала nк = Вк/В (Вк - ширина канала, м) при плавании в «природных» мелкобитых льдах, как правило, не ограничена, однако при условии плавания в канале данная величина в рассматриваемом случае в среднем будет равна 5,0. Значения ледового сопротивления в мелкобитом льду для выбранных диапазонов главных размерений представлены в виде поверхностей на рис. 5, указаны также проекции поверхностей на плоскости системы координат. Рис. 5. Сопротивление в мелкобитом льду Rл (Lпп, B) Расчет ледового сопротивления судна на мелководье Район эксплуатации судна охватывает как море (Северный Каспий), так и реку (ВКМСК), причем в последнем случае появляется вероятность работы судна на мелководье. В связи с этим необходимо выяснить, как скажется мелководье на величине ледового сопротивления. В работах В. А. Зуева, И. Н. Шканова и т. д. [8] определено, что в условиях мелководья ледовое сопротивление возрастает. Это связано с попаданием льдин в зазор между днищем судна и дном фарватера. Кроме того, при формировании подводных нагромождений у бортов ледокола возникает дополнительное трение, что также влияет на процессы разрушения и притапливания обломков льда корпусом ледокола. Полное ледовое сопротивления ледокола на мелководье рассчитывается по формуле, предложенной И. Н. Шкановым в [9]: , (5) где Rр - составляющая сопротивления разрушения; Rобл - сопротивление обломков битого льда; - сопротивление воды; Rдоп мелк - дополнительная составляющая сопротивления под влиянием мелководья. Сопротивление разрушения рассчитывается по формулам: ; ; , где - число Фруда по толщине льда; - цилиндрическая жесткость ледяной пластины; ; ; - параметр изгиба пластины на упругом основании; - коэффициент трения льда о корпус; - угол наклона батокса к горизонтальной плоскости; - угол между касательной к ватерлинии и ДП; - функция, характеризующая форму корпуса в точке контакта со льдом; - функция, характеризующая форму корпуса относительно кромки льда; - коэффициент, характеризующий форму и механические свойства ледяного покрова по [10]; ; - средние геометрические характеристики ватерлинии, причем , и Фс принимаются по [10] для ледоколов проекта 1105 («Капитан Чечкин», «Капитан Букаев»), т. к. форма носовой оконечности ледоколов данного проекта близка к проектируемым. Сопротивление обломков битого льда равно: , где - сопротивление обломков льда, обусловленное их плавучестью, и сопутствующее трение; - импульсивная составляющая; - гидродинамическая составляющая сопротивления обломков; т/м3 - плотность речного льда; - площадь подводной части корпуса, облегаемая льдом, (принимается по [11, 12] для ледоколов проекта 1105 («Капитан Чечкин», «Капитан Букаев»)); - длина носового заострения; - коэффициент полноты носовой ветви КВЛ; - длина цилиндрической вставки; ; ; ; ; ; - функции геометрии корпуса (принимаются по [10] для ледоколов проекта 1105 («Капитан Чечкин», «Капитан Букаев»)). Сопротивление воды принимается из расчета ледового сопротивления в сплошном льду. Составляющая сопротивления, обусловленная влиянием мелководья на динамику взаимодействия и движения льдин, определяется по формуле , где Н - высота борта, рассчитываемая как сумма осадки судна и высоты надводного борта, определенной в [13]. Значения ледового сопротивления на мелководье для выбранных диапазонов главных размерений представлены в виде поверхности на рис. 6, указаны также проекции поверхности на плоскости системы координат. Рис. 6. Сопротивление на мелководье Rл (Lпп, B) Определение расчетного диапазона значений ледового сопротивления При сравнении всех видов сопротивления судна во льду можно выбрать расчетный случай ледового сопротивления для определения мощности ЭУ. Сравнение значений ледового сопротивления представлено на рис. 6. Значения сопротивления ледоколов, эксплуатируемых в заданном районе плавания, изменяются в пределах 2800-3400 кН. В связи с тем, что суда проектов 1105 и 1191, эксплуатируемые на Северном Каспии и в ВКМСК, рассчитаны на преодоление льда толщиной 0,7 м, к значениям ледового сопротивления прототипов может быть введена условная поправка, равная hл/hлп = 1,0/0,7 = 1,43 (где hл - расчетная толщина льда; hлп - расчетная толщина льда для судов-прототипов). В таком случае искусственно завышенное эксплуатационное ледовое сопротивление прототипов будет изменяться в пределах (2800-3400)1,43 = (4004-4862) кН. Ориентируясь на откорректированные эксплуатационные значения ледового сопротивления ледоколов, в качестве расчетного диапазона ледового сопротивления принимаем сопротивление в мелкобитых льдах при сплоченности льда 8 баллов. Рис. 7. Сравнение ледовых сопротивлений Rл (Lпп, B) Заключение Таким образом, на примере ледоколов, эксплуатируемых на Северном Каспии и в ВКМСК, была разработана методика для определения расчетного ледового сопротивления, необходимого для расчета мощности пропульсивного комплекса. Методика имеет следующую структуру: 1) определение области расчетных значений: - выбор диапазона главных размерений; - определение соотношений главных размерений; - определение характеристик обводов корпуса судна; 2) расчет сопротивления в сплошном льду; 3) расчет сопротивления в мелкобитых льдах (с учетом особенностей района эксплуатации); 4) расчет сопротивления на мелководье (при условии работы в реках); 5) сравнение расчетных данных; 6) выбор расчетных значений и обоснование выбора с практической и эксплуатационной точек зрения.
