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

Изобретение относится к судостроению, в частности к судам на сжатом пневмопотоке, разрушающим ледяной покров резонансным методом (Козин В.М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты. М.: Издательство «Академия. Естествознания». 2007. - 355 с.).

Известно (Богородский В.В., Гаврилко В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Методы, технические средства. Л.: Гидрометеоиздат. – 1983. - 232 с.), что для разрушения ледяных пластин возможно применение водомета, т.е. гидропушки.

Известен способ разрушения ледяного покрова, в котором предложено разрушать ледяной покров СВП путем возбуждения во льду резонансных изгибо-гравитационных волн (ИГВ) при его движении с одновременным созданием на лед дополнительной периодической нагрузи, возникающей от периодической дифферентировки судна с частотой резонансных ИГВ (Патент RU №2188894, Е02В 15/02, B60V 3/06, В63В 35/08 от 10.09.2002).

Недостаток этого способа является его ограниченная ледоразрушающая способность.

Известен способ разрушения ледяного покрова судном на воздушной подушке, заключающийся в возбуждении во льду изгибо-гравитационных волн при движении судна по льду с резонансной скоростью, определяемой в процессе движения судна на максимальной кривизне ледяного покрова, при этом упомянутую скорость определяют по максимальному (по сравнению с движением над твердой горизонтальной поверхностью) приросту силы электрического тока, возбуждаемого пьезоэлементами, установленными в упорных подшипниках воздушного винта (Патент RU №2188897, Е02В 15/02, В63В 35/08, B60V 3/06 от 10.09.2002).

В данном способе предложено использовать прирост силы электрического тока, возбуждаемого пьезоэлементами, установленными в упорных подшипниках воздушного винта. Предложенный способ очень сложен технологически для реализации применения воздушного винта, кроме того, большие обороты винта приведут к возникновению значительных ударов о подшипники винта на ось вращения при движении с полной скоростью по льду, ухудшают надежность работы, а впоследствии, в целом изобретение теряет свойство дополнительного прироста силы электрического тока, возбуждаемого пьезоэлементами, и может быть в наших условиях экономически не эффективным.

Известен также способ разрушения ледяного покрова на воздушной подушке путем возбуждения во льду резонансных изгибо-гравитационных волн при его движении, при этом в процессе движения на лед создают дополнительную периодическую нагрузку с помощью гидропушки, выстреливающей в направлении движения, равной частоте резонансных изгибо-гравитационных волн, и на расстоянии, равное длины резонансных изгибо-гравитационных волн от местанахождения судна, при этом массу порции воды выбирают достаточной максимально безопасного дифферента судна на корму, возникающего от выстрела гидропушки, при заданной высоте ее установки на судне (Патент RU №2506194, В63В 35/08, Е02В 15/02 от 10.02.2014).

Недостатками работы судна на воздушной подушке с применением нагрузки гидропушки являются:

- низкая экономичность, которая возникает из-за необходимости иметь дополнительно насосное оборудование для закачки и подачи под напором порциями воды для гидропушки, которая работает под частоту, равную расчетной резонансных изгибо-гравитационных волн;

- непостоянный диапазон регулирования нагрузки. С уменьшением нагрузки порции воды пушкой, дополнительная нагрузка снижается, и частота резонансных изгибо-гравитационных волн уменьшается, т.е. не совпадает с длиной резонансных изгибо-гравитационных волн;

- практически не используется нагрузка температуры топливогорячего потока, получаемого от работы двигателя внутреннего сгорания, приводящего в действие вращение лопастного винта (в виде компрессора высокого давления) для создания сжатого пневмопотока судну в движении по льду.

Из известных способов и их устройств наиболее близким по технической сущности прототипом является ледокольное судно на воздушной подушке, содержащее корпус с внешним гибким ограждением, запитывающимся вентилятором, и надстройкой, при этом судно имеет внутреннее гибкое ограждение, при этом внутреннее гибкое ограждение выполнено в виде выдвижной юбки, площадью, меньшей, чем внешние гибкое ограждение запитывающейся дополнительным компрессором высокого давления, а для обеспечения остойчивости в жестком ресивере судна выполнены закрывающиеся каналы с регулируемыми заслонками для соответствующего выпуска воздуха вверх через верхнюю палубу запитывающейся вентилятором при отключенной подаче воздуха во внешнее гибкое ограждение (Патент RU №2229416, В63В 35/08 от 27.05.2004).

