СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА СУДНОМ НА СЖАТОМ ПНЕВМОПОТОКЕ Российский патент 2018 года по МПК B63B35/08 B60V3/06 E02B15/02 

Изобретение относится к области ледотехники и может быть использовано, в частности, для выполнения ледокольных работ судами типа на сжатом пневмопотоке, разрушающими ледяной покров резонансным методом (Козин В.М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты. М.: Издательство «Академия Естествознания», 2007. - 355 с.).

Известно техническое решение - способ разрушения ледяного покрова судном на воздушной подушке путем возбуждения во льду резонансных изгибно-гравитационных волн при его движении, разрушение ледяного покрова осуществляют вблизи берега с использованием напряженно-деформированного состояния ледяного покрова, возникающего по береговой линии во время морского отлива, при этом судно перемещается сначала вдоль береговой линии на расстоянии от кромки примерзшего к берегу льда, равном полудлине волны статического прогиба ледяного покрова, затем с резонансной скоростью вдоль свободной кромки (Патент RU №2211169, B63B 35/08, B60V 3/06, E02B 15/02 от 27.08.2003).

Недостатком способа является ограниченная ледоразрушающаяся способность.

Известен способ разрушения ледяного покрова судном на воздушной подушке путем возбуждения во льду резонансовых изгибно-гравитационных волн при его движении, в процессе движения создают дополнительную нагрузку на лед, направленную вниз, от упора винтов посредством дифферентовки судна на нос (Патент RU №2188896, E02B 15/02, B60V 3/06, B63B 35/08 от 10.09.2002).

Недостатком способа является низкий КПД, направленный от упоров винта на ограниченную площадь давления льда.

Известно (С.М. Тарг. Краткий курс теоретической механики. - М.: Высшая школа. - 1998, 415 с.), что вектор направленный под углом к горизонтальной плоскости, может быть разложен на вертикальную и горизонтальную p_x составляющие.

Таким образом, если упор носовой части корпуса с импеллером направить под углом к горизонтальной плоскости, то его вертикальную составляющую можно использовать для увеличения силы давления на корму. В результате нагрузка на лед возрастет, кроме того, сила давления дополнительно сжатого воздуха в кормовой части также дополнительно давит на лед, а значит, эта нагрузка во много раз суммарно возрастает, в конечном счете это увеличивает ледоразрушающуюся способность ИГВ (изгибо-гравитационных волн).

Известно (Политехнический словарь. Под ред. А.Ю. Ишлинского. М.: Советская энциклопедия, 1980, с. 240), что при обтекании твердого тела потоком воздуха на него начинает действовать аэродинамическая подъемная сила в направлении, перпендикулярном к направлению набегающего потока. При этом направление аэродинамической подъемной силы определяется углом атаки: при положительном угле она направляется вверх, а при отрицательном - вниз. Используя эту закономерность, можно увеличить давление на лед при движении судна на сжатом пневмопотоке, учитывая и его скоростные характеристики, т.е. увеличить амплитуду возбуждаемых ИГВ. Для этого необходимо создать при обтекании корпуса судна набегающим потоком воздуха знакопеременную аэродинамическую подъемную силу.

Также известно (Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова.- Л.: Гидрометеиздат. - 1967, - 217 с.), что периодическое приложение ко льду вертикальной силы с частотой резонансных ИГВ приведет к возбуждению в ледяном покрове дополнительной системы резонансных ИГВ.

Также известен способ, позволяющий толщину разрушаемого льда методом возбуждения резонансных ИГВ увеличить путем создания и изменения с частотой резонансных ИГВ аэродинамической подъемной силы, направленной вниз, т.е. ориентированной в одном направлении (Патент RU №2197576, E02B 15/02, B60V 3/06, B63B 9/00 от 27.01.2003).

Недостаток способа - его ограниченная ледоразрушающаяся способность.

