СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДОВОГО ПОКРОВА И ПРИСТАВКА К СУДНУ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК B63B35/12 

Изобретение относится к способам разрушения ледового покрова рек, морей, океанов и плавательным средствам для его осуществления.

Известен ледокол по патенту РФ на изобретение 2152330 (6 В 63 В 35/12) с давящим V-образным ледоразделяющим гребнем и проточной цистерной с нагревательными элементами.

Известны способ разрушения ледового покрова и ледокольная приставка судна для его осуществления по патенту РФ на изобретение 2137669 (6 В 63 В 35/12) - прототип.

Недостатками способа и приставки прототипа являются:
- струи воды воздействуют только на переферийные (по ходу движения судна с приставкой) участки ледового покрова, а крушение ледового покрова осуществляют посередине гидромолотом приставки;
- большие удельные затраты энергии и соответственно топлива на разрушение ледового покрова на множество мелких кусков произвольной формы и размеров;
- заполнение судоходного канала множеством кусков ледового покрова, их быстрое смерзание при неблагоприятных погодных условиях, нарушение внешнего лакокрасочного покрытия, ускорение износа головного и следующих за ним в караване других судов;
- малая скорость передвижения плавательного средства при плавании с преодолением ледового покрова и соответственно большие затраты денежных средств и времени на транспортировку грузов;
- повышенный шум и вибрация от работы гидромолота, ускоренный износ судна с приставкой;
- неполное использование мощностей силовых установок и перерасход топлива медленно движущимися судами, следующими в караване за головным судном-ледоколом.

Это является следствием того, что в способе и судне с приставкой - прототипе - предусматривается значительное измельчение ледового покрова. Известно, что удельные затраты энергии на разрушение твердых тел почти прямо пропорциональны площади кусков, частиц, образующихся при измельчении твердого тела при одинаковых температурных и других условиях. Указанные недостатки устранены в предлагаемом изобретении.

Целью изобретения является снижение затрат мощности, соответственно топлива, времени и денежных средств на доставку грузов плавательными средствами по рекам, морям и океанам в условиях частичного и полного ледового покрова водной поверхности.

Поставленная цель достигается выполнением способа разрушения ледового покрова путем воздействия на него ледокольной приставкой в условиях надрезки ограниченного участка ледового покрова рабочим телом, например струями воды высокого давления, таким образом, что надрезку осуществляют струями воды, пароводяной смеси или пара, нагретого в теплогенераторе не менее чем до 95^oC, при этом струи направляют под углом к поверхности воды, чтобы при надрезании образовывались куски льда с наклоненными к поверхности воды гранями, и упомянутым струям придают вращательное движение, а после надрезки ледяного покрова через лед по щели надрезки пропускают электрический ток в воду.

Применение вихревого теплогенератора (реактора холодного или среднетемпературного ядерного синтеза) для нагрева рабочего тела позволяет использовать одновременно слабое гамма-излучение, другие продукты ядерного синтеза, кинетическую энергию струи высокого давления для механического разрушения узкого участка льда и тепловую энергию рабочего тела для увеличения скорости неравномерного нагревания различных частей ледового покрова с переводом очень малой части молекул воды из твердого состояния (льда) в жидкое (воду). Следствием комплексного радиоактивного, температурного (термического) и силового (гравитационного, предварительного природного сжатия или растяжения, от волн, ветра, давления клинообразной приставки) воздействия является образование множества мелких трещин, значительное ослабление прочности в плоскости надрезки ледового покрова.

Для уменьшения затрат мощности на надрезку и последующую очистку судоходного канала от кусков льда струи рабочего тела направляют под углом к поверхности воды, чтобы при надрезании ледового покрова образовывались куски льда с гранями под углом 30-80^o к поверхности воды. В последующем требуется меньше сил тяги двигателей судна на преодоление сил трения и соответственно затрат мощности на перемещение кусков льда с наклоненными гранями под стенки образующегося судоходного канала. Количество кусков малых размеров уменьшается, и соответственно уменьшаются затраты мощности на образование развитой поверхности мелкоизмельченных кусков.

Чтобы увеличить эффективность воздействия струй рабочего тела и снизить затраты мощности на надрезание ледового покрытия рабочему телу в упомянутых струях придают вращательное движение. Это позволяет увеличить количество откалываемых и уносимых струей мелких кусочков льда в зоне воздействия струи.

