СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА СУДНОМ НА СЖАТОМ ПНЕВМОПОТОКЕ Российский патент 2024 года по МПК B63B35/08 E02B15/02 B60V3/06 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к судам на сжатом пневмопотоке движущимися над ледяным покровом с разрушающим ледяной покров резонансным способом (Козин В.М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты. М.: Издательство «Академия Естествознания, 2007, - 355 с).

Уровень техники известен из способа разрушения ледяного покрова резонансным методом с поступательной скоростью в выбранном направлении и перемещают по синусоидальной траектории (Патент RU №2507104, В63В 35/08, Е02В 15/02, B60V 3/06 от 20.02.2014).

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 силы определяется углом атаки: при положительном угле она направляется вверх, а при отрицательном - вниз. Используя эту теоретическую закономерность можно увеличить давление на лед в любом месте при движении судна также и в нашем случае, в движении судна на сжатом пневмопотоке. При его осуществлении во время движения судна дополнительно через конфузор-сопло часть сжатого воздуха поступает вниз через ряды аэрационных воздушных отверстий в носовой части судна, а другая основная часть сжатого воздуха поступает в сторону направления закрепленного и подвижного вращающегося ковша реверса в нише днища корпуса судна, т.е. на встречу потоку воздуха. При движение судна носовая часть его поднимается вверх, а кормовая часть судна давит при этом на лед, что увеличит высоту ИГВ и уровень изгибных напряжений в ледяном покрове.

Известен способ, позволяющий толщину разрушаемого льда методом возбуждений резонансных ИГВ (Патент RU №2197576, Е02В 15/02, B60V 3/06, В63В 9/00 от 27.01.2003).

Однако указанные аналоги ограничивают высоты ИГВ, т.е. их ледоразрушающей способности.

Известен способ разрушения ледяного покрова на мелководье, заключающийся в перемещении двух СВП вдоль кромки льда, при этом первое судно перемещают по свободной воде, а второе - по сплошному льду позади первого на расстоянии от него, равное четверти длины резонансной изгибно-гравитационной волны (ИГВ) (Патент RU №2457975, В63В 35/08 от 10.08. 2012 - принят автором и заявителем в качестве прототипа).

Недостатком способа является ограниченность высоты ИГВ, т.е. их ледоразрушающей способности. Кроме того, известное судно имеет затухаемость гравитационных волн при их трансформации в изгибно-гравитационные и частичного отражения от кромки льда. Применение одновременно двух судов не оправдано экономически, и это связано с большими затратами энергоресурсов.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении толщины разрушаемого ледяного покрова.

Существенные признаки, характеризующие изобретение:

Ограничительные: ледяной покров разрушают по ледяному покрову и одновременно надводным судом путем возбуждения во льду изгибно-гравитационных волн при движении судна.

Отличительные: создание повышенной нагрузки на лед со стороны кормы, при этом происходит сдувание снежного покрова и наледи со льда под днищем судна, ограниченного сбоков боковыми скегами, а также суммарно эти силы давят на лед, способствуя дополнительным ИГВ, создаются вихри под днищем корпуса судна, возникает большая генерация интенсивных дополнительных ИГВ уже на очищенную поверхность истираемого льда по длине движения судна на сжатом пневмопотоке в течение времени, равном половине периода этих волн. Таким образом, в пределах чаши волны статического прогиба в основном происходит со стороны кормы.

Известно (Д.Е. Хейсин. Динамика ледяного покрова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967, - 218 с), что периодическое приложение нагрузки к ледяному покрову с частотой резонансных ИГВ значительно увеличивает его деформации по сравнению с такой же по интенсивности нагрузкой, но приложенной стационарно. Объясняется это тем, что при таких воздействиях возникают резонансные ИГВ. Таким образом, если в нашем случае, над ледяных покровом периодически создавать дополнительное повышенное давление по длине судна под днищем корпуса и обеспечить подъем вверх носовой части судна, то сзади кормовая часть, уменьшая выходной канал выпуска воздуха, одновременно увеличивает и весь кормы, а также статическое давление, так как проход сзади в пути сжатого потока и выходит с большим динамическим давлением. Носовая часть приподнимается в виде висячего положения за счет поворота вниз ковша реверса, перекрывающий частично полость открытого пневмоканала под корпусом судна, ограниченного сбоков боковыми скегами, кроме того, поворот вниз ковша реверса, имеющий закрепленную ось с шарнирами для вращения в стенках корпуса крепления оси его, последняя связана жестко с механизмом поворота в виде вертикальной ручкой (это можно сравнить с рукояткой ручного тормозного управления с зубчатой рейкой в салоне автомобиля). Создается судну аэродинамическая подъемная сила на носовую часть. Сам поворот судна осуществляют со стороны кормы рулями с поворотными пластинами.

