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 над водным судам на сжатом пневмопотоке и разрушающим ледяной покров резонансным методом при движении по ледяному покрову (Козин В.М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты. М.: Издательство «Академия Естествознания, 2007, - 335 с.).

Известно, что эффективность разрушения ледяного покрова резонансным методом повышается, если судно одновременно с поступательной скоростью в выбранном направлении перемещают по синусоидальной траектории (Патент RU №2507104, В63В 35/08, Е02В 15/02, B60V 3/06 от 20.02.2014) или зигзагообразно (Козин В.М., Земляк В.Л. Физические основы разрушения ледяного покрова резонансным методом/Комсомольск-на-Амуре: ИМиМ ДВО РАН, ПТУ им. Шолом-Алейхема, АмГПУ, 2003. - 250 с.).

Недостатком способа является его ограниченная ледоразрушающая способность.

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 теоиретческую закономерность, можно увеличить давление на лед в любом месте при движении судна на сжатом пневмопотоке (в том числе и на носовой части судна и, со стороны кормовой части судна), 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.

Начиная с носовой части судна с продолжением в сторону места кормовой части судна с управлением рулевым устройством и другими элементами в целом.

Известен способ, позволяющий толщину разрушаемого льда методом возбуждений резонансных ИГВ. При этом увеличивать путем создания и изменения с частотой резонансных ИГВ аэродинамической подъемной силы, направленной вниз, т.е. ориентированной в одном направлении (Патент RU №2197576, Е02В 15/02, B60V 3/06, В63В 9/00 от 27.01.2003).

Недостаток способа - его ограниченная ледоразрушающая способность.

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).

Недостаток этого способа является его низкая эффективность вследствие быстрой затухаемости гравитационных волн при их трансформации в изгибно-гравитационные и частично отражения от кромки льда. Кроме того, сход с кромки и выход на нее приводит к быстрому изнашиванию гибкого ограждения СВП; применение двух судов экономически не оправдано большим расходом топлива и другими энергоресурсами, плохая управляемость СВП на низких резонансных скоростях усложняет их маневрирование, т.е. требует энергоемких подруливающих устройств, поэтому используют одно судно на ледяном покрове, а второе - на чистой воде.

Таким образом, если наряду с поступательным движением судна на сжатом пневмопотоке у него имеется после переходного участка сопла соосного импеллера, далее участок продолжения в виде конфузор-сопло для поступления сжатого воздуха, где боковые стенки конфузор-сопло выполняют криволинейными по вертикали, а днище его выполняют плоским профилем в плане с аэрационными отверстиями в сторону опорной поверхности льда, что образует от давления подъемную силу (висящее положение). На конце кормы платформы судна закреплены поворотные ковш реверс с цилиндрической своей поверхностью в сторону экипажа судна. А управление поворота каждого отдельного ковша реверса снабжено тягой с экипажем. При этом в работу судна входит, и закрепления шарнирами оси вращения горизонтальной створки со стороны кормовой части судна и под днищем корпуса его в средней части пневмоканала, ограниченного сбоков боковыми скегами, т.е. ниже днища корпуса судна. Поворот вращения по ширине под днищем корпуса горизонтальной створки по вертикали вверх обеспечивает изменение движение воздуха, соответственно происходит резкое увеличение давления на лед и росту результирующих изгибно возбуждаемых ИГВ. При движении судна вперед также можно менять направление воздуха в сторону выпускного воздушного отверстия на палубе со стороны кормы сверху, которое перекрывают сверху за счет поворота на оси вращения ковшами реверсами для направления выпуска воздуха в атмосферу, т.е. часть сжатого воздуха, разделяясь под днищем корпуса поворотной створкой, направляется вверх в сторону выпускного воздушного отверстия на палубе кормы, соответственно происходит поворот воздуха в движении судна на сжатом пневмопотоке.

Периодическое перемещение судна на сжатом пневмопотоке с различной скоростью движения не превышающей половины длины волны статического прогиба, т.е. в пределах чаши волны от давления со стороны кормы с высоким давлением, суммарно по длине днища увеличивают площадь сдува снега и наледи со льда. Эти силы давят на лед, способствуя дополнительными ИГВ, не только от веса, но и вихрей с давлением, создаваемых под днищем корпуса судна. Кроме того, приподнимается и носовая часть судна вверх, что способствует в целом от большей генерации интенсивных дополнительных ИГВ на поверхности истираемого льда, т.е. под днищем судна по длине, огражденного сбоков боковыми скегами.