Для снижения затрат мощности на разрушение ледового покрытия под ледовый покров подается дополнительное рабочее тело под давлением, например сжатый воздух, отработанные газы от силовой установки судна. Даже при небольшом избыточном давлении сжатый воздух в куполах и неровностях под ледяным покровом впереди судна образует значительную подъемную силу, которая создает и усиливает предварительное природное напряжение хрупкого ледового покрова. При откалывании кусков льда от общего ледового покрова часть сжатого воздуха выходит из под него, отдельные участки покрова опускаются, выпрямляются. Происходит многократное разнонаправленное предварительное напряжение ледового покрова перед его разрушением ледокольной приставкой судна. Это также уменьшает общие затраты мощности на разрушение хрупкого ледового покрова.

Для снижения затрат мощности на разрушение ледового покрытия после его надрезки через лед по щели надрезки пропускают электрический ток в воду. В щели надрезки сохраняется некоторое количество воды, стенки щели и прилегающая к щели поверхность снежно-ледового покрова смочены брызгами воды, благодаря чему смоченная поверхность обладает меньшим, чем у льда, сопротивлением прохождению электрического тока. Короткий импульс электрического тока через мокрую щель нарушает межмолекулярные и внутриядерные силы сцепления молекул воды в целом слое льда. Возникает визуально заметная плоскость будущего раскола, которая значительно облегчает раскол ледового покрова по плоскости прохождения тока.

Осуществление предложенного способа возможно путем применения предлагаемой ледокольной приставки к судну. Для осуществления способа содержащая каркас ледокольная приставка выполнена с клинообразным каркасом, обшивка которого образует вогнутые скулы в виде двухстороннего плуга с верхним ледоразводящим гребнем, предназначенным для частичного подъема, откалывания, поворота и перемещения отделившихся кусков ледового покрова под стенки образовавшегося судоходного канала. При этом ледокольная приставка снабжена по крайней мере одним соединенным с теплогенератором коллектором с соплами, у которого по крайней мере одно сопло предназначено для продольного надреза ледового покрова, а второе - для надреза под углом к поверхности воды. Причем по крайней мере одно из упомянутых сопел снабжено завихрителем, предназначенным для придания потоку рабочего тела, например воды, пароводяной смеси или пара, вращательного движения. Ледокольная приставка может быть снабжена по крайней мере одним включенным в электрическую цепь скользящим контактом, например лыжей, под коллектором с соплами, предназначенным для разрушения ледового покрова путем воздействия электрического тока через ледовый покров и воду.

Ледокольная приставка может быть снабжена по крайней мере одним элементом для подачи дополнительного рабочего тела, например сжатого воздуха, под ледовый покров.

Ледокольная приставка может быть снабжена по крайней мере одним механическим или гидравлическим приводом, предназначенным для ее подъема и опускания.

Ледокольная приставка может быть снабжена по крайней мере одним механическим или гидравлическим приводом, предназначенным для подъема и опускания упомянутого коллектора с соплами.

Ледокольная приставка может быть снабжена по крайней мере одним вихревым теплогенератором по патентам РФ на изобретение 2045715, F 25 B 29/00 или 2162571, F 24 D 3/02.

Ледокольная приставка может быть снабжена по крайней мере одним теплогенератором, использующим рабочее тело, например, воду, предварительно нагретую в силовой установке судна.

Ледокольная приставка может быть снабжена по крайней мере одним соплом, предназначенным для продольного надреза ледового покрова, и вторым соплом - для надреза под углом или поперек курса судна.

Ледокольная приставка может быть снабжена по крайней мере одним элементом, например штангой, предназначенным для толкания и/или буксировки другого судна. Каждое судно в караване может быть снабжено упомянутыми штангами.

Ледокольная приставка к судну и/или штанга может быть снабжена по крайней мере одним элементом, предназначенным для толкания и/или буксировки другого судна, содержащим тензометрическое устройство для контроля усилий толкания или буксировки.

Схематично изображено: на фиг.1 - в разрезе фрагмент носовой части судна с ледокольной приставкой; на фиг. 2 - вид спереди на судно с ледокольной приставкой; на фиг.3 - вид сверху на судно с ледокольной приставкой; на фиг. 4 - вид сверху на головное судно с ледокольной приставкой и толкающими его другими судами каравана в образуемом судоходном канале; на фиг.5 - сечение по I-I коллектора на фиг.3.

