СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА СУДНОМ НА СЖАТОМ ПНЕВМОПОТОКЕ Российский патент 2024 года по МПК B63B35/08 B60V1/14 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к судам на сжатом пневмопотоке совмещенными со шнековыми движителями с двух сторон судна и разрушающими ледяной покров резонансным способом.

Уровень техники известен из способа разрушения ледяного покрова резонансными изгибо-гравитационными волнами (ИГВ), возбуждаемыми при перемещении судном на сплошном льду с резонансной скоростью. При его осуществлению во время движения два судна одновременно перемещаются в одном направлении на расстоянии друг от друга вдоль кромки льда по сплошному льду с резонансной скоростью. Это увеличивает высоту ИГВ при движении одновременно друг за другом двух судов и уровень изгибных напряжений на поверхности льда (1. RU №2725458 - принят автором и заявителем за прототип).

Недостатком способа является ограниченность высоты ИГВ, т.е. их ледоразрушающая способность.

Сущность изобретений заключается в разработке способа увеличения высоты возбуждаемых ИГВ.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в комплексном подходе в увеличении толщины разрушаемого ледяного покрова, а также и для мелководья.

Существенные признаки, характеризующие изобретение:

Ограничительные: ледяной покров разрушают в движении судна покромке с накреном в сторону свешивания его ограждения в выбранном направлении путем возбуждения во льду изгибно-гравитационных волн.

Отличительные: ледяной покров разрушают судном на сжатом пневмопотоке в комплексе работы шнековых движителей с двух сторон судна путем возбуждении во льду изгибно-гравитационных волн при движении судна в целом на сплошном льду с резонансной скорость, при этом во время движения судна сжатом пневмопотоке, кроме сдувания снега под днищем между боковыми скегами судна, одновременно осуществляют отталкивание ударами вращающегося сбоков шнековых движителей о лед по краю кромки льда с одной стороны, а с другой стороны, за счет свешивания под наклоном в сторону открытой поверхности воды в движении, при этом корма судна на сжатом пневмопотоке дополнительно имеет закрепленные также рулевые устройства, выполненные левого и правого шнеков, V-образно спаренных и управляемых с помощью экипажа судна.

Известно (2. Козин В.М., Земляк В.И. Физические основы разрушения ледяного покрова резонансным методом - Комсомольск-на Амуре: ИМиМ ДВО РАН, ПГУ им. Шолом-Алейхема, Ам ГПГУ, 2013. - 250 с), что процесс разрушения ледяного покрова СВП резонансным методом начинается под судном, а окончательная фаза наступает за кормой, т.е. вместе формирования первой, самой глубокой подошвы ИГВ.

Известно (3. Павленко Г.Е. Сопротивление воды движению судов. М.: Морской транспорт, 1956, - 508 с.), что на мелководье при критической скорости V_k, равной где q - ускорение силы тяжести; Н - глубина водоема. Расходящиеся и поперечные волны совмещаются, образуя одну ярко выраженную поперечную волну максимальной амплитуды и движущуюся впереди судна.

Известно (34. Д.Е. Хейсин. Динамика ледяного покрова - Л, Гидрометиоиздат, 1967. - 216 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 на сплошном сверху ледяного покрова создавать дополнительно давление одновременно с ударами и сдувание снега с частотой резонансных ИГВ, то это приведет к возбуждению над ледяным покровом дополнительных к основным (от поступательного комплекса в целом судна на сжатом пневмопотоке с движителями шнекового движения) резонансных ИГВ. Для их благоприятной интерференции, т.е. достижения максимального периодического возрастая высоты суммарных ИГВ, необходимо время воздействия всех сил, возбуждающих дополнительные ИГВ равнялось половите периода Т основных резонансных ИГВ, величину которого можно определить, а на мелководье скорость резонансных ИГВ - V_p в ледяном покрове также равна где q - ускорение силы тяжести; Н - глубина водоема

При движении предложенного судна над ледяным покровом, а также на краю кромки льда судно может иметь определенный наклон в сторону водной поверхности с заданным углом, опусканием шнековым движителем с левым или правым по ходу движения со стороны кромки льда, один из которых постоянно движется вместе с судном на сжатом пневмопотоке над ледяным покровом, достигая крейсерской скорости. В прототипе данное движение опасно и может привести к опрокидыванию висящего участка судна в движении.

