Ледокольное судно

Изобретение относится к судостроению, в частности к ледокольным судам. Ледокольное судно состоит из надводной части, включающей систему управления, привод фрез, пассажирский салон; подводной части, включающей отсеки для воздуха, топлива, движителя судна; двух боковых частей, содержащих систему коммуникаций, гидропривод перемещения в вертикальной плоскости надводной части относительно подводной и имеющих спереди клинья для врезания и ломки льда. Передние конструкции надводной и подводной частей спроектированы таким образом, что ледяная пластина, заходящая между ними, разрушается от возникающих напряжений изгиба. Технический результат заключается в повышении скорости прохождения судна по водной акватории, покрытой ледяным покровом, при относительном снижении энергозатрат на разрушение льда. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к судостроению, в частности к ледокольным судам, разрушающим лед механическим методом.

Известно устройство (1. Богородский В.В., Гаврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Методы, технические средства. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 232 с. Стр.49 - Ледорез, сконструированный специалистами США), представляющее собой понтон с прямой носовой частью, где установлены вертикальные фрезы, "которые при движении судна прорезают в ледяном поле три продольные щели, в результате чего образуются две консольные балки", которые ломаются наклонной частью днища. Ломаный лед проходит под корпусом и разводится под кромкой ненарушенного ледяного покрова благодаря V-образной форме киля. Таким образом устройство оставляет за собой чистый ото льда канал.

Недостатками известного устройства является небольшая скорость их продвижения во льду [1] вследствие малой эффективности применения фрез для разрушения ледяного поля. Кроме того, вызывает сомнение беспрепятственное перемещение льда большой толщины (до 1 м) под корпусом судна и его удаление под кромку ненарушенного ледяного покрова.

Задача заявляемого изобретения заключается в обеспечении продвижения ледокольного судна в водной среде, покрытой ледовой коркой толщиной до 1 м, со скоростью до 30 км/ч.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в повышении скорости прохождения судна по водной акватории, покрытой ледяным покровом, при относительном снижении энергозатрат на разрушение льда, продление навигации в весеннее и осеннее время года.

Требуемый результат достигается путем разработки устройства, ломающего лед по наименьшему сопротивлению и пропускающему ломаные плиты льда внутри своей конструкции.

Существенные признаки, характеризующие изобретение.

Ограничительные: ледокольное судно, корпус которого состоит из надводной части, подводной части и двух боковых частей, и снабженное устройством для ломки льда, содержащее фрезы, установленные вертикально.

Отличительные: между указанными частями корпуса образована полость, предназначенная для движения судна сквозь ледяной покров, при этом надводная часть выполнена с возможностью перемещения в вертикальной плоскости относительно подводной части, ширина подводной части судна превышает ширину надводной части и имеет в оконечной части выгиб для соприкосновения с подводной поверхностью льда, фрезы, установленные на нижней поверхности надводной части и боковых поверхностях, имеют возможность вращаться, надводная часть в своей носовой области выполнена наклонной и снабжена резцами, подводная часть также снабжена резцом, установленным в носовой области, боковые части дополнительно снабжены клиньями, при этом боковые части выполнены с сужением к корме по внешней стороне и с расширением по внутренней, при этом перемещение надводной части судна относительно подводной осуществляется при помощи гидропривода, установленного на боковых частях, при этом высота h между надводной и подводной частями выбирается из расчета h≥1,5S, где S - толщина льда, при этом угол наклона надводной части α=30-45°, при этом угол сужения боковых частей с внешней стороны γ=1-2°, а угол расширения с внутренней стороны β=2-3°, при этом расстояние между осями резцов, установленных на надводной и подводной частях, L=4-6 метра.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достаточным техническим результатом заключается в следующем.

Наличие полости между надводной, подводной и боковыми частями устройства дает возможность пропускать сквозь судно ломаные куски льда, не затрачивая энергии на их раздвижение в ледяном поле. Ломка льда осуществляется от изгиба до предела разрушения ледяной пластины, попадающей в створ между наклонной верхней и нижней частями судна при его движении. Известно, что наименьший предел прочности на разрушение имеют напряжения, возникающие во льду при изгибе (2. Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1980). Клиньями боковых частей скалываются остатки неразрушенных участков льда для прохождения колотых льдин по внутренней полости судна.

Подводная часть судна, имеющая отсеки с воздухом, значительно шире надводной для придания судну малой осадки, имеет в оконечной части выгиб для соприкосновения с подводной поверхностью льда. Надводная часть судна имеет спереди подводной поверхности наклон к горизонтальной плоскости для создания в ледяной пластине, находящейся в створе между верхней и нижними частями, изгибающего момента, приводящего к разрушению льда в поперечном направлении относительно хода судна.

Для создания наиболее благоприятных условий разрушения льда в продольном направлении в подводной части впереди по центру и в надводной части в области касания ледяной пластины имеются резцы, причем резец в нижней части создает при движении судна углубленный вырез в пластине, являющийся концентратором напряжений при изгибе. Резцы на надводной части также способствуют разрушению пластины льда в продольном направлении.

Для наилучшего прохождения льда во внутренней полости на днище подводной части имеется система фрез, вращение которых проталкивает лед по полости, разрушает ломаные пластины и ускоряет движение судна вперед.

