§ 12 Остойчивость, качка, непотопляемость
Основные требования, предъявляемые к остойчивости ледоколов, не отличаются от общепринятых для обычных транспортных судов. В то же время имеется ряд дополнительных требований, обусловленных рядом особенностей эксплуатации ледокола: возможностью обледенения надводной части корпуса, рывками буксирного троса при буксировке других судов, вползанием на ледяной покров при его форсировании.
Ледоколы можно отнести к числу судов, обладающих избыточной остойчивостью. Причиной этому служат такие особенности ледокола, как низкое расположение центра тяжести энергетической установки, имеющей большой вес; несколько необычные соотношения главных размерений (в первую очередь большое значение отношения В/Т); специфическая форма обводов корпуса, характеризующаяся низкими коэффициентами общей полноты и полноты мидель-шпангоута. У большинства ледоколов старой постройки к перечисленным факторам добавляются: завал надводного борта внутрь, распространяющийся на всю длину корпуса, и слабое развитие надстроек, имеющих небольшой вес и высоту. В результате этого подавляющее большинство ледоколов отличается порывистой качкой и значительной заливаемостью палубы. Поэтому при проектировании ледокола, как правило, приходится принимать меры для ликвидации избыточной остойчивости.
Обеспечение минимальной допустимой остойчивости контролируют в процессе проектирования с помощью расчетов, выполняемых в соответствии с требованиями Регистра СССР. Так же как и для прочих морских судов, остойчивость ледокола нормируется в первую очередь с помощью основного критерия, который учитывает наиболее важные кренящие силы, действующие на судно при шторме: ветер и волны. Остойчивость ледокола считается по основному критерию достаточной, если при наихудшем в смысле остойчивости варианте нагрузки динамически приложенный кренящий момент от давления ветра МКр равен или меньше минимального опрокидывающего момента Мопр, т. е. если соблюдено условие
При проверке остойчивости по основному критерию учитывают категорию судна, которая зависит от района плавания.
СССР по арктическим морям и трассе Севморпути имеют право плавать лишь суда этой категории.
Дополнительные требования, предъявляемые Регистром СССР к диаграммам начальной остойчивости и начальной метацентрической высоте ледоколов, выполняются без затруднений (табл. 11, рис. 75).
Ледоколы могут подвергаться обледенению верхней палубы, бортов, переборок надстроек, рубок, палубных механизмов, рангоута и т. п. Обледенение приводит к увеличению веса судна, повышает его центр тяжести, увеличивает площадь парусности и в итоге ухудшает показатели остойчивости. Правила Регистра СССР предусматривают проверку остойчивости при обледенении.
Поскольку в практике эксплуатации морских ледоколов не встречалось случаев их опрокидывания в результате обледенения, то следует считать требования Регистра СССР в этом отношении достаточными.
Все отечественные ледоколы (Ленин, Москва, Капитан Белоусов, Красин, Сибирь, Василий Прончищев) относятся к судам I категории с неограниченным районом плавания, так как согласно правилам Регистра
Дополнительные требования Регистра СССР для буксирных судов распространяются также и на ледоколы, которые как суда-буксировщики должны обладать достаточным запасом динамической остойчивости, чтобы противостоять кренящему действию условного поперечного рывка буксирного каната. Проверка остойчивости на рывок буксирного каната обязательна лишь для судов-буксировщиков, водоизмещение которых при нагрузке с 10% запасов не превышает 3000 т.
Кроме проверки остойчивости по нормам Регистра СССР, в процессе проектирования необходимо производить расчет остойчивости ледокола при вползании его на лед. Для этой цели наиболее целесообразно использовать формулы В. В. Семенова-Тян-Шанского. Исходя из предположения, что при вползании на лед изменение посадки ледокола сравнительно невелико, а форштевень ледокола скользит по кромке ледяного покрова, не подвергая его деформации, В. В. Семенов-Тян-Шанский вывел следующее соотношение для величины давления форштевня ледокола на лед:
Тогда потеря начальной метацентрической высоты может быть вычислена как
Давление льда на корпус для всех углов крена можно считать постоянным, что позволяет определить весовое водоизмещение как разницу:
Для расчета по формулам (52) и (53) необходимо задаться величиной максимального подъема форштевня ледокола при вползании на лед. По натурным данным наибольшая величина вертикального перемещения форштевня при работе набегами в тяжелых льдах составляет для ледоколов: Василий Прончищев — около 1,5 м; Сибирь — 2,0 м; Москва — 2,5 — 3,0 ж, что соответствует для всех перечисленных судов углу дифферента 2,5 — 3°,0. Эти цифры могут быть использованы в качестве исходных при расчете рф по формулам (52) и (53). Добавим, что в отечественной практике случаев потери ледоколом остойчивости при вползании на лед не отмечалось.
Остойчивость ледокола при выполнении установившейся циркуляции, как правило, не вызывает опасений. По данным натурных испытаний угол крена ледокола при циркуляции на свободной воде обычно не превышает 2—4°. Контрольный расчет максимального угла крена может быть выполнен с помощью формулы Г. А. Фирсова
где zg — возвышение центра тяжести судна над основной линией.
Кренящий момент, действующий на ледокол при выполнении циркуляции, определяют как
Угол крена ледокола при циркуляции во льду меньше, чем на свободной воде, и не превышает обычно 1—2°.
Умеренность качки при ходе на волнении является одним из важных мореходных качеств ледокола. Хотя в практике эксплуатации ледоколов не отмечалось последствий качки, имеющих аварийный характер (опрокидывание судна или перелом корпуса), с ее вредными последствиями приходится сталкиваться большинству ледоколов. К числу этих последствий относят: заливание палубы, местные разрушения под действием волн, физиологические воздействия на экипаж, затрудняющие выполнение работы, потерю скорости хода за счет возрастания сопротивления, ухудшение условий работы движителей и трудность удержания судна на курсе.