Вследствие такого движения шнековые движители выполнены с гидравлическим приводом объемного действия и приводятся в действие от самостоятельного двигателя внутреннего сгорания, причем длина и гибкость которых связана с размерами гидравлического привода, позволяет шарнирно и на тягах опускать или наоборот поднимать один из шнековых движителей сбоку над поверхностью воды судна на сжатом пневмопотоке.

Расположение выхода канала под днищем корпуса судна между боковыми скегами, формирует вихри и выхода сжатого воздуха в сторону кормы, при этом шнековые движители с боков судна приводят дополнительно к вибрации на поверхности льда и шума по льду, с другой стороны, опущенный шнековый движитель на поверхность воды при обтекании его формы формирует также вихревые волновые явления. В целом, каждый из элементов в комплексе судна создает достаточно большие возбуждения резонансных ИГВ, по сравнению с прототипом, максимальной высоты при движении универсального предложенного судна, т.е. ледоразрушающая способность возрастает. Если и это не приведет к разрушению льда, то сдувание с одной стороны покрова снега и удары о лед, а с другой стороны волнение на воде, осуществляют периодически с частотой равной резонансных ИГВ, в течение времени, равном половине этих волн. В результате к основным ИГВ, возбуждаемых от поступательного движения шнековых движителей и 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 на ледяном покрове, т.е. повышению эффективности его разрушению.

Кроме того, наличие управляемости судном на сжатом пневмопотоке с помощью рулевых шнековых устройств экипажем и, также дополнительно расширяют возможность со стороны кормы судна создание для амплитуды возбуждаемого ими гравитационной волны ИГВ. Под днищем корпуса судна опорная поверхность сжатого воздуха повышенного давления и вес всех устройств, а это давит на поверхность ледяного покрова.

Таким образом, суда, имеющие большую ширину попутного потока при прочих равных условиях с аналогичными судами, имеют большое волновое сопротивление, т.е. возбуждают волны большей высоты. Использован метод сдувания пограничного слоя в направлении, ориентированном противоположно направлению всего судна 8 целом.

Поверхность ледяного покрова, кроме этого, за счет конструкции устройства шнекового движителя, увеличивает массу разбивки льда и снега, сдувает далее, а корма тоже в работе давит на лед и крошит его, уменьшая толщину ледяного покрытия, способствуя дополнительным резонансовых ИГВ в совокупности с работой всего судна на сжатом пневмопотоке, создаваемым под днищем судна и, в целом, имеют достаточную силу для возбуждения общих резонансовых ИГВ максимальной высоты при движении судна. Такая необходимость очевидна из конструктивных соображений предложения судна, не только в прямолинейном движении, но и при маневрировании (управления) судном на краю кромки льда или суммарный ИГВ в местах пересечения таких фронтов (продольных и поперечных волн) возрастает, соответственно, образуя большие каверны по ходу движения судна по льду и кромке его с навесом касания на поверхность воды с одной стороны.

Возможно быстрое торможение судна, а значит, также увеличит нагрузку на ледяной покров с помощью управления экипажа судном на сжатом пневмопотоке по сравнению с аналогами. Экипаж может осуществлять одновременно несколькими операциями по движению судна быстро и оперативно.

Расстояние шнековых движителей со стороны боковых сторон судна на сжатом пневмопотоке выполняют с помощью размерных гидроприводов объемного действия опускания или подъема, что широко известно в механике любых строительных работ машин, рассчитывается конкретно для своего случая назначения и действия в поступательном движении. Судно проходит надежно по всем неровностям и перекатам.

Не раскрывая подробности работы (это не входит в изобретение) управления рулевыми шнеками экипажа, можно отметить, что их управление по льду также дополнительно вызывает резонансные колебания ИГВ.

Сжатый воздух, образующийся под днищем судна, огражден сбоков боковыми скегами выходит в сторону направления открытой части кормы, при этом одновременно сжатый воздух давит на ледяной покров и сдувает весь снежный покров, усиливая также резонансные ИГВ (в аналогах это отсутствует вообще).