Боковые части судна ограничивают полость, по которой проходит ломаный лед, и имеют систему гидроцилиндров, позволяющую осуществить настройку высоты полости путем перемещения в вертикальной плоскости надводной части судна относительно подводной. Кроме того, боковые части судна в области формирования клиньев имеют вертикальные фрезы, вращение которых способствует продвижению судна вперед, и предотвращает процесс заклинивания судна с боковых сторон ледяным полем. Сужение боковых частей к корме с внешней стороны способствует также предупреждению заклинивания судна с боков, расширение боковых частей к корме с внутренней стороны способствует более свободному прохождению ломаного льда по внутренней полости.

На фиг.1-3 приведена конструкция заявляемого устройства.

На фиг.1 - продольное вертикальное сечение по оси симметрии; на фиг.2 - вид сверху по стрелке А, на фиг.3 - сечение 1-1 фиг.2.

Устройство на фиг.1-3 состоит из надводной части 1, подводной части 2 и двух боковых частей 3. Надводная часть в носовой области снизу выполнена с углом наклона α и имеет резцы 4, а также систему фрез 5 по всей нижней поверхности, подводная часть имеет спереди резец 6. Боковые части содержат клинья 7 и вертикальные фрезы 8. Расстояние между надводной и подводной частями (h) между верхней и нижней частями должна быть h≥1.5S, где S - толщина ледяного покрова. Эта величина устанавливается системой гидроцилиндров, установленных в боковых частях. Для реализации поперечного излома льдины необходимо, чтобы расстояние (l) между осью резцов надводной части и резцом подводной части было l=4÷6 метра.

Боковые части выполнены с сужением к корме по внешней стороне под углом γ=1-2° и расширением под углом β=2-3° с внутренней.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

На судне на чистой воде (майне) с помощью гидроцилиндров и воздушных секций подводной части устанавливается в зависимости от толщины льда высота туннеля и осадка. Включается двигатель и привод всех фрез. Ледокольное судно набирает требуемую скорость и находит на ледяной покров. При движении судна пластина льда, утыкаясь в наклонную поверхность надводной части, испытывает под действием вертикальной силы, возникающей на наклонной поверхности, изгиб, которому препятствует передний конец подводной части. Возникает изгибающий момент, под действием которого происходит поперечный излом, который стимулируется резцами надводной и подводной частей. Ледяная плита (плиты) под действием надвигающегося спереди ледяного поля проталкивается в туннель, образуемый надводной, подводной и боковыми частями судна и всплывает с кормы после прохождения судна. При поперечном разрушении образовавшиеся в ледяном поле выступы, препятствующие движению судна и прохождению льдин через туннель, скалываются клиньями боковых частей. Чтобы не образовалась пробка внутри полости, расстояние между надводной и подводной частями превышает толщину льда в 1,5 раза, а вращающиеся фрезы 5 не дают возможность льдинам тормозиться о нижнюю поверхность надводной части, стимулируют дальнейшее разрушение плит льда и, отталкиваясь от них, способствуют движению судна вперед. Расширение туннеля к корме под углом β=2-3° также способствует более свободному движению льдин внутри туннеля. Само движение льдин по туннелю весьма относительно. Фактически ледокольное судно проходит колотый лед внутри себя, стараясь, чтобы льдины не задерживали его движение. С наружной стороны вращающиеся фрезы 8 и сужение боковых частей к корме под углом γ=1-2° предотвращают заклинивание судна с внешней стороны ледяного поля.

Расчет, подтверждающий достижение указанного технического результата.

Изгиб ледяной пластины между наклонной надводной и подводной частями вполне можно формализовать как изгиб балки в заделке (Фиг.4). Сила, с которой наклонная поверхность надводной части упирается в ледяную пластину, - это сила инерции судна (F). Вертикальная составляющая от этой силы будет

Изгибающий момент

Максимальный изгибающий момент (М_max) будет при α=45°

Сила инерции

где Р - вес судна, а - ускорение замедления, q - ускорение силы тяжести (q=10 м/сек²).

Напряжение изгиба σ_и

W_z - момент сопротивления относительно оси z. В нашем случае

Тогда

Излом происходит, когда σ_и>σ_доп, σ_доп - допускаемое напряжение при изгибе.

Таким образом, имеем

Отсюда найдем вес судна Р

Если положить скорость судна v=30 км/час, а время остановки τ положить 3 сек, то

Из [2]

Положим b=10 м, S=0,5 м, l=5 м, то получим Р>60 тонн.

При этом мы не учли мощность двигателя, толкающего судно вперед. Таким образом, если взять Р=100 тонн, то можно свободно ходить по водной акватории с толщиной льда 0,5 м со скоростью 30 км/час.

1. Ледокольное судно, корпус которого состоит из надводной части, подводной части и двух боковых частей и снабженное устройством для ломки льда, содержащее фрезы, установленные вертикально, отличающееся тем, что между указанными частями корпуса образована полость, предназначенная для движения судна через ледяной покров, при этом надводная часть выполнена с возможностью перемещения в вертикальной плоскости относительно подводной части, а ширина подводной части превышает ширину надводной части, фрезы, установленные на нижней поверхности надводной части и на боковых частях, имеют возможность вращаться, надводная часть в своей носовой области выполнена наклонной и снабжена резцами, подводная часть также снабжена резцом, установленным в носовой области.

2. Ледокольное судно по п.1, отличающееся тем, что перемещение надводной части судна относительно подводной осуществляется при помощи гидропривода, установленного на боковых частях.