Ледоколы Финского залива - Морские вести России

Ледоколы Финского залива

18.05.2017

Морской транспорт

Эксплуатационные особенности линейных дизель-электрических ледоколов с различными типами пропульсивного комплекса на проводках судов в Финском заливе

Проанализированы ледокольные возможности линейных дизель-электрических ледоколов, эксплуатируемых в Финском заливе. Выполнена оценка ледопроходимости ледоколов «Ермак», «Капитан Сорокин», «Капитан Николаев», «Капитан Драницын», «Москва». Рассмотрены эксплуатационные особенности ледоколов с различным типом пропульсивного комплекса и выявлены положительные и отрицательные стороны каждого из них.

Ю. Глебко, АО «ЦНИИМФ»

Последнее десятилетие характеризуется значительным ростом интенсивности судоходства в Финском заливе. Наиболее динамично развиваются порты Приморск и Усть-Луга. Существенные изменения претерпела и структура судопотоков: на Приморском направлении перевозки выполняют крупнотоннажные суда дедвейтом 100-120 тыс. тонн, на Усть-Лужском – суда дедвейтом до 50 тыс. тонн.

Рост интенсивности потока судов привел к необходимости увеличения числа линейных ледоколов, призванных обеспечить эффективную и безопасную эксплуатацию транспортных судов в период зимней навигации. Ледокольные проводки судов в ходе последних навигаций осуществляли 6 линейных дизель-электрических ледоколов: «Ермак», «Капитан Сорокин», «Капитан Николаев», «Капитан Драницын», «Москва», «Санкт-Петербург». Из их числа только два последних ледокола являются однотипными, остальные имеют определенные эксплуатационные особенности, обусловленные прежде всего формой обводов носовой оконечности. Существенным отличием ледоколов «Москва» и «Санкт-Петербург» от остальных является использование полноповоротного пропульсивного комплекса.

Изучение опыта работы линейных ледоколов на проводках большегрузных судов позволяет выявить как положительные, так и отрицательные аспекты технических решений, реализованных на каждом из них.

Эксплуатационные возможности

Основным недостатком линейных ледоколов следует считать их возраст. За чертой нормативного срока эксплуатации находятся 4 из 6 ледоколов. В этой связи представляется целесообразным оценить существующий уровень их ледокольных качеств и показать, в какой мере эти качества способствуют успешному выполнению проводок.

Сравнение эксплуатационных возможностей ледоколов может осуществляться по различным параметрам. В большинстве случаев в качестве интегрального показателя ледовой ходкости принимается ледопроходимость – предельная толщина ровного сплошного льда, преодолеваемого судном непрерывным ходом с минимальной устойчивой скоростью около 2 узлов.

Ледокол «Ермак» построен в 1974 году в составе серии из трех однотипных судов. В 2000 году он был передан на баланс Администрации морского порта Санкт-Петербург, позднее его оператором стало ФГУП «Росморпорт». Спецификационная ледопроходимость ледокола 1,8 м была подтверждена натурными исследованиями в первые годы эксплуатации, когда состояние наружной обшивки корпуса и механического оборудования позволяло в полном объеме реализовывать его эксплуатационные возможности. В настоящее время ледокол «Ермак» по эксплуатационным возможностям уступает однотипным ледоколам «Красин» и «Адмирал Макаров» из-за того, что фактический уровень мощности его энергетической установки ниже спецификационного. Выполненные оценки показывают, что ограниченная мощность и значительная шероховатость корпуса снизили уровень ледопроходимости ледокола «Ермак» до 1,05-1,15 м.

«Капитан Сорокин» является головным ледоколом серии из четырех судов, построенных в 1977-1981 годах. Для улучшения ледовых качеств на двух ледоколах в начале 90-х годов в результате модернизации были заменены носовые оконечности. К настоящему времени оригинальную форму корпуса сохранили ледоколы «Капитан Драницын» и «Капитан Хлебников». Эти суда относятся к классу ледоколов с традиционной формой корпуса. Их клиновидные обводы носовой оконечности ориентированы на разрушение льда, прежде всего изгибом.

