CC BY-NC
17
Б01: 10.24937/2542-2324-2021-3-397-45-55 УДК 629.561.5:656.052.55
С.А. Александров, Г.И. Каневский , К.В. Курчуков, В.В. Магаровский, В.Г. Платонов
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОЙ МОЩНОСТИ ПРИ ДВИЖЕНИИ ЛЕДОКОЛА «ЛИДЕР» В ШТОРМОВЫХ УСЛОВИЯХ
Объект и цель научной работы. Объектом исследования является ледокол «Лидер»; цель исследования -оценка возможности движения ледокола в штормовых условиях с минимально допустимой скоростью в соответствии с требованиями 1М0 для случая аварийного движения.
Материалы и методы. Основными методами исследования являлись анализ данных модельных испытаний ледокола и расчетные методы оценки буксировочного сопротивления и ходкости на волнении.
Основные результаты. Выполнены расчеты ходовых качеств ледокола «Лидер» для режима аварийного движения в штормовых условиях. Произведен учет аэродинамического сопротивления, дополнительного сопротивления на нерегулярном волнении, а также рассмотрено влияние застопоренных гребных винтов на сопротивление ледокола при движении в аварийном режиме.
Заключение. Показано, что ледокол «Лидер» удовлетворяет рекомендациям 1М0 в отношении возможности движения против ветра силой 8 баллов по шкале Бофорта и соответствующего волнения со скоростью 6 уз. Ключевые слова: ледокол, сопротивление на волнении, аварийный режим движения. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-3-397-45-55 UDC 629.561.5:656.052.55
S. Alexandrov, G. Kanevsky , K. Kurchukov, V. Magarovsky, V. Platonov
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
ESTIMATION OF REQUIRED POWER
FOR LEADER ICEBREAKER IN STORMY SEAS
Object and purpose of research. The object of this research is the Leader icebreaker; the purpose is to assess the icebreaker's ability to move in stormy seas with minimum allowable speed as per IMO requirements.
Materials and methods. The main methods of investigation is analysis of the icebreaker model test data and methods to estimate the towing resistance and propulsion performance in waves.
Main results. Propulsion performance of the Leader icebreaker was estimated for survival conditions in stormy seas. Wind resistance and added resistance in irregular waves were included, as well as the influence of stopped propellers on the icebreaker resistance in survival mode was considered.
Conclusion. It is shown that the Leader icebreaker meets the IMO recommendations to move at a speed of 6 knots against the wind force 8 in the Beaufort scale and corresponding sea state. Keywords: icebreaker, resistance in waves, survival conditions. The authors declare no conflicts of interest.
Для цитирования: Александров С.А., Каневский Г.И., Курчуков К.В., Магаровский В.В., Платонов В.Г. Определение необходимой мощности при движении ледокола «Лидер» в штормовых условиях. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; 3(397): 45-55.
For citations: Alexandrov S., Kanevsky G., Kurchukov K., Magarovsky V., Platonov V. Estimation of required power for Leader icebreaker in stormy seas. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; 3(397): 45-55 (in Russian).
Введение
Introduction
Для обеспечения безопасности судоходства в соответствии с требованиями IMO (раздел о безопасном возвращении в порт, Interpretation 18) [1] судно должно иметь возможность поддерживать адекватную скорость достаточное время, чтобы обеспечить безопасное возвращение судна в порт. При движении против ветра силой 8 баллов по шкале Бофорта и соответствующем волнении рекомендуется поддерживать минимальную скорость хода не менее 6 уз.
Интерес к исследованию сопротивления на волнении ледоколов возник относительно недавно, и связан он как с их переходом на круглогодичную работу на трассе Северного морского пути, так и с необходимостью дополнительного привлечения судов к обслуживанию инфраструктуры для добычи углеводородного сырья в акватории арктического шельфа. Соответственно, вопросы, актуальные для эксплуатации транспортных судов на волнении, оказываются таковыми и для ледоколов. При этом сведения о дополнительном сопротивлении ледоколов и судов ледового плавания в зарубежной и отечественной литературе встречаются в крайне незначительном количестве.
Таблица 1. Главные размерения ледокола «Лидер» Table 1. Main dimensions of the icebreaker Leader
Осадка по ватерлинии, м =14
Длина по ватерлинии, м =200
Ширина по ватерлинии, м =45
Водоизмещение, м3 =70 000
Коэффициент общей полноты 0 576
(ватерлинии)
Коэффициент полноты миделя 0,89
Таблица 2. Основные геометрические элементы
гребных винтов
Table 2. Main geometric elements of propellers
Диаметр гребного винта D = 7,5 м
Количество лопастей Z = 4
Безразмерный радиус ступицы rhublR = 0,300
Дисковое отношение AE/AO = 0,80
Шаговое отношение PID = 0,87
Количество гребных винтов ZP = 4
Целью данной работы является оценка величины необходимой мощности для движения ледокола «Лидер» в штормовых условиях при различных аварийных ситуациях. При этом особое внимание уделяется вопросам определения дополнительного сопротивления ледокола на волнении.
