Модульный принцип формирования типоразмерного ряда транспортных СВП для освоения мелководного арктического шельфа



Кравченко В.А., Илюшкин А.П., Лебедев А.В., Кравин Г.М., Юрин И.А. ООО «Комплексные Инновационные Технологии», Москва. Зуев В.А. НГТУ им. Р.Е.Алексеева, НижнийНовгород


MODULAR PRINCIPLE OF FORMINGTHE SERIES OF TRANSPORT HOVERCRAFT USED FOR THE DEVEOPMENT OF THE SHALLOW ARCTIC SHELF


KravchenkoV.A., IlushkinA.P., Lebedev A.V., KravinG.V., Yurin I.A. LLC "Complex Innovative Technology", Moscow

Zuev V.A. Nizhny Novgorod State Technical University, Nizhny Novgorod


Today most of the discovered hydrocarbon reserves are located at the continental shelf of the Arctic seas. These regions are characterized by severe climatic conditions what definitely makes the creation of the marine engineering systems more complicated. In the shallow water the traditional vessels can’t be used effectively and it is a main reason to creation of the transport hovercraft for various purposes.Hovercrafts are used as freight and passenger transport in the many remote regions. Its designs are being improved constantly.


The modular principle of forming hulls the series of hovercraft by the standard (universal) blocks examined in this report by LLC "Complex innovative technologies".This method allows production, operation, repairs and upgrades of the series of various types of Hovercraft (icebreaking, transport, passenger, specialized) required for the development of shallow water deposits of the Arctic shelf with minimal cost.


На сегодняшний день большая часть разведанных запасов углеводородов находится на шельфе арктических морей. Эти регионы характеризуются суровыми природно-климатическими условиями, что существенно затрудняет создание морских инженерных комплексов. На предельном мелководье невозможно эффективное использование традиционных судов, поэтому создание транспортных судов различного назначения на воздушной подушке (СВП) особенно актуально.


СВП непрерывно совершенствуются и находят применение как ледокольный, грузовой и пассажирский транспорт во многих труднодоступных регионах. В данном докладе ООО «Комплексные инновационные технологии» описаны испытания таких платформ и даны рекомендации по выбору их проектных характеристик, а также рассмотрен модульный принцип формирования корпусов СВП из типовых (универсальных) блоков.


Этот способ позволит с минимальными затратами создавать, эксплуатировать, ремонтировать и модернизировать ряд СВП (ледокольное, транспортное, пассажирское, специализированное), необходимых для освоения и обустройства мелководных месторождений арктического шельфа.


Одна из наиболее перспективных возможностей использования самоходных или несамоходных СВП - разрушение ледяного покрова. В этом случае разрушение льда происходит не за счет приложенных к нему значительных усилий (например, со стороны ледокола), а за счет сил тяжести и сил упругости льда. При движении СВП с малой скоростью, если напор в воздушной подушке (в метрах водяного столба) превышает толщину, то через трещины ледяного покрова воздух поступает под лед, вытесняя воду. Ледяной покров в этом случае находится под действием сил тяжести и упругости. При некоторых вполне определенных размерах воздушной полости подо льдом, зависящей от толщины, он не поддерживается водой и начинает самопроизвольно разрушаться. При этом необходимо создать только необходимое давление в воздушной подушке.


001p1


Рис. 1 Физический принцип колки льда ЛПВП


Экспериментальные и теоретические исследования показали, что давление в воздушной подушке, необходимое для разрушения ледяного покрова можно записать в виде:

f1.png                    (1)

где: РВП - давление в ВП,

h - толщина льда,

kр - удельная энергия разрушения ледяного покрова (по данным наших экспериментов kр=1300±50 кПА),

r- характерный линейный размер при изгибе ледяной пластины,

f2.png,                    (2)

где: Е, m - модуль упругости и коэффициент Пуассона для льда,

rв - плотность воды,

g - ускорение свободного падения,

f3.png - коэффициент, зависящий отношения f4-7.png

k1=1,0 для f4-7.png=1,0,

k1=0,8 для f4-7.png=0,8,

k1=1,2 для f4-7.png=1,2,

SВП - площадь ВП.


Расход воздуха из воздушной подушки QВП можно определить по формуле

f8.png,                                   (3)

где: П - периметр воздушной подушки,

hэ - эффективный воздушный зазор. Можно применять hэ=0,0075 м,

rвозд - плотность воздуха.

Требуемая мощность привода нагнетателя определяется так

f9.png,             (4)

где: Р=РВП+DР,

DР - потери давления в воздушном тракте,

h - кпд нагнетателя.


Первые сообщения об использовании судов на воздушной подушке для разрушения ледяного покрова на внутренних водных путях и в прибрежных районах морей появились достаточно давно. Имеющиеся публикации и некоторый зарубежный и отечественный опыт позволяют надеяться, что ЛПВП займут достойное место среди средств продления навигации и борьбы с разрушительными наводнениями, паводками, ледяными заторами.


Первая специализированная опытная ледокольная платформа на воздушной подушке - ЛПВП 107П была разработана в 1991 году.


