СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ТУННЕЛЬНО-СКЕГОВОГО ТИПА Российский патент 2018 года по МПК E02B15/02 B63B35/08 B60V3/06 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к судам туннельно-скегового типа, разрушающим ледяной покров резонансным методом, т.е. путем возбуждения резонансных изгибо-гравитационных волн (ИГВ). (1. Козин В.М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада. - Владивосток. ИАПУ, 1993 г.).

Известен способ определения резонансной скоростью судна V_p по максимальной кривизне ледяного покрова, для чего при помощи радиолокационных сигналов при движении судна замеряют кривизну ледяного покрова. С этой целью в носу, средней части СВП устанавливаются излучатели и приемники радиолокационной станции. При перемещении СВП по ледяному покрову при помощи этих станций происходит измерение расстояния до поверхности ледяного покрова. По данным замерам с учетом показаний дифферентометра определяется кривизна ледяного покрова (2. Патент RU №2099235 от 20.12.1997).

Недостатком известного способа является необходимость наличия на судне дорогостоящего оборудования, соответствующей вычислительной техники с специализированной программы для определения кривизны ледяного покрова, т.е. ограниченная ледоразрушающая способность.

Известен способ поддержания скорости судна на воздушной подушке для резонансного разрушения покрова, содержащий операцию корректирования резонансной скорости судна на воздушной подушке по максимальному значению ходового кормового дифферента, точное значение необходимой скорости судна и начальный момент резонансного разрушения льда определяют и поддерживают по максимальному звуковому сигналу, поступающему от льда при его разрушении, который получают через приемник звуковых колебаний, и отделяют от звукового сигнала, создаваемого шумом работы судна на воздушной подушке (Патент RU №2111889 от 27.05.1988).

В данном техническом решении отмечается, что известно два способа разрушения льда СВП: давлением (иногда его называют низкоскоростным) и при движении с критическими скоростями (резонансный).

Первый способ - давлением - заключается в том, что лед разрушается под действием собственной тяжести. При движении СВП с малой скоростью подо льдом образуется воздушная полость, давление в которой равно давлению в воздушной подушке. В этом случае равновесие ледяного поля, находящегося под действием сил тяжести, будет обеспечиваться только внутренними силами упругости льда. При некоторых, вполне определенны размерах СВП в плане, ледяной покров начнет разрушаться под действием сил тяжести. Однако лед может разрушаться и в случае, когда воздушная полость не заходит под лед. В этом случае разрушение происходит от изгиба ледяного покрова при действии давлений в воздушной подушке.

Второй способ разрушения льда - резонансный. Газонасосное разрушение льда СВП выглядит следующим образом. При движении СВП во льду развивается система прогрессивных изгибо-гравитационных волн (ИГВ), распространяющихся с критической скоростью V_p, зависящий от глубины водоема, толщины льда и его физико-механических свойств. Если СВП движется со скоростью V<V_p, то прогрессивные ИГВ не возникают. При движении судна со скоростью V>V_p будет возникать две системы затухающих волн. Вперед будут уходить изгибные волны с групповой скоростью U₁>V₁, и также будут распространяться гравитационные волны скоростью U₂<V. Если V=V_p возникает резонанс, т.е. увеличение характеристик ИГВ. Таки образом одним из наиболее важных критериев реализации резонансного разрушения льда СВП является его скорость.

Однако известный способ (Патент RU №2111888 от 27.05.1998) основан только на определении и поддержании скорости СВП в начальный момент резонансного разрушения ледяного покрова путем снижения трудоемкости ее определения расчетами резонансной скорости СВП, а также создаваемого шумом работы судна.

Известно ледокольное судно на воздушной подушке (Патент RU №2173651 от 20.09.201) в котором в корпусе судна устанавливают вертикальный выдвижной плунжер, а также известно ледокольное судно на воздушной подушке (Патент RU №2229416 от 27.05.2004) в котором судно имеет внутреннее гибкое ограждение, при этом внутреннее гибкое ограждение выполнено в виде выдвижной юбки, площадью, меньшей, чем внешнее гибкое ограждение, запитывающейся дополнительным компрессором высокого давления, имеются каналы с закрывающимися и регулирующими заслонками для соответствующего выпуска воздуха вверх через верхнюю палубу.