1. Vinogradov I. V. Suda ledovogo plavaniya / I. V. Vinogradov. M.: OBORONGIZ NKAP, 1946. 239 s.
2. Temnikova A. A. Opredelenie rabochey oblasti statisticheskih dannyh dlya proektirovaniya ledokola, ekspluatiruyuschegosya v Severnom Kaspii i VKMSK / A. A. Temnikova // Sb. nauch. tr. «Problemy sovremennoy nauki» № 14. Stavropol': Centr nauchnogo znaniya «Logos», 2014. S. 29-36.
3. Coy L. G. Vybor formy korpusa arkticheskih ledokolov universal'nogo naznacheniya / L. G. Coy // Sudostroenie. 1996. № 5-6. S. 10-14
4. Kashtelyan V. I. Soprotivlenie l'da dvizheniyu sudna / V. I. Kashtelyan, I. I. Poznyak, A. Ya. Ryvlin. L.: Sudostroenie, 1968. 238 s.
5. Kashtelyan V. I. Ledokoly / V. I. Kashtelyan, A. Ya. Ryvlin, O. V. Fadeev, V. Ya. Yagodkin. L.: Sudostroenie, 1972. 287 s.
6. Slizhevskiy N. B. Raschet hodkosti nadvodnyh vodoizmeschayuschih sudov: ucheb. posobie / N. B. Slizhevskiy, Yu. M. Korol', M. G. Sokolin, V. F. Timoshenko; pod obsch. red. prof. N. B. Slizhevskogo. Nikolaev: NUK, 2004. 192 s.
7. Tyukova A. Optimizaciya ledokol'nogo flota na nachal'noy stadii proektirovaniya: dlya Severnogo Kaspiya / A. Tyukova. LAP Lambert Academic Publishing, 2013. 157 s.
8. Testova O. S. Issledovanie vliyaniya melkovod'ya na dvizhenie ledokola / O. S. Testova // Sb. materialov XIII Mezhdunar. molod. nauch.-tehn. konf. «Buduschee tehnicheskoy nauki». N. Novgorod: NGTU im. R. E. Alekseeva, 2012. 570 s.
9. Shkanov I. N. Prognozirovanie vliyaniya melkovod'ya na soprotivlenie l'da pri proektirovanii formy korpusa rechnogo ledokola: diss. … kand. tehn. nauk. N. Novgorod, 2003.
10. Gramuzov E. M. Poluempiricheskaya model' ledovogo soprotivleniya rechnogo ledokola / E. M. Gramuzov, P. A. Kurnev // Mezhvuzovskiy sb. nauch. tr. «Voprosy proektirovaniya sudov, plavayuschih vo l'dah». Gor'kiy, 1988. S. 36-42.
11. Gramuzov E. M. Soprotivlenie snega pri dvizhenii ledokola / E. M. Gramuzov // Mezhvuzovskiy sb. nauch. tr. «Proektirovanie sredstv prodleniya navigacii». Gor'kov. politehn. in-t. Gor'kiy, 1986. S. 59-71.
12. Gramuzov E. M. Metod ucheta vliyaniya snega na soprotivlenie ledokola za schet privedennoy tolschiny sploshnogo ledyanogo pokrova / E. M. Gramuzov, N. E. Tihonova // Tr. Nizhegorod. gos. tehn. un-ta im. R. E. Alekseeva. N. Novgorod. 2011. № 4 (91). S. 178-183.
13. Temnikova A. A. Vybor diapazona znacheniy nadvodnogo borta ledokolov, ekspluatiruyuschihsya v Severnom Kaspii i VKMSK, na nachal'nyh etapah proektirovaniya // Mezhdunarodnyy soyuz uchenyh «Nauka. Tehnologii. Proizvodstvo». 2015. № 3 (7). Ch. 1. S. 32-36.