Геометрические данные по ледоколу «Лидер»
Geometric data for the icebreaker Leader
Главные размерения ледокола «Лидер» с мощностью на винтах 120 МВт представлены в табл. 1.
Основные геометрические элементы гребных винтов ледокола «Лидер» приведены в табл. 2.
Определение параметров волнения, соответствующего ветру в 8 баллов
Determination of wave parameters corresponding to wind force 8
По данным, приведенным в ISO 15016 [2], при ветре 8 баллов по шкале Бофорта средняя величина скорости ветра составляет 19 м/с, вероятная максимальная высота волн - 7,5 м (табл. 3). Соответствующая этому значению высота волны с обеспеченностью 3 % приближенно равна Н3% = 5,3 м; она и была принята в качестве исходной при выполнении расчетов дополнительного сопротивления ледокола «Лидер» при движении на волнении.
Табл. 3 предназначена для использования только в качестве руководства, чтобы примерно показать, какие условия по ветру и волнению можно ожидать в открытом море вдали от суши. Данные таблицы нельзя использовать для закрытых морей или вблизи суши. В скобках приведены вероятные значения максимальной высоты волн.
Определение дополнительного
аэродинамического
сопротивления
Determination of additional aerodynamic drag
Для выполнения расчета ходовых качеств ледокола необходимо определить суммарное буксировочное сопротивление при движении против ветра 8 баллов (скорость ветра - 19 м/с) и соответствующего волнения моря. Суммарное букси-
Таблица 3. Шкала Бофорта для скорости ветра по данным ISO 15016 [2] Table 3. Beaufort scale for wind speed according to ISO 15016 [2]
№ по Наиме- Скорость, эквивалентная на стандартной высоте 10 метров над открытой плоской поверхностью Технические характеристики Вероятная высота Вероятная высота
Бофорта ние средняя угловая м/с км/ч на земле на море берег волны в ме- волны в фу-
скорость трах тах
0 Штиль < 1 0-0,2 < 1 < 1 Тихо, дым поднимается вертикально Зеркально-гладкая поверхность воды Штиль - -
1 Тихий 1-3 0,3-1,5 1-5 1-3 Дым отклоняется Небольшая рябь на воде Лодка управляется 0,1 %
бриз от вертикального положения без образования гребешков рулевым методом (0,1) (%)
2 Легкий бриз 4-6 1,6-3,3 6-11 4-7 Ощущается движение ветра на лице, листья и мелкие веточки шевелятся Небольшие короткие волны, гребни не ломаются Скорость 1-2 узла 0,2 (0,3) % (1)
3 Слабый 7-10 3,4-5,4 12-19 8-12 Листья и мелкие Волны становятся чуть боль- Лодки начинают 0,6 2
бриз веточки в постоянном движении, легкие флаги развиваются ше, гребни начинают ломаться, пена стеклянная, образуются большие белые гребни качаться, скорость 3—4 узла (1) (3)
4 Уме- 11-16 5,5-7,9 20-28 13-18 Разлетается пыль Небольшие волны удлиня- Хороший ветер для 1 3 %
ренный бриз и мелкий мусор, ветки, бумага ются, образуется много белых гребешков движения лодок под парусом (1,5) (5)
5 Свежий 17-21 8,0-10,7 29-38 19-24 Тонкие деревья Начинают образовываться Движение 2 6
бриз раскачиваются, на закрытой воде образуются волны умеренные волны, много белых гребней, возможны небольшие брызги с коротким парусом (2,5) (8 %)
6 Силь- 22-27 10,8-13,8 39-49 25-31 Качает крупные Начинают образовываться Лодки на двойном 3 9 %
ный ветки деревьев, большие волны, много якоре, требуется (4) (13)
ветер трудно идти против ветра, трудно использовать зонты белых гребней, вероятны брызги осторожность при ловле рыбы
7 Креп- 28-33 13,9-17,1 50-61 32-38 Крупные ветки Море вздымается, и белая Лодки остаются на 4 13 %
кий качает, трудно идти пена от разбивающейся причале, а те, что (5,5) (19)
ветер против ветра волны разносится ветром в море, ложатся на воду
8 Очень 34-40 17,2-20,7 62-74 39-46 Ломает ветки Умеренно высокие и длин- Лодки остаются 5,5 18
креп- деревьев, трудно ные волны, края гребней в гавани (7,5) (25)
кий идти начинают закручиваться,
ветер гребни движутся хорошо заметными полосами по направлению ветра
9 Шторм 41-47 20,8-24,4 75-88 47-54 Некоторые разрушения (сносит горшки и шифер с крыш) Высокие волны, плотные гребни волны, волны начинают биться и опрокидываться, брызги могут мешать обзору 7 (10) 23 (32)