Известен способ разрушения ледяного покрова судном на воздушной подушке путем возбуждения во льду резонансовых изгибо-гравитационных волн при его движении с резонансной скоростью вблизи вдоль береговой линии во время морского отлива на расстоянии от кромки примерзшего к берегу моря, равном полудлине волны статического прогиба ледяного покрова, одновременно с поступательным движением судну сообщают поперечные периодические перемещения с амплитудой, не превышающей половину длины волны статического прогиба, и частотой, равной частоте резонансных изгибо-гравитационных волн (Патент №2531857, В63В 35/08, Е02В 15/02 от 27.10.2014).

Недостатком является ограниченная ледоразрушающаяся способность этих судов.

Таким образом, если наряду с поступательным движением судна на сжатом потоке на него подействовать периодической вертикальной нагрузкой, то в ледяном покрове разовьются и дополнительная системы ИГВ. При совпадении частоты периодической нагрузки с частотой резонансных ИГВ. При совпадении частоты периодической нагрузки с частотой резонансных ИГВ взаимодействие этих волновых систем приведет к возбуждению суммарных ИГВ наибольшей амплитуды.

Сущность изобретения заключается в разработке способа увеличения давления направленной газодинамической струи от использования судна на сжатом пневмопотоке и ее эффективность.

Поставленная задача - создание способа разрушения ледяного покрова судном на сжатом пневмопотоке путем возбуждения во льду резонансных изгибо-гравитационных волн при его движении, отличается тем, что одновременно с поступательным движением судна создают дополнительную нагрузку на лед, направленную вниз, формирующую газодинамическую струю от нагнетания импеллером высокого давления, сопло которого расположено под днищем корпуса под углом в вертикальной плоскости к продольной оси судна и перпендикулярно - к горизонтальной, от закрепленных подвижных горизонтальных перегородок на оси вращения, расположенных в носовой и кормовой частях судна посредством одновременной дифферентовки судна на корму, при этом струю высокого давления выбирают достаточной для создания максимального дифферента судна на корму, возникающего от давления газодинамической струи при заданной высоте открытия подвижных горизонтальных перегородок, которые создают аэродинамическую подъемную силу на носовую часть судна.

Кроме того, осуществляют с помощью судна на сжатом пневмопотоке.

Кроме того, повороты судна на сжатом пневмопотоке осуществляют со стороны кормы корпуса рулями с поворотными пластинами.

Периодические перемещения судна на сжатом пневмопотоке с амплитудой с различной скоростью движения, не превышающей половину длины волны статического прогиба, т.е. в пределах чаши волны статического прогиба от веса кормы и одновременно высокого давления гидродинамической струи под днищем судна на сжатом пневмопотоке увеличивает площадь сдува снега и наледи со льда, и будут давить на лед, способствуя дополнительным ИГВ, не только от веса, но и больших вихрей, создаваемых под днищем судна данного вида, а значит, будут способствовать генерации более интенсивных дополнительных ИГВ уже на чистую поверхность на лед под днищем судна.

Как известно (Бенуа Ю.Ю. и др. Основы теории судов на воздушной подушке. - Л.: Судостроение, 1970 - 456 с.), что появление у судна дифферента приводит к увеличению его волнового сопротивления, т.е. увеличению амплитуды возбуждаемых волн. Очевидно, что и аналогичные явления будут, происходит и при наличии у судна на сжатом пневмопотоке при использовании горизонтальных перегородок со стороны дна корпуса судна при одновременной их работе в движении в носовой и кормовой частях данного судна при движении. Таким образом, маневрирование горизонтальными перегородками судна на сжатом пневмопотоке существенно расширяет его возможности в различных рельефных и климатических условиях маневрирования, что повысит его разрушающуюся способность и одновременно нанесет высокое давление воздуха, уносящего с поверхности льда из-под днища корпуса, сначала покров снега, затем при движение возникают истирание (образуются каверны) ледяного покрытия сверху, последнее приводит к повышению давления на площадь льда под днищем на ледяной покров и, как следствие этого, к более эффективному разрушению ледяного покрова.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная схема ледяного покрова и судно на сжатом пневмопотоке; на фиг. 2 показано судно на сжатом пневмопотоке, вид сбоку; на фиг. 3 - вид на комовую часть судна на сжатом пневмопотоке с рулем.