Основные характеристики платформы 107П:

- длина габаритная (без ГО) - 17,5 м;

- ширина габаритная (без ГО) - 20,0 м;

- высота борта - 2.7 м;

- водоизмещение со 100% балластом - 291 т.


Платформа оборудована дизель-вентиляторной нагнетательной установкой с двумя дизелями М634А мощностью 630 кВт с двумя центробежными вентиляторами ВВН-18 производительностью до 30 м3/с. Для общесудовых нужд имеется дизель-генератор мощностью 50 кВт.


Платформа предназначалась для разрушения ледяного покрова толщиной до 1 м и создания ледового канала шириной ~20 м. Платформа несамоходная, амфибийная. Она может эксплуатироваться в счале с любым судном, имеющим ледовые подкрепления для плавания в битых льдах.


Корпус судна - стальной. Ограждение воздушной подушки выполнено из отдельных съемных гибких элементов сегментного типа, обеспечивающих быструю замену в полевых условиях при возможных повреждениях. Эксплуатация судна может осуществляться при температуре до 400С.


Ледовые испытания проводились в счале с ледоколом "Ока" и буксиром "МБ". Толщина льда в районе испытаний составляла 40-60 см, разрушенность 0-1 балл. Ледокол "Ока" в сплошных льдах толщиной 35-40 см двигался со скоростью 1-2 км/ч. В счале с платформой в этом же льду состав двигался со средней скоростью 7 км/ч, оставляя за собой канал в два раза шире, чем один ледокол.


При подходе ледокола к месту буксирования платформы встретилась гряда наслоеннного смерзшегося льда толщиной 120-130 см. ледокол вынужден был работать набегами с использованием крено-дифферентных систем. Преодолеть эту гряду удалось за пять с половиной часов. Эту же гряду состав с платформой преодолел за двадцать пять минут.

Позднее были проведены испытания вместе с буксиром "МБ". Сплшной лед толщиной 40-60 см состав разрушал со средней скоростью 4-8 км/ч.


Испытания показали, что присоединение к обычному ледоколу или буксиру ледокольной ПВП позволяет резко повысить эффективность разрушения льда. Так, во льду толщиной 40 см скорость небольшого ледокола "Ока" с платформой вдвое больше, чем у тяжелого ледокола типа "Капитан Чечкин", мощность которого почти в два с половиной раза превышает суммарную мощность "Оки" и платформы. Более чем вчетверо снижаются стоимость ледокольной работы состава с платформой и почти в три раза - удельные затраты мощности на разрушение одного кубометра льда. На рис. 2 показан фрагмент испытаний.


fig_02


Рис. 2 Испытания платформы на воздушной подушке 107П во льду


Испытания показали, что присоединение к обычному ледоколу или буксиру ЛПВП позволяет резко повысить эффективность разрушения льда.


Необходимо отметить, что наиболее остро при проектировании ледокольных СВП стоит вопрос об обеспечении остойчивости без системы секционирования воздушной подушки. Этот вопрос удалось решить, проектируя гибкое ограждение специальной формы и соотношением размеров.


В 2012-2013 годах в составе ФЦП «Развитие гражданской морской техники» на 2009-2016 годы ФГУП «Крыловский государственный научный центр» совместно с ООО «Комплексные Инновационные Технологии» при участии кафедры «Кораблестроения и авиационной техники» НГТУ им. Р.Е. Алексеева была выполнена ОКР «Разработка технологии разрушения льда с использованием платформ на воздушной подушке с апробацией на действующем макете». По итогам работы компанией ООО «Комплексные Инновационные Технологии» был построен полунатурный действующий макет ЛПВП и совместно с Нижегородскими учеными были проведены ее испытания. Общий вид платформы показан на рисунке 3.


Исходные базовые предпосылки создания ледокольных платформ на воздушной подушке определены технологическим направлением 1 «Технологии создания морской техники для освоения углеводородных ресурсов на континентальном шельфе» («Освоение шельфа») Федеральной целевой программы «Развитие гражданской морской техники» на 2009-2016 годы, мероприятие 1.1.1 «Разработка технологий определения ледовых нагрузок на плавучие и гравитационные буровые, добычные морские платформы, включая технологические сооружения, работающие на предельном мелководье, и другие средства освоения углеводородных ресурсов континентального шельфа» (комплекс «Ледостойкость»).


Для проверки теоретических зависимостей проектирования ледокольных СВП, практической апробации новой технологии разрушения льда и проверки предлагаемых инновационных технических решений, разработки технологии воздействия ЛПВП на ледовые образования и их разрушение на мелководных акваториях замерзающих морей России с использованием инновационных технических средств – толкаемых буксирным судном ледокольных платформ на воздушной подушке, зимой 2014 г. были проведены испытания макета действующего образца ЛПВП в натурных ледовых условиях на р. Волга. Испытания проводились в счале с буксиром "Калашников" (проект 10), мощностью 600 кВт.


fig_03


Рис.3 Общий вид полунатурной модели платформы

Таблица 1 – Характеристики полунатурной модели


Длина, мм

8900

Ширина, мм

8900

Площадь ВП в плане, м2

67,0

Давление в ВП, кПа

4,0…4,5

Расход воздуха из ВП, м3

21…23

Водоизмещение в полном грузу с балластом, т

28…29


Платформа в счале с буксиром разрушала лед до 50 см толщиной и скоростью ~6 км/ч, создавая ледовый канал шириной ~11 м, сплоченностью 6-7 баллов. На рис. 4 приведен фрагмент испытаний.


fig_04


Рис. 4 Фрагмент испытания полунатурной модели


Полученные результаты в экспериментальных исследованиях подтвердили вполне удовлетворительную сходимость с теоретическими.