Новая носовая оконечность ледокола «Капитан Николаев» имеет коническую форму – промежуточный вариант между обводами традиционными и цилиндрическими. За счет снижения сопротивления ледопроходимость ледокола увеличилась с 1,3 до 1,8 м. Столь значительный эффект достигнут благодаря малому наклону форштевня (15°), скругленным ватерлиниям и шпангоутам со значительным развалом последних, что привело к относительному сокращению длины носового заострения и увеличению протяженности цилиндрической вставки. Вместе с тем чрезмерное увеличение развала носовых шпангоутов и уменьшение наклона форштевня стали причиной слеминга на встречном волнении. При переоборудовании ледокола на его новой носовой оконечности в качестве наружной обшивки была использована плакированная сталь с наружным нержавеющим слоем. Цель этого мероприятия – воспрепятствовать коррозии листов наружной обшивки и не допустить увеличения трения льда о корпус в процессе эксплуатации.

Замену носовой оконечности ледоколу «Капитан Сорокин» выполнила одна из германских фирм, накопившая к тому моменту некоторый опыт в процессе аналогичных работ на ледоколе «Мудьюг». При изготовлении новой оконечности часть недостатков, обнаруженных на ледоколе-предшественнике, была устранена. В частности, для улучшения заднего хода применены римеры с обратным углом атаки, которые, как показали ледовые испытания, данную проблему решили не полностью. Несмотря на то что ледовая ходкость в ровном сплошном льду улучшилась (ледопроходимость возросла с 1,3 до 1,9 м), ледокол потерял возможность успешно работать в битых дрейфующих льдах и маневрировать в торосистых льдах. Как показал опыт эксплуатации двух ледоколов, этот недостаток присущ концепции «Тиссен-Ваас» в целом. В итоге ледоколы «Капитан Сорокин» и «Мудьюг» были передислоцированы с Арктического бассейна на Балтику, где находятся в ведении ФГУП «Росморпорт».

Ледовые качества судов в процессе эксплуатации постепенно снижаются. Основной причиной, характеризующей ухудшение их ледовой ходкости, является уровень шероховатости наружной обшивки корпуса и, соответственно, коэффициент трения корпуса о лед. Значение шероховатости является функцией времени. Новый корпус ледокола, покрытый ледостойким покрытием, имеет шероховатость 50-100 мкм, которая спустя 25-30 лет повышается до 700-800 мкм. При этом коэффициент динамического трения корпуса о лед увеличивается с 0,08 до 0,135-0,140. Значительный коррозионный износ наружной обшивки сопровождается уменьшением ледопроходимости и снижением скорости движения.

У ледоколов «Капитан Сорокин», «Капитан Николаев» и «Капитан Драницын» по истечении 35-38 лет эксплуатации коэффициенты трения достигли максимальных значений. Оценки ходкости ледоколов этой серии с учетом указанного фактора позволяют судить об уровне их ледопроходимости. У ледокола «Капитан Сорокин» ледопроходимость оценивается на уровне 1,5-1,6 м, у ледокола «Капитан Николаев» – 1,4-1,5 м, у ледокола «Капитан Драницын» – 1,0-1,1 м (рис. 1). На этом же рисунке представлены соответствующие данные о ледопроходимости ледокола «Ермак».

Рис. 1. Ледопроходимость ледоколов «Ермак», «Капитан Сорокин», «Капитан Драницын» и «Капитан Николаев» на разных этапах жизненного цикла

Ледокольный флот, осуществляющий операции на Балтике, пополнился двумя дизель-электрическими однотипными ледоколами «Москва» и «Санкт-Петербург» в 2008 г. и 2009 г. соответственно. Ледоколы этой серии оснащены двумя полноповоротными винторулевыми колонками (ВРК) суммарной мощностью 16 МВт, которые существенно повышают их маневренные качества.

