Оценка эффективности ледокольных средств



Одним из направлений совершенствования ледокольных средств и повышения их эффективности является поиск принципиально новых, энергосберегающих способов разрушения льда. В настоящее время имеется достаточный опыт применения судов на воздушной подушке для проведения работ по разрушению льда.

Ключевые слова: лед, ледокольная платформа на воздушной подушке, разрушение льда, ледовое сопротивление.

В условиях Северного Каспия остро стоит проблема продления навигации в связи с увеличением грузооборота между портами Астрахани и портами Каспийского бассейна. Разработка новых месторождений также привели к активным поискам эффективных способов провода судов через льды Северного Каспия. Ледовый режим Каспийского моря, с одной стороны, характеризуется климатическими условиями, с другой связан мелководностью берегов, вследствие чего большая часть Северного Каспия долгое время покрыта сплошным неподвижным льдом.

Наиболее универсальным средством продления навигации и борьбы с ледовыми затруднениями является ледокольный флот. За более чем полутора вековую историю его развития в значительной мере претерпели изменение ледокольные концепции, накоплен значительный опыт проектирования ледоколов. Одним из принципиально новых средств борьбы с ледовой обстановкой стала ледокольная платформа на воздушной подушке (ЛПВП).

Оценивать эффективность применения ЛПВЛ по сравнению с традиционными ледоколами необходимо, по-видимому, прежде всего с точки зрения увеличения ледопроходимости комплекса «толкач-ЛПВП» по отношению к ледоколам. То есть, следует дать оценку эффективности комплекса как технического средства разрушения льда, не связывая его с конкретными условиями проведения зимней навигации.

На данный момент единственным средством для прокладки судоходного канала во льдах Северного Каспия служат ледоколы типа «Капитан Чечкин» (пр.1105). Поэтому стоит провести сравнительный анализ технической эффективности ледокольного состава с ЛПВП и ледокола пр.1105. Для сравнения эффективности различных средств разрушения и продления навигации могут использоваться следующие критерии [1,c.34]:

– энергетические затраты на разрушения единицы объема льда:

(1)

гдеN — мощность средства, разрушающий лед, кВт;

В_к — ширина разрушенного канала, м;

v — скорость движения, м/с;

h — толщина льда, м.

– приведенные затраты на разрушение единицы объема льда:

(2)

Определение величины ширины прокладываемого канала, зависит от эксплуатируемых судов в районе Северного Каспия. Анализ эксплуатируемых в Каспийском бассейне типов судов показал, что ширина судов не превышает 17 м. Это позволяет сделать вывод, что необходимая ширина канала для безопасной проводки судна по ледовому каналу должна быть равна 18 м.

Скорость движения при разрушении льда, определятся по кривой ледопроходимости ледокольного состава в сплошном ровном льду. Для этого необходимо определить суммарное сопротивление состава. Полное сопротивление состава при разрушении льда и прокладки судового канала имеет следующий вид [2, стр.14]:

(3)

гдеR_букс, R_ЛПВП — сопротивление толкающего судна и ЛПВП.

Сопротивление ЛПВП можно представить в виде:

(4)

где — сплоченность льда в канале;

Сопротивление от деформации и разрушения ледяного покрова:

(5)

где — давление, разрушения льда [1, стр.55].

Сопротивление, связанное с трением материала ГО о лед:

(6)

Сопротивление, образующееся от взаимодействия образующихся обломков разрушенного льда с ГО:

(7)

Гидродинамическое сопротивление ЛПВП получим:

,(8)

где — число Фруда по величине впадины;

H_б — глубина бассейна.

Сопротивление судна в битом льду запишется так:

(9)

Где B_к≈1,2В_вп — ширина канала битого льда, м;

В — ширина толкающего судна, м;

R_в — сопротивление воды, вычисляемое общепринятым способом.

В качестве примера, был произведен расчет основных параметров ЛПВП, необходимого для создания судоходного канала в условия Северного Каспия с шириной канала 18 м, толщиной льда 0,7м. В результате имеем:

S_вп = 316 м²; р_вп = 8,4 кПа; р_в = 10,2 кПа; Q = 65 м³/с; N_лпвп = 2х550 кВт.

Выбрано два двигателя для вентилятора «Mitsubishi S6R-(Z3)MPTAW» — мощностью по 605 кВт и частотой вращения 1500 об/мин. В качестве нагнетателя выбраны центробежные вентиляторы ВМ-18 с давлением p_вент=11.02 кПа и производительностью Q_вп = 59.86 м³/с.

Размеры жёсткого корпуса судна в плане LxBxH=19.8 х 18.1x2.21 м.

В качестве толкающего судна, принят буксир «Sarbas». Основные размерения и параметры буксира приведены в таблице 1

Таблица 1

Буксир	L, м	B, м	H, м	T, м	v, км/ч	D, т	N, кВт	TЕ, кН
«Sarbas»	28,8	10,0	3,5	2,8	10,0	544	1878	30,0

Для проведения сравнительного анализа ледокольного состава с ледоколом, приведём основные характеристики ледокола ледокола «Капитан Чечкин» (пр.1105), необходимые для расчета в таблице 2.

Таблица 2

Ледокол	L, м	B, м	H, м	T, м	v, км/ч	D, т	N, кВт	TЕ, кН
«К.Чечкин»	77,6	16,28	4,8	3,5	25,7	2472	4650	414

При толщине льда h_л=0.7 м ледокол «Капитан Чечкин» развивает скорость v=3 км/ч. Это позволяет построить диаграмму ледопроходимости. Диаграмма ледопроходимости ледокола и ледокольного состава приведена на рис.1. Как видно, при движении ледокол и ледокольный состав способен непрерывно двигаться в сплошном льду толщиной 0.7 м.

Рис. 1. Диаграмма ледопроходимости

Эксплуатационный расход рассчитывается за один круговой рейс проводки ледового канала. Протяжённость кругового рейса может быть определён по формуле:

(10)

гдеl_экс=388 км — длина ледового участка Северного Каспия.

Эксплуатационные расходы за 1 круговой рейс складываются из основных составляющих: расходы С₁ на содержание экипажа, расходы С₂ на обслуживание судна и расходов на топливо и смазочные материалы С₃ на ходу и С₄ на стоянке, определённый за каждый круговой рейс и стоимости фрахтования ледокола или буксира C₅:

(11)

Результаты расчетов по предлагаемым критериям (1) и (2) для различных разрушающих средств и при различных величинах толщин льда приведен на рис.2.

Рис. 2. Критерии технической и экономической эффективности

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

– ЛПВП можно использовать для увеличения ледопроходимости ледоколов и других судов;

– Платформы на воздушной подушке имеет более низкие энергетические затраты на разрушение льда, по сравнению с ледоколами;

– Выполнение расчеты экономической эффективности состава с ЛПВП подтверждают их преимущества по сравнению с ледоколами;

– Эффективность применения ЛПВП значительной степени зависит от толщины разрушаемого ледяного покрова. Предложенные критерии позволяют определить диапазон толщин льда, где каждое средство будет наиболее эффективно.

Литература:

1. Зуев, В. А. Использование судов на воздушной подушке для разрушения ледяного покрова/В. А. Зуев, В. М. Козин. — Владивосток: Издательство Дальневосточного университета, 1988. — 128 с.
2. Зуев В. А. Подготовка исходной информации при формировании математической модели проектирования ледокольных платформ на воздушной подушке // Вопросы проектирования судов, плавающих во льдах: Межвузовский сборник / Горький, 1988. — 12–20 стр.