Режим движения судна на сжатом пневмопотоке состоит из: старт и маневрирование, начиная с нулевой скоростью, а это также связано и с поворотом ковшами реверсами закрепленных на палубе сверху со стороны кормы, снизу под днищем корпуса судна, которого закреплена поворотная по всей ширине горизонтальная створка, свободный конец, которой направлен в сторону жестко закрепленного П-образного козырька с наклоном угла 20-30° к горизонту. Скорость будет зависеть от режима работы соосного импеллера, соединенного с двигателем внутреннего сгорания, и может соответствовать до максимальной скорости в движении судна на сжатом пневмопотоке.

Наличие ковша реверса, создают также положительный эффект, который хорошо известен в авиации, заключающийся в том, что струя газа, истекающая в конкретном наше случае через выпускное воздушное отверстие сверху на палубе со стороны кормы под углом, часть воздуха который направлена поворотом горизонтальной створки по всей ширине под днищем корпуса судна из открытого пневмоканала, прижата к выпуклой стороне ковша реверса и им же отклоняется на значительный угол в сторону кормы, далее в атмосферу.

Следует отметить с точки зрения теории кинетическую энергию на трение, струя газа, пройдя некоторый путь вдоль поверхности, отрывается от нее. Для создания непрерывного обтекания и поворота струи газа необходимо пополнять энергию поверхностного слоя газа, выполнив огибаемую поверхность ковша реверса (в самолете это выражено двух и более закрылок поворота).

Выполняя, таким образом, поверхность ковша реверса, позволяет произвести центробежную сепарацию при выпуске воздушного отверстия воздуха сверху на корме платформы, а также отсутствия влияние этого в зону нахождения экипажа; снижение снежной запыленности в этой зоне и при торможении обоих реверсов. Поэтому за ковшами реверсами на палубе закреплены жестко ограничивающая вертикальная криволинейная Y-образной формы пластина, сверху перекрытая козырьком, причем пластину выполняют по форме вогнутости каждого из ковша реверса при повороте вверх. Работа их связана с открытием или закрытием выпускного воздушного отверстия на палубе сверху со стороны кормы за счет механических тяг управления экипажа. В целом это позволяет плавно регулировать тягу от полной положительной до полной отрицательной на любом режиме работы соосного импеллера связанного с двигателем внутреннего сгорания, а также выполнят и маневрирования судна на льду или при сходе на воду, возможность торможения до полной остановки судна.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличение высоты ИГВ при не меняющейся резонансной скорости и величине давления надо льдом, а также в повышении эффективности ледоразрушения покрова.

Существенные признаки, характеризующее изобретение:

Ограничительные: ледяной покров разрушают надо льдом судном путем возбуждение во льду изгибно-гравитационных волн при движении судна с резонансной скоростью.

Отличительные: при повышенной нагрузки на лед происходит сдувание снежного покрова и наледи со льда под днищем судна, ограниченного сбоков боковыми скегами, а также воздушный поток со стороны кормы перекрывается частично поворотом вверх свободного конца и закрепленной в средней части другого конца на оси вращения горизонтальной створки по ширине ниже днища и ось шарнирно закреплена в боковых стенках корпуса судна в зоне средней части по высоте открытого пневмоканала в сторону жестко закрепленного П-образного козырька с наклоном вниз под заданным углом к горизонту. При этом поток воздуха направляют в сторону выпускного воздушного отверстия сзади на палубе судна со стороны кормы, которое по ширине перекрывается сверху двумя самостоятельно раздельными поворотными ковшами реверса. Сжатый поток подается с помощью соосного импеллера между ограниченными боковыми скегами по длине под днищем корпуса судна в сторону кормовой части, в части которой закреплена под днищем корпуса по всей ширине с шарнирами на оси вращения горизонтальная створка с управлением механически экипажа на палубе судна. При этом дополнительно в носовой части судна выполняют конфузор в виде сопла в полости продолжения расширяющегося сопла соосного импеллера, сопло которого выполнено в виде переходного участка в сторону открытого пневмоканала, ограниченного боковыми скегами, днище конфузора которого выполняют из нескольких рядов аэрационных воздушных отверстий в шахматном порядке в сторону опорной поверхности льда, также сбоков ограниченные боковыми скегами.

Кроме того, ковы реверсы самостоятельно разделены друг от друга со своими осями горизонтального вращения вверх или вниз с управлением механическими тягами экипажа.

