CC BY-NC
42
СЕКЦИЯ А
Б01: 10.24937/2542-2324-2020-2-8-1-19-30 УДК 624.042.43+629.5.035.5
А.В. Андрюшин1, С.С. Федосеев1, М.А. Кутейников2
1 АО «Центральный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота», Санкт-Петербург, Россия
2 ФАУ «Российский морской регистр судоходства», Санкт-Петербург, Россия
ЛЕДОВЫЕ НАГРУЗКИ НА КОРПУС ВИНТОРУЛЕВЫХ КОЛОНОК СУДОВ ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ
В статье представлена методика определения ледовых нагрузок на элементы винторулевых колонок (ВРК) для ледокольных судов классов Лгс4-Лге9. В заключении приведены результаты расчета ледовых нагрузок на ВРК для ледокольных судов классов Лгс5, Лгс7 и выполнено сравнение с результатами расчета по правилам БКУ-ОЬ для классов РС6, РС5, РС3.
Ключевые слова: лед, винторулевая колонка, ВРК, торос, движение в канале, самостоятельная эксплуатация, судно двойного действия, ледовые нагрузки.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
SECTION А
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-2-S-I-19-30 UDC 624.042.43+629.5.035.5
A. Andryushin1, S. Fedoseev1, M. Kuteinikov2
1 JSC Central R&D Institute of Maritime Fleet (CNIIMF), St. Petersburg, Russia
2 Russian Maritime Register of Shipping, St. Petersburg, Russia
ICE LOADS ON POD UNIT BODIES OF ICE-GOING SHIPS
This paper presents the methodology for determination of ice loads on the elements of pod propulsion units for Arc4-Arc9 ships. The conclusion gives calculation results for ice loads on pod units for Arc5 and Arc7 ships, and compares these results with those obtained as per DNV-GL rules for ice classes PC6, PC5, PC3.
Keywords: ice, pod propulsion unit, ridge, channel navigation, autonomous operations, double-acting ships (DAS), ice loads.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
В настоящее время на современных ледокольных судах наблюдается активное внедрение поворотных винторулевых колонок. Обеспечение эксплуатационной прочности ВРК в ледовых условиях является одной из основных задач, для решения которой необходимо определение ледовых нагрузок, воздействующих на элементы ВРК. В настоящее время в Правилах РМРС отсутствуют кон-
кретные требования по расчету ледовых нагрузок на ВРК и ее элементы, а на практике используются подходы, основанные на данных натурных наблюдений, результатах модельных испытаний в ледовых бассейнах [1] и расчетных методах. В данной статье пойдет речь о разработанной АО «ЦНИИМФ» методике по определению ледовых нагрузок на корпус винторулевых колонок судов ледового плавания.
Для цитирования: Андрюшин А.В., Федосеев С.С., Кутейников М.А. Ледовые нагрузки на корпус винторулевых колонок судов ледового плавания. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020; Специальный выпуск 2: 19-30. For citations: Andryushin A., Fedoseev S., Kuteinikov M. Ice loads on pod unit bodies of ice-going ships. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020; Special Edition 2: 19-30 (in Russian).
Расчетные режимы движения судов ледового плавания
В табл. 1 представлены рекомендуемые расчетные параметры эксплуатационных режимов и морфологических характеристик ледовых образований для арктических судов ледового плавания классов Агс4-Агс9. Табл. 1 разработана на базе существующего опыта эксплуатации ледокольных судов с учетом Правил классификации и постройки морских судов.
Торос является типичным ледовым образованием для эксплуатационных условий судов арктических классов. Наибольшие ледовые нагрузки воздействуют на ВРК при эксплуатации в торосистых льдах. С учетом этого в табл. 1 представлены морфологические характеристики торосистых образований (толщина консолидированного слоя), определяющих уровень ледового воздействия на ВРК. Морфологические характеристики торосистых образований определялись по данным натурных исследований [2, 3 и др.].