К носовой части судна 1 прикреплена ледокольная приставка 2. Приставка выполнена в виде клинообразного каркаса с верхним ледоразводящим гребнем 2.1. Обшивка каркаса 2.2 приставки образует впереди носовой части судна вогнутые скулы 2.2.1 и 2.2.2 в виде двухстороннего плуга. Скулы и верхний ледоразводящий гребень 2.1 предназначены для частичного подъема, откалывания, поворота кусков льда вокруг короткой оси и перемещения отделившихся кусков ледового покрова под стенки образующегося ледового судоходного канала. Снаружи каркас приставки покрыт сменными листами обшивки подобно рыбьей чешуе. Обшивка каркаса приставки может быть герметичной и выполнять функцию понтона, периодически заполняемого водой или сжатым воздухом. К судну 1 приставка 2 может крепиться жестко или с возможностью перемещения вверх и вниз, например, по направляющим 1.5. Для этого она может быть снабжена по крайней мере одним механическим или гидравлическим приводом, предназначенным для ее подъема и опускания. Приставка 2 снабжена по крайней мере одним соединенным через теплогенератор 3 коллектором 2.3 с соплами 2.3.1, 2.3.2, 2.3.3. Эти сопла предназначены для надреза в ледовом покрове продольных щелей. При этом по крайней мере одно из упомянутых сопел имеет завихритель, предназначенный для придания потоку рабочего тела, например воды, пароводяной смеси или пара, вращательного движения. Кроме коллектора 2.3 приставка 2 может быть снабжена также коллектором 4 с щелевым соплом 4.1 (фиг.1, 3, 5), предназначенным для надрезки ледового покрова под углом или поперек курса судна 1 и под углом к поверхности воды. Коллектора 2.3 и 4 соединены с теплогенератором 3 трубопроводами 3.1 и 3.2 через полые витые компенсаторы 3.3 и 3.4. На ледовый покров коллектор 2.3 опирается через лыжи 2.3.4, 2.3.5, ..., ..., а коллектор 4 - через лыжи 4.2.

Ледокольная приставка 2 к судну 1 может быть снабжена по крайней мере одним вихревым теплогенератором 3 по патентам РФ на изобретение 2045715, F 25 B 29/00 или 2162571, F 24 D 3/02. Применение упомянутых теплогенераторов, при использовании "бросового" тепла силовой установки судна, например воды, охлаждающей силовую установку, позволяет преобразовывать электрическую энергию в тепловую энергию сжатой жидкости с одновременным увеличением выхода тепла из теплогенератора до 3 раз. Эффективность преобразования электрической энергии в тепловую может быть существенно увеличена при дополнении вихревого теплогенератора 3 одним из известных резонаторов 3.5, например роторно-цилиндровым. При этом рабочее тело, например охлаждающая вода от силовой установки судна 1, может поступать с температурой 40-65^oC в сборник 3.6 и далее многоступенчатым насосом 3.7 высокого давления направляться через роторно-цилиндровый резонатор 3.5 в вихревой теплогенератор 3. Здесь в результате физико-химических реакций и ядерного синтеза электрическая энергия может преобразовываться в горячую воду, пароводяную смесь или пар с температурой, превышающей 300^o. Из нижнего конца вихревого теплогенератора 3 менее горячее рабочее тело возвращается в сборник 3.6 или непосредственно в насос 3.7, а из верхнего конца более горячее рабочее тело направляется непосредственно через коллектор 2.3 в сопла 2.3.1, 2.3.2, 2.3.3. Подача горячего рабочего тела в коллектор 4 осуществляется периодически, например, через соединенный с реле времени электромагнитный клапан 3.8.

Приставка к судну 1 может быть снабжена по крайней мере одним элементом, например пустой бочкой-поплавком 2.4 с подводящей и выпускной трубами, для подачи дополнительного рабочего тела, в частности сжатого воздуха, под ледовый покров.

Приставка к судну 1 может быть снабжена по крайней мере одним элементом, например штангой 1.1, предназначенной для толкания и/или буксировки другого судна при проводке судов по образуемому судоходному каналу караваном (фиг. 4).

Приставка к судну 1 может быть снабжена по крайней мере одним элементом, например штангой 1.1, или 1.2, или 1.3, или 1.4, содержащей тензометрическое устройство для контроля усилий толкания или буксировки с выводом показаний, или показаний и записи сил тяги, или толкания судов на пульт управления головного или всех судов каравана (фиг.4). Каждое судно в караване может быть снабжено штангой или другим элементом для толкания или буксировки.

Ледокольная приставка к судну 1 может быть снабжена по крайней мере одним включенным в электрическую цепь скользящим контактом 4.2, закрепленным через электроизолирующий элемент 4.3 на коллекторе 4, например лыжей 4.2 под коллектором 4 с соплами 4.1, предназначенным для разрушения ледового покрова путем прохождения и воздействия электрического тока через ледовый покров и воду. Она также может быть снабжена по крайней мере одним механическим или гидравлическим приводом, предназначенным для подъема и опускания упомянутых коллекторов с соплами.