Известно (Бенуа Ю.Ю. и др. Основы теории судов на воздушной подушке. - Л.: Судостроение, 1970 - 456 с.), в теории отмечено, что повышение у судна дифферента приводит увеличению его волнового сопротивления, т.е. увеличение амплитуды возбуждаемых волн. Очевидно, что и в нашем случае, аналогичные явления будут происходить для судна на сжатом пневмопотоке при использовании предложенных устройств под днищем корпуса судна, где используют носовую и кормовую части судна, создавая статический и динамический эффект от его подъема носовой части вверх в движении судна.

Таким образом, резонансные ИГВ можно обеспечить их благоприятной интерференции, т.е. достижения максимального периодического возрастания высоты суммарных ИГВ, необходимо, чтобы время воздействия сил, возбуждающих дополнительные ИГВ, равнялись половине периода основных резонансных ИГВ, величину которую можно определить, как от толщины ледяного покрова, площадь льда, ускорение силы тяжести.

В этом случае при перемещении сверху покрова льда от возникших дополнительных ИГВ возбуждение от силы также будет направлено вниз. Таким образом, длительность воздействия повышенного давления сверху на лед в области подошвы ИГВ будет равна полупериоду резонансных ИГВ, т.е. способствовать максимальному периодическому возрастанию высоты суммарных ИГВ. В результате возникает наиболее эффективная своеобразная дополнительная к основным ИГВ давления на ледяной покров с применением новых элементов под днищем корпуса судна за счет подачи также и сжатого воздуха от соосного импеллера (движителя).

Способ осуществляется следующим образом.

По ледяному покрову начинают перемещаться судно на сжатом пневмопотоке с резонансной скоростью. Если амплитуда возбуждения при этом основных ИГВ окажется не достаточной для разрушения льда, например, за счет дифферентировочной системы периодически с частотой резонансных ИГВ, дифферентируют на корму, т.е. угол дифферента периодически меняют от 0° до +ψ°. Это происходит за счет того, что в движении судна на сжатом пневмопотоке подается высокое давление воздуха от соосного импеллера через его сопло в сторону сопряжения с ним, выполненного конфузоора-сопло с аэрационными воздушными отверстиями вниз, например отверстия выполняют в шахматном порядке в сторону опорной поверхности льда покрытого еще и снежным покровом различной толщины. А, значит, еще на старте носовая часть судна может подняться несколько вверх со стороны поверхности льда, имея свою твердую опору. Такое сочетание узлов устройства создает аэродинамическую подъемную силу (это как взлет самолета с полосы аэродрома, где носовая часть поднимается вверх). При этом ковш реверс может находиться в промежуточном положение, т.е. в любом своем положении поворота ось вращения, концы которой закреплены в шарнирах (подшипниках вращения) в стенка ниши и днища корпуса судна за счет поперечной оси вращения, жестко связанной с ковшом реверса, причем сама ось вращения может поворачиваться за счет механизма поворота, например, виде вертикальной ручки на палубе судна, о чем было отмечено выше. Ниша, образованная в днище корпуса судна, повторяет форму выполнения ковша вращения, например, изогнутая его плоскость, может быть выполнена в форме сектора, т.е. он может занимать, как верхнее положение, так промежуточное, или нижнее положение при движении судна по льду, а связь рукоятки поворота также связана с экипажем управления. Само направлении е ковша с захватом воздуха направлено вогнутой стороной в сторону конфузора-сопла и, возможно обеспечить также торможение судна при отключенном двигателя внутреннего сгорания. Форма ковша позволяет в нем воздуху формировать закручивание воздушного потока и его активному эжектированию под нишей корпуса судна, что образует большую дополнительную подъемную силу носовой части судна вверх при движении по льду и эффективно повысить ледоразрушающую способность судна.

Изобретение поясняется графически, 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 показан вид сверху выполнения судна на сжатом пневмопотоке.

