Современные ледокольные суда позволяют непрерывно осуществлять поставки товаров и сырья из северных регионов даже в холодное время года

Фото: Aker Arctic

После первых ледоколов, которые были паровыми, в 1933 году появились дизель-электрические. Со временем дизель-электрические пропульсивные системы, редко используемые на судах другого типа, стали становиться более популярны, демонстрируя множество преимуществ по сравнению с традиционными механическими дизельными двигателями с валопроводом, в том числе эффективное регулирование мощности на ходу и более надежное динамическое управление мощностью.

Сампо Вихериалехто, менеджер по продажам ABB Marine & Ports;

Пирхо Мааттанен, старший инженер-механик ABB Marine & Ports;

Самули Ханнинен, директор по работе с ключевыми клиентами ABB Marine & Ports

Научно-исследовательские суда, транспортировка груза или ледоколы?

Наиболее часто ледокольные суда необходимы для проведения научно-исследовательских операций, перевозки грузов и сопровождения торговых судов. Научные операции выполняются в тех же условиях окружающей среды, что и вспомогательные операции, но без временных ограничений, связанных с ледокольной проводкой.

Необходимость задействования ледокольного судна для выполнения научно-исследовательских работ или же ледокольного сопровождения зависит от конкретных требований к работе. Для самого ледокола ключевым параметром является количес-тво судов, которым была оказана помощь в течение определенного периода времени. То есть необходимость ледокола определяется реальной ситуацией.

В некоторых странах ледокольная проводка требуется меньше ста раз в год. В других, где постоянно идет работа во льдах, – сопровождение необходимо более 3000 раз в год. С точки зрения процесса ледокол и научное судно работают примерно в одинаковых условиях. Оба судна должны быть способными пройти и через сплошной лед, и через торосы. Аналогичные задачи и у грузовых судов, самостоятельно работающих во льдах.

Зона ответственности

В научных исследованиях временные рамки для планирования рейса достаточно широкие. Фрахт грузового судна всегда устанавливается на определенный срок.

В зависимости от назначения судна отличаются и принципы эксплуатации. Судно, отвечающее только за свою собственную работу, может не иметь тех возможностей, которые необходимы ледоколу, ответственному за работу в порту и сопровождаемых судов, проводку и функции СУДС.

При проектировании судна важно знать, будет ли оно вспомогательным или предназначено для самостоятельной работы.

Азимутальная тяга

До внедрения винторулевых колонок (ВРК) возможности управления судном были примерно одинаковыми. Сегодня применение систем с ВРК существенно повышает эффективность ледокола, позволяя использовать всю мощность главного двигателя в любом направлении, так как винторулевая колонка способна вращаться на 360°.

Возможность варьировать вектор тяги изменила и принцип работы ледоколов. Основные типы движителей, используемые в современном судостроении, – это механические устройства и электрические безредукторные колонки.

Для механических колонок электрические или дизельные двигатели устанавливаются на борту судна и вращают гребной винт через оси и подшипники. В электрических системах двигатель размещен в погружной гондоле и для трансмиссии не требуется редуктор.

Ввиду очевидных преимуществ электрические пропульсивные системы стали номером один для ледокольной отрасли. Сегодня выпускаются ВРК мощностью до 20 МВт.

Рис. 1. Схема пропульсивной системы Azipod® ледокола Polaris

Принципы ледокольной проводки

Ледокольная проводка условно подразумевает выполнение четырех основных задач, последовательность которых может меняться в зависи-мости от направления движения.

Сопровождение в порт с моря может начинаться в совершенно разной ледовой обстановке, в том числе и в подвижных ледовых полях. Также ледокол оказывает помощь судам, застрявшим во льдах. В условиях сильного ветра ледовое поле создает достаточно сильное давление, препятствующее движению, тогда ледокол сопровождает суда до фарватера. На фарватере функционирование ледокола может быть ограничено осадкой или буями.

В порту ассистирование выполняет специальный портовый ледокол. Использование ВРК во всех вышеупомянутых ситуациях очень эффективно, так как для осуществления маневров во льдах требуется гораздо меньше времени.

Работать в морских ледовых условиях непросто: ситуации бывают очень разные и непостоянные, поэтому экипаж на протяжении всего рейса сталкивается с новыми задачами.

Например, лед в Арктике часто представляет собой смесь дрейфующего однолетнего льда и зон многолетнего покрова. Лед в море находится в постоянном движении, его скорость колеблется от 0,1 до 1,1 узла. Когда лед прижимается к суше или уже неподвижному слою льда, ветер и дрейфующие льдины создают давление. Под действием давления льдины смерзаются в разных формах. Если ледяное поле ровное, при наличии давления лед начинает трескаться и менять форму, образуя гребни и торосистые нагромождения.