Таблица 1. Рекомендуемые расчетные параметры эксплуатационных режимов и морфологических характеристик ледовых образований для арктических судов ледового плавания классов Дгс4-Дгс9 (РУ - однолетний лед; БУ - двухлетний лед; МУ - многолетний лед)
Ка- тего го-рия Навигация Районы эксплуатации Движение в канале за ледоколом Самостоятельная эксплуатация
Тип и толщина ровного (термического) льда, м Тип тороса, среднемакси-мальная толщина конс. части, м Тип и толщина ровного (термического) льда, м Тип тороса, среднемакси-мальная толщина конс. части, м
Агс4 Зимне-весенняя Трасса СМП, неарктические моря, устья сибирских рек ГУ, 0,8 ГУ, 1,6 ГУ, 0,65 ГУ, 1,3
Летне-осенняя Трасса СМП ГУ, 1 ГУ, 2 ГУ, 0.8 ГУ, 1,6
Агс5 Зимне-весенняя Трасса СМП, неарктические моря, устья сибирских рек ГУ, 1 (распресненный) ГУ, 2м (распресненный) ГУ, 0,8 ГУ, 1,6
Летне-осенняя Трасса СМП ГУ, 1,3 ГУ, 2,6 ГУ, 1 ГУ, 2
Агсб Зимне-весенняя Трасса СМП, неарктические моря, устья сибирских рек ГУ, 1,3 ГУ, 2,6 ГУ, 1,1 ГУ, 2,2
Летне-осенняя Трасса СМП ГУ, 1,6 ГУ, 3,2 ГУ, 1,3 ГУ, 2,6
Агс7 Зимне-весенняя Трасса СМП, неарктические моря, устья сибирских рек ГУ, 2 (распресненный, морской) ГУ, 4 ГУ, 1,4 ГУ, 2,8
Летне-осенняя Трасса СМП МУ, 3-3,5 МУ, 6 БУ, МУ, 2 БУ, МУ, 4
Агс8 Зимне-весенняя Трасса СМП, неарктические моря, устья сибирских рек МУ, 3-3,5 МУ, 6 ГУ 2 (распресненный, морской) ГУ 4 (распресненный, морской)
Летне-осенняя Трасса СМП МУ, 3-3,5 МУ, 6 МУ, 3-3,5 МУ, 6
Агс9 Зимне-весенняя Трасса СМП, неарктические моря, устья сибирских рек МУ, 3-3,5 МУ, 6,0 МУ, 3-3,5 МУ, 6
Летне-осенняя Трасса СМП МУ, 3-3,5 МУ, 6 МУ, 3-3,5 МУ, 6
Рис. 1. Температуры для арктических морей
September 1
October 2
November 3
December 4
January 5
February 6
March 7
April 8
May 9
Calculated distribution of air temperatures for ships of Arctic classes Arc5-Arc8 and icebreakers
0 -10
-20
-30
-50
О ] ■ ■ ■ a ■ i VIonthlv average temperature Average minimum temperature 1
• ^ < >
/) \
у
A r /
Y.
r /
\
0 1
9 10
Уровень ледовых нагрузок определяется прочностью ледовых образований, которые, в свою очередь, определяются эксплуатационной температурой. Для судов арктических категорий Агс5-Агс9 расчетные температуры для назначения прочностных характеристик льда представлены на рис. 1 ([4], в соответствии с данными [5]). Для зимне-весенней навигации в качестве расчетных данных рекомендуется принимать март-апрель, а для летне-осенней навигации - ноябрь.
Расчетные эксплуатационные скорости необходимо определять с учетом характерных особенностей корпуса и мощности ледокольного судна.
Прочность льда на одноосное сжатие
Прочность льда на одноосное сжатие определялась по данным натурных измерений [5-8 и др.]. Максимальные значения прочности на одноосное сжатие для однолетнего морского льда, вертикальное и горизонтальное нагружения (рис. 2), МПа:
(о со¥трг \ = 17,5- ехр(-0,007 • V);
(a COmpr )H = 10,1-exp(-0,008-v),
где v - суммарная пористость льда, %о [5].
