ГЛАВА VIII
ЛЕДОКОЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

§ 27 Креновая и дифферентная системы

Основное назначение креновой системы — борьба с заклиниванием. Мнение некоторых специалистов о целесообразности применения этой системы для улучшения ледовой ходкости и для успокоения качки на свободной воде не подтверждается результатами испытаний и опытом эксплуатации. Так, например, натурные испытания ледоколов типа Москва в сплошных льдах показали, что работа креновой системы приводит лишь к увеличению рыскания ледокола, в то время как средняя скорость его поступательного движения практически не изменяется. Некоторые канадские специалисты считают, что креновая система не оправдывает своего основного назначения по освобождению ледокола от заклинивания, и поэтому не рекомендуют устанавливать ее на ледоколах.

Дифферентная система ледокола также используется для освобождения ледокола от заклинивания и, кроме того, для придания ему необходимой посадки. Как было показано в § 9, для освобождения ледокола от заклинивания необходимо, чтобы сила тяги гребных винтов на задний ход была больше сил трения, удерживающих ледокол. Уменьшить силы трения можно за счет перевода статического трения в динамическое или за счет уменьшения потерянной силы плавучести. На этом основаны два способа работы креновой и дифферентной систем, которые предусматривают перекачивание жидкости из цистерны в цистерну, а также опорожнение их от балласта.

Креновая система ледокола состоит из цистерн, которые расположены в отсеках двойного борта средней части корпуса симметрично относительно диаметральной плоскости судна, трубопроводов, насосов и арматуры. Цистерны правого и левого бортов соединены между собой каналами, предназначенными для перекачки кренбалласта, которая осуществляется креновыми насосами. Каналы выполняют в виде труб большого диаметра. Число креновых насосов соответствует числу групп танков, каждая из которых включает цистерны, расположенные на противоположных бортах, соединенные одним каналом. Каждый переточный канал снабжен дистанционно управляемыми клин-кетами с электроприводом. С помощью клинкетов регулируется наполнение и осушение цистерн, а также производится их изоляция. Насосами и клинкетами управляют вручную или автоматически, с ходового мостика, из центрального или из местного поста управления. Вентиляция отсеков, а также отвод воздуха из цистерн осуществляется с помощью воздушных труб.

Для контроля работы системы, на пультах управления предусматривают указатели уровня жидкости в цистернах. На некоторых ледоколах креновые цистерны используют в качестве дополнительных топливных емкостей. В этом случае предусматривают соответствующие трубопроводы и арматуру для приема топлива.

Определим минимальный кренящий момент, который должна создать креновая система, для того чтобы статическое трение перешло в динамическое и ледокол смог освободиться от заклинивания за счет работы гребных винтов на задний ход.

Рассмотрим случай заклинивания ледокола средней частью (при а' = 0), как самый тяжелый. При работе винтов на задний ход, в плоскости ватерлинии на каждом борту будет действовать сила трения, равная половине тяги винтов:

При этом, очевидно, F₁ < F_max = Nf_CT, где N — нормальное давление.

При работе креновой системы по способу перекачивания балласта, в поперечной плоскости будет действовать кренящий момент М_кр, а в зоне контакта корпуса со льдом появятся дополнительные силы трения F₂, действующие с обоих бортов по касательной к шпангоуту (рис. 125). Поворот корпуса в поперечной плоскости будет возможен, если геометрическая сумма сил F₁ и F₂ достигнет величины, равной максимальной силе трения, т. е. если

Подставляя значения F₁ и F₂, определяемые согласно (133) и (135), в выражение (134) и имея в виду, что величина нормального усилия N = Q/(2 cos β'), находим

Максимальный кренящий момент, который может создать креновая система ледокола, равен:

Для большинства существующих ледоколов отношение 2с/в может быть принято равным 0,8. Тогда, учитывая зависимости (137) и (138), получим следующее выражение для определения объема креновых цистерн одного борта, необходимого для освобождения ледокола от заклинивания:

Расчеты по формуле (139) для f_ст = 0,3 и β' = 70° показывают, что если всплытие ледокола при заклинивании превышает ΔT_Ср = 0,2 м, вес кренбалласта в цистернах одного борта должен быть примерно равен потерянной силе плавучести, т. е.

