Способ разрушения ледяного покрова

 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к подводным судам, разрушающим ледяной покров резонансными изгибно-гравитационными волнами. Способ разрушения ледяного покрова заключается в возбуждении во льду изгибно-гравитационных волн при его движении с резонансной скоростью и созданием области пониженного давления под подошвой изгибно-гравитационной волны посредством центробежных сил от вращения крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна. Одновременно с этим под ледяным покровом дополнительно создают как область пониженного давления посредством центробежных сил, так и область повышенного давления посредством центростремительных сил от вращения дополнительной крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна в месте расположения вершины изгибно-гравитационной волны. Изменение направления вращении дополнительной крыльчатки осуществляют неоднократно и периодически с удвоенной частотой резонансных изгибно-гравитационных волн, продолжительность прямого и противоположного вращений дополнительной крыльчатки равна полупериоду резонансных изгибно-гравитационных волн. Достигается повышение эффективности разрушения льда. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области судостроения, в частности к подводным судам, плавающим в ледовых условиях и разрушающим ледяной покров резонансным способом при всплытии в сплошном льду.

Уровень техники известен из способа разрушения ледяного покрова резонансными изгибно-гравитационными волнами (ИГВ), возбуждаемыми подводным судном (1. В.М. Козин, А.В. Онищук "Модельные исследования волнообразования в сплошном ледяном покрове от движения подводного судна". - ПМТФ, Новосибирск, Изд-во "Наука", 1994. - 2. С. 78-91), в котором предлагается разрушать ледяной покров подводным судном путем возбуждения изгибно-гравитационных волн при его движении с резонансной скоростью ν_p, т.е. со скоростью, при которой амплитуда возбуждаемых ИГВ максимальна.

Также известно техническое решение (2. RU 2170687 С1, 15.03.2000), в котором для повышения эффективности разрушения льда предлагается создавать под ледяным покровом в месте расположения впадины (подошвы) изгибно-гравитационной волны разряжения (области пониженного давления) посредством центробежных сил от вращения крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна.

Недостатком способов является недостаточное увеличение амплитуды ИГВ, т. е. ледоразрушающей способности судна, при его движении с резонансной скоростью.

Сущность изобретения заключается в разработке способа увеличения амплитуды ИГВ.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности разрушения льда подводным судном.

Существенные признаки, характеризующие изобретение.

Ограничительные: ледяной покров разрушается подводным судном путем возбуждения во льду резонансных ИГВ при его движении с резонансной скоростью и создания области пониженного давления под ледяным покровом в месте расположения подошвы изгибно-гравитационной волны посредством центробежных сил от вращения крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна.

Отличительные: под ледяным покровом создают дополнительно как область пониженного давления посредством центробежных сил, так и область повышенного давления посредством центростремительных сил от вращения крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна в месте расположения вершины изгибно-гравитационной волны, при этом центробежные силы возбуждают прямым вращением крыльчатки, а центростремительные - изменением направления вращения крыльчатки на противоположное, причем изменение направления вращений крыльчатки осуществляют неоднократно и периодически с удвоенной частотой резонансных изгибно-гравитационных волн, а продолжительность прямого и противоположного вращений крыльчатки равна полупериоду резонансных изгибно-гравитационных волн, при этом лопатки крыльчатки имеют криволинейную форму, характерную для лопаток центробежных насосов.

Известно [1], что зарождение системы ИГВ происходит непосредственно над его источником (подводным судном). Поэтому вносимые в поток возмущения в области генерации ИГВ окажут прямое воздействие на процесс их развития. Поскольку первые вершина и подошва прогрессивных ИГВ формируются над корпусом судна [1], то появляется возможность воздействовать на реакцию упругого основания (воды) от деформирования ледяного покрова в пределах длины судна.

Также известно (3. Д.Е. Хейсин. Динамика ледяного покрова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967. - 218 с.), что приложение периодической динамической нагрузки к ледяному покрову с частотой, равной частоте резонансных ИГВ, значительно увеличивает деформации ледяного покрова по сравнению с такой же по интенсивности нагрузкой, но приложенной стационарно. Объясняется это тем, что при таких воздействиях возникают резонансные ИГВ.

Таким образом, если под вершиной прогрессивных ИГВ, возникших от поступательного движения подводного судна, т.е. основных резонансных ИГВ, создавать периодически области пониженного и повышенного давлений с удвоенной частотой резонансных ИГВ, а продолжительность создания каждых этих областей обеспечивать в течение времени, равного полупериоду резонансных ИГВ, то это приведет к возбуждению в ледяном покрове дополнительной системы резонансных ИГВ. При этом период резонансных ИГВ Т можно определить по зависимости [3]: где D - цилиндрическая жесткость льда; ρ_л - плотность льда; h - толщина ледяного покрова; g - ускорение силы тяжести.