(1) (2)
Максимальная прочность многолетнего льда на одноосное сжатие, МПа:
(aMmpr) = exp (-0,6593 - ln( v + 25) + 4,838), (3)
где v - суммарная пористость льда, %о [5].
Для консолидированной части однолетнего и многолетнего тороса прочность льда на одноосное сжатие, МПа, для вертикального (ampr )consV
и гори3°нгального (a^mpr )cons,H нагрУжений определяется по формулам
(aiYmpr) V = 14 - exp(-0,007 - v); (4)
V ^ /cons,V
(aClpr) H = 12,6 exp(-0,007 - v). (5)
V r / cons, H
Морфологические характеристики торосистых образований
На рис. 3 представлена схема однолетнего и многолетнего тороса [5].
Нагрузка на ВРК при навале на киль тороса определяется касательными тг^ерге^иге и нор-
Рис. 2. Схемы вертикального и горизонтального нагружения
а/=20,7° (temperate) 0^=32,9° (Beaufort)^
Hk/Hs=4,4 WkIHk= 3,9 Wk/Hs= 15,1 AkIAs=8,0 Рис. 3. Схемы однолетнего и многолетнего торосов
а.=19,5°
! Н,
Pk=0,G6+0,9\Ps
Hk/Hs=3,3
Ak/As=8,8
мальными pridgepressure напряжениями сдвига в киле тороса [2]:
pridgepressure = 0,0149H keel + 0,0394;
Tridgepressure = 0,0°17 Hkeel + 0,0044
(6) (7)
где Hkeel @РНт11) - расчетная глубина киля, м [5, с. 360], определяется высотой паруса.
Максимальная высота паруса тороса определяется толщиной обломков льда [3, 5]:
Hsail = b (hbock )а,
(8)
где Ь @ 5,24, а @ 0,5 - коэффициенты [5]; ^¡¡0ск -толщина блока льда в киле тороса [5].
Толщина блока льда («подсова») в киле тороса ^¡С0ск @ 0,65к{се, по данным [3, 9], кСег - толщина ровного термического льда, окружающего торос. Характерная длина обломка льда («подсова») 1,се @ 2,85(hiCleock)3/4 [5]. Ширина киля составляет Wk @ 4-Икее1 [2].
Уточненная оценка толщины консолидированной части тороса в зависимости от ее характерной ширины (длины)
Уточненная оценка толщины консолидированной части тороса в зависимости от ее характерной ширины (длины) выполнена по данным натурных измерений [1-3, 10]:
Hice @ (Hice )max Ки^ (sX
(9)
где (И,се )тах @ 3,3 - Ке ; (5) - KоэффиЦиенT,
учитывающий изменение средней толщины консолидированной части тороса в зависимости от ее характерной длины (ширины) 5.
При прохождении ледокола через торосистые поля под кромками канала остается торосистое образование, характеристики которого могут быть определены по вышеизложенной методике.
Расчетные сценарии и случаи для назначения ледовых нагрузок на элементы винторулевой колонки
Для назначения ледовых нагрузок на ВРК рассматриваются два основных сценария:
■ удар обломком льда;
■ навал ВРК на киль тороса. Применительно к указанным сценариям в табл. 2
представлены основные расчетные случаи для назначения продольных и поперечных ледовых сил на тянущую ВРК типа А71роА
Самостоятельная эксплуатация «традиционных» судов (движение носом вперед)
Для традиционных судов при самостоятельной эксплуатации в тяжелых ледовых условиях курс судна выбирается в обход тяжелых участков, по разрывам ледовых полей. Эксплуатация судна в таких условиях сопровождается постоянным маневрированием и может привести к выносу кормовой оконечности на кромку ледового покрова (рис. 4). При прохождении стыков носовая оконечность разрушает кромку тороса, и в дальнейшем данные обломки могут взаимодействовать с ВРК (табл. 2, расчетные случаи 1-3). Дополнительно к этому сценарию необходимо рассматривать случай «заклинки» судна в киле тороса (рис. 5). В такой ситуации судно выходит из тороса задним ходом, ВРК работают на полную мощность и развернуты на обмыв борта судна. В этом случае может произойти навал ВРК на киль тороса (табл. 2, расчетный случай 4).