10 Сильный шторм 48-55 24,5-28,4 89-102 55-63 Вырывает деревья с корнем, значительные разрушения. Встречается редко Очень высокие волны с высокими нависающими гребнями, поверхность море приобретает в целом белый вид, образующая пена разносится большими кусками 9 (12,5) 29 (41)
11 Жесткий шторм 55-63 28,5-32,6 103-117 64-72 Очень сильные разрушения. Встречается редко Очень высокие волны, малые и средние суда могут пропадать из видимости, море покрыто волнами, ухудшение видимости 11,5 (16) 37 (52)
12 Ураган 64 32,7 и 118 и 73 и - Воздух наполнен пеной и - 14 45
выше выше выше брызгами воды, видимость сильно затруднена, море совершенно белое от бурлящей воды (-) (-)
Таблица 4. Результаты расчета аэродинамического сопротивления ледокола «Лидер» при встречном ветре 19 м/с
Table 4. The results of calculating the aerodynamic drag of the icebreaker Leader with a headwind of 19 m/s
Vs, уз VG, м/с VWRref, М/С VWRref - VG2, М2/С2 Raa, кН
4 2,06 21,06 439,2 145,6
6 3,09 22,09 478,3 158,6
8 4,12 23,12 517,4 171,6
10 5,14 24,14 556,5 184,5
ровочное сопротивление Ry можно определить по формуле
Ry - Rt + RAA + RA
(1)
Здесь RT - буксировочное сопротивление на тихой воде; Raa - аэродинамическое сопротивление; RAW -дополнительное сопротивление судна на волнении.
Согласно [2] величина аэродинамического сопротивления при встречном ветре определяется с помощью формулы
Raa = 0,5 Pa ■ CAA(Ö) ■ A^y ■ (V 2Шге/ - V 2G), (2)
где pA = 1,205 кг/м3 плотность воздуха; VWRref = = 19 + VG - относительная скорость ветра, м/с; VG -скорость движения судна относительно земли, м/с.
В соответствии с материалами испытаний в аэродинамической трубе коэффициент аэродинамического сопротивления ледокола при встречном ветре CAA(0) = 0,433. При этом в качестве характерной площади принято значение площади поперечного сечения надводной части судна Axv = 1271 м2.
Результаты расчета аэродинамического сопротивления ледокола «Лидер» представлены в табл. 4.
Метод определения дополнительного сопротивления судна на волнении
Method for determining the additional resistance of vessels in waves
При проектировании судов среднее дополнительное сопротивление, вызванное волнением и качкой судна, обычно получают с помощью испытаний моделей в мореходном опытовом бассейне или расчетом с использованием эмпирических или полуэмпирических формул. Эти формулы, как правило, основаны на анализе и систематизации результатов испытаний моделей судов разных типов и назначения на регулярном волнении. Так, в опубликованной в 2020 г. работе [4] выполнен регрессионный
анализ данных о дополнительном сопротивлении около 130 моделей судов, испытанных при различных волновых условиях, числах Фруда и курсовых углах волны. Среди исследованных типов судов около 58 % составляют балкеры, танкеры для транспортировки нефти и нефтепродуктов, газовозы, быстроходные грузовые суда и т.п., оставшаяся часть включает пассажирские суда и суда с очень острыми обводами.
В соответствии с рекомендацией 1ТТС [5] определение дополнительного сопротивления судна на волнении в большинстве гидродинамических центров проводят в процессе мореходных буксировочных испытаний на встречном регулярном волнении, результатом которых является получение частотных характеристик Я(ю, и) в виде
R(ra,и)=
Rwave U)
ZA '
(3)
где Rwave (ю, и) - дополнительное сопротивление судна в условиях движения с постоянной скоростью и на регулярных волнах с амплитудой С^ и частотой ю.
Расчет среднего дополнительного сопротивления судна на морском нерегулярном волнении RAw выполняется по следующей формуле:
(ю, и),
R
¥ R
2 С wave J Z2
0 z A
-Sç (ra)d ra,
(4)
где $;(Ю) - спектральная плотность волновых ординат двухмерного нерегулярного волнения.
Эта формула впервые была предложена в работе [6], строго обоснована различными путями в работах [7-9] и получила подтверждение рядом авторов по результатам испытаний моделей судов на умеренном нерегулярном волнении.
