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

Изобретение относится к области судостроения, в частности, к судам на сжатом пневмопотоке движущимися над ледяным покровом с разрушающим ледяной покров резонансным способом (Козин В.И. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты. М.: Издательство «Академия Естествознания», 2007, - 355 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 25/02, D60V 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, АмГПГУ. 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 закономерность можно увеличить давление на лед в любом месте при движении судна на сжатом пневмопотоке (в том числе и со стороны носовой 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, затем и в кормовой части с креплением поворота ковша реверса, а также учитывая управляемым рулевым устройством.

Известен способ, позволяющий толщину разрушаемого льда методом возбуждений резонансных ИГВ увеличить 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 частичного 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, при этом каждое в отдельности судно имеет ограниченную высоты ИГВ, т.е. их ледоразрушающей способности.

Сущность изобретения заключается в разработке способа увеличения высоты возбуждаемых ИГВ.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении толщины разрушаемого ледяного 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 под давлением выходит из канала сзади кормы, образуя это соотношение, как высота «А» к его ширине «В»=0,5-0,25, ось потока под давлением выходит вверх с уклоном 4-10°, относительно горизонта. При этом сжатый поток воздуха подается с помощью соосного импеллера, расположенного в корпусе с нишей в носовой части судна, а выход через его сопло расположен в сторону конфузора-сопла, связанного с открытым пневмоканалом под днищем корпуса судна. Кроме того, канал в конце кормы перекрывают частично опусканием ковша реверса вниз в сторону льда до 90°, тормозят по ширине воздушный поток, осуществляют периодически с частотой, равной частоте резонансных изгибно-гравитационных волн, в течение времени, равном половине периода этих волн. Возникает дифферентировка на корму и, достаточно высокое давление выходящей гидродинамической струи, а значит, носовая часть судна имеет также подъем вверх. Отклонение ковша вниз поворотом может достигать до 90° в сторону льда от кормы. Перемещение судна на сжатом пневмопотоке с резонансной скоростью в пределах чаши волны со стороны кормы с учетом давления дополнительно и в носовой части судно суммарно давят на лед, способствуя дополнительным ИГВ под днищем судна, а значит, способствуют большей генерации более интенсивных дополнительных ИГВ по ледяному покрову. Величина этих сил определяющим образом зависит от формы ковша реверса, закрепленного на оси вращения, на кромке кормы и его поворота вниз, т.е. зависит от ширины закрытия канала сзади кормы, а значит, увеличит высоту ИГВ и, следовательно, их ледоразрушающую способность.

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.

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.

Таким образом, резонансные ИГВ можно обеспечить их благоприятный 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 над покровом 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 не только спереди судна под его днищем (носовой части), но и нового предложенного элемента в виде ковша реверса, закрепленного на горизонтальной оси на конце кормы палубы, а также с помощью подачи сжатого воздуха поступающего от соосного импеллера (движителя).

Способ осуществляется следующим образом.

По ледяному покрову начинают перемещать судно на сжатом пневмопотоке с резонансной скоростью. Если высота возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, то при движении судна на сжатом пневмопотоке, опускают закрепленный сзади кормы на оси вращения ковш реверсный поворотом вниз на угол до 90° сторону поверхности льда. Сжатый воздух под днище корпуса подается со стороны носовой части судна с включением в работу соосного импеллера с соплом, связанного с конфузором-сопла и, далее воздух поступает в открытый пневмоканал под днищем корпуса в сторону кормы в конце с выходным каналом в месте расположения подошвы ИГВ. Расположение ковша реверса, перекрывающий по ширине канал позади рулевых устройств при работающем соосном импеллере увеличить скорость поступления потока воздуха под днищем корпуса судна и вместе перекрытия частично воздуха со стороны кормы приведет к давлению. На лед, что, в свою очередь, увеличит высоту ИГВ и уровень изгибных напряжений в ледяном покрове, т.е. ледоразрушающая способность возрастает, за счет дифферинтировочной системы периодически с частотой резонансных ИГВ, дифферентируют на корму, угол дифферента периодически меняют от 0° до+Ф⁰' Это происходит за счет того, что в движении судна на сжатом пневмопотоке подается высокое давление воздуха от соосного импеллера из его сопла в сторону сначала конфузора-сопла, затем в сторону открытого пневмоканала в сторону кормы с закрепленными на оси вращения с поворотом ковша реверса. При этом еще на старте носовая часть судна частично поднята вверх, за счет давления воздуха выходящего в сторону поверхности льда (твердая опора) (это, что-то можно представить, как взлет самолета с аэродрома вверх). Кроме того, расположение в данном случае, может располагаться по высоте своего поворота ковша реверса со стороны поверхности льда с осью вращения, которая закреплена на краю кромки сзади кормы судна.

Изобретение поясняется графически, где на фиг. 1 показана принципиальная схема ледяного покрова и судно на сжатом пневмопотоке; на фиг. 2 показан вид выполнения судна на сжатом пневмопотоке с системой управления ковша реверса, закрепленного на корме, согласно изобретения; на фиг. 3 показан вид сбоку, разрез; на фиг. 4 показан вид сбоку, вариант выполнения ковша реверса со щелевыми отверстиями в криволинейной обшивке (стенке).