Таблица 2. Расчетные случаи и нагрузки для определения глобальных ледовых нагрузок на винторулевой колонки типа Azipod
Расчетный случай
1. Поперечный удар обломком льда о гондолу и стойку ВРК
2. Продольный удар обломком льда об обтекатель гребного винта (гондолу)
3. Продольный удар обломком льда о стойку ВРК
4. Навал ВРК на киль тороса
Нагрузка
Обломок льда
Обломок льда
Обтекатель
Обломок льда
Обломок льда
Самостоятельная эксплуатация судна двойного действия DAS (движение кормой вперед)
При самостоятельной эксплуатации судна DAS максимальные ледовые нагрузки могут быть реализованы при прохождении торосистой перемычки. После прохождения перемычки судно выходит на участок с легкими ледовыми условиями, и его ско-
рость резко возрастает. Вхождение судна кормой в следующую торосистую перемычку (навал кормой на кромку поля, рис. 6) с увеличенной скоростью является причиной высоких ледовых нагрузок на ВРК и на корпус. Для указанного режима нагрузки на ВРК обусловлены ударом обломка льда (табл. 2, расчетные случаи 1-3) из разрушенного ледового покрова (консолидированный слой тороса) и навалом на киль тороса (табл. 2, расчетный случай 4).
Рис. 4. Самостоятельная эксплуатация. Режим прохождения стыка торосистых полей с выносом кормы на кромку ледового поля
Рис. 5. Самостоятельная эксплуатация. Режим выхода судна из торосистой перемычки задним ходом
Рис. 6. Вхождение судна кормой вперед в торосистую перемычку (навал кормой на кромку поля)
ломка ледового поля
поперечное сечение канала с набитым льдом ломка ледового поля ломка ледового поля
ломка ледового поля
Рис. 7. Движение судна в канале за ледоколом на переднем и заднем ходу
Режимы движения за ледоколом, экстренная остановка и выход из канала
поперечное сечение канала с набитым льдом
Эксплуатация в канале за ледоколом в наиболее тяжелых условиях
При прокладке ледоколом канала часть обломков льда из разрушенного ледового покрова (ровный лед, консолидированная часть тороса) остается в канале, а часть задвигается под кромку канала. Указанные обломки льда могут взаимодействовать с ВРК.
Для определения продольных ледовых сил (табл. 2, расчетные случаи 2, 3) на ВРК в качестве расчетных принимаются режимы движения судна в канале и выход судна из канала для предотвращения столкновения (рис. 7). Для определения поперечных ледовых нагрузок (табл. 2, расчетные случаи 1, 4) принимаются режимы экстренного торможения (реверс) и выход ледокола из канала (рис. 7).
Методика назначения размеров обломков льда из разрушенного ледоколом (судном ледового плавания) ледового покрова
Наибольшие обломки льда образуются в районе скулы носовой (кормовой) части.
Характерная ширина обломка льда, в зависимости от скорости судна (ледокола), толщины льда, его прочности может быть определена по формуле [4]:
bice = Lstatic kdyn, (10)
где Lstatic - характерная длина ледового покрова; kdyn - коэффициент динамичности.
Lt
E - hc
1/4
12 - Y - (1 - v2)
(11)
kdyn = kdyn (Fr(hice )).
(12)
Здесь Fr (hice) - ( ) typjcal_ - число Фруда по тол-
yjg^ce
щине льда; (Vice)typical - вертикальная скорость
нагружения ледового покрова при взаимодействии с корпусом для первого шпангоута, (Vice )typical — Vn - tg(90 - ft), где 01 - угол наклона шпангоута в плоскости, перпендикулярной ватерлинии; Vn = Vice sina - скорость, нормальная к ватерлинии; Vice - скорость движения судна, a - угол наклона ватерлинии.
Длина и масса обломка льда [14]:
lice — bice /tga, (13)
mice — Yice -\_kform (bice - lice - hice )],
(14)
где у/се - удельный вес льда; ксе - расчетная толщина ледового покрова (толщина консолидированного слоя тороса или ровного ледового покрова); к/огт -коэффициент формы обломка льда.