Рулевые поворотные устройства сзади кормы в виде сдвоенных V-образных шнеков, могут работать как вместе, так и по отдельности (раздельно), которые сверху перекрываются изогнутыми козырьками по их дине. Маневренность судна при этом обеспечивается их поворотом в ту или иную сторону посредством закрепления вертикальных осей в реверсивных мотор-редукторах, расположенных сверху на палубе судна, команда выполняется экипажем судна.

Судно на сжатом пневмопотоке способно делать остановку в любом месте его расположения, выходить на лед или на воду. Шнеки выполнены с заданной круткой лопастей (движителей) и присоединяются к ступицам, соответственно, к выходам левого и правого, реверсивных мотор-редукторов скорости и реверса направления оборотов с центрами своих вертикальных осей управления (не показано для упрощения).

Такое крепление устройств позволяет менять угловое положение шнеков с элементами, а это связано с рулевой колонкой экипажа.

Теоретическая часть также раскрывает конструкция шнековых движителей и может иметь при оборотах большую тягу и скорость за счет получения эффективности от увеличения ометанной поверхности (площади) движителей.

Конструкция сдвоенных шнеков в конце кормы V-образной формы является одновременно (кроме поворота судна вправо или влево) движителем вперед, создавая в работе вибрацию на толщину льда сзади судна, и возникновение дополнительных резонансных ИГВ, а в сумме с другими устройствами, наложение этих волн на основные приводит к возрастанию высоты суммарных ИГВ и, соответственно, - изгибных напряжений в ледяном покрове, т.е. повышению эффективности его разрушения.

Поворот судно на сжатом пневмопотоке может осуществляться в любую сторону и торможение вплоть до остановки через поворот мотор-редуктора вокруг их вертикальных осей. Возможна работа по отдельности устанавливать углы поворота шнеков относительно центральной оси судна на заданные углы поворота. Когда оси движителей расположены параллельно центральной оси судна, т.е. углы α=0, а максимальная будет при углах α=45°, все это управление выполняется по команде экипажа (центральная система управления судном). Более крутой поворот судна можно осуществить, если один шеек остановить и придать реверсивное вращение другому и, когда оба шнековых движителей сдвинуты вместе в одну сторону от центральной оси при согласованном их вращении. Если данным шнековым движителям придать в обратную сторону вращение с помощью мотор-редуктора, то это позволить судну двигаться назад (задний ход), возможно, создать и маневрирование при причаливании судна к причалу (пирса).

Таким образом, все перечисленные выше манипуляции с взаимно расположенными шнековых движителей, их диапазон в создании оборотов вращения и направлении вращения надводному судну в целом создают универсальность по сравнению с известными аналогами судов в данном направлении применения.

Устройство шнековых движителей имеет место устранить ряд технических противоречий, присущих обычным винтовым судам (Дорогостойкий Д.В. Теория и устройство судов).

Следует затронуть вопрос о маневренности такого судна. Известно, что необходимо учитывать также параметр «выбега» судна. В известной литературе (Жинкин В.Б. Теория устройства корабля. - СПб. 2000. С. 192) указывается «…Основные характеристики маневровых качеств судна при реверсе: время и путь выбега - расстояние, проходимое судном до полной остановки…».

Следует также отметить, что сплошная винтовая линия шнека при работе на воде меньше создает вибрации и шума (подводные суда). Все параметры рассчитываются в известной специальной литературы, также как и для подводных судов (винтовая лопасть по форме, радиус кольца поверхности, стыковка ступиц, стационарные сверху козырьки, которые в данном случае защищают от брызг, длина винтовой линии, шаг ее и т.д.).

Изобретение поясняется графически, где на фиг. 1 показана принципиальная схема судна на сжатом пневмопотоке с погружным шнековым движителем, вид сверху; на фиг. 2 показан вид на расположение судна на ледяном покрове, вид сверху; на фиг. 3 показан вид сбоку в разрезе на судно; на фиг. 4 показано положение судно относительно кромки льда с креном; на фиг. 5 - вид сзади.

