Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Географическое расположение России в северных широтах, расширение работ на шельфе Арктических морей, продление навигации на внутренних водных путях, обеспечение безопасности плавания в ледовых условиях предопределяют широкое использование ледоколов, других средств разрушения ледяного покрова и создания ледового канала.

Несмотря на то, что ледоколы являются универсальным средством, имеется ряд задач, которые можно успешно решать другими технологиями. Одним из них являются ледокольные платформы на воздушной подушке (ЛПВП). Такие суда (чаще всего, несамоходные) имеют низкие энергетические затраты при разрушении льда и небольшую строительную стоимость и эксплуатационные затраты. Они могут работать в счале с буксирными и транспортными судами, небольшими ледоколами, разрушая ледяной покров толщиной до 1,5 м со скоростью до 10 – 12 км/ч. ЛПВП могут использоваться для прокладки ледовых каналов, околки судов, разрушения льда в акваториях заводов, портов, для вывода судов из ледового плена [1,3].

ЛПВП могут работать в качестве парома в период ледостава и ледохода, площадок для перевозки тяжеловесов и т.п. [3].

ЛПВП должна существенно отличаться от судов и платформ на воздушной подушке повышенным давлением в воздушной подушке (ВП), величина которого зависит от толщины разрушаемого льда, небольшим расходом воздуха из ВП, высотой гибкого ограждения (ГО), для преодоления неровностей льда и торосов, рядом дополнительных систем и устройств.

Работы по разрушению ледяного покрова и созданию ледового канала складываются из трех составляющих:

· Проектирование и постройка ЛПВП;

· Эксплуатация ЛПВП;

· Эксплуатация существующих буксиров и ледоколов, транспортных судов, работающих в счале с ЛПВП (толкающих ЛПВП перед собой).

В статье обсуждаются два аспекта рассматриваемой проблемы:

· Внутренняя задача приоритетного проектирования ЛПВП;

· Внешняя задача, в которой рассматриваются сценарии прокладки ледового канала с использованием одного ледокола, ЛПВП и ледокола, ЛПВП и буксира.

Эффективность использования ЛПВП заключается в том, что ледокол затрачивает большую энергию на разрушение сплошного ледяного покрова и на сопротивление в созданных обломках льда. ЛПВП перед ледоколом или буксиром разрушает ледяное поле с небольшими затратами энергии [4] и уменьшает сплоченность льда в канале, в котором движется толкающее судно.

Задача проектирования ЛПВП по существу – экстремальная задача математического программирования, в которой при векторе параметров технического задания, необходимо определить вектор искомых величин , чтобы требования к какому-либо качеству, выражаемому функционалом , а само качество судна определяется функционалом , а так же при ограничениях вида , целевая функция достигала экстремального значения [5].

При решении оптимизационной задачи проектирования ЛПВП для прокладки ледового канала во льдах заданной толщины h, условной длиной l для проводки транспортных судов, ширина корпуса которых B, можно записать

– исходные параметры,

– вектор искомых характеристик;

где: L, H – длина и ширина ЛПВП;

– высота гибкого ограждения;

D – водоизмещение судна;

N1 – мощность на разрушение льда;

N2 – буксировочная мощность при прокладке ледового канала.

В качестве функционалов используются:

· Уравнение масс

· Давление в ВП - , необходимое для разрушения ледяного покрова заданной толщины h, [1]

где: = 1300±100 кПа – удельная энергия разрушения ледяного покрова при движении ЛПВП в канале;

– площадь ВП, м2;

L/B – отношение длины к ширине ВП;

r – характерный линейный размер при изгибе ледяной пластины:

Е, µ - модуль упругости, кПа и коэффициент Пуассона для льда;

– плотность воды, т/м3.

· Расход воздуха из воздушной подушки Qвп, м3/c

где: Пвп – периметр ВП, м;

hэ = 0,0075 м – эффективный воздушный зазор;

ρвозд – плотность воздуха, т/м3

· Мощность привода нагнетателя для создания ВП и разрушения льда: N1, кВт

где: η – кпд вентилятора;

ΔР – потери давления в воздуховоде (ΔР ≈ 0,2 Рвп)

При движении ЛПВП с заданной скоростью , необходимо учесть буксировочную мощность N2, зависящую от буксировочного сопротивления:

· Буксировочное сопротивление можно представить следующим образом:

В (6) не учтено импульсное, брызговое сопротивление, которое не велико по сравнению с сопротивлением разрушения льда и сопротивления воды . Составляющая сопротивления от разрушения льда [1]:

где:

KW = 0,28 м1/2,

f – коэффициент трения материала ГО о лед (f ≈ 0,15)

Сопротивление воды [1]

где: Frv – число Фруда:

υ – скорость движения ЛПВП.

При движении ледокола в сплошном льду его сопротивление можно определить так [2]:

где: Rр – сопротивление от разрушения ледяного покрова, кН

где: С1 – эмпирический коэффициент, С1 = 6060;

σи – предел прочности льда при изгибе, кПа;

Rобл – сопротивление от обломков льда:

– функция сплоченности льда, в рассматриваемом случае

Rв – сопротивление воды, определяемое общепринятым способом.