Если считать, что у существующих мощных ледоколов вес кренбалласта одного борта равен примерно 500 т, а у средних — 400 т, из выражения (140) следует, что мощные ледоколы смогут освобождаться от заклинивания с помощью креновой системы при ΔТ_ср <= 0,25 м, а средние — при ΔТ_ср <= 0,2 м.

Рассмотрим возможность освобождения ледокола от заклинивания, когда в результате перекачивания кренбалласта с с борта на борт происходит разрушение льда изгибом в зоне его контакта с корпусом. 

Без учета трения на кромку ледяного покрова будет действовать вертикальное усилие, равное половине потерянной силы плавучести (Q/2), и дополнительная сила wv₀/2. Теоретическое выражение для вертикального усилия Р_р, разрушающего ледяную полубесконечную пластину, имеет вид:

По данным различных авторов, значение коэффициента пропорциональности k лежит в пределах 0,5 — 1,33. Принимая k = 0,7, получим следующее выражение для вертикального усилия, разрушающего лед при работе креновой системы:

На рис. 126, а приведена зависимость толщины разрушенного льда от величины всплытия для б_р = 80 тс/м². Из рисунка видно, что при заклинивании со сравнительно небольшим всплытием (ΔT_ср ~ 0,2 м) мощные ледоколы способны сломать изгибом лед толщиной 1,9 м, а средние — 1,6 ж. При ΔТ_ср = 1,0 м толщина разрушаемого льда соответственно будет 4,2 м и 3,65 ж. При использовании креновой системы ледоколы разрушают изгибом лед, толщина которого больше в среднем на 50% при ΔТ_ср = 0,2 м и на 10% при ΔТ_ср = 1,0 м.

Часто бывает, что ледокол остается в заклиненном состоянии даже при наличии во льду изгибных трещин. В этом случае после облома льда судно зависает на образовавшихся льдинах, не будучи в состоянии их притопить. Таким образом, при проломе льда не всегда происходит опускание корпуса и достаточное для освобождения от заклинивания уменьшение величины всплытия. Как было показано в § 15, форма обводов средней части корпуса существующих ледоколов не обеспечивает условия свободного притапливания льдин, если не происходит разрушение их нижнего ребра. Последнее возможно, если напряжения в этом ребре достигнут предела прочности на сжатие.

В соответствии с рис. 85 напряжения в ребре А льдины можно представить в виде

при работе креновой системы

В этих выражениях l₀ — длина зоны контакта льдины с ледяным покровом.

Принимая β' = 70°, получим соответственно в первом и втором случаях:

Отношение b₀/l₀ следует рассматривать как некоторый условный параметр. Обработка данных испытаний ледокола типа Москва показала, что применительно ко льду толщиной 1,6 м с пределом прочности на смятие б_с = 250 тс/м² численное значение отношения b₀/l₀ может быть принято равным 0,5.

Рис. 126, б показывает, что между всплытием ледокола при заклинивании и толщиной льда существует зависимость, которая лимитирует условие освобождения от заклинивания путем притапливания льда. Так, например, при всплытии ΔT_ср = 0,4 м мощные ледоколы будут заклиниваться во льду толщиной более 2,2 м, а средние — толщиной более 1,9 м.

С увеличением всплытия корпуса толщина льда, в котором может заклиниваться ледокол, возрастает. Так, например, при ΔТ_ср = 0,8 м мощные ледоколы будут заклиниваться во льдах толщиной более 3,1 м, а средние — 2,7 м. Из рис. 126, б видно также, что креновая система помогает ледоколу освобождаться от заклинивания, поскольку при ее работе ледокол в состоянии притопить лед большей толщины. Сопоставление рис 125, а и 126, б показывает, что при заклинивании легче проломить лед, чем притопить.

Таким образом, при заклинивании появление во льду пролома в результате изгиба является необходимым, но не достаточным условием освобождения, так как оно может наступить лишь после притапливания льдин.