На основе полученных после испытаний данных была спроектирована натурная ЛПВП для разрушения льда толщиной до 1,5 м. На рисунке 5 представлен общий вид натуральной ЛПВП.


ЛПВП_КИт


Рис. 5 Натурная ЛПВП для разрушения льда толщиной до 1,5 м


Для разрушения различной толщины льда и прокладки каналов необходимой ширины, был разработан и обоснован оптимизированный типоразмерный ряд ЛПВП для различных ледовых условий.


Таблица -2 Характеристики типо-размерного ряда ЛПВП


Габариты корпуса, LxB, м

18,5х19,0

19,0х21,0

21,0х23,0

23,0х23,0

Высота корпуса,м

3,5

3,5

3,5

3,5

Мощность нагнетательного комплекса, кВт

2х633

4х633

6х633

8х633

Давление, кПа

14,21

14,21

14,21

14,21

Расход воздуха, м3

56

112

168

224

Площадь воздушной подушки, м2

337

386

467

512

Водоизмещение в балласте, т

594

681

825

904

Высота подьема над твердым экраном,м

0,15

0,28

0,37

0,42

Запас топлива, т

350

370

445

517

Толщина разрушаемого льда, м

До 0,5

До 0,9

До 1,2

До 1,5

Ширина образуемого канала с битым льдом, м

21,0

23,5

25,5

25,5


Строительства всего спектра транспортных СВП (ледокольных, пассажирских, грузовых, специализированных) предлагается осуществлять по блочно модульному принципу. Для большинства СВП, предлагаемых для решения транспортных задач при освоении зон арктического побережья и мелководного арктического шельфа в районах нефте-газосодержащих месторождений, средняя часть корпуса/платформы, включающая двойное дно и расположенные выше топливные цистерны, может иметь одинаковую высоту борта и равнозначные по параметрам усиления днищевой части отнесенные к условной единице площади, т.е. одинаковые конструктивные схемы. Типовые конструкции главной палубы и переборок, подвергающиеся удельным нагрузкам разнящимся в зависимости от назначения транспортного средства, могут быть дополнительно подкреплены под конкретные условия.


Мощность энергетических установок, необходимая для создания требуемого давления в воздушной подушке может суммироваться из мощностей отдельных двигателей компонуемых совместно с нагнетательной частью в собственные функционально законченные модули. Модули по одному или несколько могут располагаться на бортовых или концевых секциях-модулях ресиверах, кратных по длине корпусным модулям срединной части.


Гибкие ограждения, состоящие из одинаковых по длине модулей секций, могут иметь два типоразмера по высоте для ледокольных СВП, требующих достаточно большую высоту воздушной подушки, и транспортных самоходных или несамоходных, для которых требуется значительно меньшая оптимальная высота подъема.


Посты управления движением или техническими средствами СВП/ПВП могут отличатся числом и назначением приборов и пультов, но располагаться в однотипном помещении, оформленном в виде модуля ходовой рубки или центрального поста управления.


Палубные конструкции/комплексы, например на пассажирский, пожарный или передвижной мастерской могут формироваться из типовых секций конструкций надстроек, насыщаемых различным оборудованием и механизмами в зависимости от назначения средства. Аналогичным образом могут формироваться мобильные электростанции различной мощности. Возможно применение сменных модулей разного назначения для одного типа несущей части транспортного средства на воздушной подушке.


Для самоходных СВП возможно применение типовых модулей движения, включающих винтовые воздушные движители в кольцевых насадках, систему их механического привода и рулевые воздушные устройства. Размещение приводных двигателей с их системами возможно в дополнительных модулях с поперечными размерами кратными ширине основного корпусного модуля. Число модулей движения определяется необходимой суммарной мощностью транспортного средства на воздушной подушке.


Для самоходных СВП возможно применение типовых модулей навигационного комплекса, сформированного в соответствии с требованиями Правил РМРС, для соответствующего класса судна.


001p2


Рис. 6 Блочно-модульная концепция формирования транспортных СВП


Предлагаемый модульный подход при формировании необходимых типоразмерных рядов или, при необходимости, отдельных транспортных СВП, требующий незначительных проектных доработок и несущественных дополнений серийных производственных процессов может перекрыть весь спектр транспортных СВП необходимых для освоения зон арктического побережья и мелководного арктического шельфа в районах освоения нефте газосодержащих месторождений. Выполненные ООО "Комплексные Инновационные Технологии" составные части ОКР по тематике ледокольных платформ на воздушной подушке показали потенциальную возможность практического осуществления предлагаемой концепции.