Поворотом закрепленной со стороны кормовой части под днищем корпуса судна горизонтальной створки по всей ширине подвижно, тормозят движение судна, за счет поворота свободного конца вверх, направляя при этом часть разделенного по вертикали пневмоканала сжатого потока в сторону выпускного отверстия сзади кормы на палубе судна, которое сверху перекрывается поворотом двух ковшей реверса, закрепленных раздельно на своих горизонтальных осях вращения. Торможение за счет захвата воздушного потока по ширине под днищем корпуса судна происходит за счет поворота свободного конца ограниченного заграждением со стороны жестко закрепленного П-образного козырька с наклоном вниз под углом 20-30° к горизонту, осуществляя периодически с частотой равной частоте резонансных изгибно-гравитационных волн, в течение времени, равном половине периода этих волн. Возникает дифферентировка на корму и, достаточное высокое давление и соответственно это ведет к росту в этом районе разрушение льда из-за больших изгибных нагрузок возбуждаемых ИГВ. Носовая часть судна приподнимается вверх с одновременным перемещением судна по льду, обусловленное одновременно изменением отвода сжатого воздуха в сторону выпускного воздушного отверстия в конце палубы сверху на корме и по ее ширине.

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 возбуждаемых волн. Очевидно, что и аналогичные явления будут, происходить и при наличии у судна на сжатом пневмопотоке. Воздух сбоков ограничен боковыми скегами, под днищем постоянно проходит по длине его сжатый воздух между ними. Кроме того, дополнительно можно осуществлять и маневрирование судном за счет изменения в работе двух раздельных ковша реверса: поднятие вверх или опускание вниз каждого из них.

Следует сделать ссылку на известные способы изменения ширины попутного потока (Войткунский Я.И. Сопротивление движению судов. - Л.: Судостроение, 1988, 288 с.). Использован метод сдувания пограничного слоя в направлении, ориентированном противоположно направлению движения судна.

Способ поясняется графически чертежами, где:

на фиг. 1 показана принципиальная схема ледяного покрова и судно на сжатом пневмопотоке;

на фиг. 2 показан вид сверху выполнения судна на сжатом пневмопотоке;

на фиг. 3 показан фрагмент, вид сбоку со стороны кормы судна на сжатом пневмопотоке с системой управления поворота горизонтального щитка.

По ледяному покрову 1 начинают перемещать судно 2 на сжатом пневмопотоке с резонансной скоростью. Если амплитуда возбуждения при этом основных ИГВ окажется не достаточной для разрушения льда, 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 соосный импеллер 3, расположенный в передней части корпуса судна 2, подает воздушную смесь высокого давления через корпус крепления 4 сначала в сопло переходного участка 5 импеллера, в внутри полости участка, которого закреплен в конце конфузор-сопло 6, днище которого состоит из нескольких рядов аэрационных воздушных отверстий 7, расположенных преимущественно в шахматном порядке и в сторону опорной поверхности льда, при этом ограничен с боков боковыми скегами. Таким образом, еще на старте носовая (передняя) часть корпуса судна «зависает» надо льдом вверх, так как сбоков судно ограничено боковыми скегами ниже днища корпуса, не допуская сжатому воздуху, уходит в стороны за борта судна в целом по длине днище корпуса.

Система управления судна на сжатом пневмопотоке содержит в кормовой под днищем корпуса своего открытого пневмоканала 8 (данная терминология сравнима с тем, что судно может находиться, при сходе со льда, на открытую водную поверхность), когда часть сжатого воздуха отжимается вниз, создающим высоким давлением воздуха под днищем корпуса судна, огражденного сбоков боковыми скегами в пневмоканале 8 и в продолжении в сторону выхода в кормовой части судна в движении. При этом содержит в сторону кормовой части судна по всей ширине поперечную горизонтальную створку 9, закрепленную осью вращения в шарнирах в выступающих упорах 10 боковых стенках корпуса судна. Для прохождения сжатого газового потока (воздуха), повышенного давлениям в сторону давления на опорную поверхность ледяного покрова и направления в сторону кормы при скоростном движении по курсу, поворот створки 9 иметь возможность плавно изменять свое вертикальное и угловое положение поворотом на закрепленной на оси вращения одним передним свои концом створки 9, которая в средней своей части шарниром крепится тягами 11, 12 на палубе с возможностью синхронно ею управлять поворотом вверх или вниз в положение горизонтальное экипажем с помощью рулевого устройства (не показано). В управление, возможно, делать в виде тросо-блочной системы со шкивами (не показано). При этом на палубе в кормовой части по всей ширине на палубе кормы выполняют выпускное воздушное отверстие 13, которое сверху перекрывают имеющимися сверху двумя раздельными ковшами реверса 14, 15. Управление каждого ковша реверса 14, 15 может обеспечиваться тяговой передачей (или тросовой со шкивами) с двумя тягами 16, 17, размещенных на палубе корпуса судна, при этом тяги 16, 17 закреплены также к рулевому устройству (не показано); конструкция крепления их может быть любой при проектировании судна с рулевым устройством.