При работе креновой системы способом опорожнения цистерн, силы трения, удерживающие ледокол, уменьшаются пропорционально весу выброшенного кренбалласта. Принимая для мощного ледокола вес кренбалласта равным 500 т (число тонн на 1 см осадки — 20), а для среднего соответственно 400 и 15, можно показать, что при таком способе работы креновой системы ледоколы смогут освобождаться от заклинивания при всплытиях 0,3 — 0,35 м.

Дифферентная система ледокола состоит из таких же основных конструктивных элементов, что и креновая. Ее цистерны расположены в пиковых отсеках носовой и кормовой оконечностей. Применяют два основных конструктивных типа дифферентных систем: с автономными цистернами и замкнутую систему (рис. 127).

При замкнутой системе трубопровод большого диаметра, соединяющий цистерны, пересекает весь корпус от носа до кормы, ухудшая живучесть ледокола. Чтобы не прорезать главные поперечные переборки, трубопровод располагают в двойном дне, что, однако, сопряжено с трудностями технологического характера. Преимущество замкнутой дифферентной системы — возможность ее использования в качестве аварийного средства для самого ледокола. 

Трубопровод, который простирается по всей длине ледокола и имеет 2—3 ответвления, выведенные на палубу с каждого борта, создает благоприятные условия для быстрого откачивания забортной воды. Для откачки воды в этом случае можно использовать одновременно все дифферентные насосы ледокола.

Замкнутая дифферентная система позволяет использовать ее насосы для заполнения креновых цистерн и исключает надобность в собственных заборных отверстиях креновой системы. Конструкция кингстонов дифферентной системы ледокола напоминает ледовые ящики.

Для освобождения ледокола от заклинивания с помощью дифферентной системы производят либо изменение дифферента ледокола за счет перекачивания балласта из цистерны в цистерну, что способствует переходу статического трения в динамическое, либо одновременное или поочередное опорожнение дифферентных цистерн для снижения нормального давления корпуса на лед, а следовательно, и сил трения.

Опыт показывает, что работа дифферентной системы по способу перекачивания балласта, при котором ось поворота корпуса проходит через зоны контакта корпуса со льдом, малоэффективна для освобождения от заклинивания. Отмечены случаи, когда даже при поворачивании корпуса ледокол продолжал оставаться заклиненным. Для того чтобы ледокол смог освободиться, в процессе поворачивания необходимо дополнительно смять лед в зонах контакта корпуса со льдом, что приведет к проседанию корпуса, т. е. к уменьшению его всплытия.

При наличии на ледоколе относительно больших дифферентных цистерн наиболее эффективным будет второй способ освобождения. Если в этом случае вес балласта, выброшенного из дифферентных цистерн, будет равен или близок к значению потерянной силы плавучести Q при заклинивании, нормальные давления, а следовательно и силы трения, в районе контакта уменьшаются до нуля.

Как указывалось, максимальное всплытие корпуса при заклинивании не превышает ΔТ_ср = 1 м. Тогда для выполнения указанного условия суммарный объем дифферентных цистерн должен составлять для мощных ледоколов примерно 2000 м³, а для средних ледоколов 1500 м³.

Эффективность использования дифферентной системы зависит также от времени осушения и приема балластной воды в цистерны, которое при прочих равных условиях зависит от мощности дифферентных насосов.

На рис. 128 приведена схема креновой и дифферентной систем мощного ледокола Москва. Креновая система ледокола имеет восемь цистерн (по четыре с каждого борта), а его замкнутая дифферентная система — четыре цистерны (по две в носу и в корме). Противоположные креновые и дифферентные цистерны соединены между собой трубопроводами, обслуживаемыми циркуляционными насосами. Трубопроводы креновой системы соединены с трубопроводами дифферентной системы. Предусмотрена возможность использования креновых цистерн в качестве топливных танков.

В табл. 24 и 25 приведены параметры креновой и дифферентной систем отечественных и иностранных ледоколов. Как видно из таблиц, объем креновых и дифферентных систем у большинства существующих ледоколов различных классов составляет 6—8% от водоизмещения. 

Рост водоизмещения ледоколов (т. е. повышение их класса) влечет за собой увеличение объема креновых и дифферентных цистерн, а доля их объема по отношению к водоизмещению остается постоянной.