В практике мореходного бассейна Крыловского государственного научного центра (КГНЦ) среднее дополнительное сопротивление на волнении определяется путем буксировочных испытаний моделей
судов на встречном нерегулярном волнении. Для получения в процессе таких испытаний достоверных данных о сопротивлении судна RAW требуется большая продолжительность рабочего пробега модели [4], чем, например, при определении статистических характеристик качки. Из-за ограниченной длины мореходного бассейна времени движения на одном рабочем участке бывает недостаточно для прохождения моделью всего количества волн, использованных при моделировании заданного волнового спектра. Указанное обстоятельство справедливо не только для экспериментального изучения дополнительного сопротивления, но и для статистических характеристик различных видов колебаний модели. Так, для прогноза качки судна по испытаниям его модели измеренная реализация исследуемых процессов желательно должна содержать 100 колебаний, лучше - не менее 200 колебаний [10]. Получить необходимое количество колебаний на одном рабочем пробеге модели часто оказывается невозможным. В таких случаях используется так называемый метод сращивания реализаций, при котором необходимая длина реализации измеренных процессов составляется из длительности частных реализаций. Число повторных пробегов рабочего участка бассейна выбирается из условия прохождения моделью всей подобранной до испытаний реализации волнения с заданным спектром. Как правило, продолжительность волнения при таких испытаниях варьируется в диапазоне от 0,3 до 1,0 ч. для натуры в зависимости от размеров опытового бассейна, интенсивности волнения и скорости буксировки модели.
При выборе метода определения дополнительного сопротивления ледокола «Лидер» в штормовых условиях учитывалось, в том числе, то обстоятельство, что его обводы в носовой оконечности (угол заострения ватерлиний, площадь ватерлиний, угол развала шпангоутов) существенно меняются по высоте корпуса. На рис. 1 приведена площадь ватерлиний в пределах носового заострения от форштевня до 3-го теоретического шпангоута по отношению к соответствующей площади конструктивной ватерлинии в зависимости от отношения /ё (ё - осадка по конструктивную ватерлинию в носовой оконечности; - осадка по произвольную ватерлинию) для ледокола «Лидер» и танкера традиционных обводов с бульбом. Из рисунка, в частности, видно, что изменение по высоте площади ватерлиний в носовой оконечности и, следовательно, развала бортов у ледокола существенно больше, чем у танкера. Движение ледокола на
Рис. 1. Площадь ватерлиний в пределах носового заострения по отношению к площади конструктивной ватерлинии
Fig. 1. Waterplane area within the entrance in relation to the area of the structural waterline
сильном волнении должно сопровождаться интенсивной продольной качкой и значительным погружением и выходом носовой оконечности судна из воды, что может повлиять как на продольную качку, так и на дополнительное сопротивление судна на волнении. Проведенные предварительно испытания модели ледокола на встречном регулярном волнении разной крутизны показали, что частотная характеристика (формула (3)) зависит от интенсивности качки модели. Поэтому для определения дополнительного сопротивления RAW рассматриваемого ледокола предпочтение было отдано испытаниям модели на нерегулярном волнении.
Среднее дополнительное сопротивление модели ледокола на волнении RAwm) определяется как разность среднего буксировочного сопротивления модели на волнении RtJm) и сопротивления модели на тихой воде Rt(m) при одинаковой скорости буксировки. Среднее дополнительное сопротивление судна на волнении рассчитывалось по следующей формуле:
raw = pgö-фи(rwm) -r(m)) ^ (5)
где индекс «m» соответствует характеристикам модели, отсутствие индекса «m» - характеристикам судна; 1 - масштаб модели; g - ускорение свободного падения (g = 9,80665 м/с2 на широте 45,5° на уровне моря); g(m) - ускорение свободного падения на широте Санкт-Петербурга, в расчетах принято g = g(m) = 9,81 м/с2; p - массовая плотность морской воды (p = 1025 кг/м3); p(m) - массовая плотность пресной воды в мореходном бассейне КГНЦ во время испытаний (p(m) = 0,995 т/м3).
Результаты испытаний модели ледокола «Лидер»
Test results of the icebreaker model Leader
Испытания модели ледокола «Лидер» выполнялись на тихой воде и встречном нерегулярном волнении силой 5, 6 и 8 баллов в диапазоне высоты волны 3 % обеспеченности от 3,5 м до 11,0 м по шкале степени волнения ГУ ГМС 1953 г. [3] различной продолжительности. Программа испытаний приведена в табл. 5.