Когда температура окружающего воздуха значительно ниже точки замерзания, торосы уплотняются и становятся практически несдвигаемыми. На кромке ледяного поля, где волны и ветер приносят лед, картина другая: дрейфующий лед перемалывается в шугу и ледяную кашу. Если температура значительно ниже точки замерзания, шуга в конечном итоге превращается в льдины, на которые очень трудно воздействовать.

Ширина канала

Ледокол, имея прочный корпус, проходит через лед и создает канал. Ширина канала зависит от ширины корпуса судна, качества льда, давления льда и направления движения судна относительно движения льда.

В припайных льдах, где давление льда невысокое, канал может быть в 1,5 раза больше ширины ледокола. При сильном давлении льда канал закрывается через несколько секунд пос-ле прохода ледокола. Однако, чтобы за ледоколом могло пройти торговое судно, путь должен быть достаточно широким.

По мере того как канал начинает сужаться, скорость судна, которому оказывается помощь, уменьшается, и в итоге оно останавливается. Для увеличения ширины колеи необходим широкий корпус ледокола. Однако здесь тоже есть пределы. Чем больше размер ледокола, тем выше мощность и, соответственно, потребление топлива. Наличие ВРК предлагает решение этой проблемы, так как вектор тяги судна может быть направлен не только на корму, но и по бокам, под разным углом. Задается вектор мощности, и ледокол движется вперед, создавая более широкий канал.

Таким образом, ледокол, оборудованный ВРК, может осуществлять проводку более крупных судов и работать в сложных ледовых условиях. Часто очень важно добиться увеличения ширины колеи, чтобы сопровождаемые суда завершили рейс без остановки. Азимутальная тяга позволяет справиться с этой задачей, поэтому сопровождение ледоколом, оборудованным ВРК, более эффективно.

Более широкий канал можно создать, направив судно в сторону под углом примерно 40°. Подобным образом может идти ледокол, оборудованный кормовыми и носовыми азимутальными колонками. Судно, способное двигаться по диагонали, создает канал минимум в два раза шире своего корпуса.

Рис. 2. Сравнение ширины создаваемого канала.

Данные предоставлены G.H.Taimuri, P.Kujala

Освободить судно

Чтобы освободить судно, окруженное льдом, необходимо максимально к нему приблизиться. В тяжелых ледовых условиях для этой работы требуется высокая мощность. Вместе эти факторы повышают риск столкновения. ВРК значительно улучшает маневренность ледокола: меньше круги разворота, более точная управляемость.

Если лед начинает подниматься по борту судна, то создаваемое давление опасно. В подобном случае ледокол обходит вокруг застрявшего судна, соблюдая все меры безопасности, чтобы разбить лед и снизить давление. Повышенная маневренность, обеспеченная ВРК, позволяет судну подойти ближе и двигаться быстрее.

При освобождении застрявшего во льдах судна принцип работы ледоколов с ВРК и традиционными пропульсивными системами отличается. Ледокол с механической системой движется вдоль застрявшего судна на очень близком расстоянии и режет лед прямо перед носом. В момент, когда ледокол проходит перед застрявшим судном, он дает команду идти полным ходом и оба судна начинают движение. Ледокол идет впереди и регулирует расстояние до судна в соответствии с ледовой обстановкой. Когда давление льда увеличивается или гребни образуют узкие места, судно идет ближе к ледоколу, иногда на расстоянии всего нескольких метров.

Ледоколы, оборудованные ВРК, имеют другой принцип действия: он проходит рядом и, маневрируя, размывает лед вокруг застрявшего судна. Ввиду отсутствия необходимос-ти двигаться перед судном ледокол может последовательно освободить несколько судов. Принцип проводки ледоколом с ВРК также отличается.

С помощью азимутальной тяги ледокол может постепенно адаптироваться к растущему давлению льда и точкам сужения, варьируя направление движения. Суда идут с большим расстоянием между друг другом, это повышает безопасность и снижает риск столкновения в случае внезапной остановки из-за неожиданной ледовой ситуации.

Измерение ледовых нагрузок Azipod®

Первые азимутальные движители гондольного типа для судов ледового класса были введены в эксплуатацию в 1990-х годах. Концепция ВРК была новая, и любые сведения о ледовых нагрузках отсутствовали. Для проверки расчетных нагрузок необходимо было выполнить измерения в процессе работы. Первые измерения показали, что расчетные данные были, как и предполагалось, консервативными. Однако это вовсе не означало, что следует изменить конструктивные параметры.

Ледовые нагрузки сильно различаются в зависимости от типа судна и района эксплуатации. На протяжении многих лет движители на различных судах ледового плавания с высоким ледовым классом – судах снабжения, грузовых судах и ледоколах – оснащались приборами для измерения ледовой нагрузки.

