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

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

Известен способ разрушения ледяного покрова, в котором предложено разрушать ледяной покров СВП путем возбуждения во льду резонансных изгибно-гравитационных волн (ИГВ) при его движении с одновременным созданием на лед дополнительной периодической нагрузки, 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).

Недостатком способа является ограниченность высоты ИГВ, т.е. их ледоразрушающей способности.

Известен способ разрушения ледяного покрова судном на воздушной подушке, заключающийся в возбуждении во льду изгибно-гравитационных волн при движении судна по льду с резонансной скоростью, определяемой на максимальной кривизне ледяного покрова, при этом упомянутую скорость определяют по максимальному (по сравнению с движением над твердой горизонтальной поверхности) приросту силы электрического тока, возбуждаемого пьезоэлементами, установленными в упорных подшипниках воздушного винта (Патент RU №21888897, Е02В 15/00, В63В 35/08, B60V 3/06 от 10.09.2002).

В известном способе предложено использовать прирост силы электрического тока, возбуждаемого пьезоэлементами в упорных подшипниках воздушного винта. Способ очень сложен технически для реализации применения воздушного винта, кроме того, большие обороты винта приведут к возникновению значительных ударов о подшипники 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 эффективны.

Известен способ разрушения ледяного покрова на воздушной подушке путем возбуждения во льду резонансных изгибно-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 изгибно-гравитационных волн от местонахождения судна, при этом массу порции воды выбирают достаточно максимально безопасного дифферента судна на корму, возникающего от выстрела гидропушки, при заданной высоте ее установки на судне (Патент RU №2506194, В63В 35/08, В63В 15/02 от 10.02.2014).

Недостатком способа 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 резонансной изгибно-гравитационных волн;

- непостоянный диапазон регулирования нагрузки. С уменьшением нагрузки порции воды пушкой, дополнительная нагрузка снижается, и частота резонансных изгибно-гравитационных волн;

- практически отсутствует использование сжатого воздуха непосредственно под днищем корпуса судна, так как воздух заключен в сами подушки постоянно СВП и, не использует при движение судна, при этом происходит истирание материала подушки и, требуется во времени замена материала, а также возможен его порыв.

Уровень техники известен из способа и его устройства прототипа ледокольное судно на воздушной подушке, содержащее корпус с внешним гибким ограждением, запитывающимся вентилятором, и надстройкой, гибкое ограждение, при этом гибкое ограждение выполнено в виде выдвижной юбки площадью, меньшей, чем внешние гибкое ограждение запитывающейся дополнительным компрессором высокого давления, а для обеспечения остойчивости в жестком реверсе судна выполнены закрывающиеся каналы с регулируемыми заслонками для соответствующего выпуска воздуха вверх через верхнюю палубу запитывающийся вентилятором при отключенной подаче воздуха во внешнее гибкое ограждение (Патент RU №2229416, В63В 35/08 от 27.05.2004).

Недостатком способа являются:

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

- судно не позволяет получить максимальный дифферент со стороны кормовой части в движении, т.е. не предусматривается компоновка направленных навстречу друг другу щитков П-образной формы с отогнутыми боковыми стенками, закрепленных жестко непосредственно к осям вращающихся валов механизмом привода с возможностью их как раскрытия, так и складывания (схождения) непосредственно в кормовой части судна, а значит, в целом, ограниченность разрушения ледяного покрова высоты ИГВ, т.е. их ледоразрущающей способности.

Сущность изобретения заключается в разработке способа увеличения высоты возбуждаемых ИГВ, т.е. за счет уменьшения прочности свойств льда в процессе движения судна.

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

Существенные признаки, характеризующие изобретение:

Ограничительные: ледяной покров разрушают над водным судном путем возбуждения во льду изгибно-гравитационных волн при движении судна на ледяном покрове с резонансной скоростью.

Отличительные признаки: сдувание пограничного слоя снега и льда и статического давления кормовой части судна на лед осуществляют периодически с частотой, равной частоте резонансных изгибно-гравитационных волн, в течение времени, равной половине периода этих волн.

Известно (Д.Е. Хейсин. Динамика ледяного покрова. - Л.: Гидрометиоиздат, 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 над ледяным покровом сдувать снег и пограничный лед и давить на лед, и периодически создавать дополнительные операции такого вида с частотой резонансных ИГВ, то это приведет к возбуждению в ледяном покрове дополнительных к основным (от поступательного движения судна на сжатом пневмопотоке) резонансных ИГВ. Для их благоприятной интерференции, т.е. достижения максимального периодического возрастания высоты суммарных ИГВ, необходимо, чтобы время воздействия сил, возбуждающих дополнительные ИГВ, равнялось половине периода основных резонансных ИГВ (это плотность льда, толщина ледяного покрова, ускорение силы тяжести).