Недостатками работы ледокольных судов на воздушной подушке является периодичность создаваемых нагрузок на покров льда при их остановке в движении, и невозможность практического использования одновременного движения судна по льду, а значит, снижается эффективность разрушения льда СВП резонансным способом.

Из известных способов и устройств наиболее близким по технической сущности прототипом является 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 по максимальной кривизне ледяного покрова, при этом упомянутую скорость определяют по максимальному (по сравнению с движением над твердой горизонтальной скоростью) приросту силы электрического тока, установленными в упорах подшипниках воздушного винта.

Недостатком известного способа является наличие дополнительного электрического тока, возбуждаемого пьезоэлементами, установленными в упорных подшипниках воздушного винта. А значит, возникает вибрация лопастей винта при движении судна, что в конечном итоге приводит к усталости металла при максимальной скорости при длительной эксплуатации судна, соответственно, сила возбуждаемого тока будет уменьшаться, а значит, и уменьшится кривизна профиля ИГВ. Кроме того. Профиль сечения боковых гибких ограждений с нижней стороны ограждений, запитывающих воздухом от вентилятора и надстройки над судном для амплитуды возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, так как в движении судна участвует только сама масса судна над точкой перегиба ледяного покрова, т.е. узлом ИГВ. В этом случае судно получить в основном максимальный дифферент от веса судна в движении, т.е. не предусматривает изменение от перемещения внешних физических условий бортовых роторно-винтовых движителей, имеющие стационарную оболочку, закрывающую верхнюю часть движителя, и оболочку, подвижную вокруг оси движителя, закрывающую нижнюю часть движителя при движении судна на льду в режиме крейсерской скорости, где нагнетание воздуха высокого давления в замкнутой области под корпусом судна должно приводит во вращение бортового роторно-винтового движителя от общего бортового нагнетателя воздуха высокого давления, а значит, создает шумы, вибрацию судна и регулирование демпфирующих свойств по ледяному покрову при различных условиях и режимах работы, а также увеличение толщины льда, разрушаемого резонансным методом, т.е. в увеличении амплитуды изгибо-гравитационных волн (ИГВ), возбуждаемых туннельно-скегового типа.

Сущность изобретения заключается в увеличении степени разрушения ледяного покрова в процессе движения судна.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, выражается в том, что способ разрушения ледяного покрова судном туннельно-скегового типа, заключающийся в возбуждении изгибо-гравитационных волн при движении судна по льду с резонансной скоростью, определяемой в процессе движения судна по максимальной кривизне ледяного покрова, в процессе движения создают дополнительную приросту силы статического давления и демпфирования возмущающего воздействия бортовых роторно-винтовых движителей, возбуждаемые вибрацией в установленные в плоскости в конструктивной ватерлинии, смонтированные бортовые роторно-винтовые движители, имеющие стационарную оболочку, закрывающую верхнюю часть движителя и оболочку, подвижную вокруг оси движителя, закрывающую нижнюю часть движителя при движении судна в режиме крейсерской скорости.

Кроме того, способ осуществляют с помощью судна, имеющем днище с продольным туннелем, выполненным с верхним подковообразным сводом и вертикальными стенками, простирающими вдоль всего корпуса судна.

Соответственно, в предлагаемом способе устройства комплексного использования судна нагнетание воздуха высокого давления в замкнутую область под корпусом судна и приведение во вращение бортового роторно-винтового движителя могут обеспечиваться от общего бортового нагнетателя воздуха высокого давления. А значит, работа предлагаемого устройства зависит параметров (скорости, веса, вибрации и шума движителя)) движения судна с бортовыми роторно-винтовыми движителями с демпфированием возмущаемого движения на ледяной покров, с распространением внешних возмущений вниз энергии возмущающего движения за счет работы бортовых роторно-винтовых движителей. Колебания этих устройств дополнительно диссипируют повышенную энергию возмущений на поверхность ледяного покрова. А значит, повышается эффективность разрушения льда судном тунельно-скегового типа резонансным способом.