По ледяному покрову 1 начинают перемещать судно 2 на сжатом пневмопотоке с резонансной скоростью. Если амплитуда возбуждаемых при этом основных ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, например, за счет дифферентовочной системы периодически с частотой резонансных ИГВ дифферентируют на корму, т.е. угол дифферента периодически меняют от 0 до . Это происходит за счет того, что в движении судна на сжатом пневмопотоке импеллер 3, расположенный в передней части корпуса судна 2, подает воздушную смесь высокого давления через корпус крепления 4 и переходной участок 5 в виде сопла, расположенного под углом в вертикальной плоскости к продольной оси судна и перпендикулярно - к горизонтальной, при этом смесь заполняет канал 6 под днищем 7 судна. Через канал 6 воздушный поток поступает в сторону пневмоканала 8 в кормовой части судна. Напор сжатого потока воздуха на выходе пневмоканала 8 управляется углом поворота подвижной горизонтальной перегородкой, выполненной в виде щитка 9 на горизонтальной оси 10 вращения с возможностью его примыкания ко дну корпуса судна. Регулируя обороты импеллера 3, а также углы поворота щитка 9, регулируют давление внутри пневмоканала 8 под днищем до величины, обеспечивающей динамическую нагрузку судна при скоростях движения судна от нулевой до максимальной. Это приводит к динамическому приложению вертикальной подъемной составляющей, когда носовая часть с импеллером 3 начнет подниматься вверх, и произойдет упор кормовой части на лед и соответствующему возбуждению дополнительных резонансных ИГВ, т.е. сжатый поток воздуха под днищем корпуса судна создает дополнительную подъемную силу его, а также дополнительно увеличивается (к его весу) и давление сжатого потока воздуха под днищем корпуса судна на большую площадь льда, то есть создается значительная сила давления на толщу льда.

Следует учитывать то, что при таком способе использования судна на сжатом пневмопотоке - весь снежный покров под днищем уносится во все стороны, лед очищается от снега, образуются каверны льда, а значит, возникает возможность дополнительно вызвать резонансовую скорость V_p и сообщить дополнительные возвратно-поступательные перемещения с частотой ω_p. Они вызовут, за счет дифферента на корму на угол поднятия от 0 до максимальный при движении судна прогиб льда по криволинейной траектории. В результате упора кормовой части судна к горизонтальной плоскости и дополнительного учета возникающего высокого давления потока сжатого воздуха на толщу льда (снег и наледь сразу удаляются воздушным потоком и появляются каверны) вызывается возбуждение дополнительных резонансовых ИГВ, т.е. суммарная нагрузка резко возрастает на площадь прогиба льда под днищем судна.

Следует также отметить, что поднятие носовой части с импеллером 3 вверх, можно дополнительно достигнуть увеличением подъемной силы за счет влияния второй подвижной горизонтальной перегородкой, выполненной в виде створки 11, подамортизированной и управляемой цилиндром-амортизатором 12 в передней части корпуса судна. В кормовой части судна, в сторону выхода сжатого воздуха, расположены поворотные щитки 13 и 14, закрепленные к регулируемым тягам 15 и 16 с помощью рулей 17 и 18 и перерытого сверху П-образного козырька 19. Таким образом, вся реактивная сила струй, соответственно, и тяга направлена в сторону между щитками 13 и 14 в конце кормы корпуса. В результате этого также увеличивается истечение скорости потока сжатого воздуха при движении, создается дополнительная тяга для движения судна вперед.

Рулевые устройства 17 и 18 со щитками 13 и 14 крепятся с амортизаторами со стороны кормы с торца параллельных корпусов 20 и 21, соединенных в верхней части с палубой судна, при этом пневмоканал расположен между боковыми параллельными корпусами 20 и 21, т.е. под днищем палубы судна.