В этом случае при перемещении льда вниз от возникших дополнительных ИГВ возбуждающие их силы также будут направлены вниз. Таким образом, длительность воздействия области повышенного давления на верхнюю поверхность льда, в частности со стороны кормы ИГВ будет равна полупериоду резонансных ИГВ, т.е. способствовать максимальному периодическому возрастанию высоты суммарных ИГВ. В результате возникнет наиболее эффективная своеобразная дополнительная к основным ИГВ раскачка ледяного покрова при движении судна на сжатом пневмопотоке.

Способ осуществляется следующим образом.

По ледяному покрову начинают перемещать надо льдом судно на сжатом пневмопотоке с резонансной скоростью. Если высота возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, то выполняют поворот сверху вниз двух закрепленных тормозных П-образной формы щитков с отогнутыми во внутрь боковыми стенками, управляемыми одновременно закрепленными друг с другом вращающимися в разные стороны подъемно-движущимися в горизонтальной плоскости цилиндрическими корпусами в виде системы цилиндрических валов, т.е. угол щитков, меняется от вертикального их расположения вверх, далее их расположения в сторону опускания вниз до максимального угла 90° в сторону льда, и, не касаясь концом поверхности льда для возможного торможения судна, создавая при этом дифферент, а также возможного для пропуска части сжатого воздуха в атмосферу сзади кормы, т.е. остается выход выпускного канала сзади кормы при движении судна в месте расположения поверхности создания ИГВ. Расположение выхода канала для подошвы ИГВ при работающем соосном импеллере увеличит скорость обтекания днища корпуса судна в этом месте и приведет большое давление на лед, что, в свою очередь, увеличит высоту ИГВ и уровень изгибных напряжений в ледяном покрове, т.е. ледоразрущающая способность судна возрастет. Если это не приведет к разрушению льда, то сдувание пограничного слоя льда и давление осуществляют периодически с частотой, равной частоте резонансных ИГВ, возбуждаемых от поступательного движения судна на сжатом пневмопотоке, возникает дополнительная система резонансных ИГВ. Наложение этих волн на основные приведет к периодическому возрастанию высоты суммарных ИГВ и, соответственно,- изгибных напряжений в ледяном покрове, т.е. повышению эффективности его разрушения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема ледяного покрова и судна на сжатом пневмопотоке; на фиг. 2 показано судно на сжатом пневмопотоке с кормовой его частью в районе расположения двух валов со щитками П-образной формы, вид сбоку в разрезе; на фиг. 3 показано судно, вид сверху; на фиг. 4 показаны схематично валы вращения, аксонометрия; на фиг. 5 - вид со стороны кормы с рулевыми устройствами.

Над ледяным покровом 1 начинают движение судно 2 на сжатом пневмопотоке с резонансной скоростью V_p. При этом судно содержит сверху на вертикальной раме 3 нижний 4 и верхний 5 малые цилиндрические валы (это что-то вроде зубчатых валов, имеющихся и для уборочной механизированной сельскохозяйственной техники комбайнов при уборке урожая по форме их вращения и зацепления между собой зубчатыми) с присоединенными осями 6 и 7 вращения, снабженные с наружной поверхности в виде продольных зубчатых выступов 8 с острыми кромками по форме с регулируемым приводом (не показан). Зубчатые выступы 8 (можно представить также и шестерни зацепления друг с другом в любой технике) с острыми кромками, что позволяет им заходить впадины между выступами 8 в зацепление друг друга и их совместного тем самым вращения, соответственно они будут плотно вращаться в разные стороны по конструкции, т.е. это механические детали, их глубина достаточна будет для плотного сцепления друг с другом. При этом соответственно к их жестким осям вращения закрепляют с двух сторон, соответственно, к боковым фланцам 9 валов 4 и 5 жестко закрепленных два тормозящих при повороте вниз в сторону льда под максимальным углом до 90° к поверхности льда. Тормозящие П-образной формы щитки 10 и 11 имеют боковые отогнутые во внутрь стенки и они, соответственно могут вращаться вместе с цилиндрическими валами 4 и 5 по своей конструктивному выполнению (фиг. 4). В этом случае, они могут складываться вместе вниз, осуществляя при этом в нижнем положении поворота или наоборот поднятие поворотом валом 4 и 5 вверх - расхождение щитков 10 и 11 между собой в разные стороны. Таким образом, это может выглядеть сзади кормы по форме выполнения в виде транцевой плиты перекрытия отверстия (канала) сзади кормы в сторону льда, а, в целом это единый орган в поступательном движении двух валов 4 и 5 с прикрепленными к фланцам на оси П-образной формы щитков 10 и 11. Рычаг 12 присоединяют к блоку управления центральной системы управления экипажа (не показано) судна на сжатом пневмопотоке.