Недостатками работы ледокольного судна на воздушной подушке являются:

- периодичность выпуска холодного воздуха от вентилятора приводит к появлению уменьшения суммарной (дополнительной) амплитуды ИГВ. При этом требуется раздельно использовать вентилятор, в одном случае, для движения судна, в другом - его остановку для соответствующего выпуска воздуха в дополнительную выпускающую юбку под днище судна;

- невозможность практического использования одновременно движения судна по льду, и при этом отсутствие использования нагрузки температуры топливогорячего потока, получаемого непосредственно от работы двигателя внутреннего сгорания на топливе, приводящего в действие вращение лопастного винта (в виде импеллера высокого давления) для создания сжатого пневмопотока судну в движении по льду, т.е. отсутствие использования высокой температуры непосредственно от работающего двигателя в виде отработавшего газа через выхлопные трубы для поступления его в бортовые жесткие скеги под днищем судно и бесступенчатой схемой подачи дутья.

Предлагаемым изобретением решаются задачи: расширения диапазона регулирования нагрузки для частоты резонансных изгибо-гравитационных волн независимо от места нахождения судна на сжатом пневмопоитоке, повышения экономичности, надежности и вовлечения одновременно в работу двигателя внутреннего сгорания с топливом, и работу лопастного винта в виде импеллера высокого давления в движении судна. При этом, поскольку температура выхлопных газов от работающего двигателя внутреннего сгорания обычно выходит в атмосферу с большой температурой, то часть ее необходимо затрачивать на тепловые удары, ослабляющие прочность льда при одновременном движении судна, а значит дополнительно увеличивающие суммарную амплитуду ИГВ.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленных задач, выражается в том, что способ разрушения ледяного покрова судном на сжатом пневмопотоке при его движении по льду с резонансной скоростью предлагается при возбуждении во льду резонансных изгибо-гравитационных волн судну на сжатом пневмопотоке в днище, оборудованное с жесткими боковыми скегами, дополнительно они внутри выполняются воздушными продольными напорными каналами, концы которых заглушены, и в нижней части скегов выполняют отверстия для выхода топливогорячего газа вниз, при этом отверстия ориентированы в сторону опорной поверхности льда и продольные напорные каналы скегов через корпус судна соединяют посредством трубы с источником давления топливогорячего потока газа выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания для создания постоянной (не прерывистой) дополнительной нагрузки с помощью максимального прогрева над вершиной изгибо-гравитационной волны при движении судна на пневмопотоке с резонансной скоростью вдоль кромки ледяного покрова.

Соответственно, в предлагаемом способе устройства комплексного использования судна на сжатом пневмопотоке в движении и топливогорячего потока газа, выходящего из выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания топлива для разрушения ледяного покрова, обеспечивает подачу горячего газа через внутренние полости жестких скегов судна. Этим решается поставленная задача в повышении эффективности разрушения ледяного покрова резонансным методом.

Существенные признаки, характеризующие изобретение.

Ограничительные признаки: ледяной покров разрушается судном на сжатом пневмопотоке путем возбуждения во льду системы резонансных ИГВ.

Отличительные признаки: во льду возбуждают одновременно с движением судна на сжатом пневмопотоке при помощи применения топливогорячего потока газа от работающего двигателя внутреннего сгорания и приводящего через редуктор в движение лопастной импеллер высокого давления воздуха, действующих одновременно для создания распространения изгибо-гравитационной волны в направлении движения судна на льду.

Известно (Зуев В.А., Козан В.М. Использование судна на воздушной подушке для разрушения ледяного покрова. Владивосток: ДВ ГУ. - 1988. - 87 с.), что при движении судна на воздушной подушке по воде вдоль кромки ледяного покрова по льду начинает распространяться изгибо-гравитационная волна. Кроме того, известно (Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1967, 216 с.), что увеличивает давление на ледяную пластину, приводит к увеличению амплитуды прогиба пластины. Вследствие этого, если при помощи использования двигателя внутреннего сгорания через редуктор, приводящего во вращение лопастной винт импеллера высокого давления, одновременно может использовать и работу двигателя внутреннего сгорания топлива, и получение топливогорячего потока газа из выхлопной трубы двигателя, над вершиной изгибо-гравитационной волны, то это приведет к увеличению амплитуды прогиба ледяной поверхности и к большей вероятности разлома ледяного покрова и сдува снега с него при прочих равных условиях.