Ковши реверса 14, 15 работают следующим образом. Эффект поверхности ковша реверса хорошо известен в авиации и заключается в том, что струя газа, истекающая в нашем конкретном случае, из выпускного воздушного отверстия 13 под углом, направленной поворотом горизонтальной створки 9 вверх из средней части отбора воздуха пневмоканала 8, будет к поверхности близка к нулю, «прилипает» к выпуклой стороне ковша реверса с козырьками (см. ниже обозначения цифрами), и отклоняется на значительный угол в атмосферу сзади кормы судна. При этом, теряя кинетическую. Энергию на трение, струя газа, пройдя некоторый путь вдоль поверхности, отрывается от нее. Для создания непрерывного обтекания для поворота струи газа, необходимо выполнять пополнять только энергию поверхностного слоя газа, выполнив огибаемую поверхность ковша реверса 14 и 15, выполненные сзади них закрепленной на палубе жестко вертикальной Y-образной пластины 18 с козырьком 19 сверху по форме вогнутости каждого из поворотных ковша реверса вверх, при этом открытие их сравнимо с работой (что-то похожее на открылки самолета при их поворотах). Пластина 18 с козырьком 19 защищает от попадания воздуха, снега и льдинок сзади судна в зону нахождения экипажа на палубе судна, и обеспечивая его безопасность работы.

Осуществляют сдувание вначале снежного покрова и одновременно пограничного сверху слоя льда в сторону направления кормовой части судна, увеличивают скорость потока воздуха в сторону открытого пневмоканала 8, огражденного сбоков, ниже днища, боковыми скегами, в результате в средней части под днищем пневмоканала 8 со стороны кормовой части закрепления на оси вращения по всей ширине горизонтальной створки 9 своим передним концом, а второй - задний конец ее свободен и через шарниры удерживается вертикальными тягами, проходящими через отверстия (не показаны) на палубе со стороны кормы, сжатый поток, отсеченный в средней открытой части пневмоканала 8 поворотом створки 9 движется в сторону выпускного воздушного отверстия 13, при этом со стороны свободного конца створки 9 сзади кормы на уступе сверху закреплен П-образный козырек с заданным углом вниз в виде заграждения от выхода воздуха непосредственно выше створки, и направления воздуха вверх в отверстие 13 на палубе судна. Сила давления на лед при этом будет, зависит со стороны кормы судна, в частности от места расположения и поворота свободного конца закрепленной горизонтальной створки 9 на оси вращения с подшипниками в боковых стенках корпуса судна. Управление ее осуществляют с помощью двух по краям рулевых тяг 11, 12. Таким образом, движение судна продолжает по курсу, а движение сжатого воздуха по высоте ограничено от растекания сбоков за счет боковых скегов корпуса судна, между которыми закреплена поворотная горизонтальная створка 9, имеющая свободный поворот конца ее со стороны, закрепленного жестко П-образного козырька 20 с наклоном вниз в сторону рулевых щитков 23, 24 с рулями 21, 22 с амортизации их в работе в движении (не показано). Горизонтальная створка 9 по всей ширине, со стороны кормы. Своим поворотом может свободно поднимать один конец ее вверх, так как другим (передним) концом она закреплена на оси вращения с шарнирами в упорах 10 в боковых стенках корпуса судна выше нижних концов боковых скегов. Створка 9 по ширине своей крепления направляет часть отсеченного, разделяя поток по высоте пневмоканала 8, в сторону выпускного отверстия 13 сзади сверху на палубе, при этом над отверстием 13 закреплены раздельно два друг от друга ковша реверса 14, 15 с возможностью поворота на осях вращения экипажем.

Нижняя часть потока воздуха ниже горизонтальной створки при этом выходит свободно в сторону рулевых устройств, выполненных вертикальными щитками 23, 24 с рулями поворота 21, 22, в результате судно продолжает свое движение по курсу вперед по поверхности льда. В задней части кормы сила давления на поверхность льда. Величина этих сил определяющим образом зависит от формы и расположения поворота горизонтальной створки 9 вверх, т.е. сводного нижнего ее конца и направления воздуха, при этом сверху оба ковша реверса 14, 15 могут перерывать выпускное отверстие 13 по ширине кормы судна. Высота проходного канала в сторону прикрытого сверху жестко П-образного козырька 20 под углом 20-30° к горизонту над вертикальными щитками 23, 24, но ниже горизонтальной створки 9 в пневмоканале 8, позволяет управлять поворотом судна в движении на льду, так как поворачивает выходящий воздух вправо или влево, которые скользят и амортизируют на льду.