Ограничительные: ледяной покров разрушается судном туннельно-скегового типа путем возбуждения ИГВ при движении судна по льду с резонансной скоростью в процессе движения судна по максимальной кривизне ледяного покрова.

Отличительные: во льду возбуждают одновременно с движением судна туннельно-скегового типа при помощи нагнетание воздуха высокого давления в замкнутую область под корпусом судна и приведение во вращение бортового роторно-винтового движителя, который обеспечивается от общего бортового нагнетателя воздуха высокого давления, действующих одновременно для создания распространения изгиб-гравитационной волны в направлении движения судна по льду. При движении судна над ледяным покровом с крейсерской скоростью будет расти деферент судна на бортовые опоры подковообразного свода корпуса с продольным туннелем. Вследствие этого смонтированные в плоскости конструктивной ватерлинии бортовые роторно-винтовые движители в закрытой стационарной оболочке за определенные обороты обтекаются постоянным потоком воздуха высокого давления, вращаются вокруг оси движителя при движении судна по льду в режиме крейсерской скорости, это приводит в вибрации роторно-винтового движителя, которая будет отличаться от значений вибрации движения судна с такой же скоростью известных аналогов. Очевидно, вибрация и шум будут максимальной при скорости U_p и величине вращения роторно-винтового движителя в стационарной оболочке при движении по льду, когда имеет место конструкция винтового движителя, т.е. с выступами и впадинами (шероховатая) для повышения прочности сцепления на корку покрова льда и степени развития возмущений (вибрации) в пограничном слое, а значит увеличение дополнительных резонансных ИГВ, как наиболее стабильный, дает наиболее интенсивное воздействие на корку льда, а суммарная нагрузка резко возрастает на площадь прогиба льда.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана принципиальная схема ледяного покрова и корпуса судна, вид сбоку; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1.

По ледяному покрову 1 перемещают судно 2 туннельно-скегового типа, которое содержит корпус. И имеющий днище с продольным туннелем, выполненным с верхним подковообразным сводом с образованием, параллельными диаметральной плоскости судна, в носовой и кормовой оконечностях установлены подвижные ограждения, в корпусе 3 устанавливают нагнетатель воздуха 4 высокого давления, в плоскости конструктивной ватерлинии монтируют бортовые роторно-винтовые движители 5, имеющие стационарную оболочку, закрывающую верхнюю часть движителя 5 и оболочку 6, подвижную вокруг оси движителя 5, закрывающую нижнюю часть движителя 5 при движении судна в режиме крейсерской скорости. В связи с большой вибрацией и шума работы движителя 5, которые под корпусом судна при нагнетании воздуха высокого давления, приводятся во вращение бортовой роторно-винтовой движитель, обеспечивающий каверны льда под жесткими движителями, и амплитуда ИГВ возрастает от прогиба 7 до профиля 8, когда происходит увеличение кривизны чаши 7 и прогиба льда, т.е. происходит резонанс ИГВ, который приведет к возникновению прогрессивных ИГВ.

Общая локализация нагрузки на лед складывается от веса судна при его достаточной весовой водоизмещении, давления бортового роторного-движителя, а также работы общего бортового нагнетателя воздуха высокого давления. Вибрация и шум бортового роторного движителя будет изменяться в зависимости от скорости его вращения, соответственно, и движения судна, но будет однородной по вертикаль. Вибрация бортового роторного движителя приведет к возбуждению даже после первого прохода судна, и в ледяном покрове возникнет область разрушения в виде прогиба льда. А для увеличения прогиба льда, судно неоднократно совершает по льду разрушаемого льда последующие повторные проходы с крейсерской скоростью. После каждого последующего прохода степень прогиба льда будем возрастать. Одновременно с этим будет увеличиваться амплитуда ИГВ, дифферент судна и давление судна туннельно-скегового типа. Судно при этом может совершить минимальное количество проходов, достаточное для достижения максимальной степени разрушения ледяного покрова при минимальных энергозатратах общего бортового нагнетания воздуха высокого давления. Это позволяет тем самым повысить эксплуатационное качество судна данного типа с каверной на крейсерских скоростях движения по льду, так как судно использует вариант шнекохода, или вариант судна на воздушной подушке при закрытых подвижными оболочками роторно-винтовых движителей. Кроме того, роторно-винтовые движители улучшают разворачиваемость судна с предлагаемыми его применения для разрушения ледяного покрова при минимальном количестве проходов, достаточное для достижения максимальной степени разрушения льда 1.