Для предотвращения этих последствий возможны два пути: при проектировании так выбирать элементы ледокола, чтобы обеспечить ему плавную и малую качку, либо применять специальные устройства для успокоения качки.
Из числа мероприятий первого рода основную роль играют рациональный выбор соотношений главных размерений, коэффициентов и формы обводов корпуса, распределение нагрузки, выбор общего расположения и т. п. Универсальных рецептов в этом отношении не существует. Можно отметить, что на вспомогательных ледоколах повышают центр тяжести судна, размещая часть запасов топлива в диптанках. Той же цели можно добиться расположением всех жилых помещений и некоторого оборудования в надстройках. На ледоколе Ленин отсек с парогенераторной установкой, имеющий вес более 3000 т, был приподнят на высоту 5,7 м над вторым дном [13]. Резкая качка, которой подвержены американские и канадские ледоколы, отчасти является следствием округлой формы их мидель-шпангоута.
Общая стабилизация качки необходима не для всех ледоколов. Одним из решающих факторов в этом отношении является вероятность плавания судна в зоне резонансных частот. Принято считать, что для судна представляют наибольшую опасность волны с периодом Тв; причем
где Тф — период бортовой качки.
Вторым фактором является ускорение при качке, которое не должно превышать 0,1 g, исходя из чего предельно допустимый угол качки определяется условием
где l — расстояние от оси качания, проходящей через центр тяжести судна, до наиболее удаленной от этой оси точки.
Кроме бортовой качки ледоколы испытывают килевую, период которой примерно в два раза меньше. Принимая за плечи бортовой и килевой качки соответственно В/2 и L/2 при отношении L/B = 5, для ледоколов получим
где Фк — предельно допускаемый угол килевой качки. Это означает, что умерение килевой качки для ледокола более необходимо, чем бортовой. Однако в настоящее время установок для успокоения килевой качки нет.
Из известных систем успокоителей качки на ледоколах применяют пассивные успокоительные цистерны типа «Флюм», установленные на ледоколах Глэсье, Уинд, Луи С. Сан-Лоран, Фудзи, и активные бортовые рули, которыми оборудованы ледокол Лабрадор и ледокольный паром Уильям Карсон. На ледоколе Красин установлены активные успокоительные цистерны.
Управляемые убирающиеся бортовые рули типа «Денни-Браун», примененные на ледоколе Лабрадор, уменьшают бортовую качку на 15—20%. Они требуют сравнительно небольших объемов для размещения и незначительного расхода мощности на привод, однако неэффективны на малых скоростях, приводят к потере скорости (на ледоколе Лабрадор максимальная скорость снижается на 1,0 уз) и, главное, легко уязвимы. Поэтому управляемые рули не могут быть рекомендованы для широкого применения на ледоколах. Активные успокоительные цистерны также имеют весьма ограниченную сферу применения ввиду сложности конструкции, высокой стоимости и больших затрат мощности на их работу.
Наибольшее распространение на ледоколах получили различные разновидности успокоительных цистерн типа «Флюм». Система (рис 77) состоит из бортовых цистерн, соединенных каналом, высота которого равна высоте цистерн. Цистерны создают стабилизирующий момент за счет веса перетекающей с борта на борт воды, а также уменьшают начальную остойчивость судна, так как в соединительном канале имеется свободная поверхность жидкости. Преимуществом цистерн типа «Флюм» является возможность существенного изменения периода колебаний системы, что важно в том случае, если период бортовой качки судна изменяется в значительных пределах. Настройку цистерн на резонанс с судном производят за счет изменения уровня жидкости в них. При правильном выборе конструкции и размеров цистерн они позволяют уменьшить интенсивность качки не менее чем на 40—50%, в том числе и при плавании на нерегулярном волнении. Успокоители качки данного типа следует признать наиболее перспективными для применения на ледоколах.
Целесообразность установки успокоителей качки на ледоколе требует в каждом конкретном случае тщательного экономического обоснования. Протяженность и продолжительность рейсов ледокола по свободной воде, вероятность плавания в зоне резонансных частот сравнительно легко можно учесть, так как большинство ледоколов имеет вполне определенные маршруты плавания по свободной воде от порта приписки до района работ во льду. Так, например, ледоколы, базирующиеся в порту Мурманск, совершают переход к месту работы и обратно, пересекая Баренцево море, что составляет около 1300 миль в оба конца.
Поэтому установка успокоителей качки на этих ледоколах вряд ли целесообразна. Маршрут плавания ледоколов такого же типа, приписанных к порту Владивосток, до места работы в восточном секторе Арктики проходит по Японскому, Охотскому, Берингову морям и по части Тихого океана протяженностью в оба конца примерно 3800 миль. Установка на этих ледоколах успокоителей качки более обоснованна.
Расчет непотопляемости ледоколов не отличается от расчета непотопляемости обычных грузовых судов. Регистр СССР оговаривает особо для ледоколов величину фактора деления, которую для ледоколов длиной 75 м и более необходимо принимать равной 0,5. Фактор деления ледоколов длиной 50—75 м для районов, где отсутствует двойной борт, — 0,5, а на остальной части длины — 1,0.
В практике мирового ледоколостроения намечается тенденция обеспечивать для мощных и средних ледоколов непотопляемость при затоплении двух отсеков, а для вспомогательных — при затоплении одного любого отсека. Ледоколы, как правило, благодаря наличию двойного борта и двойного дна и уменьшенной по сравнению с обычными грузовыми судами длине отсеков обладают удовлетворительной непотопляемостью.
На рис. 78 приведена схема деления на водонепроницаемые отсеки корпуса вспомогательного ледокола Василий Прончищев.