Основным назначением этих ледоколов является обеспечение проводок крупнотоннажных судов (шириной 40-50 м) в Финском заливе в зимний период. Кроме ледокольной функции ледоколы имеют возможность выполнять широкий спектр других эксплуатационных задач. Для этого они оснащены соответствующим оборудованием. Ледоколы могут быть привлечены к поиску затонувших объектов на глубинах до 300 м, проведению гидролокационных съемок дна, участию в поисково-спасательных операциях и обеспечению операций по локализации разливов нефти.

С целью проверки спецификационных ледовых качеств в июле 2010 года ледокол «Санкт-Петербург» был подвергнут режимным испытаниям в Карском море. В ходе испытаний основное внимание было уделено определению ледопроходимости судна на переднем и заднем ходу. Поскольку испытания проводились не в предельных льдах, значение ледопроходимости при скорости 2 узла определено посредством экстраполяции: 1,3 м при движении кормой вперед и 1,7 м носом вперед. Полученные значения представляются явно завышенными и не подтверждаются результатами эксплуатации ледоколов этой серии в Балтийском море.

В ходе последних ледовых навигаций ледокол «Москва» осуществлял проводки судов на Приморском направлении, а ледокол «Санкт-Петербург» был занят большей частью проводками судов, следующих в порты Высоцк и Выборг. За это время был накоплен значительный опыт плавания ледоколов как в припае, так и в дрейфующих льдах в условиях сжатий, включая варианты движения кормой вперед. На рис. 2 представлены графические зависимости ледовой ходкости ледоколов типа «Москва» с учетом результатов испытаний в Карском море и практической эксплуатации в Финском заливе. Экстраполяция отчетных данных в сторону больших толщин льда позволяет оценить ледопроходимость ледоколов типа «Москва» на уровне 1,1-1,2 м. Результаты испытаний в Арктике представляются чрезмерно оптимистичными и не подтверждаются практикой ледового плавания в ходе зимних навигаций в Балтийском море. В большей мере несоответствие характерно для режима движения ледокола передним ходом. Например, при плавании во льду толщиной 50 см различие в скоростях достигают 25-40%. Это дает основание полагать, что июль – не самое благоприятное время для проведения натурных испытаний в Карском море, когда уже начинается таяние льда.

Рис. 2. Ледовая ходкость линейного ледокола типа «Москва» носом вперед (а) и кормой вперед (б) по результатам испытаний в Карском море и практической эксплуатации в Финском заливе

Сравнение эксплуатационных качеств линейных ледоколов по ледопроходимости показывает, что большинство из них имеют близкие параметры ледовой ходкости. Исключением является ледокол «Капитан Сорокин». Несмотря на самый высокий уровень ледопроходимости, конструктивные особенности носовой оконечности резко снижают его эксплуатационные возможности в битых и сплоченных дрейфующих льдах. По этой причине ледокол «Капитан Сорокин» лишь эпизодически отвлекался на работу с крупнотоннажными судами, обслуживая в основном поток судов между западной кромкой льда и Санкт-Петербургским приемным буем. Ледокол «Ермак» был занят на проводках крупнотоннажных танкеров к порту Приморск и сопровождал суда в направлении порта Санкт-Петербург. По такой же схеме была организована работа ледокола «Москва». Однотипный с ним ледокол «Санкт-Петербург» обслуживал суда, идущие к портам Выборг и Высоцк. Основным направлением эксплуатации для ледокола «Капитан Николаев» оставался маршрут от кромки льда до порта Усть-Луга. Если в ледовой навигации в Финском заливе участвовал ледокол «Капитан Драницын», он использовался в основном на проводках судов, посещающих порт Санкт-Петербург.

С вводом в эксплуатацию двух новых ледоколов «Москва» и «Санкт-Петербург» появилась возможность сравнить в одинаковых условиях эксплуатационные качества ледоколов, оснащенных пропульсивным комплексом традиционного типа и винторулевыми колонками. Для последних характерно совмещение в одном устройстве функций движителя и рулевого устройства.