Результаты обработки материалов испытаний представлены в табл. 6 в масштабе судна для волнения силой 8 баллов (Н3 % = 11,0 м) и на рис. 2 в виде зависимости безразмерного коэффициента дополнительного сопротивления КАцг от отношения частоты максимума волнового спектра к частоте регулярной волны, равной длине судна по ватерлинии (ВЛ) ЬВЛ. Коэффициент ИА№ рассчитывается по формуле
RA
R
-AW
PgH3%
œ B2 ^
ЬВЛ
(6)
Таблица 5. Программа мореходных испытаний модели ледокола «Лидер» Table 5. Program for seakeeping trials of the icebreaker Leader model
Характеристика, единица измерения Величина
Число Фруда (Ей) 0,07 0,16 0,23
Высота волны Н3%, м (для судна) 3,5 6,0 11,0
Период максимума волнового спектра Тр, с (для судна) 9,0 11,5 12,5
Продолжительность волнения, мин. (для судна)
20
20
40
60
20
Таблица 6. Среднее дополнительное сопротивление ледокола «Лидер» на встречном волнении интенсивностью 8 баллов (W3% = 11,0 м)
Table 6. Average additional resistance of the icebreaker Leader at head waves with an intensity of 8 points (Нз% = 11.0 m)
Характеристика, единица измерения Величина
Число Фруда (Fn) 0,07 0,16 0,23
Продолжительность волнения, мин. 20 20 40 60 20
Дополнительное сопротивление RAW, МН 1,74 2,96 3,29 3,18 3,35
0,5 0,4
0,3
0,2
0,1
0
0,7 0,9 1,1 1,3 шр/ш£
Рис. 2. Коэффициент дополнительного сопротивления ледокола «Лидер» на встречном волнении Fig. 2. Coefficient of additional resistance of the icebreaker Leader at head waves
Таблица 7. Среднее дополнительное сопротивление RAW (МН) ледокола «Лидер» на встречном волнении с высотой волны Нз% = 5,3 м
Table 7. Average additional resistance RAW (MH) of the icebreaker Leader at head waves with a wave height H3 % = 5.3 m
Число Фруда 0,07 0,16 0,23
Дополнительное 053 j ц 127
сопротивление RAW, МН
где (tip = 2%ITp - частота волны, соответствующая
максимуму волнового спектра;
- часто-
та волны с длиной, равной длине судна; В - ширина судна по ВЛ.
Анализ данных о среднем буксировочном сопротивлении ледокола «Лидер» в условиях плавания на штормовом волнении силой 8 баллов вразрез волнам позволяет, в частности, отметить, что продолжительность движения судна в стационарном режиме в исследованном диапазоне 20-60 мин. натурного времени практически не влияет на величину среднего дополнительного сопротивления. Отличие в значениях RAW от их среднего значения не превышает ±5 %.
Полученные с использованием графиков на рис. 2 значения дополнительного сопротивления ледокола «Лидер» на волнении с высотой Яз% = 5,3 м, соответствующем 8-балльному ветру по шкале Бофорта, приведены в табл. 7.
Расчет ходовых качеств
ледокола «Лидер» для
различных аварийных ситуаций
Propulsive performance calculation of the icebreaker Leader for various emergency situations
Аварийный режим, когда работают 4 гребных винта
Результаты расчета суммарного буксировочного сопротивления представлены в табл. 8. Данные при-
ведены для волнения с высотой волны Н3% = 5,3 м и скорости встречного ветра 19 м/с, соответствующим 8-балльному ветру по шкале Бофорта.
На рис. 3 приведены зависимости составляющих сопротивления и суммарного буксировочного сопротивления ледокола от скорости хода. Видно, что наибольший вклад в увеличение буксировочного сопротивления вносит составляющая Каш, связанная с волнением.
С ростом скорости хода ледокола на волнении доля дополнительного сопротивления Каш в общем буксировочном сопротивлении судна уменьшается.
После определения величины суммарного буксировочного сопротивления расчет ходовых качеств ледокола выполняется для режима аварийного движения, когда все 4 гребных винта работают, с использованием метода расчета, приведенного в [11]. Результаты расчета ходовых качеств ледокола «Лидер» представлены в табл. 9 и на рис. 4.
В табл. 9, в зависимости от скорости хода ледокола Уя, представлены величины суммарной необходимой мощности Р8 всех 4-х гребных винтов, а также числа оборотов бортовых гребных винтов пборт и числа оборотов средних гребных винтов пср.