Устройства для крепления и перемещения каркаса ледокольной приставки, коллекторов, трубопроводов, контактов, схема электрических соединений скользящих контактов, теплоизоляции выполняются по известным техническим решениям и условно не показаны.

Способ разрушения ледового покрова и ледокольная приставка к судну для его осуществления применяются следующим образом. Судно 1 по чистой воде плывет своим ходом до контакта с ледовым покрытием с поднятой из воды приставкой 2. При подходе к достаточно прочному ледовому покрытию ледокольную приставку 2 опускают в воду на глубину, соответствующую толщине льда и прогнозируемому его утолщению в районе плавания. Носовую часть верхнего ледоразделяющего гребеня ледокольной приставки 2 в зависимости от толщины ледового покрытия опускают до воды или даже ниже. Настраивают теплогенератор 3 на рабочий экономичный температурный режим, соответствующий толщине ледового покрытия и планируемой скорости движения. Подают нагретое рабочее тело, например воду с температурой более 150^oC и давлением более 200 кгс/см² в коллектор 2.3 и далее через сопла 2.3.1, 2.3.2, 2.3.3 диаметром до 1 мм на поверхность льда для надрезки продольных щелей под углом к поверхности воды. Настраивают размеры и углы граней отделяемых кусков льда. Через бочку-поплавок 2.4 и выпускную трубу подают дополнительное рабочее тело, например сжатый воздух, под давлением до 2-3 кгс/см² под ледовый покров и создают некоторый подпор ледового покрова снизу. Начинают медленное движение судна 1 вперед (стрелки С на фиг.3 и 4) и одновременно периодически короткими импульсами через электромагнитный клапан 3.8 подают порции нагретого рабочего тела, например воды, в коллектор 4 и далее через щелевые сопла 4.1 на ледовое покрытие сверху для надрезки щелей под углом к курсу судна и под углом к поверхности воды, как показано на фиг.1, 3, 4. Периодически через закрепленный на коллекторе 4 скользящий контакт (лыжу) 4.2 подают короткие импульсы электрического тока через ледовое покрытие в воду. Прочность ледового покрытия по плоскости прохождения электрического тока при этом значительно уменьшается. Ближайшие к носовой части судна углы и грани надрезанных кусков ледового покрытия, примерно в форме параллелепипедов (фиг.3), верхним ледоразделяющим гребнем 2.1 и вогнутыми скулами 2.2.1 и 2.2.2 двухстороннего плуга приставки 2 приподнимаются. Надрезанные куски покрытия отламываются по щелям надрезки и плоскостям прохождения электрического тока в воду. Противоположный угол каждого куска льда примерно в форме параллелепипеда с наклоненной к поверхности воды гранью при этом опускается, отделившийся кусок ледового покрова медленно поворачивается вокруг короткой оси параллелепипеда. Силой толкания гребных винтов судна 1 отделившиеся от общего ледового покрова куски льда с наклоненными гранями вогнутыми скулами двухстороннего плуга ледокольной приставки заталкиваются под расположенные впереди участки ледового покрытия (стрелки К на фиг.3). Процесс заталкивания облегчается наличием у каждого куска наклоненной к поверхности воды на 30-80^o грани, смоченной водой при надрезке. Каждый кусок льда, который заталкивается под передний, обладает положительной плавучестью, создает момент сил, отрывающий и опрокидывающий передний кусок льда в форме параллелепипеда. Под действием силы тяги винтов судна 1 опертые на носовую часть судна вогнутые скулы 2.2.1 и 2.2.2 двухстороннего плуга ледокольной приставки своими боковыми поверхностями разворачивают и заталкивают отделившиеся куски ледового покрытия под стенки образующегося судоходного канала (фиг.3). Разрушение ледового покрова при этом происходит большими почти правильной формы кусками, в основном резанием и расколом по плоскостям прохождения электрического тока, для чего требуется значительно меньше затрат энергии, соответственно мощности, топлива, времени и денежных средств на транспортировку грузов водным транспортом. Мелких кусков в судоходном канале будет мало, что позволяет увеличивать скорость проводки судов, создает благоприятные предпосылки для увеличения срока их службы. Повторное замерзание очищенных судоходных каналов также произойдет значительно позже, что позволяет использовать их многократно с меньшими затратами сил и средств.

В зависимости от толщины ледового покрытия, погодных условий и физического состояния льда периодически уточняют глубину погружения приставки 2, давление, температуру рабочего тела, давление дополнительного рабочего тела, силу и напряжение электрического тока, интервалы времени воздействия тока и подачи рабочего тела через коллектор 4, углы подачи рабочего тела к поверхности воды, то есть основные параметры надрезки и разрушения ледового покрытия. Таким путем добиваются снижения прочности разрушаемых участков ледового покрытия и оптимальной скорости перемещения судна в разных условиях.