В этом случае на основные ИГВ периодически в фазе будут накладываться дополнительные ИГВ, т.е. через время Т на вершину основных резонансных ИГВ будет накладываться вершина дополнительных резонансных ИГВ. Таким образом, возникнет наиболее эффективная своеобразная дополнительная к основным ИГВ раскачка ледяного покрова.

Способ осуществляется следующим образом.

Под ледяном покровом на заданном заглублении начинают перемещать подводное судно со скоростью ν_p для возбуждения основных резонансных ИГВ. Если амплитуда этих волн окажется недостаточной для разрушения ледяного покрова, то включают крыльчатку, предварительно установленную в верхней части корпуса судна в наиболее вероятном месте расположения подошвы волны и создающую область пониженного давления посредством центробежных сил. Как показали опыты [1] , место расположения подошвы волны практически не зависит от скорости судна, заглубления и толщины льда и определяется лишь геометрией корпуса. Если и после этого разрушения льда не произойдет, то включают дополнительную крыльчатку, также расположенную в верхней части корпуса судна в наиболее вероятном месте расположения вершины ИГВ (это место также определяется геометрией судна). При этом дополнительную крыльчатку вращают вначале в одном (прямом) направлении, а затем - в противоположном. В прямом направлении дополнительная крыльчатка возбуждает центробежные силы, т.е. под вершиной основных ИГВ возникнет область разряжения, а при противоположном - центростремительные, т. е. под подошвой основных ИГВ возникнет область повышенного давления. Изменение направления вращений дополнительной крыльчатки осуществляют неоднократно и периодически с удвоенной частотой резонансных ИГВ, а продолжительность прямого и противоположного вращении обеспечивают в течение времени, равного полупериоду резонансных ИГВ, т.е. Т/2. Процесс периодического изменения направления вращений крыльчатки продолжают в течение всего времени выполнения ледокольных работ.

Периодическое изменение направления вращения дополнительной крыльчатки вызовет появление периодических центробежных и центростремительных сил, т.е. к возникновению под вершиной основных ИГВ соответственно периодически возникающих областей пониженного и повышенного давлений. В свою очередь, это приведет к генерации в области вершины основных резонансных ИГВ дополнительной системы резонансных ИГВ. Периодическое наложение дополнительных ИГВ в фазе на основные ИГВ (т.е. через время Т вершины основных и дополнительных ИГВ наложатся друг на друга) вызовет суммирование их амплитуд. В результате амплитуда суммарных ИГВ возрастет, что повысит эффективность разрушения льда.

На чертеже показана схема реализации изобретения. Под ледяным покровом 1 на заданном заглублении Н начинают перемещать подводное судно 2 со скоростью ν_p. Если амплитуда возбужденных основных резонансных ИГВ 3 окажется недостаточной для разрушения ледяного покрова 1, то под первой впадиной 4 прогрессивных ИГВ 3 создают область пониженного давления 5 за счет вращения крыльчатки 6 и появления соответствующих центробежных сил 7. Понижение давления под впадиной 4 приведет к росту амплитуды основных ИГВ (профиль ИГВ 8).

Если и после этого разрушения льда не произойдет, то периодически включают дополнительную крыльчатку 9, расположенную под вершиной 10 основных ИГВ 3. Периодическое изменение направления вращения дополнительной крыльчатки 9 приведет к периодическому появлению области пониженного и повышенного давлений 11 за счет появления соответственно центробежных 12 и центростремительных 13 сил, что вызовет во льду возбуждение дополнительных резонансных ИГВ 14. Наложение дополнительных ИГВ 14 на ИГВ 8 (показано наложение в фазе) вызовет суммирование их амплитуд (профиль ИГВ 15).

Формула изобретения

1. Способ разрушения ледяного покрова подводным судном путем возбуждения во льду резонансных изгибно-гравитационных волн при его движении с резонансной скоростью и создания области пониженного давления под ледяным покровом в месте расположения подошвы изгибно-гравитационной волны посредством центробежных сил от вращения крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна, отличающийся тем, что под ледяным покровом создают дополнительно как область пониженного давления посредством центробежных сил, так и область повышенного давления посредством центростремительных сил от вращения дополнительной крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна в месте расположения вершины изгибно-гравитационной волны, при этом центробежные силы возбуждают прямым вращением дополнительной крыльчатки, а центростремительные - изменением направления вращения дополнительной крыльчатки на противоположное, причем изменение направления вращения дополнительной крыльчатки осуществляют неоднократно и периодически с удвоенной частотой резонансных изгибно-гравитационных волн, а продолжительность прямого и противоположного вращения дополнительной крыльчатки равна полупериоду резонансных изгибно-гравитационных волн.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что лопатки дополнительной крыльчатки имеют криволинейную форму, характерную для лопаток центробежных насосов.

РИСУНКИ

Рисунок 1