Ледоколы с азиподами для работы в полярных условиях

Рост трафика по Северному морскому пути (Севморпути) связан с коммерческим исследованием арктических регионов. Ледокольный флот и транспортные суда ледового класса успешно перевозят природные ресурсы, оборудование и товары в этих труднодоступных зонах.
 

Хотя Севморпуть предоставляет возможности для более короткого плавания грузовых коммерческих судов, основные прогнозы, связанные с его использованием, в настоящее время относятся к перевозке природного сырья и исследованию новых месторождений на арктическом шельфе.  

 

Рис.1. Динамика объема грузовых перевозок по Севморпути. Источник

Dynamic of cargo volume on the NSR over the past 25 years (transit and domestic) – динамика объемов грузоперевозок  по Севморпути за последние 25 лет (транзит и местные перевозки); th. tonne – тыс. т. 
 

Существуют разные виды контроля за ледовой обстановкой (IM – ice  monitoring) в российской Арктике. В водах к западу от Карских ворот действует система обслуживания челночных танкеров. Здесь суда контроля за ледовой обстановкой наблюдают за условиями, в которых будет происходить разгрузка танкеров, и помогают им выдерживать требуемые условия погрузочно-разгрузочных операций, сообщая о дрейфе льдов. В процессе грузовых операций суда вспомогательного флота используют для ломки льда движение носом вперед, размывание льда винтами, дробление льда. 
 

В районах высоких широт к востоку от Карских ворот суда контроля за ледовой обстановкой участвуют в проводке конвоев через ледяные поля. Атомные ледоколы обычно движутся, ломая лед впереди конвоя. Причина сохранения дистанции между ледоколом и конвоем – обеспечение безопасности. Судам, следующим за ледоколом, нужно иметь определенное расстояние для торможения и остановки в случае остановки ледокола, столкнувшегося с ледяным затором. Если судно не может следовать за ледоколом, он возвращается, чтобы освободить судно за счет маневрирования возле зажатого льдом судна, предотвращая давление льда на корпус судна.

Три универсальных атомных ледокола (проект 22220) будут построены для круглогодичной навигации на Севморпути. Эти ледоколы будут иметь мощность энергоустановки 60 МВт. 

Первый ледокол "Арктика" планировался к сдаче в 2017 г., но срок сдачи был перенесен на 2019 г.  Второй ледокол, "Сибирь", планировался к вводу в строй в 2019 г., но сроки сдачи ледоколов "Сибирь" и "Урал" также будут сдвинуты на 2020 и 2021 гг. 

 

Рис.2. Атомный ледокол "Арктика" (пр. 22220) в достройке

 

Атомный ледокол "Лидер" (проект 10510) в настоящее время находится на этапе проектирования. Он предназначается для круглогодичной проводки крупнотоннажных судов (дедвейтом более 100 тыс. т и шириной более 50 м) по всему Севморпути с экономической скоростью хода 10 узл во льдах толщиной до 2 м. Также намечается разработка атомного ледокола (проект 10570) для работы на мелководье арктического шельфа. 

Росморпорт рассчитывает также начать операции в Арктике мощного дизель-электрического ледокола (ДЭЛ) "Виктор Черномырдин" (мощностью 25 МВт) с большим набором функциональных возможностей, включая эскорт конвоев по Севморпути и помощь судам в арктических мелководных районах. Ледокол "Виктор Черномырдин" (проект 22600) был заложен в 2012 г. и спущен на воду в декабре 2016 г. на Балтийском заводе в Санкт-Петербурге. Достройка ледокола производится на "Адмиралтейских верфях", а срок сдачи сдвинут на 2019 г. Компания Aker Arctic участвует в разработке и постройке судов всех этих проектов. Компания располагает мощностями для разработки новых проектов и проведения исследований в опытовом бассейне. 

 

Рис.3. Производственные мощности и здания компании Aker Arctic. Источник

1. Workshop – мастерская; 2. Preparation room – подготовительное отделение; 3. Cooling elements – охлаждающие элементы; 4. Testing carriage – буксировочная тележка; 5. Observation windows – смотровое окно; 6. Main basin – главный бассейн; 7. Entrance hall – вестибюль; 8. Workshop – мастерская; 9. Apparatus room – аппаратная; 10. Ventilation –вентиляция; 11. Conference room – конференц-зал; 12. Offices – офисные помещения; 13. Model store – склад моделей; 14. Sauna department – сауна; 15. Refrigerating machinery – холодильное оборудование; 16. Main entrance – главный вход; 17. Conference room – конференц-зал.

Technical particulars – технические данные. Test basin – опытовый бассейн; Length 75 m – длина 75 м; breadth 8 m – ширина 8 м;  Water depth 2.1 m – глубина воды 2,1 m. Test carriage – буксировочная тележка;  Speed range 0-3 m/sec –диапазон скорости – 0-3 м/сек. Second carriage speed 0-1.5 m/sec – скорость второй  буксировочной тележки 0-1,5 м. 

 

Рис.4. Ледовый опытовый бассейн длиной 75 м и шириной 8 м с глубиной до 2,1 м Aker Arctic. Источник

Испытания в опытовом бассейне компании Aker Arctic помогли принять техническое решение об установке на ледоколы в качестве движителя полноповоротных (азимутальных) винто-рулевых колонок (ВРК) – азиподов корпорации ABB.
 