Аварийный режим, когда работает один гребной винт, 3 гребных винта застопорены
Далее был рассмотрен случай аварийного движения ледокола, когда 3 гребных винта застопорены, один гребной винт работает. В этих условиях возникает дополнительное сопротивление застопоренного
Таблица 8. Суммарное буксировочное сопротивление ледокола «Лидер» при встречном ветре 8 баллов и соответствующем волнении
Table 8. Total towing resistance of the icebreaker Leader with a headwind of 8 points and corresponding waves
Vs, уз RT, кН Raa, кН raw кН Re, кН
4 86,1 145,6 346 577,7
6 186,5 158,6 530 875,1
8 318,0 171,6 703 1192,6
10 486,7 184,5 866 1537,2
RT, RAA , RAW* H 1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Raw_
__ ^ "**"
■ """ Rf
_ __. _____- —" Raa
-------
8
Рис. 3. Зависимости составляющих сопротивления и суммарного буксировочного сопротивления от скорости хода ледокола
Fig. 3. Dependences of the resistance components and total towing resistance on the speed of the icebreaker
Mr =
L
15000
10000
5000
Рис. 4. Результаты расчета ходовых качеств ледокола «Лидер» при ветре 8 баллов и волнении с высотой волны 3% обеспеченности Н3% = 5,3 м; режим аварийного движения, когда все 4 гребных винта работают
Fig. 4. The results of calculating the propulsive performance of the icebreaker Leader with a wind of 8 points and waves with a wave height of 3 % exceedance probability H3% = 5.3 m; emergency propulsion mode when all 4 propellers are in operation
Таблица 9. Результаты расчета ходовых качеств ледокола «Лидер» при работе 4-х гребных винтов
Table 9. The results of calculating the propulsive performance of the icebreaker Leader during the operation of 4 propellers
Vs, уз Ps, кВт об/мин. nср, об/мин.
4 2 760 33,2 31,7
6 5 928 44,3 42,0
8 10 525 55,1 52,0
10 16 800 65,6 61,7
гребного винта, которое определяется соотношением [12]:
Rp = 0,4р • У2 • D2 • Ae/A0.
(7)
Здесь.^ - сопротивление застопоренного гребного винта, кН; У0 = Ух-0,5144-(1-^) - скорость в месте расположения гребного винта, м/с; V - коэффициент попутного потока.
При движении в таком режиме работы движителей ледокол идет с дрейфом и переложенными ру-
^13ргор+25%. -^ТЗргор. Л13ргор> КН 3200
2800 2400 2000 1600 1200 800 400 0
^ЕЗргор +25%/
s* ** *
Зргор
«и»
О' RT Зргор__.
________
------- ---------
Рис. 5. Зависимости составляющих сопротивления и суммарного буксировочного сопротивления ледокола «Лидер» от скорости хода при движении в аварийном режиме; 3 гребных винта застопорено
Fig. 5. Dependences of the resistance components and the total towing resistance of the icebreaker Leader on the speed when moving in emergency mode; 3 propellers stopped
лями. Это приводит к появлению дополнительного сопротивления, которое по экспертной оценке КГНЦ дает надбавку 25 % к общему сопротивлению судна. Данный режим аварийного движения ледокола «Лидер» является, по-видимому, самым тяжелым.
Результаты расчета суммарного буксировочного сопротивления с учетом надбавки на сопротивление 3 застопоренных гребных винтов, а также 25 % надбавки на движение с дрейфом приведены в табл. 10 и на рис. 5.
Таблица 10. Значения суммарного буксировочного сопротивления ледокола «Лидер» при встречном ветре 8 баллов и соответствующем волнении при движении в аварийном режиме; 3 гребных винта застопорены
Table 10. Values of the total towing resistance of the icebreaker Leader with a headwind of 8 points and the corresponding waves when moving in an emergency mode; 3 propellers stopped
VS, уз
Vs, уз Re, кН R3Prop, кН RE3P, кН RE3P + 25%, кН
4 577,7 158,1 735,8 919,8
6 875,1 354,4 1229,5 1536,9
8 1192,6 627,9 1820,5 2275,6
10 1537,2 979,5 2516,7 3145,9
Таблица 11. Результаты расчета ходовых качеств ледокола «Лидер» при ветре 8 баллов и волнении с высотой волны 3% обеспеченности Н3% = 5,3 м при 3 застопоренных гребных винтах
Table 11. The results of calculating the propulsive performance of the icebreaker Leader with a wind of 8 points and waves with a wave height of 3 % exceedance probability H3% = 5.3 m with 3 stopped propellers
Vs, уз Ps, кВт иср, об/мин.
4 7 050 63,0
6 15 901 83,6
8 29 551 103,5
8,06 30 000 104,1
10 48 901 123,1
Ps,
кВт 25000
20000
15000
10000
5000 0
Ps/
"«cp
-1 n,
об/мин. 125
100
75
50
25 0
8
Рис. 6. Результаты расчета ходовых качеств ледокола «Лидер» при ветре 8 баллов и волнении с высотой волны 3% обеспеченности Н3% = 5,3 м при 3 застопоренных гребных винтах
Fig. 6. The results of calculating the propulsive performance of the icebreaker Leader with a wind of 8 points and waves with a wave height of 3 % exceedance probability H3% = 5.3 m with 3 stopped propellers
В табл. 10 приняты следующие обозначения: R3pr0p - сопротивление трех застопоренных гребных винтов; RS3P - сопротивление ледокола при трех застопоренных гребных винтах; R^3p+25% — сопротивление ледокола с учетом экспертной поправки на движение с дрейфом.