Регулирование в кормовой части щитка 9 и створки 11 в носовой части корпуса судна создает изменение направления высоты подъема носовой части вверх, опускание кормовой части вниз с заданным углом дифферента судна, к динамическому приложению как вертикальной составляющей упор импеллера вверх, так и составляющей дополнительного высокого давления на большую площадь льда под днищем корпуса судна (в известном решении этот фактор отсутствует, т.е. ограничивает ледоразрушающуюся способность - ледяного покрова для СВП).

Надежное управление судна на сжатом пневмопотоке создает лучшую практическую маневренность экипажем судна, что является немаловажным для поддержания устойчивости и легкости управления с помощью рулевых тяг 17 и 18, соединенных между собой на палубе в один общий узел 22 управления тягой для экипажа при движении судна по ледяному покрову с резонансной скоростью V_p. Если высота возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда 1, то судно 2 смещают вверх, чтобы центр его изменялся относительно периодического изменения наклона на угол к горизонтальной плоскости за счет применения закрепленных подвижных перегородок 9 и 11 (щитка 9 и створки 11). Это приведет к периодическому появлению вертикальной составляющей P_z упора P и дополнительного высокого давления потока воздуха непосредственно на большую площадь разрушаемого льда под днищем корпуса судна и ускоренному возбуждению резонансных ИГВ. Таким образом, взаимодействие ИГВ от упора кормовой части судна и ИГВ дополнительного имеющегося высокого давления потока воздуха под днищем корпуса судна приведет к значительному росту ИГВ по сравнению с прототипом, а значит, соответствующему увеличению толщины разрушаемого льда, при этом весь снежный покров и наледь уходят в сторону из-под днища корпуса судна, появляются воздушные каверны во льду.

Особенно, когда необходимо площадь ледяного покрова увеличить.

Судно на сжатом пневмопотоке свободно перемещается, не только по льду, не снижая при этом скорости, но и по мелководью береговых участков прибрежной замерзшей льдом полосы. Совокупность признаков и степень раскрытия сущности изобретения достаточны для его практической реализации при использовании судна на сжатом пневмопотоке для вызова возбуждения ИГВ и максимального волнового сопротивления в движении судна и росту суммарных ИГВ.

Изобретение относится к ледокольным работам. Предложен способ разрушения ледяного покрова судном на сжатом пневмопотоке путем возбуждения во льду резонансных изгибно-гравитационных волн при его движении, причем одновременно с поступательным движением судна создают дополнительную нагрузку на лед, направленную вниз, формирующую газодинамическую струю от нагнетания импеллером высокого давления, сопло которого расположено под днищем корпуса под углом в вертикальной плоскости к продольной оси судна и перпендикулярно - к горизонтальной, от закрепленных подвижных горизонтальных перегородок на оси вращения, расположенных в носовой и кормовой частях судна посредством одновременной дифферентовки судна на корму, при этом струю высокого давления выбирают достаточной для создания максимального дифферента судна на корму, возникающего от давления газодинамической струи при заданной высоте открытия подвижных горизонтальных перегородок, которые создают аэродинамическую подъемную силу на носовую часть судна. Изобретение позволяет повысить эффективность разрушения ледяного покрова. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ разрушения ледяного покрова судном на сжатом пневмопотоке путем возбуждения во льду резонансных изгибно-гравитационных волн при его движении, отличающийся тем, что одновременно с поступательным движением судна создают дополнительную нагрузку на лед, направленную вниз, формирующую газодинамическую струю от нагнетания импеллером высокого давления, сопло которого расположено под днищем корпуса под углом в вертикальной плоскости к продольной оси судна и перпендикулярно - к горизонтальной, от закрепленных подвижных горизонтальных перегородок на оси вращения, расположенных в носовой и кормовой частях судна посредством одновременной дифферентовки судна на корму, при этом струю высокого давления выбирают достаточной для создания максимального дифферента судна на корму, возникающего от давления газодинамической струи при заданной высоте открытия подвижных горизонтальных перегородок, которые создают аэродинамическую подъемную силу на носовую часть судна.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют с помощью судна на сжатом пневмопотоке.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что повороты судна на сжатом пневмопотоке осуществляют со стороны кормы корпуса рулями с поворотными пластинами.