Рис.5.  Разработанное в результате испытаний в опытовом бассейне  компании Aker Arctic инновационное техническое решение – ледокол, идущий бортом (oblique icebreaker). Источник

Пробитый обычным ледоколом канал слишком узок для прохода крупногабаритного судна. Для решения этой проблемы в настоящее время используются два ледокола для проводки одного крупногабаритного судна. Предлагаемое инновационное решение состоит в том, что ледокол, который может прокладывать канал бортом, пробивает канал с шириной, необходимой для прохода крупногабаритного судна.

 

Корпорация ABB разработала в качестве движителя азимутальную винто-рулевую колонку (азипод), схематическое устройство которой представлено на рис.6.

 

Рис.6. Схема устройства азипода корпорации ABB. Источник

1. Винт фиксированного шага (ВФШ)

2. Подшипники, уплотнения вала

3. Вал

4. Монтажный узел

5. Гидравлическое рулевое устройство

6. Контактные кольца (передача мощности)

7. Узел вентиляции

8. Воздушное охлаждение

9. Эл. двигатель

10. Подшипники

 

Корпорацией ABB разработана линейка азиподов различной мощности и различного назначения приведенная на рис.7.

Рис.7. Линейка азиподов корпорации ABB. Источник

 

В линейке представлены азиподы, предназначенные для работы во льдах, и среди них наиболее используемые азимутальные ВРК серий Azipod® ICE и Azipod® VI.
 

Полноповоротная ВРК модели Azipod® VI является уникальным техническим решением  для использования во льдах с мощностью в диапазоне от 5 до 17 МВт. Со встроенным электродвигателем постоянного тока и гребным винтом фиксированного шага (ВФШ), смонтированным непосредственно на валу внутри гондолы, эта ВРК отличается от других аналогичных ВРК, создающих упор для движения судна.

В то время, как ВРК с механической передачей имеют сложную трансмиссию,  включающую промежуточные валы и редуктор, у ВРК Azipod от источника мощности к винтовому узлу идут только электрокабели. Это дает возможность изготовить простой и надежный, прочный движитель для наиболее сложных ледовых условий для судов любого ледового класса. 

 

Рис.8. ВРК серии Azipod VI  судна "Василий Динков" на заводе корпорации ABB в Хельсинки, Финляндия. Источник

 

Рис.9. Внешний вид ВРК серии Azipod® ICE модели 1400. Источник

 

ВРК серии Azipod® ICE является азимутальной ВРК для ледоколов и ледокольных судов и имеет диапазон мощности до 5 МВт. Со встроенным высокоэффективным электродвигателем на магнитах постоянного тока низкого напряжения (LV – low voltage) и ВФШ, смонтированным на валу внутри гондолы, он отличается от других ВРК. ВРК серии Azipod ICE также успешно применяется в любой ледовой обстановке. 
 

Установка азимутальных ВРК на носу ледокола обеспечивает высокую маневренность как на чистой воде, так и в ледовых условиях, что очень важно в зонах с ограниченным водным пространством. Кроме того, эффект размывания льда работой винтов снижает прочность льда и повышает способность прохождения торосов. С другой стороны, очевидно, что установка дополнительных ВРК на носу судна может воздействовать на работу главных кормовых ВРК и снижать, тем самым, эффективность пропульсивной установки. Испытания моделей на открытой воде были выполнены в опытовом бассейне Крыловского центра научных исследований для определения ходовых возможностей и упора таких судов. Кроме того, было исследовано, как носовые ВРК влияют на взаимодействие кормовых ВРК с корпусом судна. В ходе испытаний были использованы самоходные модели для определения тягового усилия на холостом ходу и в других режимах, также как на режиме полного хода и при различном соотношении работы носовых и кормовых ВРК. Эти испытания были проведены согласно процедуре испытаний самоходных моделей судов.

Модель портового ледокола (проект Aker ARC 124) была использована для изучения взаимодействия между кормовыми ВРК и корпусом ледокола, оснащенного двумя дополнительными носовыми ВРК.  

Испытания этой модели включали исследования эффекта от угла наклона оси гондолы носовых ВРК, развернутых под углом друг к другу на эффективный упор ледокола в режиме определения тягового усилия на холостом ходу. Во время этих испытаний, проводившихся при нагрузках, соответствующих трем вариантам распределения мощности между носовыми и кормовыми ВРК, изменялись углы поворота носовых ВРК.  

 

Рис.10. Угол наклона оси гондолы азимутальной ВРК и основные размеры. Источник

 

Рис.11. Носовые ВРК, развернутые под углом друг к другу (в режиме создания тягового усилия). Источник

 

Рис.12. Размыв льда потоком воды от азимутальных ВРК. Источник

 

Примером портового ледокола, строящегося по проекту Aker ARC 124, является ледокол "Обь". 

 

Вторым ледоколом, оснащенным носовыми и кормовыми азимутальными ВРК является ледокол "Александр Санников".

 

Судно оснащено дизель-электрической пропульсивной системой с тремя азимутальными ВРК (две ВРК мощностью 7500 МВт в кормовой части, и одна ВРК мощностью 6500 кВт - в носовой).

По планам, этот ледокол с тремя ВРК позволит с максимальной эффективностью выполнять работы в суровых климатических условиях Обской губы. Ледокол мощностью 21,5 МВт сможет работать во льду толщиной до двух метров.

Оба судна будут ходить под российским флагом.

 

Текст: Олег Губарев