Далее приведены результаты расчета ходовых качеств ледокола для режима аварийного движения с возникающим дрейфом, когда 3 гребных винта застопорены, только один гребной винт работает. Результаты расчета ходовых качеств ледокола «Лидер» при 3 застопоренных гребных винтах представлены в табл. 11 и на рис. 6.
По результатам выполненных расчетов можно отметить, что для движения ледокола «Лидер» в аварийном состоянии против ветра 8 баллов и соответствующего волнения со скоростью 6 уз необходимая мощность PS для рассмотренных аварийных состояний варьируется от 5,928 до 15,901 МВт в зависимости от конкретной аварийной ситуации.
Заключение
Conclusion
По результатам выполненной работы можно отметить следующее:
1. При движении ледокола «Лидер» против ветра силой 8 баллов и соответствующего волнения с высотой волны Н3% = 5,3 м наибольший вклад в его общее буксировочное сопротивление вно-
сит дополнительное сопротивление на волнении, которое, например, при скорости хода 6 уз достигает около 60 %.
2. На основании выполненных расчетов показано, что при движении ледокола с необходимой скоростью Vs = 6 уз против ветра 8 баллов и соответствующего волнения с высотой волны 3 % обеспеченности Н3% = 5,3 м величина суммарной необходимой мощности составляет PS = 5928 кВт для режима аварийного движения, когда все 4 гребных винта работают.
3. Согласно полученным материалам режим аварийного движения ледокола «Лидер», когда 3 гребных винта застопорены, по-видимому, является наиболее тяжелым.
4. При движении ледокола «Лидер» против ветра 8 баллов и волнения при 3 застопоренных гребных винтах и скорости Vs = 6 уз величина суммарной необходимой мощности составляет PS = 15 901 кВт.
Список использованной литературы
1. IMSC.1/Circ. 1369. Interim explanatory notes for the assessment of passenger ship systems capabilities after a fire or flooding casualty: introd. 22 June 2010: revokes MSC.1/Circ.1214 / International Maritime Organization, Maritime Safety Committee. London, 2010. [1], 22 p.
2. ISO 15016: 2015. Ships and marine technology. Guidelines for assessment of speed and power performance by analysis of speed trial data. 2nd ed. Geneva: ISO, 2015. VI, 85 p.
3. Прикладные задачи динамики судов на волнении / [И.К. Бородай, В.А. Мореншильдт, Г.В. Виленский и др.]; под ред. И.К. Бородая. Ленинград: Судостроение, 1989. 258, [1] с.
4. Liu S., Papanikolaou A. Regression analysis of experimental data for added resistance in waves of arbitrary heading and development of a semi-empirical formula // Ocean Engineering. 2020. Vol. 206. P. 107357, 17 p. DOI: 10.1016/j. oceaneng.2020.107357.
5. ITTC: Recommended procedures and guidelines: 7.5-0207-02.2. Prediction of Power Increase in Irregular waves from Modell Test: Rev. 05 / Ed. Seakeeping Committee of the 27th ITTCRev. [S.l.], 2014. 15 p.
6. Maruo H. The Excess Resistance of a Ship in Rough Seas // International Shipbuilding Progress. 1957. Vol. 4, № 35. P. 337-345.
7. Kawashima E. , Sakao M. , Tasaki R. On the external force acting on the marine reactor due to the ship motion in rough sea / Journal of Zosen Kiokai. 1959. № 105. P. 93-107. DOI: 10.2534/jjasnaoe 1952.1959.93.
8. Вознесенский А.И. Теоретические и методологические основы исследования особенностей поведения корабля на морском волнении: дис. ... д-ра техн. наук: 05.00.00 / А.И. Вознесенский; ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. Ленинград, 1969. 405 с.
9. Сизов В.Г. Теоретическое исследование волнового сопротивления судов: автореф. дис. ... д-ра техн. наук: (220) / Одес. ин-т инженеров мор. флота. Одесса, 1969. 22 с.
10. ITTC: Recommended Procedures and Guidelines: 7.5-02-07-02.1. Seakeeping Experiments: Rev.06 / Ed. Seakeeping Committee of the 28th ITTC. [S.l.], 2017. 28 p.
11. Каневский Г.И., Клубничкин А.М., Сазонов. К.Е. Прогнозирование характеристик ходкости многовальных судов. Санкт-Петербург: Крыловский государственный научный центр, 2019. 156 с.