Традиционный вариант пропульсивного комплекса имеет многолетний опыт применения, его эксплуатационные достоинства и недостатки всесторонне изучены. Из линейных ледоколов, оперирующих в Финском заливе, традиционный вариант пропульсивного комплекса имеют ледоколы «Ермак», «Капитан Сорокин», «Капитан Николаев» и «Капитан Драницын».

Винторулевые колонки – относительно новое техническое решение, становящееся все более популярным на вновь строящихся судах ледового плавания и ледоколах. Наметившаяся тенденция приоритетного применения винторулевых колонок объясняется рядом их преимуществ перед обычной схемой «движитель – руль». К числу основных положительных качеств относятся:

повышенная маневренность судна (особенно на малой скорости), достигающаяся за счет полного поворота винторулевой колонки; судно приобретает возможность разворота на 180° практически на одном месте; появляется возможность движения с различными углами дрейфа и расширения ледового канала;

новые компоновочные решения позволяют уменьшить объем машинного отделения и отказаться от валовых линий значительной длины, разместить гребные электродвигатели в непосредственной близости от винторулевой колонки в кормовой оконечности или внутри колонки вне пределов корпуса судна;

возможность агрегатного ремонта с производством монтажа и демонтажа некоторых колонок на плаву.

Одновременно винторулевым колонкам присущи определенные недостатки:

низкий уровень запаса крутящего момента;

значительная стоимость пропульсивных агрегатов.

Пропульсивные комплексы ледоколов «Москва» и «Санкт-Петербург» укомплектованы двумя ВРК мощностью 8000 кВт каждая с механической передачей вращения от электродвигателя к винту. Активная эксплуатация ледоколов в зимнее время позволила выявить особенности их работы, обусловленные наличием нетрадиционного движительного комплекса. Одновременно появилась возможность сравнить ледоколы с различными типами движительного комплекса по нескольким эксплуатационным показателям:

ледовой ходкости на переднем и заднем ходу;

преодолению торосов на переднем и заднем ходу;

ширине прокладываемого канала;

проводке судов в условиях сжатий;

маневренным качествам.

Ледовая ходкость на переднем ходу

Согласно выполненным оценкам, ледопроходимость ледокола «Ермак» с традиционным типом движительного комплекса и ледокола «Москва» с ВРК соизмерима и находится в диапазоне 1,05-1,2 м. При этом следует учитывать, что критерий ледопроходимости применим только для сравнения параметров ходкости судов в ровном сплошном льду. При равномерном движении ледоколов в битых, тертых и наслоенных льдах их ходкость во многом определяется формой обводов корпуса. Отсюда следует, что на прямом курсе при движении передним ходом ледовые качества балтийских линейных ледоколов не зависят от того, каким движительным комплексом они оснащены. Серьезным недостатком ледоколов с ВРК следует считать невозможность использования полной мощности из-за ограничений по току. Так, на ледоколах типа «Москва» при работе в тяжелых льдах доступными для использования являются около 80% мощности, что сопровождается снижением уровня ледопроходимости примерно на 10%.

Если сравнивать ледоколы типа «Москва» с ледоколом «Ермак», то по своим эксплуатационным качествам (без учета параметров маневренности) они несколько уступают последнему, при этом по интегральному показателю их можно считать близкими. Эффект ледокола «Ермак» обусловлен инерционными свойствами, за счет которых преодолеваются локальные препятствия в виде торосистых гряд, сморозей и других ледяных образований. При движении судна запас его кинетической энергии прямо пропорционален массе, то есть водоизмещению: чем больше масса, тем выше инерционные качества. В таблице приведены данные о водоизмещении линейных ледоколов, из которых следует, что ледоколы «Москва» и «Санкт-Петербург» имеют примерно на треть меньшую массу в сравнении с ледоколом «Ермак». Этим во многом объясняется ведущая роль ледокола «Ермак» при совместной работе с другими ледоколами.