Данная совокупность предлагаемого технического решения обладает хорошими ходовыми характеристиками судна при совмещении работы общего бортового нагнетателя воздуха высокого давления и приводящего во вращение бортового роторно-винтового движителя для амплитуды возбуждения волн для разрушения льда, где ИГВ возникает такая интерференционная картина, когда амплитуда результирующих ИГВ достигнет максимальных значений. Рост суммарной амплитуды ИГВ приведет к увеличению эффективности разрушения ледяного покрова, лед начинает 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 прохода судна уходят в сторону из-под туннельного днища судна, появляются каверны во льду.

Таким образом, все это в целом увеличивает диапазон интерференции ИГВ амплитуды суммарных волн для возрастания до большего резонанса ИГВ, повысить экономичность и надежность судна туннельно-скегового типа на льду, даже и в прибрежной замершей льдом полосы.

Совокупность признаков и степень раскрытия сущности изобретения достаточны для его практической реализации при использования судна туннельно-скегового типа с нагнетателем воздуха высокого давления установленного в корпусе судна при его поступательном движении, когда приводятся в повышенное давление гидроудары (вибрация) на ледяной покров, и как следствие, к более эффективному разрушению ледяного покрова и толщину льда.

Изобретение относится к области судостроения, в частности к судам туннельно-скегового типа, разрушающим ледяной покров резонансным методом. Способ разрушения ледяного покрова 1 судном 2 туннельно-скегового типа заключается в том, что возбуждают резонансные изгибно-гравитационные волны в ледяном покрове 1 при движении судна 2 по льду с резонансной скоростью, создают дополнительный прирост силы статического давления и демпфирования возмущающего воздействия бортовых роторно-винтовых движителей 5, возбуждаемых вибрацией и установленных в плоскости конструктивной ватерлинии. Смонтированные бортовые роторно-винтовые движители 5 имеют стационарную оболочку, закрывающую верхнюю часть движителя 5, и оболочку, подвижную вокруг оси движителя 5 при движении судна 2 в режиме крейсерской скорости. Производят неоднократные повторные проходы судна 2 по полю разрушаемого льда 1. Количество проходов ограничивают числом, превышение которого связано с бортовыми роторно-винтовыми движителями 5 от нагнетателя воздуха 4 высокого давления. Повторные проходы осуществляют с критической скоростью. Достигается повышение эффективности разрушения льда. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ разрушения ледяного покрова судном туннельно-скегового типа, заключающийся в возбуждении во льду изгибно-гравитационных волн при движении судна по льду с резонансной скоростью, определяемой в процессе движения судна по максимальной кривизне ледяного покрова, отличающийся тем, что в процессе движения создают дополнительный прирост силы статического давления и демпфирования возмущающего воздействия бортовых роторно-винтовых движителей, возбуждаемых вибрацией и установленных в плоскости конструктивной ватерлинии, смонтированные бортовые роторно-винтовые движители имеют стационарную оболочку, закрывающую верхнюю часть движителя, и оболочку, подвижную вокруг оси движителя, закрывающую нижнюю часть движителя при движении судна в режиме крейсерской скорости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют с помощью судна, имеющего днище с продольным туннелем, выполненным с верхним подковообразным сводом и вертикальными стенками, простирающимися вдоль всего корпуса судна.