Сегодня методы расчета нагрузки и определения параметров, включая мощность и крутящий момент винта, проверены опытом и могут использоваться для широкого диапазона движителей на различных судах, являясь важным инструментом для разработки надежного оборудования высокой мощности.

Последние измерения ледовой нагрузки проводились на движителях финского ледокола Polaris. Судно оборудовано тремя блоками Azipod®: один блок мощностью 6 МВт в носу и два блока мощностью 6,5 МВт в корме. Polaris – первый ледокол, на котором ВРК Azipod® установлена в носовой части, поэтому судно идеально подходит для сравнения распределения ледовой нагрузки между кормовыми и носовыми движителями.

Ледокол Polaris эксплуатировался в Ботническом заливе три зимы, с 2017 по 2019 год. В 2020 году ледовая обстановка была настолько мягкой, что ледокольной проводки не требовалось.

Опыт эксплуатации показал, что максимальные измеренные нагрузки для носовых и кормовых движителей составили около 40% от расчетных нагрузок. Расчетные ледовые нагрузки для носового движителя были на 25% выше, чем для кормовых движителей, что соответствует продольным измеренным нагрузкам.

Ледовые нагрузки на носовой движитель немного выше в продольном направлении, чем на кормовые движители, а боковые нагрузки на кормовой движитель, соответственно, выше в боковом направлении. Это вполне ожидаемо, поскольку кормовые движители чаще работают с разными углами поворота и испытывают воздействие льда сбоку. Носовой движитель при движении во льдах на высокой скорости обычно находится в стандартном положении (0°). Таким образом, для носового движителя нет необходимости повышать расчетные боковые ледовые нагрузки.

Принципы определения ледовой нагрузки компанией ABB для движителя Azipod® за 30 лет работы во льдах хорошо проверены. Помимо полномасштабных измерений нагрузки, проверена опытом и корректность расчета габаритов ВРК – история эксплуатации не регистрирует никаких повреждений движителя или гребного винта из-за обледенения.

Рис. 3. Сравнение измеренных и расчетных нагрузок для носовых и кормовых движителей

На основании многолетних измерений можно сделать вывод, что ледокол Polaris может работать без ограничений скорости и других эксплуатационных параметров в любых ледовых условиях Балтийского моря. В том числе возможно преодоление льда набегами в торосистых льдах Ботничес-кого залива. Данные долгосрочных измерений, выполненных на ледоколе Polaris, в дальнейшем использовались для моделирования и улучшения эксплуатационных характеристик с помощью установки батареи.

За разработкой судна Polaris внимательно наблюдали несколько компаний-операторов. Вслед за Polaris крупная российская компания ПАО «Газпром нефть» заказала два ледокола – «Александр Санников» и «Андрей Вилькицкий» – на базе аналогичной концепции.

«Газпром нефть» ведет работы на нефтяном месторождении Новый Порт на полуострове Ямал в сложных ледовых условиях. Для обеспечения функционирования арктического погрузочного терминала потребовались два высокоманевренных ледокола, и концепция Polaris оказалась идеальной.

Мощность новых судов увеличили, установив два блока Azipod® мощностью 7,5 МВт в корме и один блок Azipod® мощностью 6,5 МВт в носовой части. Также повысили ледовый класс судов до Icebreaker 8, второго по величине класса IB РМРС согласно МАКО (IACS) PC2. Оба судна были сданы заказчику в 2018 году, и пока опыт эксплуатации весьма положительный.

Северный полюс и за его пределами

Судно KV Svalbard, построенное в 2001 году для Береговой охраны Норвегии, стало первым норвежским судном с ВРК Azipod®, достигшим Северного полюса. Это еще одно важное достижение судов, оборудованных Azipod®.

В августе 2019 года KV Svalbard в рамках международной научной экспедиции Coordinated Arctic Acoustic Thermometry Experiment (CAATEX) при поддержке норвежского некоммерческого исследовательского фонда The Nansen Center дошел до Северного полюса. Судно, оснащенное двумя установками Azipod® мощностью

5 МВт, преодолело плотные полярные льды со скоростью 6-7 узлов.

Новейшие разработки

Сегодня ледовые условия несколько упрощают досягаемость Арктики, и количество судов, способных работать в этой зоне, значительно увеличилось. Там, где еще несколько лет назад многие операции были невозможны, сегодня идет интенсивная работа. Это результат смягчения ледовой обстановки и развития технологий.

Разработка ВРК Azipod® серии VI также сыграла важнейшую роль в развитии арктического судоходства. Сегодня нефтегазовая деятельность в Арктике становится все более активной. Для максимальной экономической эффективности суда должны иметь возможность работать без постоянной ледокольной проводки.

ВРК Azipod® VI способна обеспечить необходимый уровень тяги, и, что особенно важно, судно, оборудованное ВРК Azipod® VI, может двигаться кормой вперед через консолидированные ледяные торосы и гребни.

Морские порты №4 (2021)