По ледяному покрову 1 начинают перемещать судно 2 на сжатом пневмопотоке с резонансной скоростью V_p. Если высота возбуждения ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, за счет дифферетировочной системы дифферента периодически меняют от 0° до +ψ°. Это происходит за счет того, что в движение судна на сжатом пневмопотоке включает соосный импеллер 3, расположенный в носовой части судна в корпусе 4, подают воздушную смесь высокого давления через сопло корпуса импеллера в сторону переходного закрытого участка 5, после которого устроен конфузор-сопло 6, днище, которого выполнено в виде шахматного расположения с аэрационными воздушными отверстиями 7, направленных в сторону опорной поверхности льда покрытого снежным покровом. Сдувание снега и давления на поверхность льда оказывает частично поднятие носовой части судна вверх. Однако, этого еще недостаточно, исходя от веса носовой части судна с движителем в виде соосного импеллера и двигателя внутреннего сгорания, сила поднятия носовой части судна вверх увеличивают, соответственно увеличивают затем и высоту ИГВ до значений h, т.е. повысить ледоразрушающую способность судна. Поэтому для разрушения льда и сдувания пограничного слоя снега и льда осуществляют поворот ковша реверса 8 открытой вогнутой частью плоскости его в сторону конфузора-сопла 6 с помощью механизма управления (вертикальной ручки) на палубе экипажа, закрепленной одним нижним концом жестко к поперечной закрепленной оси вращения 9, концы которой закреплены шарнирно в подшипниках в стенке ниши 10, пневмоканала 11. Если одна часть воздуха из конфузора-сопла 6 направляется вниз через отверстия в нижней его части, то другая, основная часть сжатого потока воздуха направляется в сторону пневмоканала 11, в месте которого в месте которого выполняют нишу 10 с креплением в ней подвижного 8 реверса, что в движении судна позволяет ему выходит из ниши 10 вогнутой частью навстречу потоку воздуха, поступающего из конфузора-сопла 6. В движении управление судном обеспечивается рулевым устройством 12. Поток воздуха далее движется в сторону кормовой части со щитками 13, 14, соответственно, с рулевыми устройствами 15, 16. При этом вертикальная ось вращения 17, 18 рулей, соединяют сверху на палубе с регулируемыми тягами в одном узле (не показано) с рулем 12. В движении создается динамическая и статическая большая нагрузка на поверхность льда при скорости движения судна на сжатом пневмопотоке от нулевой до максимальной в движении. Носовая часть судна еще больше поднимается вверх, соответственно, происходит упор со стороны кормовой части в сторону поверхности льда (выход воздуха сжимается через оставленный канал между льдом и кромкой кормы) за счет поднятия носовой части судна. Соответственно вызовет большее возбуждение резонансных ИГВ по длине судна, т.е. увеличения высоты ИГВ до значения h, а значит, повысит ледоразрушающую способность. При этом по длине движения судна, под днищем корпуса его усиливаются каверны, снежный пограничный покров сдувается в стороны и в сторону кормы, происходит также сдув и некоторой части частиц льда, все это уменьшает толщину ледяного покрова с резонансной скоростью V_p в движении судна, где угол поднятия носовой части судна изменяется от 0° до +ψ° вверх, соответственно, происходит прогиб льда по криволинейной траектории. Размеры в объеме образования вихря за счет ковша реверса могут быть достаточно большими, что снизит прочностные характеристики ледяного покрова, повысит толщину его разрушения, и приведет к разрушению льда. Если и это не приведет к разрушению льда, то нагрузку и сдувание пограничного слоя льда осуществляют периодически с частотой, равной частоте резонансных ИГВ в течение времени, равном половине периода этих волн. В результате высота ИГВ возрастает до большего h.

Режим движения судна на сжатом пневмопотоке, описанный выше, состоит из: старт и маневрирование устройства в виде выполненного и закрепленного в нише ковша реверса поворота, и связи его вогнутой части поверхности в сторону конфузора-сопла.

Следует отметить, что судно на сжатом пневмопотоке свободно перемещается не только по заснеженному покрову, но проходит по кромке льда, участков прибрежной замершей льдом полосы.

Изобретение относится к области судостроения, в частности к надводным судам на сжатом пневмопотоке и разрушающим ледяной покров резонансным методом при их движении по ледяному покрову. Для разрушения ледяного покрова судном на сжатом пневмопотоке используют возбуждение во льду изгибно-гравитационных волн при движении судна надо льдом с резонансной скоростью. Во время движения судна дополнительно создают нагрузку на лед, направленную вниз, нагнетаемой струей высокого давления под днищем корпуса, ограниченного боковыми скегами с помощью соосного импеллера, расположенного в носовой части судна. При этом конфузор-сопло с аэрационными отверстиями располагают после сопла соосного импеллера, а поворотный ковш реверса, закрепленный на оси вращения в нише днища корпуса, располагают после конфузора-сопла последовательно. Образуют подъемную силу, направленную вверх, для создания висящего положения носовой части судна надо льдом. Созданное давление от веса судна образуется в кормовой его части периодически с частотой, равной частоте резонансных изгибно-гравитационных волн в течение времени, равного половине периода этих волн максимальной высоты при движении судна. Достигается повышение эффективности разрушения ледяного покрова. 3 ил.

Способ разрушения ледяного покрова судном на сжатом пневмопотоке, заключающийся в возбуждении во льду изгибно-гравитационных волн при движении судна надо льдом с резонансной скоростью, отличающийся тем, что во время движения судна дополнительно создают нагрузку на лед, направленную вниз, нагнетаемой струей высокого давления под днищем корпуса, ограниченного боковыми скегами с помощью соосного импеллера, расположенного в носовой части судна, при этом конфузор-сопло с аэрационными отверстиями располагают после сопла соосного импеллера, а поворотный ковш реверса, закрепленный на оси вращения в нише днища корпуса, располагают после конфузора-сопла последовательно, и образуют подъемную силу, направленную вверх, для создания висящего положения носовой части судна надо льдом, при этом созданное давление от веса судна образуется в кормовой его части периодически с частотой, равной частоте резонансных изгибно-гравитационных волн в течение времени, равного половине периода этих волн максимальной высоты при движении судна.