Расчетные схемы назначения ледовых нагрузок
Расчетная схема назначения продольной ледовой силы на обтекатель гребного винта (гондолы) от удара обломком льда
На рис. 8 представлена схема взаимодействия обтекателя гребного винта (ГВ) со льдом для определения продольной ледовой нагрузки на обтекатель [16, 17]. Схема основана на гидродинамической теории выдавливания ледового порошка [18-20].
где V @ 0,35 - коэффициент Пуассона; у @ 920 кг/м3 - удельный вес воды; Е = Е(уъ) - модуль Юнга для статической нагрузки.
В первом приближении @ 10к/се.
Коэффициент к^п характеризует динамическое усиление нагрузки разрушения ледового покрова и уменьшение характерного размера обломков льда в зависимости от скорости нагружения [12-15]. Значение к^ определяется по методике РС, разработанной на базе анализа результатов натурных испытаний и результатов численных исследований [12, 13, 15]:
Рис. 8. Схема взаимодействия обтекателя гребного винта со льдом [1, 17]
Ледовая продольная сила (Г,се оп)сир, воздействующая на обтекатель ГВ, определяется по формуле
(f°g ) =j
V / cup
Pice © • x) + T,ce sin(n x)
ds, (15)
где т,се = /с1'РгСе - касательные напряжения; -динамический коэффициент трения; принимается @ (0,08 - 0,1); Л- - элемент площади обтекателя гребного винта, п - нормаль к поверхности обтекателя.
Ледовые давления р,се в зоне контакта обтекателя со льдом [2, 12, 16, 17]:
ч 0,027 I о I 0,497 Pice = а • eV Р • e
%
(16)
где Pice =
(Pice )m
- безразмерное контактное ле-
довое давление; (Р,се)тах - максимум ледового контактного давления; \ = \ / А£, - безразмерная координата вдоль кривой £ (линия тока выдавливаемого ледового порошка); Д£ - длина зоны контакта по кривой е [0,1]; 0 - начало зоны контакта; 1 - конец зоны контакта.
Безразмерное среднее давление:
(
Po = J
, 0,027 I о I 0,497
а • ev 0+ р • e
%
d %.
(17)
Рис. 9. Схема взаимодействия стойки колонки со льдом
Максимум ледового контактного давления (Р,се)тах определяется по формуле, предложенной Н. 8оЫпеп [4, 20]:
(Pice У
ice J max 15 • ®c°mPr
0,6
(18)
где осотрг - прочность льда на одноосное сжатие; ц = 0,6 - параметр.
В качестве расчетного асотрг принимается прочность на одноосное сжатие при вертикальном нагружении верхней поверхности ледового покрова (консолидированная часть тороса, ровный (термический) лед), см. выше.
При ударе обломком льда значение продольной силы в зависимости от скорости судна ¥,се определяется из уравнения
miceVice 2
l
j(FJ°nS )c
dx,
(19)
где mice - характерная масса обломка льда; Vice -скорость взаимодействия обломка льда с обтекателем ГВ (скорость судна); l - дистанция внедрения обтекателя в лед по оси x.
Расчетная схема назначения продольной ледовой силы на стойку винторулевой колонки от удара обломком льда
На рис. 9 представлена схема взаимодействия стойки колонки со льдом для определения ледовой нагрузки при продольном ударе [17].
В поперечном сечении схема взаимодействия стойки ВРК со льдом аналогична представленной на рис. 8. Схема основана на гидродинамической теории выдавливания ледового порошка c учетом масштабного фактора прочности льда по зоне контакта вдоль оси z (рис. 9). Ледовая продольная сила (Ficel°ng)strut определяется формулой
'Strut
(F,í°eng )
= hee • KeaJ
%
Pice (%) • COS^ x) + Tice S^fo x)
d % @
@ lice • kscale J Pice ©^sfo x)d
(20)
где lice - длина контакта, lice = hice, Az > hice и lice = Az, Az < hice; hice - толщина ровного ледового покрова (консолидированной части тороса); Az - расстояние между корпусом и лопастью гребного винта
0
0
Рис. 10. Схема взаимодействия гондолы винторулевой колонки со льдом
(рис. 9); к8са1е = к8са1е(1Се) - масштабный фактор прочности льда, обусловленный неодновременностью его разрушения вдоль оси
В общем случае при Аг > ксе значение (^1Се1оп§)з1ги определяется из уравнения типа (19).