Таблица. Сопоставление линейных ледоколов по водоизмещению при оценке влияния массы на ледовую ходкость

Линейные ледоколы

Водоизмещение, т

Водоизмещение относительное

«Ермак»

20 240

1,0

«Капитан Сорокин»

17 270

0,85

«Капитан Николаев»

16 020

0,79

«Капитан Драницын»

14 900

0,74

«Москва»

13 870

0,69

«Санкт-Петербург»

13 870

0,69

Движение во льдах задним ходом

При близких показателях ледовой ходкости на переднем ходу ледоколы с ВРК имеют определенное преимущество перед ледоколами с традиционным пропульсивным комплексом при движении задним ходом. Это обусловлено особенностями выполнения реверса: традиционный ледокол меняет направление вращения гребного винта, а ледокол с ВРК разворачивает весь комплекс.

В первом случае снижение тяги происходит за счет уменьшения упора, когда выходящие кромки лопастей становятся входящими, а также за счет увеличения коэффициента влияния корпуса при изменении обтекания. Как следствие, тяга заднего хода у ледоколов с традиционным пропульсивным комплексом составляет около 70% в сравнении с тягой переднего хода.

Во втором случае снижение тяги обусловлено только изменением схемы обтекания, тогда как упор гребных винтов остается тем же. У ВРК, оснащенных тянущими винтами (именно такие установлены на ледоколах «Москва» и «Санкт-Петербург») тяга на заднем ходу снижается в меньшей степени и составляет около 90% тяги переднего хода. Из этого следует, что ледопроходимость на заднем ходу у ледокола с ВРК будет выше, чем у традиционного ледокола (при близких показателях ходкости на переднем ходу). Выполненные оценки позволяют сделать вывод, что у ледоколов «Москва» и «Санкт-Петербург» уровень ледопроходимости на заднем ходу на 20-25% выше соответствующих показателей ледоколов «Ермак», «Капитан Сорокин», «Капитан Николаев» и «Капитан Драницын».

Ширина прокладываемого канала

При традиционном способе прокладки канала его ширина определяется шириной ледокола: чем шире ледокол, тем шире ледовый канал. С появлением полноповоротных пропульсивных комплексов появилась возможность прокладки ледового канала, существенно отличающегося по ширине от ледокола. Поворот ВРК на некоторый угол приводит к разложению сил и появлению составляющей, направленной перпендикулярно диаметральной плоскости (в сторону борта). Чем больше угол поворота ВРК, тем значительнее поперечная сила, тем больший эффект расширения ледового канала может быть достигнут. Исследования эффективности прокладки широких каналов проводились в натурных условиях на финских ледоколах Fennica и Botnica. Результаты испытаний подтвердили возможность расширения канала за счет разворота ВРК, однако эффективность этого приема крайне низка: ледокол способен прокладывать канал шириной около 42-45 м (соизмеримый с шириной танкеров типа Aframax) со скоростью не более 3-4 уз. Проводки крупнотоннажных судов с такими скоростями не могут быть признаны эффективными.

На ледоколах «Москва» и «Санкт-Петербург» подобных испытаний не проводилось, однако полученные на ледоколе Fennica результаты могут быть с достаточной долей достоверности экстраполированы на суда этого типа. В пользу перенесения опыта с ледокола одного типа на другой говорят достаточно близкие значения основных параметров. В частности, ледоколы типа Fennica имеют ширину 26 м и располагают мощностью на валах 15 МВт, а ледоколы типа «Москва» – 26,5 м и 16 МВт соответственно.

Проводка судов в условиях сжатий

Режим работы ледокола с переложенными на борт ВРК с успехом применяется в ходе проводок, когда зажатое льдами судно теряет возможность двигаться. При высвобождении застрявшего судна ледокол располагается параллельно судну в 20-30 м впереди него по курсу. Потоки воды от ВРК размывают перед носом судна сплоченный лед и ослабляют напряжение, возникшее при дрейфе и сжатии льда.

