Устройство для разрушения ледяного покрова

Изобретение относится к области судостроения, в частности к подводным судам, разрушающим ледяной покров резонансным методом. Устройство для разрушения ледяного покрова состоит из подводного судна, способного при движении под ледяным покровом возбуждать в нем резонансные изгибно-гравитационные волны (ИГВ). На судне в водопроточных каналах между прочным и легким его корпусами установлены друг за другом две крыльчатки поперечными сечениями перпендикулярно продольной оси судна с открытыми участками в верхних частях, лопатки крыльчаток имеют кривизну, обеспечивающую при вращении и изменении направления вращения крыльчаток возникновение соответственно центробежных (ЦБ) и центростремительных (ЦС) сил, крыльчатки выполнены с возможностью периодически с частотой резонансных ИГВ изменять направление вращения на противоположное в течение времени, равного полупериоду этих волн, при создании ЦБ сил лопатки крыльчаток в момент окончания прохождения ими открытых участков каналов способны отклоняться на время, равное времени подхода к закрытым участкам очередных лопаток, после чего возвращаться в исходное положение. При смене направлений вращения крыльчаток, т.е. при возникновении ЦС сил, лопатки после прохождения ими открытых участков не отклоняются, открытые участки водопроточных каналов сообщены с забортной водой и оснащены клапанами, способными закрываться и открываться при возникновении ЦБ и ЦС сил соответственно. Технический результат заключается в повышении эффективности разрушения ледяного покрова. 6 ил.

 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к подводным судам, разрушающим ледяной покров резонансным методом, т.е. путем возбуждения в ледяном покрове резонансных изгибно-гравитащюнных волн (ИГВ) (1. Козин В.М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты. - М.: Издательство «Академия Естествознания». 2007. - 355 с. ISBN 978-5-91327-017-7).

Известно техническое решение (2. RU 2240252 С2, 28.02.2002), в котором предлагается разрушать ледяной покров подводным судном за счет создания от вращения крыльчаток, расположенных в верхней части корпуса судна, областей повышенного и пониженного давлений под возникающими вершиной и подошвой ИГВ соответственно.

Недостатками этого решения являются: наличие на корпусе судна выступающей части в виде крыльчаток, увеличивающих сопротивление воды и, вследствие этого, уменьшающих скорость его хода; громоздкость конструкции крыльчаток, выходящих за габариты корпуса; низкая эффективность решения из-за гидродинамического несовершенства его осуществления (отсутствие целенаправленного, т.е. фокусированного, воздействия генерируемых гидродинамических сил на нижнюю поверхность ледяного покрова) и, соответственно, недостаточная высота возбуждаемых ИГВ.

Сущность изобретения заключается в разработке устройства, установленного в корпусе судна и увеличивающего высоту ИГВ, возбуждаемых при движении судна под ледяным покровом.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении толщины разрушаемого льда.

Существенные признаки, характеризующие изобретение

Ограничительные: устройство для разрушения ледяного покрова, состоящее из подводного судна, способного при движении под ледяным покровом возбуждать в нем резонансные ИГВ и создающего с помощью вращающейся крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна, область повышенного давления под ледяным покровом в месте расположения вершины ИГВ.

Отличительные: на судне в выполненных между его прочным и легким корпусами водопроточных каналах установлены две крыльчатки, поперечные сечения которых расположены перпендикулярно продольной оси судна, они расположены друг за другом и имеют в верхних частях открытые участки. Лопатки крыльчаток имеют кривизну, обеспечивающую при вращении и изменении направления вращения крыльчаток возникновение соответственно центробежных и центростремительных сил, крыльчатки выполнены с возможностью вращаться в противоположных направлениях и периодически с частотой резонансных изгибно-гравитационных волн изменять направление своего вращения на противоположное в течение времени, равного полупериоду этих волн, при создании центробежных сил лопатки крыльчаток в момент окончания прохождения ими открытых участков каналов способны отклоняться, т.е. прижиматься к внутренней поверхности крыльчаток, на время, равное времени подхода к закрытым участкам очередных лопаток, после чего возвращаться в исходное положение, при смене направлений вращения крыльчаток, т.е. при возникновении центростремительных сил лопатки после прохождения ими открытых участков не отклоняются, открытые участки водопроточных каналов, например, при помощи труб сообщены с забортной водой и оснащены клапанами, способными закрываться и открываться при возникновении центробежных и центростремительных сил соответственно.

Общеизвестно, что при вращательном движении среды на ее массу могут действовать как центробежные, так и центростремительные силы. Эту закономерность можно использовать для повышения эффективности разрушения ледяного покрова резонансным методом с помощью предложенного устройства. Для этого эти силы, имеющие противоположные направления, соответствующим образом следует направить под ледяной покров, что позволит увеличить высоту ИГВ.