При определении емкости креновых цистерн, приближенно можно считать, что для освобождения от заклинивания при работе по способу опорожнения цистерн вес выброшенного кренбалласта должен быть равен потерянной силе плавучести. В том случае, когда применяется способ перекачивания балласта с борта на борт, вес балласта в цистернах одного борта должен быть равен потерянной силе плавучести. Из этого следует, что в первом случае суммарный объем креновых цистерн может быть в два раза меньше, чем во втором.

Всплытию корпуса мощного ледокола ΔТ_ср = 1м отвечает потерянная сила плавучести примерно 2000 т. Разместить на мощном ледоколе креновую систему объемом 2000 м³ практически не представляется возможным. Поэтому целесообразно предусматривать креновую и дифферентные системы, суммарный вес балласта которых равнялся бы максимальной потерянной силе плавучести при заклинивании, причем соотношение между объемом дифферентных и креновых цистерн должно быть близким к 3:1. В этом случае объем дифферентных систем мощного ледокола будет равен около 1500 м³, а креновых — 500 м³. Необходимо учитывать, что объем креновых цистерн не должен быть настолько большим, чтобы при перекачивании кренбалласта на один борт палуба ледокола входила в воду. Чтобы исключить это при мгновенном обломе кромки ледяного покрова, когда к ледоколу будет приложен динамический кренящий момент М_д , а вызванный им угол крена будет превышать статический, необходимо в расчет вводить коэффициент запаса, который в первом приближении может быть принят равным 1,5. Обычно для ледоколов угол крена, при котором палуба входит в воду, близок к 20°, тогда допустимый статический угол крена θ ~ 13°. Учитывая сказанное, выражение для определения объема креновых цистерн одного борта, при котором палуба не будет входить в воду, может быть представлено в следующем виде:

Производительность насосов, обслуживающих креновую и дифферентную системы определяется временем, которое необходимо затратить для перекачивания балласта из цистерны в цистерну, или временем, необходимым для опорожнения цистерны от балласта. Для выбора оптимального времени перекачки представляют интерес результаты исследований Д. Е. Хейсина и Е. Ю. Петрова [18], которые рассмотрели задачу раскачивания судна при заклинивании во льду. Было показано, что, в зависимости от частоты раскачивания, во льду возникают волны изгибно-гравитационного характера. Ледяной покров демпфирует колебания, вследствие чего амплитудно-частотные характеристики колебаний судна во льду существенно отличаются от характеристик колебаний на чистой воде.

Для толщин льда h < 1,5 м при совпадении периода раскачивающего устройства с периодом собственных колебаний мощного ледокола наблюдается явление, напоминающее резонанс. При этом возникает незначительное увеличение угловых перемещений корпуса по сравнению с перемещениями, которые вызываются статическим действием внешней нагрузки. При увеличении толщины льда, в котором заклинился ледокол, явление резонанса практически исчезает. При раскачивании ледокола максимальный динамический момент равен статическому для сравнительно больших периодов раскачивания. При уменьшении периода раскачивания, т. е. с приближением его к периоду собственных колебаний ледокола, динамический момент уменьшается.

Поскольку наиболее тяжелые случаи заклинивания наблюдаются во льдах толщиной более 1,5 м, применение креновых и дифферентных систем с периодами, равными периоду собственных колебаний судна, для освобождения ледокола от заклинивания следует признать нецелесообразным.

Как видно из табл. 24 и 25, период перекачивания балласта в креновых системах существующих ледоколов колеблется в значительных пределах — от 2 до 10 мин. Целесообразно иметь период перекачивания кренбалласта с борта на борт в 1,5—2 раза меньшие, чем время, необходимое для опорожнения дифферентных цистерн. При одновременной работе обоих систем это даст возможность освободиться от заклинивания быстрее, чем при работе одной дифферентной системы. Если за оптимальное время осушения дифферентных цистерн ледокола принять 8—10 мин, то период перекачивания кренбалласта не должен превышать 5—6 мин. Увеличение периода, выгодное экономически, нецелесообразно, поскольку в этом случае освобождение от легких заклиниваний (при всплытии до 0,1 м) будет занимать слишком много времени.