На рис. 3 показан фрагмент маневра ледокола «Москва» при размывании с помощью ВРК сплоченного льда перед носовой оконечностью потерявшего ход судна.

Рис. 3. Ледокол «Москва» с помощью переложенных на борт ВРК удаляет сплоченный лед перед носовой оконечностью потерявшего ход судна

Этот же тактический прием используется при швартовке ледокола к причалу: вначале размывается намерзший к стенке лед, затем происходит его удаление из зоны швартовки.

В ряде случаев наличие ВРК создает некоторые трудности при маневрировании. В частности, при подходе ледокола кормой к другому судну ВРК, размывая лед, удаляет ледовую «подушку» между судами, отчего сближение требует повышенного внимания и осторожности.

Преодоление торосов

Преодоление торосистых гряд является ежедневной практикой ледоколов при их эксплуатации в зимний период навигации. При этом используются три варианта разрушения торосистых образований:

1) движение непрерывным ходом с частичной потерей скорости;

2) работа ударами (набегами);

3) движение задним ходом с постепенным размыванием тороса.

Первые два варианта с одинаковым успехом применяются всеми ледоколами независимо от типа пропульсивного комплекса. При реализации третьего варианта у ледокола с ВРК появляется дополнительная возможность воздействия на торос. Винторулевые колонки за счет колебательного движения относительно вертикальной оси вращения расширяют зону фрезерования льда винтами и способствуют более интенсивной эвакуации обломков льда в сторону бортов.

Маневренные качества

Ледокольная проводка сопровождается не только прокладкой канала для идущих позади судов, но и выполнением значительного числа тактических приемов при околке потерявших возможность двигаться судов. Успех в освобождении зажатого льдом судна во многом зависит от маневренных качеств ледокола. Стандартными показателями маневренности как на свободной воде, так и во льдах приняты диаметр (или относительный радиус) циркуляции и продолжительность ее выполнения. В стесненных условиях и в тяжелой ледовой обстановке используется способ разворота «елочка» (или «звезда»).

По маневренным качествам ледоколы с ВРК имеют явные преимущества перед ледоколами с традиционным пропульсивным комплексом. Последние при выполнении маневра перекладывают руль на максимальный угол (около 30°) и за счет реакции на пере руля получают поперечную составляющую силы. Поворот ВРК более эффективен, поскольку большая часть тяги движителя используется на создание боковой силы и, как следствие, момента, разворачивающего судно.

Наряду с преимуществами, имеющими место при выполнении традиционных маневров, ледоколы с ВРК обладают качествами, недоступными для обычных ледоколов. К числу таких маневров относятся:

возможность разворота на акватории, ограниченной одной длиной корпуса;

способность реализовывать элементы позиционирования при удержании ледокола в определенном положении;

движение со значительным углом дрейфа.

Первые два маневра нашли практическое применение, тогда как движение с большим углом дрейфа для прокладки широкого канала на судах с несколькими ВРК не используется. Это подтверждается и теоретическими исследованиями, в которых показано, что данный режим движения является неустойчивым.

Результаты анализа эксплуатационных особенностей ледоколов с различными типами пропульсивного комплекса позволяют признать эффективность применения ВРК на линейных ледоколах, оперирующих в Финском заливе. Одновременно эти результаты могут быть использованы при решении различных прикладных задач, касающихся моделирования ледокольных проводок, выбора тактических вариантов проводки и учета эксплуатационных особенностей при расстановке ледоколов по определенным направлениям.

Морские вести России №13 (2016)

ПАО СКФ
IV ежегодная конференция ежегодная конференция: «SMART PORT: ЭФФЕКТИВНОСТЬ, БЕЗОПАСНОСТЬ, ЭКОЛОГИЧНОСТЬ»
Восточный Порт 50 лет
НПО Аконит
Подписка 2024
Вакансии в издательстве
Журнал Транспортное дело России
Морвести в ТГ

12.03.2024

Транспортная политика

28.02.2024

Транспортная политика

30.01.2024

Транспортная политика