Консервативная оценка (Есеоп)$ги выполняется из условия «чистого» прорезания стойкой колонки ледового покрова толщиной Аг = ксе:
long\
e /Strut
h - k k b
' rHce ^ scale n"formu,>
(21)
(£; x) и (£; y), поперечная ледовая сила определяется формулой:
FjranS —jp0 - Ю( y) - kscale (b) dy -
y
= p0 kscale (Ь)/Ю(у ) - dy,
(22)
где когт - коэффициент формы; Ь - характерный поперечный размер.
Расчетная схема назначения поперечной ледовой силы на гондолу винторулевой колонки от удара обломком льда
На рис. 10 представлена схема сценария поперечного удара обломком льда о гондолу ВРК.
Расчетная толщина обломка льда из консолидированной части тороса соизмерима или превосходит диаметр гондолы Нсе > Врос[. В этом случае разрушение происходит в плоскостях (£; х) и (£; у). В плоскости (£; х) разрушение льда аналогично механизму разрушения кромки ледового покрова, представленному в [21] (рис. 11). По бокам кромки ледового обломка в плоскости (£; х) происходят сколы льда. В области контакта ш происходит смятие льда, и ледовое давление рСе определяется процессом вытеснения ледового порошка [18-20] (см. уравнение (16), рис. 10).
В плоскости у) происходит неодновременное разрушение льда вдоль кромки обломка льда. При малой дистанции внедрения обломка льда в гондолу £/се << Вроа, ^се - зона контакта в плоскостях
где ш(у) - длина зоны контакта в плоскости (£; х); к8са1е(Ь) - масштабный фактор прочности льда, обусловленный неодновременностью разрушения льда вдоль кромки обломка в плоскости (£; у); Ь - зона контакта в плоскости (£; у); р0 - среднее контактное давление на элемент поверхности с площадью с!з = ш^dy.
Длина зоны контакта ш (рис. 10) определяется по формуле
Ю = ksplit (Vice,) - Ю0 ,
(23)
где к8рт(Ъсе,$) - коэффициент скола в зависимости от скорости взаимодействия кромки льда с поверхностью, определяется на основании эксперимен-
Рис. 11. Схема разрушения кромки льда
у
(
AZ
- ° С>
Рис. 12. Сценарий поперечного навала винторулевой колонки на киль тороса
Рис. 13. Сценарий поперечного навала винторулевой колонки на киль тороса с обломком льда («подсовом»)
тальных данных [10, 21] У,сф ш0 - длина зоны контакта при малой скорости.
Значение поперечной ледовой силы на гондолу ^,сеШт в зависимости от скорости взаимодействия определяется из выражения 2 Ь
Ысе
- I Р1се1гапЧЬ, (24)
miceV,
ice ice,t
2
где т,се - масса ледового блока; У,се^ - скорость,
нормальная к поверхности ВРК; £,се - дистанция внедрения (рис. 10).
Расчетная схема назначения поперечной ледовой силы на винторулевую колонку от киля тороса
При статическом нагружении поперечная нагрузка на ВРК от навала на киль тороса определяется по формуле
(Г,се Ушт @ £ ' РгШ^ер^ше - У0,66, У ^ 2кпо1^ (25)
где £ - площадь боковой проекции ВРК; р^ф^т -нормальные напряжения в киле тороса.
Продольная ледовая нагрузка на обтекатель гондолы
Дополнительно необходимо учитывать наличие крупных обломков льда («подсовов») в киле тороса (рис. 13). На рис. 14 представлена схема взаимодействия «подсова» с гондолой ВРК.