Известно (3. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Дрофа. 2003. - 842 с.), что при взаимодействии потоков жидкости с различными скоростями на границе их раздела возникает пограничный слой, в пределах толщины которого из-за вязкости жидкости скорости в потоках резко изменяются в поперечных к ним направлениях. Таким образом, при встречном движении двух потоков жидкости с одинаковыми скоростью и вязкостью, которые будет создавать предложенное устройство, на границе их раздела будет происходить их взаимное торможение с интенсивным вихреобразованием. Тогда в соответствии с законом Бернулли давление на этой границе будет возрастать и в результате возникнет своеобразный гидродинамический барьер (гидродинамическое сопротивление), препятствующий протеканию через него набегающего внешнего потока (в нашем случае при рассмотрении для лучшего понимания обращенного движения (см. [3]), т.е. когда судно считают неподвижным, а вода и ледяной покров как бы надвигаются на него, скорость внешнего потока будет равна скорости судна, что приведет к повышению давления перед ним). Кроме этого, на пути внешнего потока в месте расположения устройства при его работе между корпусом судна и нижней поверхностью ледяного покрова возникнет область завихренной жидкости, что повысит степень турбулентности не только пограничного слоя, возникающего на поверхности самого судна, но приведет и к турбулизации всего внешнего потока между его корпусом и льдом. Вязкостное сопротивление судна возрастет, что, в свою очередь, при действии центробежных сил увеличит давление в этой области (см. [3]).

При изменении направления вращения крыльчаток на противоположное (так же как и рабочие колеса центробежных насосов) они начнут создавать центростремительные силы, что приведет к понижению давления в местах расположения открытых участков каналов.

Понижение давления в потоке до давления насыщенных паров жидкости приведет к возникновению кавитационной каверны, давление в которой достигнет наименьшего для конкретных условий (глубины погружения судна, плотности воды, параметров набегающего потока и др.) значения [3].

Также известно (4. 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 ИГВ, возникших от поступательного движения подводного судна (основных резонансных ИГВ), периодически создавать области повышенного и пониженного давлений с частотой резонансных ИГВ, то это приведет к возбуждению в ледяном покрове дополнительных резонансных ИГВ.

Очевидно, что для достижения максимального периодического возрастания амплитуды суммарных ИГВ необходимо, чтобы время воздействия сил, возбуждающих дополнительные ИГВ, равнялось половине периода Т основных резонансных ИГВ, величину которого можно определить по зависимости [4]

,

где D - цилиндрическая жесткость ледяной пластины; ρ_л - плотность льда; h - толщина ледяного покрова; g - ускорение силы тяжести.

В этом случае при перемещении льда вверх и вниз от возникших дополнительных ИГВ возбуждающие их силы будут совпадать с направлениями перемещения льда. Таким образом, возникнет наиболее эффективная своеобразная дополнительная к основным ИГВ раскачка ледяного покрова.

Изобретение осуществляется следующим образом.

В корпусе судна в наиболее вероятном месте расположения вершины ИГВ выполнены два водопроточных канала с открытыми в верхних частях участками. В каналах установлены крыльчатки, выполненные с возможностью вращаться в противоположных направлениях и оснащенные лопатками, имеющими кривизну, обеспечивающую при вращении и изменении направления вращения крыльчаток возникновение соответственно центробежных и центростремительных сил. Габариты каналов и крыльчаток не превышают габаритов судна в месте их расположения, что, в отличие от аналога, не приведет к появлению дополнительного сопротивления в виде сопротивления выступающих частей. Вертикальное расположение стенок каналов обеспечит строгое направление (фокусированное воздействие) выбрасываемых потоков воды, под вершину ИГВ. Кроме повышения давления под вершиной ИГВ за счет создаваемых устройством центробежных сил и области завихренной жидкости, его работа за счет близости расположения (друг за другом) водопроточных каналов приведет к гидродинамическому взаимодействию возбуждаемых крыльчатками потоков воды. Вращение крыльчаток в противоположных направлениях не только исключит возникновение кренящего момента, ухудшающего поперечную остойчивость судна, но приведет и к возникновению перпендикулярно расположенного к направлению движения судна гидродинамического барьера, увеличивающего работоспособность предложенного устройства. Для обеспечения возможности заполнения рабочего объема крыльчаток забортной водой после выброса через открытые участки водопроточных каналов масс воды за счет центробежных сил лопатки в момент окончания прохождения ими открытых участков каналов отклоняются, т.е. прижимаются к внутренней поверхности крыльчаток. За отклоненными лопатками вследствие оттеснения воды возникнут области пониженного давления [3], куда устремится забортная вода, обеспечивая тем самым заполняемость данных частей рабочих объемов крыльчаток. После истечения времени, равного времени подхода к закрытым участкам каналов очередных лопаток, они возвращаются в исходное положение. В результате весь рабочий объем крыльчаток, кроме открытых участков каналов, будет заполнен забортной водой, а вращение крыльчаток при закрытых положениях клапанов обеспечит более высокое по сравнению с аналогом увеличение давления под вершиной ИГВ. При смене направлений вращений крыльчаток, т.е. при возникновении центростремительных сил, клапаны труб, сообщающих водопроточные каналы с забортной водой, открываются, а лопатки после прохождения ими открытых участков каналов не отклоняются. Это приведет за счет возникновения центростремительных сил к всасыванию воды вовнутрь водопроточных каналов с последующим ее удалением по трубам за борт судна и к соответствующему понижению давления в местах расположения открытых участков каналов. В результате периодического с частотой резонансных ИГВ изменения направлений вращения крыльчаток на противоположное в течение времени, равного полупериоду этих волн, в ледяном покрове будут возбуждаться дополнительные резонансные ИГВ наибольшей интенсивности, которые в результате интерференции с основными ИГВ будут периодически увеличивать их суммарную высоту.

Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 показано продольное сечение устройства и схема возбуждаемых им центробежных потоков жидкости; на фиг. 2 - поперечное сечение А-А по фиг. 1; на фиг. 3 - поперечное сечение В-В по фиг. 1; на фиг. 4 - продольное сечение устройства и схема возбуждаемых им центростремительных потоков жидкости; на фиг. 5 - поперечное сечение А-А по фиг. 4; на фиг. 6 - поперечное сечение В-В по фиг. 4.

В корпусе судна 1 выполнены два водопроточных канала 2 с открытыми участками 3 (фиг. 1-6). В каналах 2 установлены крыльчатки 4, оснащенные лопатками 5, которые способны вращаться в противоположных направлениях (фиг. 2, 3, 5, 6). Если при движении судна 1 с резонансной скоростью u_p под ледяным покровом 6 высота возбуждаемых ИГВ 7 окажется недостаточной для разрушения ледяного покрова, то крыльчатки для возбуждения центробежных сил начинают вращать с угловыми скоростями ±ω соответственно, что приведет к выбросу через открытые участки 3 водопроточных каналов 2 масс воды 8 и 9 (фиг. 2, 3), которые будут иметь как радиальные составляющие 10 (за счет центробежных сил), так и окружные противоположные по знаку составляющие 11 скорости (за счет закручивания воды в соответствующих каналах 2 (фиг. 2, 3)). Возникший за счет центробежных сил поток воды (составляющие 10) приведет к увеличению давления под вершиной ИГВ 7. Окружные составляющие 11 вызовут возникновение гидродинамического барьера 12 и турбулизацию внешнего потока 13. Лопатки 14 в момент окончания прохождения ими открытых участков 3 каналов 2 отклоняются, т.е. прижимаются к внутренней поверхности крыльчаток 4, что приведет к возникновению областей пониженного давления 15 и, вследствие этого, - потоков забортной воды 16 (фиг. 2, 3). Клапаны 19 закрыты (фиг. 1). В результате возникнет область повышенного давления.

Изменение направления вращения крыльчаток 4 на противоположное (фиг. 5, 6) приведет к возникновению центростремительных сил, т.е. к всасыванию воды 17 вовнутрь водопроточных каналов 2 судна 1 с последующим ее удалением по трубам 18 за борт судна 1 (фиг. 4-6) и возникновению области пониженного давления. Каналы 2 соединены с забортной водой трубами 18 (фиг. 4-6), оснащенными клапанами 19, которые при изменении направления вращения крыльчаток закрыты (фиг. 4), а лопатки 5 не отклоняются, что приведет к понижению давления в местах расположения открытых участков водопроточных каналов 2 (фиг. 4-6). В результате работы устройства произойдет увеличение высоты от ИГВ 7 до ИГВ 20 (фиг. 1, 4).

Устройство для разрушения ледяного покрова, состоящее из подводного судна, способного при движении под ледяным покровом возбуждать в нем резонансные изгибно-гравитационные волны и создающего с помощью вращающейся крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна, область повышенного давления под ледяным покровом в месте расположения вершины изгибно-гравитационной волны, отличающееся тем, что на судне в выполненных между его прочным и легким корпусами водопроточных каналах установлены две крыльчатки, поперечные сечения которых расположены перпендикулярно продольной оси судна, они расположены друг за другом и имеют в верхних частях открытые участки, лопатки крыльчаток имеют кривизну, обеспечивающую при вращении и изменении направления вращения крыльчаток возникновение соответственно центробежных и центростремительных сил, крыльчатки выполнены с возможностью вращаться в противоположных направлениях и периодически с частотой резонансных изгибно-гравитационных волн изменять направление своего вращения на противоположное в течение времени, равного полупериоду этих волн, при создании центробежных сил лопатки крыльчаток в момент окончания прохождения ими открытых участков каналов способны отклоняться, т.е. прижиматься к внутренней поверхности крыльчаток, на время, равное времени подхода к закрытым участкам очередных лопаток, после чего возвращаться в исходное положение, при смене направлений вращения крыльчаток, т.е. при возникновении центростремительных сил, лопатки после прохождения ими открытых участков не отклоняются, открытые участки водопроточных каналов, например, при помощи труб сообщены с забортной водой и оснащены клапанами, способными закрываться и открываться при возникновении центробежных и центростремительных сил соответственно.