Следует учитывать то, что при таком способе использования на сжатом пневмопотоке - весь снежный покров также под днищем уносится во все стороны, лед очищается от снега, образуются каверны дна льда, как и от прогрева топливогорячего потока газа, а значит, возникает возможность резко вызвать резонансную скорость V_p и возвратно-поступательное перемещение с частотой ω_р. В результате возникающего высокого давления как от потока воздуха, так и прогрев сверху (образующийся кипящий газоводяной поток) на толщину льда вызовет резкое возбуждение дополнительных резонансных ИГВ, как наиболее стабильный, дает наиболее интенсивное воздействие на корку льда при термическом воздействии газового потока от сгорания топлива, т.е. суммарная нагрузка резко возрастает на площадь прогиба льда под днищем судна.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная схема ледяного покрова и судно на сжатом пневмопотоке; на фиг. 2 изображен вид сверху с вырезом в верхней части корпуса; на фиг. 3 показано судно на сжатом пневмопотоке, в котором используется импеллер, вид снизу, изометрия; на фиг. 4 - вид на кормовую часть судна с рулем.

По ледяному покрову 1 перемещают судно 2 на сжатом пневмопотоке с резонансной скоростью V_p. Используют импеллер 3 связанный через ось вращения с редуктором двигателя 4 внутреннего сгорания топлива. Двигатель 4 внутреннего сгорания снабжают выхлопными дымовыми трубами 5 и 6 для отработанного топлива в виде горячегодымового газа. Если амплитуда возбуждаемых при этом основных ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, то судно при движении в условиях работы двигателя внутреннего сгорания посредством применения выхлопных труб 5 и 6 подсоединяют к конам напорных каналов 7 и 8 с входными отверстиями и выполненные непосредственно в нижней части боковых скегов 9 и 10 с отверстиями 11. При этом отверстия 11 напорных каналов 7 и 8 ориентированы в сторону опорой поверхности льда 1. В связи с выделением большого количества горячего газа от двигателя 4 внутреннего сгорания, горячий газ заполняет каналы 7 и 8 под днищем до величины, обеспечивающей каверны льда под жесткими скегами 9 и 10 и амплитуда ИГВ возрастает от прогиба 12 до профиля 13, когда происходит увеличение кривизны чаши 12 и прогиба льда, т.е. произойдет резонанс ИГВ, который приведет к возникновению прогрессивных ИГВ. При этом во льду возникнут большие деформации ледяного покрова.

Общая локализация нагрузки на лед складывается от веса судна его достаточной весовой водоизмещении, напора сжатого воздуха под днищем судна от импеллера, а также дополнительно динамического воздействия горячего газа, в сочетании поступающего от двигателя внутреннего сгорания при сжигании топлива, и поступление газа в продольные напорные каналы 7 и 8 внутри боковых скегов 9 и 10 с отверстиями 11, что приведет к разрушению ледяного покрова и образованию в нем каверны с разбитым льдом. Это позволяет тем самым повысить эксплуатационное качество судно на сжатом пневмопотоке с каверной на крейсерских скоростях движения по льду. Таким образом, горячий газ от сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания, выделяется с большой температурой кипения в контакте со слоем таяния снега и льда, т.е. достаточное аккумулирование большого тепла снизу скегов 9 и 10 дает наиболее дополнительное интенсивное воздействие при создании амплитуды резонансных ИГВ, когда профиль дна прогиба льда возрастает, и лед начинает разрушаться за судном при его поступательном движении. При необходимости увеличения размеров площади разрушения льда судно размещают на кромку неразрушенного льда и повторяют процесс нагружения ледяного покрова по вышеизложенной схеме, и возникает чаша прогиба 12 до профиля 13.