Поперечная ледовая сила от воздействия «подсова» (статическая нагрузка) определяется формулой (F )block @
V icehrans ~
= 2(1 ice ) * Т ridgepressure + 1 4 * lice ' hice ' Pridgepressure , (26)
где hiceblock; lice - толщина и длина «подсова»; Tridgepressure - касательные напряжения в торосе, см. выше.
Суммарная поперечная сила от навала на киль тороса с «подсовом» (см. рис. 13) определяется формулой
( J7 \keel+block_ ( т? \keel(S1) \block
( Fice )trans @ ( Fice )trans + (Fice )l
trans '
(27)
где (F,ce )
keel (S1)
= S,
1 ' Pridgepressure - ПоПеречНая сила
j block \ ' hice ).
на ВРК от киля; S1 = (S -1,4 * lic
Поперечная ледовая нагрузка на гондолу ВРК
Агс5 АО «ЦНИИМФ»
РС5 DNV-GL
РС6 DNV-GL
Агс5 АО «ЦНИИМФ» ■ РС5 DNV-GL ■ РС6 DNV-GL
Рис. 15. Продольная и поперечная ледовые нагрузки на винторулевую колонку ледокольного судна класса Aгc5
Продольная ледовая нагрузка на обтекатель гребного винта
■ Агс7 АО «ЦНИИМФ» ■ РСЗ DNV-GL
Для динамического нагружения ледовая сила определяется по формулам:
(Fce CL (V) -V0,66; (28)
(^С (V)-V0,66; (29)
(Fcce CSl)(V) @(F* с -V0,66; (30)
(Fee )™ (V) @ (Fte с™ -V0,66, (3i)
где V - скорость, нормальная к «диаметральной» плоскости ВРК, м/с, V > l м/с.
Заключение
На рис. 15, 16 представлены сравнения результатов расчета продольных и поперечных ледовых нагрузок на элементы ВРК ледокольных судов классов Arc5, Arc7 по представленной в настоящей статье методике и правилам DNV-GL для классов PC6, PC5, PC3. Разница величин ледовых нагрузок на элементы ВРК составляет не более 15 %.
Методика назначения ледовых нагрузок на элементы ВРК была использована при разработке ВРК для различных судов активных ледовых классов.
Список использованной литературы
1. Experimental studies of ice loads on pod propulsors of ice-going support ships / Dobrodeev A., Sazo-nov K., Andryushin A., Fedoseev S., Gavrilov S. // Proc. of the 24th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. St. John's: POAC, 2017. P. P0AC17-031 (8 p.). https://www.poac.com/Papers/2017/pdf/P0AC17_031_ Dobrodeev.pdf.
Поперечная ледовая нагрузка на гондолу ВРК
■ Агс7 АО «ЦНИИМФ» ■ РСЗ DNV-GL
2. Palmer A., Croasdale K. Arctic Offshore Engineering. Singapore [etc.]: World scientific, 2013. XIV, 357 p.
3. Strub-Klien L., Sudom D. A comprehensive analysis of the morphology of first-year sea ice ridges // Cold Regions Science and Technology. 2012. Vol. 82. P. 94-109. DOI: 10.1016/j.coldregions.2012.05.014.
4. Сборник нормативно-методических материалов. Кн. 25 (НД № 2-139902-030) / Российский морской регистр судоходства. Санкт-Петербург, 2017. 61 с.
5. Weeks W.F. On sea ice. Fairbanks: University of Alaska Press, 2010. XVI, 664 p.
6. Hoyland K.V.Consolidation of first-year sea ice ridge // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2002. Vol. 107, № C6. P. 15-1-15-16. DOI: 10.1029/2000JC000526.
7. Frederking R. Plane strain compressive strength of columnar-Grained and Granular-Snow ice // Journal of Glaciology. 1977. Vol. 18, № 80. P. 505-516. DOI: 10.3189/S002214300002116X.