12. ЖученкоМ.М., ИвановВ.М. Судовые движители. Ленинград: Судпромгиз, 1956. 344 с.
References
1. IMSC.1/Circ. 1369. Interim explanatory notes for the assessment of passenger ship systems capabilities after a fire or flooding casualty: introd. 22 June 2010: revokes MSC.1/Circ.1214 / International Maritime Organization, Maritime Safety Committee. London, 2010. [1], 22 p.
2. ISO 15016: 2015. Ships and marine technology. Guidelines for assessment of speed and power performance by analysis of speed trial data. 2nd ed. Geneva: ISO, 2015. VI, 85 p.
3. Applied problems of ship dynamics on waves / [I.K. Borodai, V.A. Morenschildt, G. V. Vilensky and others]; ed. by I.K. Borodai. Leningrad: Shipbuilding, 1989. 258, [1] p. (in Russian).
4. S. Liu, A. Papanikolaou. Regression analysis of experimental data for added resistance in waves of arbitrary heading and development of a semi-empirical formula // Ocean Engineering. 2020. Vol. 206. P. 107357, 17 p. DOI: 10.1016/j .oceaneng.2020.107357.
5. ITTC: Recommended procedures and guidelines: 7.5-0207-02.2. Prediction of Power Increase in Irregular waves from Modell Test: Rev. 05 / Ed. Seakeeping Committee of the 27th ITTCRev. [S.l.], 2014. 15 p.
6. H. Maruo. The Excess Resistance of a Ship in Rough Seas // International Shipbuilding Progress. 1957. Vol. 4, № 35. P. 337-345.
7. E. Kawashima, M. Sakao, R. Tasaki. On the external force acting on the marine reactor due to the ship motion in rough sea / Journal of Zosen Kiokai. 1959. № 105. P. 93-107. DOI: 10.2534/ jjasnaoe1952.1959.93.
8. A.I. Voznesensky. Theoretical and methodological foundations for the study of the ship behavior on sea waves: dissertation ... Doctor of Technical Sciences: 05.00.00 / A.I. Voznesensky; Central Research Institute named after Academician A.N. Krylov. Leningrad, 1969. 405 p. (in Russian).
9. V.G. Sizov. Theoretical study for the wave resistance of ships: abstract, dissertation ... Doctor of Technical Sciences: (220) / Odessa Institute of Marine Engineers. Odessa, 1969. 22 p. (in Russian).
10. ITTC: Recommended Procedures and Guidelines: 7.5-02-07-02.1. Seakeeping Experiments: Rev.06 / Ed. Seakeeping Committee of the 28th ITTC. [S.l.], 2017. 28 p.
11. G.I. Kanevsky, A.M. Klubnichkin, K.E. Sazonov. Prediction for propulsive performance of multi-shaft vessels. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2019. 156 p. (in Russian).
12. M.M. Zhuchenko, V.M. Ivanov. Ship propulsors. Leningrad: Sudpromgiz, 1956. 344 p. (in Russian).
Сведения об авторах
Александров Станислав Анатольевич, к.т.н., научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-47-91. E-mail: 2_otd@ksrc.ru.
Каневский Григорий Ильич, д.т.н., руководитель проектов ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Мос-
ковское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (921) 305-12-99. E-mail: gikanev@mail.ru. https://orcid.org/0000-0002-3445-4575. Курчуков Константин Викторович, начальник лаборатории мореходности ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 748-64-17. E-mail: 2_otd@ksrc.ru. Магаровский Вячеслав Валерьевич, к.т.н., начальник отделения гидродинамики ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-65-05. E-mail: 2_otd@ksrc.ru.
Платонов Виктор Георгиевич, к.т.н. начальник сектора лаборатории мореходности ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-49-88. E-mail: 2_otd@ksrc.ru.
About the authors
Stanislav A. Aleksandrov, Cand. Sci. (Eng.), Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44, Mos-
kovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-47-91. E-mail: 2_otd@ksrc.ru. Grigory I. Kanevsky, Dr. Sci. (Eng.), Project Manager, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (921) 305-12-99. E-mail: gikanev@mail.ru. https://orcid.org/0000-0002-3445-4575. Konstantin V. Kurchukov, Head of the Seakeeping performance Laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 748-64-17. E-mail: 2_otd@ksrc.ru.
Viacheslav V. Magarovsky, Cand. Sci. (Eng.), Head of Hy-drodynamic division, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-65-05. E-mail: 2_otd@ksrc.ru. Victor G. Platonov, Cand. Sci. (Eng.), Head of the Seakeep-ing performance Laboratory Sector, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-49-88. E-mail: 2_otd@ksrc.ru.
Поступила / Received: 20.05.21 Принята в печать / Accepted: 26.07.21 © Коллектив авторов, 2021
