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 резонансных изгибно-гравитационных волн при движении подводного судна с резонансной скоростью и создании под ледяным покровом как области пониженного давления посредством центробежных сил, так и области повышенного давления посредством центростремительных сил от вращения крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна в месте расположения вершины изгибно-гравитационной волны. Центробежные силы возбуждают прямым вращением крыльчатки, а центростремительные - изменением направления вращения крыльчатки на противоположное. Изменение направления вращений крыльчатки осуществляют неоднократно и периодически с удвоенной частотой резонансных изгибно-гравитационных волн. Продолжительность прямого и противоположного вращений 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 разрежения (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 как область пониженного давления посредством центробежных сил, так и область повышенного давления посредством центростремительных сил от вращения крыльчатки, при этом центробежные силы возбуждают прямым вращением крыльчатки, а центростремительные - изменением направления вращения крыльчатки на противоположное, причем изменение направления вращении крыльчатки осуществляют неоднократно и периодически с удвоенной частотой резонансных изгибно-гравитационных волн, а продолжительность 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 первая подошва прогрессивных ИГВ формируется 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 подошвой 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, равном 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 подошву основных резонансных ИГВ будет накладываться подошва дополнительных резонансных ИГВ. Таким образом, возникнет наиболее эффективная своеобразная дополнительная к основным ИГВ раскачка ледяного покрова.

Способ осуществляется следующим образом.

Под ледяным 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. Как показали опыты [1], место расположения подошвы волны практически не зависит от скорости судна заглубления и толщины льда и определяется лишь геометрией корпуса. При этом крыльчатку вращают вначале в одном (прямом) направлении, а затем в противоположном. В прямом направлении дополнительная крыльчатка возбуждает центробежные силы, т.е. под подошвой основных ИГВ возникнет область разрежения, а при противоположном - центростремительные, т.е. под подошвой основных ИГВ возникнет область повышенного давления. Изменение направления вращении крыльчатки осуществляют неоднократно и периодически с удвоенной частотой резонансных ИГВ, а продолжительность прямого и противоположного вращений обеспечивают в течение времени, равном 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 крыльчатки вызовет появление периодических центробежных и центростремительных сил, т.е. к возникновению под подошвой основных ИГВ соответственно периодически возникающих областей пониженного и повышенного давлений. В свою очередь, это приведет к генерации в области подошвы основных резонансных ИГВ дополнительной системы резонансных ИГВ. Периодическое наложение дополнительных ИГВ в фазе на основные ИГВ (т.е. через время Т подошвы 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 включают крыльчатку 4, предварительно установленную в верхней части корпуса судна в месте расположения подошвы волны 5. При этом крыльчатку 4 вращают вначале в одном направлении, а затем в противоположном. Периодическое изменение направления вращения крыльчатки 4 приведет к периодическому появлению области пониженного и повышенного давлений 6 за счет появления соответственно центробежных 7 и центростремительных 8 сил, что вызовет во льду возбуждение дополнительных резонансных ИГВ 9. Наложение дополнительных ИГВ 9 на основные ИГВ 3 (показано наложение в фазе) вызовет суммирование их амплитуд (профиль ИГВ 10).

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 как область пониженного давления посредством центробежных сил, так и область повышенного давления посредством центростремительных сил от вращения крыльчатки, 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.

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

РИСУНКИ

Рисунок 1