8. Rihter J.A., Cox G.F.N. Confined compression strength of multi-year pressure ridge sea ice Samples // Proc. of the 5th International offshore mechanics and arctic engineering Symposium. New York: ASME, 1986. P. 365-373.
9. Ледяные образования морей Западной Арктики. Санкт-Петербург: ААНИИ, 2006. 272 с.
10. Heinonen J.Constitutive modeling of ice Rubble in First-Year Ridge Keel. Espoo, 2004.142 p. (VTT Publications; № 536).
11. Sailing Directions of Ob Bay № 1116, Headquarters of Navigation and Oceanography. 1993.
12. Andryushin A., Zuev P., Kuteinikov M., Grigorjeva O., Bolshev A., Frolov S. Determination of ice loads acting on bow and stern of modern ice ships and icebreakers // Proc. of 26th International Ocean and Polar Engineering Conference. Cupertino: ISOPE, 2016. Vol. 1. P. 1298-1305.
13. Ледовые нагрузки на суда, форма корпуса которых отличается от регламентируемых Правилами РМРС /
Рис. 16. Продольная и поперечная ледовые нагрузки на винторулевую колонку ледокольного судна класса Aгc7
Андрюшин А.В. [и др.] // Морской вестник. 2017. Спец. вып. № 1. C. 13-16.
14. Алексеев Ю.Н., Сазонов К.Е., Шалаева Л.М. Оценка составляющей полного ледового сопротивления, зависящей от разрушения льда // Вопросы судостроения. Сер. Проектирование судов. 1982. Вып. 32. С. 69-73.
15. Сазонов К.Е. Исследование динамического разрушения ледового покрова // Судостроительная промышленность. Серия: проектирование судов. 1991. Вып. 19. С. 6-10.
16. Современные методы отработки пропульсивных комплексов судов ледового плавания. Ледовые нагрузки / Евенко В.И., Сергеев А.А., Андрюшин А.В. [и др.] // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства. 2009. № 32. С. 182-204.
17. Andryushin A.V., Hanninen S., Heideman T. "Azipod" Azimuth Thruster for large capacity arctic transport ship with high ice category Arc7. Ensuring of operability and operating strength under severe ice conditions // Proc. of the 22nd International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions (POAC 13). Red Hook, 2014. P. 223-227.
18. Андрюшин А.В. Теория взаимодействия гребного винта со льдом. Обеспечение эксплуатационной прочности элементов пропульсивного комплекса судов ледового плавания и ледоколов: дис. ... д-ра техн. наук : 05.08.01 / Андрюшин А.В.; С.-Петерб. гос. мор. техн. ун-т. Санкт-Петербург, 2006. 254 с.
19. КудюмовВ.А., ХейсинД.Е. Гидродинамическая модель удара твердого тела о лед // Прикладная механика. 1976. Т. 12, № 10. С. 104-109.
20. SoininenН. A propeller-ice contact model: Thesis ... Doctor of Technology / Soininen Н.; VTT technical research centre of Finland. Espoo, 1998. 116 p.
21. Daley C.G. Ice Edge Contact - A Brittle Failure Process Model //Acta Polytechnica Scandinavica. Mechanical Engineering Series. 1991. № 100. 92 p.
Сведения об авторах
Андрюшин Александр Владиславович, д.т.н., зав. лабораторией, АО «Центральный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота». Адрес: 191015, Россия, Санкт-Петербург, Кавалергардская улица, д. 6, лит. А. Тел.: +7 (812) 312-85-72. Федосеев Сергей Сергеевич, научный сотрудник АО «Центральный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота». Адрес: 191015, Россия, Санкт-Петербург, Кавалергардская улица, д. 6, лит. А. Тел.: +7 (981) 153-04-06. Кутейников Михаил Анатольевич, д.т.н., начальник отдела отдела конструкции корпуса и судовых устройств ФАУ «Российский морской регистр судоходства». Адрес: 191186, Россия, Санкт-Петербург, Дворцовая набережная, д. 8. Тел.: +7 (812) 312-85-72, E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 25.11.2020 Принята в печать / Accepted: 17.12.2020 © Коллектив авторов, 2020