Если ЛПВП движется перед ледоколом или буксиром и разрушает лед, то составляющей Rр у толкающих судов не возникает, лед разрушает ЛПВП. В то же время битый лед, находящийся на дне воздушной впадины, частично раздвигается под кромку толкающим судном, так что можно принять [3].

При решении задачи необходимо также учитывать следующие равенства и неравенства:

·

(В – ширина проходящих по каналу судов);

·

· Высота ГО

· Высота корпуса H принимается исходя из конструктивных соображений, связанных с размещением оборудования.

В качестве примера рассмотрено проектирование ЛПВП для средней Волги с шириной канала Bк =18,0 м, толщиной льда h = 1,0 м и длиной ледового канала l = 300 м.

Расчет выполнен для ряда площадей ВП от 100 до 700 м2. Кривая затрат мощности на разрушение льда приведена на рис. 1

Выбрано два двигателя для вентилятора М633 – мощностью по 630 кВт и частотой вращения 1500 об/мин и площадь ВП 430 м2.

В качестве нагнетателя выбраны центробежные вентиляторы ВВН-18 с давлением 10,8 кПа и производительностью Qвп = 31 м3/с. Размеры судна в плане 23,9 х 18,0 м. Схема общего расположения ЛПВП приведена на рис. 2.

Рис. 1. К выбору оптимальной площади ВП при разрушении льда толщиной 1,0 м

Рис. 2. Схема общего расположения ЛПВП

В дальнейшем для прокладки ледового канала рассматриваются следующие сценарии:

· Движение ледокола пр. 1105;

· Движение ледокола пр. 1105 + ЛПВП;

· Движение буксира пр. 428 + ЛПВП.

Необходимо отметить, что ледокол пр. 1105 может разрушать ледяной покров с малой скоростью до 0,7 м, буксир пр. 428 в сплошном льду работать не может. Некоторые характеристики ледокола и буксира, необходимые для расчета [6]:

Сопротивление одного ледокола и суммарное сопротивление составов приведены на рис. 3

Рисунок 3. Сопротивление в сплошном льду толщиной 1,0 м

1 – ледокол пр. 1105 один; 2 – ледокол пр. 1105 + ЛПВП; 3 – буксир пр. 428 + ЛПВП;

4 – тяговое усилие ледокола пр. 1105; 5 – тяговое усилие буксира пр. 428.

Диаграммы ледопроходимости представлены на рис. 4

Рисунок 4. Диаграммы ледопроходимости

1 – ледокол пр. 1105 + ЛПВП; 2 – ледокол пр. 1105 один; 3 – буксир пр. 428 + ЛПВП.

В расчетах принималось Е = 5∙106 кПа, σи = 6∙103 кПа, μ = 0,33

Расчеты сопротивления и скорости движения показали:

· Буксир пр. 428 преодолевать сплошной лед не может. В счале с ЛПВП (суммарная мощность буксира и ЛПВП: 2730 кВт) состав разрушает сплошной лед толщиной 1,0 м со скоростью 1,8 м/с (6,48 км/);

· Линейный ледокол пр. 1105 мощностью 4650 квт лед толщиной 1,0 м непрерывным ходом разрушить не может. В счале с ЛПВП (суммарная мощность 5910 кВт), состав может двигаться во льду толщиной 1,0 м со скоростью 1,7 м/с (6,1 км/ч).

Количественную оценку технической эффективности в формализованном виде:

где: NΣ – суммарная мощность состава

По существу, этот коэффициент представляет удельную работу на разрушение единицы объема льда.

Расчет коэффициента К с использованием диаграммы ледопроходимости приведен на рис. 5.

Рисунок 5. Коэффициент технической эффективности

1 – ледокол пр. 1105 один; 2 – ледокол пр. 1105 + ЛПВП; 3 – буксир пр. 428 + ЛПВП.

При расчете экономической эффективности рассмотренных средств разрушения льда для ЛПВП учтена трудоемкость постройки и строительная стоимость, для ледокола и буксира остаточная цена и амортизационные отчисления. Для всех средств определены эксплуатационные расходы [7].

В расчетах эксплуатационных затрат определялись затраты на топливо, зарплату экипажа, амортизационные отчисления.

Экономический показатель эффективности определялся по формуле:

где: Сэ – суммарные экономические затраты.

На рис. 6 приведены удельные экономические показатели для рассмотренных средств.

Рис. 6. Показатель эффективности средств прокладки канала.

Обозначения те же, что на рис. 5

Анализ показал, что использование ЛПВП в счале с буксиром или ледоколом при принятых в задаче ограничениях существенно повышает ледопроходимость, техническую и экономическую эффективность выполнения ледокольной работы.

Рецензенты:

Захаров Л.А., д.т.н., профессор кафедры «Энергетические установки и тепловые двигатели» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород;

Ваганов А.Б., д.т.н., профессор кафедры «Аэро-гидродинамика, прочность машин и сопротивление материалов» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.