На ледяном покрове 1 начинает движение судно на сжатом пневмопотоке с погружным шнековым движителем начинают перемещать с резонансной скоростью V_p, которое содержит корпус 2 судна и включает соосный импеллер 3, содержащий корпус 4, вращение винта соосного импеллера 3 происходит с помощью силового привода от основного двигателя внутреннего сгорания 5, размещенного в передней (носовой) части корпуса 2 и имеет продолжение переходного участка 6 с образованием сопла в виде закрытого участка пневмоканала 7. В результате этого увеличивается давление воздуха в сторону под днище открытого пневмоканала 8, ограниченного боковыми скегами 9. Таким образом, основной двигатель внутреннего сгорания 5 использован для приведения в действие импеллера 3 и реализации захвата и выравнивания воздуха в сторону закрытого участка пневмоканала 7, создание прямолинейного движения для тягового усилия судна посредством поступления его под днище открытого пневмоканала 8.

По бокам бортов судна 2 установлены и закреплены левый и правый шнековые движители 10, 11 (дальше по тексту шнеки) с заданной закруткой лопастей, присоединенные к ступицам 12, соответственно, к выходам левого и правого, реверсивных мотор-редукторов 3, 14, скорости и реверса направления оборотов с центрами их поворота вокруг своей вертикальной оси 15, осуществляемым дополнительным левым и правым реверсивными мотор-редукторами 16, 17, подключенными к центральной системе управления 18 шнековыми движителями 10, 11 и связанных дополнительно с малым двигателем внутреннего сгорания 19, который использован для приведения в действие всех средств реализации тягового усилия шнеков 10, 11 посредством отталкивания от различных сред (лед, вода). В данном случае средства реализации тягового усилия шнеков 10, 11 является дополнением к тяге судна на сжатом пневмопотоке от соосного импеллера 3, и создают амплитуду возбуждаемых судном и шнеком по ледяной поверхности со скоростью V_p максимальное возбуждение волн, а перемещение по свободной (чистой) воде 20 со скоростью V_p одного из шнеков, амплитуда возбуждаемых им гравитационной волны будет накладываться под подошву ИГВ, что будет приводить и к заливанию водой подошвы ИГВ, ледяной покров 1 и, например, с левым 10 или правым 11 шнеков по ходу движения, т.е. один из шнеков (10 или 11) будет накренен в сторону его свешивания за счет возможного входа в контакт с водной средой путем опускания с помощью удлиненного подъемного механизма в виде гидравлического привода объемного действия (удлинение такое можно наблюдать, например, у различных марок машин дорожного строительства, и под разным углом наклона), приводимого в действие от малого двигателя внутреннего сгорания 19. Таким образом, происходит подъем или опускание шнековых движителей 10, 11 на любой заданный угол, что описано также выше.

Гидравлический привод выполнен с реверсивными мотор-редукторами 13, 4 с возможностью регулирования частоты и/или направления вращения шнеков в ту или иную сторону, а значит, и в отношении средств реализации тягового усилия посредством взаимодействия шнеков с одной стороне на ледяном покрове, а с другой стороне на воде 20, и отталкивания от различных сред с учетом движения корпус 2 судна на сжатом пневмопотоке. При этом, дополнительно передняя часть шнека в воде и на льду, имея угловой уступ с острой кромкой, прикрытый сверху стационарным козырьком 21, 22 по их длине, формирует также цилиндрический вихрь, в частности на воде, ось вращения которого совпадает с расположением оси шнека и совпадает с направлением движения судна. Это условие вихря дополнительно обеспечивает распространение волны под подошву льда, что дополнительно вызовет увеличение высоты ИГВ, т.е. повысит ледоразрушающую способность судна. Судно при этом может совершить минимальное количество проходов, по сравнению с прототипом, и достаточное для достижения максимальной степени разрушения ледяного покрова при минимальных энергозатратах общего для судна.