Для обеспечения управляемости судна на сжатом пневмопотоке в концевой части судна закреплены два руля 14 и 15, каждый со стороны концов скегов 9 и 10 со щитками 16 и 17, ограничивающих общий канал 18 выхода сжатого воздуха, в результат чего образуется один общий газовоснеговой поток сзади кормы судна. Ось вращения рулей 14 и 15 соединены сверху на палубе с регулируемыми тягами 19 и 20 и соединены далее в одном узле 21 для соединения с тягой, управляемой экипажем.

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 14 и 15 управления тягой для экипажа при движении судна по ледяному покрову с резонансной скоростью V_p.

Данная совокупность предлагаемого технического решения обладает хорошими ходовыми характеристиками судна при совмещении работы импеллера и двигателя внутреннего сгорания для амплитуды возбуждения волн для разрушения льда, где ИГВ возникает такая интерференционная картина, когда амплитуда результирующих ИГВ достигнет максимальных значений. Рост суммарной амплитуды ИГВ приводит к увеличению эффективности разрушения ледяного покрова, лед начнет разрушаться за судном при его поступательном движении, по сравнению с прототипом, а значит соответствующему увеличению росту толщины разрушаемого льда, при этом весь снежный покров и наледь после нагрева уходят в сторону из-под днища корпуса судна в сочетании подачи сжатого пневмопотока, появляются воздушные каверну во льду.

Таким образом, использование предлагаемого судна в совместной работе импеллера и двигателя внутреннего сгорания в сравнении с прототипом позволяет расширить диапазон интерференции ИГВ амплитуды суммарных волн для возрастания до большего резонанса ИГВ, повысить экономичность и надежность работы судна на сжатом пневмопотоке на льду, как по мелководью береговых участков прибрежной замерзшей льдом полосы, так и по льду большей толщины не снижая при этом скорости. Таким образом, при прохождении судна на сжатом пневмопотоке в ледяном покрове увеличивается резонансная скорость, а также амплитуда ИГВ возрастает, и лед начнет разрушаться за судном при его поступательном движении.

Совокупность признаков и степень раскрытия сущности изобретения достаточны для его практической реализации при использовании судна на сжатом пневмопотоке с двигателем внутреннего сгорания топлива для вызова дополнительного возбуждения ИГВ и росту суммарных ИГВ.

Изобретение относится к области судостроения, в частности к судам на сжатом пневмопотоке, разрушающим ледяной покров резонансным методом. Предложен способ разрушения ледяного покрова судном на сжатом пневмопотоке при его движении по льду с резонансной скоростью. В жестких боковых скегах, которыми оборудовано днище судна, выполнены продольные напорные каналы, концы которых заглушены. В нижней части скегов выполнены отверстия для выхода отработанного горячего газа, при этом отверстия ориентированы в сторону опорной поверхности льда. Продольные напорные каналы скегов через корпус судна соединены посредством трубы с источником давления отработанного горячего потока газа выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания для создания постоянной (не прерывистой) дополнительной нагрузки с помощью максимального прогрева над вершиной изгибно-гравитационной волны при движении судна на пневмопотоке с резонансной скоростью вдоль кромки ледяного покрова. Изобретение позволяет увеличить толщину разрушаемого льда и эффективность воздействия на ледяной покров судном на сжатом пневмопотоке. 4 ил.

Способ разрушения ледяного покрова судном на сжатом пневмопотоке при его движении по льду с резонансной скоростью, отличающийся тем, что при возбуждении во льду резонансных изгибно-гравитационных волн судном на сжатом пневмопотоке в днище, оборудованном жесткими боковыми скегами, дополнительно они внутри выполняются с воздушными продольными напорными каналами, концы которых заглушены, и в нижней части скегов выполняют отверстия для выхода отработанного горячего газа вниз, при этом отверстия ориентированы в сторону опорной поверхности льда, и продольные напорные каналы скегов через корпус судна соединяют посредством трубы с источником давления отработанного горячего потока газа выхлопной трубы двигателя внутреннего сгорания для создания постоянной (не прерывистой) дополнительной нагрузки с помощью максимального прогрева над вершиной изгибно-гравитационной волны при движении судна на пневмопотоке с резонансной скоростью вдоль кромки ледяного покрова.