Следует отметить, что благодаря регулированию ковша реверса 14, 15, закрепленных сверху на корме, на палубе, их поворот вверх ограничен Y-образной пластиной 18 с козырьком 19 сверху, причем пластина 18 выполнена по форме вогнутости самих двух ковша реверсов 14, 15 с внешней стороны формы, что позволяет ограничить их ход поворота в верхнем положении надежно в работе, а также направить поток в сторону выхода в атмосферу сзади кормы судна, при выходе воздуха из выпускного отверстия 13. А значит, избежать попадания завихрения сзади кормы и попадания воздуха, снега и льдинок в зону размещения экипажа надежно в эксплуатации.

Поэтому, имея большое давление воздуха на лед при обтекании при повороте горизонтальной створки 9 вверх и части его направления из пневмоканала 8 в сторону выпускного отверстия 13 с наличием перекрывающих ковшами реверса 14, 15, происходит суммарное возбуждение дополнительных резонансных ИГВ, начиная со стороны носовой (передней) части судна в движении по льду, т.е. имея увеличенную ширину попутного потока воздуха, можно при не меняющихся резонансной скорости и величине поднятия вверх носовой части судна увеличить высоту ИГВ и, следовательно, их ледоразрушающую способность. Осуществить эту процедуру можно путем иницинирования поворотом горизонтальной створки закрепленной на горизонтальной оси с подшипниками в уступах боковых стенок боковых скегов в средней части пневмоканала и, в сторону направления кормовой части судна, где ее свободный конец направлен в сторону жестко закрепленного П-образного козырька с наклоном вниз к горизонту.

Сопротивление движению судна на сжатом пневмопотоке за счет дифферента на корму на угол поднятия от 0 до ψ° носовой части судна при скоростном движении вызовет и прогиб льда по криволинейной траектории. Это также будет связано и образованием к большим вихрям сзади кормы, а это в свою очередь снизит прочность характеристики ледяного покрова и соответственно повысит толщину разрушаемого льда, т.е. позволить достичь заявленный технический результат. Очевидно, что сдувание пограничного слоя под днищем судна, огражденного сбоков боковыми скегами, увеличит его толщину от δ₁ до δ₂, и соответственно при ширине сжатого потока под днищем судна. В результате высота ИГВ возрастает, что повысит ледоразрушающую способность и позволит достичь заявленный технический результат.

Изобретение относится к области судостроения, а именно к надводным судам на сжатом пневмопотоке. Для разрушения ледяного покрова судном на сжатом пневмопотоке осуществляют возбуждение во льду изгибно-гравитационных волн, при движении судна надо льдом с резонансной скоростью. В процессе движения судна увеличивают ширину торможения выходного потока между скегами, формирующего в кормовой оконечности судна с помощью поворотного потока воздуха, направленного вверх в сторону выпускного воздушного отверстия сзади на палубе судна, с расположением перекрываемыми сверху двумя раздельными друг от друга поворотными ковшами реверса. Поворот потока воздуха вверх осуществляют горизонтальной створкой, закрепленной на оси вращения в шарнирах в боковых упорах боковых стенок скегов в сторону кормы в средней части пневмоканала, посредством механического привода управления тяг по ее краям, которые расположены на палубе судна. Свободный конец горизонтальной створки ориентирован в сторону закрепленного жестко П-образного козырька с наклоном вниз под углом 20-30° к горизонту, создавая подъемную силу носовой части судна вверх надо льдом. Достигается повышение эффективности ледоразрушения 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 в процессе его движения увеличивают ширину торможения выходного потока между скегами, формирующего в кормовой оконечности судна с помощью поворотного потока воздуха, направленного вверх в сторону выпускного воздушного отверстия сзади на палубе судна, с расположением перекрываемыми сверху двумя раздельными друг от друга поворотными ковшами реверса, при этом поворот потока воздуха вверх осуществляют горизонтальной створкой, закрепленной на оси вращения в шарнирах в боковых упорах боковых стенок скегов в сторону кормы в средней части пневмоканала, посредством механического привода управления тяг по ее краям, которые расположены на палубе судна, кроме того, свободный конец горизонтальной створки ориентирован в сторону закрепленного жестко П-образного козырька с наклоном вниз под углом 20-30° к горизонту, создавая подъемную силу носовой части судна вверх надо льдом.