Следует отметить, что рулевое устройство на корме судна закрепляют в виде установленных левого и правого, V-образно спаренных шнеков 23, 24, которые сверху прикрывают также стационарными изогнутыми козырьками 25, 26 по их длине. Шнеки 23, 24 с заданной закруткой лопастей (движители) присоединяют к ступицам 27, соответственно к выходам левого и правого, реверсивных мотор-редукторов 28, 29 скорости и реверса к электрической части блока 30 управления приводами мотор-редукторов, который соединен с центральной системой управления 18 с дополнительным малым двигателем внутреннего сгорания 19 для приведения в действие с помощью отбора мощности с применением конструкции горизонтальной рейки (не показано), выполненной поверху судна в виде зубчатых выступов, и связанных силовым приводом с левым и правым мотор-редукторов 31, 32 углового положения. Таким образом, также дополнительно ледяной покров сзади при перемещении судна на сжатом пневмопотоке с резонансной скоростью, обеспечивает динамическую нагрузку и режет ледяной покров (работа схода со шнеком, расположенным сбоку борта судна, идущий по ледяному покрову - без накрена) до заданного углубления, затем одновременно сдувания сжатым воздухом при скоростях движения судна и управления рулевым устройством, соответственно, происходит возбуждение дополнительных резонансных ИГВ, т.е. за счет вращающихся рулевых устройств 23, 24.

Данная совокупность предлагаемого технического решения обладает хорошими ходовыми характеристиками судна при совмещении работы обоих двигателей внутреннего сгорания, приводящих в движение судно на сжатом пневмопотоке, а также все шнековые движители для создания амплитуды возбуждения волн для разрушения льда, когда амплитуда результирующих ИГВ накладываются друг на друга, т.е. приводит к возбуждению в ледяном покрове и на кромке льда. Где накреняют в сторону свешивания одно из шнековых движителя в воду (судно выполнено, как одно целое) дополнительной системы волновых систем будет обеспечена расположением, как само судно на сжатом пневмопотоке, так и его связь с боковыми шнековыми движителями с лева и с права, что обеспечивает повышенную ледоразрушающую способность судна, т.е. достичь заявленный технический результат. Если и это не приведет к разрушению льда, то вихри формируют периодически с частотой резонансных ИГВ в течение времени равном половине периода этих волн. В результате высота суммарных волн будет периодически возрастать до максимальных ИГВ.

Таким образом, применение только одного цельного судна с предложенными устройствами увеличивает интерференции ИГВ амплитуды суммарных волн, повысить экономичность и надежность судна на сжатом пневмопотоке с погружным шнековым движителем, как на льду, так и на кромке льда и на мелководье.

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 в возбуждении во льду изгибно-гравитационные волны при движении судна надо льдом с резонансной скоростью. По бокам бортов судна устанавливают и закрепляют левый и правый шнековые движители, у которых с передних частей имеется угловой уступ с острой кромкой, прикрытый сверху стационарным козырьком по их длине. На судне размещают соосный импеллер, который нагнетает воздух в канал в сторону под днище открытого пневмоканала, ограниченного боковыми скегами, где сжатый воздух выходит в сторону направления открытой части кормы судна, для сдувания покрова снега, а шнековые движители с боков судна приводят дополнительно к вибрации на поверхности льда и шума по льду. Опущенный шнековый движитель на поверхность воды при обтекании его формы формирует также вихревые волновые явления, которые осуществляют периодически с частотой, равной резонансных изгибно-гравитационных волн, в течение времени, равного половине времени периода этих волн. Достигается увеличение высоты возбуждаемых волн при возможной критической скорости движения судна на сжатом пневмопотоке по сплошному льду и увеличение его разрушаемой толщины посредством интерференции резонансных изгибно-гравитационных волн. 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 по бокам бортов судна устанавливают и закрепляют левый и правый шнековые движители, у которых с передних частей имеется угловой уступ с острой кромкой, прикрытый сверху стационарным козырьком по их длине, также на судне размещают соосный импеллер, который нагнетает воздух в канал в сторону под днище открытого пневмоканала, ограниченного боковыми скегами, где сжатый воздух выходит в сторону направления открытой части кормы судна, для сдувания покрова снега, а шнековые движители с боков судна приводят дополнительно к вибрации на поверхности льда и шума по льду, где опущенный шнековый движитель на поверхность воды при обтекании его формы формирует также вихревые волновые явления, которые осуществляют периодически с частотой равной резонансных изгибно-гравитационных волн, в течение времени, равного половине времени периода этих волн.