По ледяному покрову 1 начинает движение судно 2 на сжатом пневмопотоке с резонансной скоростью V_p. Если высота возбуждения ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, за счет дифферентировочной системы дифферента, периодически меняют его от 0° до +ψ°. Это происходит за счет того, что в движении судна на сжатом пневмопотоке включает соосный импеллер 3, расположенный и закрепленный в носовой части в нише судна корпуса 4 крепления его, подают воздушную смесь высокого давления через сопло импеллера в корпусе в сторону закрытого переходного участка 5, далее часть воздуха поступает в конфузор-сопла 6 вниз через перфорированные отверстия 7 (например, в шахматном порядке выполнения) в сторону поверхности льда, а большая часть воздуха потока выходит при этом в сторону открытого пневмоканала 8 под днище корпуса судна, огражденного с боков боковыми скегами. Отверстия 7 воздушные могут быть выполнены в шахматном порядке. Возбуждение ИГВ для разрушения льда, формируется потоком сжатого воздуха при столкновении с преградой в виде опущенного вниз ковша 9 реверса, закрепленным на оси 10 вращения на кромке сзади кормы.

Осуществляют сдувание вначале снежного покрова и одновременного пограничного сверху слоя льда в сторону направления кормовой части судна, увеличивают скорость потока воздуха, в месте расположения опущенного вниз ковша 10 реверса, оставляя при этом проходной канал между поверхностью льда для выхода части сжатого воздуха в атмосферу, при создании одновременно тягового усилия в движении судна на сжатом пневмопотоке. При этом в конце кормы судна также закрепляют рули 11 управления экипажем. Ковш реверс 9 регулируют плавно поворотом максимально до 90° опусканием вниз с помощью тяги (не показано) экипажем в сторону льда. При этом ковш 9 реверс выполнен с отогнутыми во внутрь боковыми стенками, что перекрывает и всю ширину проходного снизу канала сзади кормы в сторону льда, а высота проходного канала, соответственно уменьшена для возможного выхода сжатого потока в атмосферу, что вызовет увеличение высоты ИГВ до, значения максимального h, т.е. повысит ледоразрушающую способность при резонансной скорости V_p Очевидно, что такое положение поворота ковша реверса вниз в сторону льда увеличит толщину льда разрушения до большего, в течение времени, равном половине периода этих волн.

Следует здесь также полезно привести возможный вариант выполнения конструктивно ковша 12, когда его криволинейная форма выпуклой поверхности может быть выполнена с щелевыми отверстиями. Этот эффект также хорошо известен при рассмотрении его в авиации закрылок на конце крыла, заключающийся в том, что струя газа, истекающая из щели под углом к поверхности, близка к нулю «прилипает» к выпуклой стороне поверхности и отклоняется вместе с ней на значительный угол (фиг. 4). Теряя кинетическую энергию на трение, струя газа, пройдя некоторый путь вдоль поверхности, отрывается от нее. Для создания непрерывного обтекания и поворота струи газа надо пополнять энергию поверхностного слоя газа, выполнив огибающую поверхность многощелевой (в авиации бывают двух и трех щелевые закрылки самолетов). Это в целом для конструкции ковша реверса позволяет обеспечить центробежную сепарацию воздуха и снижение запыленности (заснежности), т.е. уменьшения попадания снега, оторванных льдинок льда в сторону сверху кормы судна на платформу, а также, в частности торможения судна ковшом реверса. Следует отметить положительно то, что угол секторов разбит рационально α=15-30°. Таким образом, и для варианта выполнения (фиг. 4) конструкция ковша реверса соответствует суммарному возбуждению дополнительных резонансных ИГВ (в прототипе не известно), т.е. повышает ледоразрушающую способность судна на сжатом пневмопотоке, в целом позволит достичь заявленный технический результат.

Изобретение относится к области судостроения. Способ разрушения ледяного покрова судном на сжатом пневмопотоке заключается в возбуждении во льду изгибно-гравитационных волн при движении судна надо льдом с резонансной скоростью. В процессе движения судна канал, сформированный в кормовой оконечности судна, с помощью ковша реверса перекрывают по ширине. Перекрытие осуществляют периодически с частотой, равной частоте резонансных изгибно-гравитационных волн, в течение времени, равного половине периода этих волн. Во время движения судна дополнительно осуществляют сдувание снежного покрова и пограничного сверху слоя льда под днищем корпуса судна с боковыми скегами с помощью соосного импеллера. Импеллер расположен внутри корпуса в нише носовой части судна. Дополнительно располагают в нижней носовой части судна конфузор-сопло с аэрационными воздушными отверстиями и образуют в целом подъемную силу вверх надо льдом, формирующуюся сначала в носовой части судна. Достигается увеличение толщины разрушаемого ледяного покрова. 4 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 канал, сформированный в кормовой оконечности судна, с помощью ковша реверса перекрывают по ширине, при этом перекрытие осуществляют периодически с частотой, равной частоте резонансных изгибно-гравитационных волн, в течение времени, равного половине периода этих волн, причем во время движения судна дополнительно осуществляют сдувание снежного покрова и пограничного сверху слоя льда под днищем корпуса судна с боковыми скегами с помощью соосного импеллера, расположенного внутри корпуса в нише носовой части судна, при этом дополнительно располагают в нижней носовой части судна конфузор-сопло с аэрационными воздушными отверстиями и образуют в целом подъемную силу вверх надо льдом, формирующуюся сначала в носовой части судна.