При проводке головным судном 1 каравана судов (фиг.4) действуют аналогично. При этом возможно увеличивать силу тяги винтов головного судна, соответственно и силу заталкивания кусков ледового покрова под стенки образуемого судоходного канала, путем передачи дополнительной силы толкания от сзади идущих судов через штанги 1.1, 1.2, 1.3, ..., ... Штанги, снабженные тензометрическими датчиками с выводом сигналов на пульты управления судов, позволяют контролировать, изменять и управлять силой разрушения и заталкивания кусков ледового покрова под стенки судоходного канала, то есть полнее и эффективнее использовать мощность силовых установок всех судов каравана.

Изобретение относится к судостроению, в частности к способам разрушения ледового покрова и конструкции ледокольных приставок судов. Разрушение ледового покрова с надрезкой ограниченного участка ледового покрова осуществляют струями воды, пароводяной смеси или пара, нагреваемыми в теплогенераторе. Струи направляют под углом к поверхности воды, чтобы при надрезании образовывались куски льда с гранями под углом к поверхности воды, а струям придают вращательное движение. Под ледовый покров подается сжатый воздух, предназначенный для предварительного напряжения ледового покрова перед разрушением. После надрезки ледового покрова через лед по щели надрезки пропускают электрический ток в воду. Ледокольная приставка к судну содержит клинообразный каркас, обшивка которого образует вогнутые скулы в виде двухстороннего плуга с верхним ледоразводящим гребнем. Она снабжена одним соединенным через теплогенератор коллектором с соплами. Одно из сопел имеет завихритель, предназначенный для придания потоку рабочего тела вращательного движения. Приставка к судну снабжена включенным в электрическую цепь скользящим контактом под коллектором с соплами, предназначенным для разрушения ледового покрова воздействием электрического тока через ледяной покров и воду. Приставка к судну снабжена механическим или гидравлическим приводом, предназначенным для ее подъема и опускания. Достигается снижение затрат мощности, энергоресурсов и денежных средств для доставки грузов водным путем в условиях ледового покрова водной поверхности. 2 ч. и 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ разрушения ледового покрова путем воздействия на него ледокольной приставкой в условиях надрезки ограниченного участка ледового покрова рабочим телом, например струями воды высокого давления, отличающийся тем, что надрезку осуществляют струями воды, пароводяной смеси или пара, нагретой(ого) в теплогенераторе не менее чем до 95^oC, при этом струи направляют под углом к поверхности воды, чтобы при надрезании образовывались куски льда с наклоненными к поверхности воды гранями, и упомянутым струям придают вращательное движение, а после надрезки ледового покрова через лед по щели надрезки пропускают электрический ток в воду. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что под ледовый покров подают дополнительное рабочее тело под давлением, например сжатый воздух, предназначенный для предварительного напряжения ледового покрова перед разрушением. 3. Ледокольная приставка к судну для разрушения ледового покрова, содержащая каркас, отличающаяся тем, что каркас выполнен клинообразным, обшивка каркаса образует скулы в виде двухстороннего плуга с верхним ледоразводящим гребнем, предназначенного для подъема, откалывания, поворота и перемещения отделившихся кусков ледового покрова под стенки образовавшегося судоходного канала, причем приставка снабжена, по крайней мере, одним соединенным с теплогенератором коллектором с соплами, у которого, по крайней мере, одно сопло предназначено для продольного надреза ледового покрова, а второе - для надреза под углом к поверхности воды, при этом, по крайней мере, одно из упомянутых сопел снабжено завихрителем, предназначенным для придания потоку воды, пароводяной смеси или пара вращательного движения, причем приставка снабжена, по крайней мере, одним включенным в электрическую цепь скользящим контактом, например, лыжей, под коллектором с соплами, предназначенным для разрушения ледового покрова путем воздействия электрического тока через ледовый покров и воду. 4. Ледокольная приставка по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена, по крайней мере, одним элементом для подачи дополнительного рабочего тела, например, сжатого воздуха, под ледовый покров. 5. Ледокольная приставка по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена, по крайней мере, одним механическим или гидравлическим приводом, предназначенным для ее подъема и опускания. 6. Ледокольная приставка по п.3, отличающаяся тем, что она снабжена, по крайней мере, одним механическим или гидравлическим приводом, предназначенным для подъема и опускания упомянутого коллектора с соплами.