Соосный импеллер 13 закрепляют под углом 20-30° в нише носовой (передней) части в корпусе судна 2 для забора воздушного атмосферного потока, а затем подачи его через сопло соосного импеллера под днище корпуса в виде замкнутого пространства 14, затем поток направляется в сторону открытого пневмоканала 15, ограниченного сбоков боковыми скегами 16 в сторону открытого конца (канала) кормы в виде воздушного канала, ограниченного сбоков двумя рулевыми устройствами 17 и 18 для управления судном в движении и на повороте. Рулевые устройства 17 и 18 со стороны концов скегов содержат щитки 19 и 20. Оси вращения рулей 17 и 18 соединены сверху на корме с регулируемыми тягами 21 и 22 в одном узле 23 и, для соединения затем с общей тягой управления экипажа. Такое выполнение позволит управлять надежно судном на сжатом пневмопотоке при движении на ледяном покрове, создает хорошую маневренность экипажем судна и, является не маловажным для поддержания устойчивости и легкости управления судна на сжатом пневмопотоке в движении по ледяному покрову с резонансной скоростью V_p. Совмещенная работа соосного импеллера для увеличения скорости в сторону кормовой части подачи воздуха и ударе об опущенный щиток 10 вниз до максимального поворота угла 90° вызовет интерференционную картину, когда амплитуда результирующих ИГВ достигнет увеличение высоты ИГВ до значения h, т.е. повысит ледоразрушающую способность судна на сжатом пневмопотоке по сравнению с прототипом, а значит, соответствующему увеличению роста толщины льда, при этом весь снежный покров и наледь льда сдуваются из-под днища корпуса судна. Если и это не приведет к разрушению льда, то сдувание пограничного слоя льда осуществляют периодически, создавая каверны и с частотой, равной частоте резонансных ИГВ, в течение времени, равном половине периода этих волн. В результате высота ИГВ возрастает до максимальной. Возможно торможение до полной остановки судна, а это еще дополнительно положительно будет связано для причаливания судна и швартовки у причалов к берегу суши.

Совокупность признаков и степень раскрытия с пояснениями осуществления способа достаточны его практической реализации с доказательством эффективного разрушения ледяного покрова и толщины льда, в результате высота ИГВ возрастет.

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 применяют возбуждение во льду изгибно-гравитационных волн при движении судна надо льдом с резонансной скоростью. Во время движения судна создают дополнительно сдувание снежного покрова и пограничного слоя льда в нижней части судна под днищем корпуса между боковыми скегами с помощью соосного импеллера, расположенного внутри корпуса в нише носовой части судна с соплом. Осуществляют дополнительный прирост силы статического давления со стороны кормы на лед силой тяжести двух небольших вращающихся в разные стороны, в зацеплении друг с другом в горизонтальной плоскости цилиндрическими корпусами в виде двух валов, состоящих из верхнего и нижнего, закрепленных на боковых стойках вертикальной рамы. Наружная поверхность вращающихся валов дополнительно содержит по ширине продольные выступы с острыми кромками, входящие в зацепление друг с другом относительно продольной оси поворота каждого из валов, совмещенных по шаговому углу и высоте выступов с острой кромкой зацепления с ограниченными минимальными заходными срезами - выемками относительно корпуса. К оси нижнего вала с торца жестко закреплен рычаг управления вращением данного вала, к осям валов устанавливают жесткозакрепленные П-образной формы щитки, боковые стенки их отогнуты во внутрь с возможностью раскрытия или складывания между собой со стороны кормы, с помощью которых давление на лед осуществляют 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. 5 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 создают дополнительно сдувание снежного покрова и пограничного слоя льда в нижней части судна под днищем корпуса между боковыми скегами с помощью соосного импеллера, расположенного внутри корпуса в нише носовой части судна с соплом, при этом осуществляют дополнительный прирост силы статического давления со стороны кормы на лед силой тяжести двух небольших вращающихся в разные стороны, в зацеплении друг с другом в горизонтальной плоскости цилиндрическими корпусами в виде двух валов, состоящих из верхнего и нижнего, закрепленных на боковых стойках вертикальной рамы, наружная поверхность вращающихся валов дополнительно содержит по ширине продольные выступы с острыми кромками, входящие в зацепление друг с другом относительно продольной оси поворота каждого из валов, совмещенных по шаговому углу и высоте выступов с острой кромкой зацепления с ограниченными минимальными заходными срезами - выемками относительно корпуса, при этом к оси нижнего вала с торца жестко закреплен рычаг управления вращением данного вала, к осям валов устанавливают жестко-закрепленные П-образной формы щитки, боковые стенки их отогнуты во внутрь с возможностью раскрытия или складывания между собой со стороны кормы, с помощью которых давление на лед осуществляют периодически с частотой, равной частоте резонансных изгибно-гравитационных волн, в течение времени, равного половине периода этих волн максимальной высоты при движении судна.