ледовый опытовый бассейн для испытаний моделей судов и морских инженерных сооружений и способ его использования

Формула изобретения

1. Ледовый опытовый бассейн для испытания моделей судов и морских инженерных сооружений, содержащий ледовую камеру, заполненную жидкостью чашу, разделенную на рабочий участок и доковую часть, холодильные машины с системой охлаждения ледовой камеры, систему приготовления ледового поля, систему слива воды из-подо льда и буксировочную тележку с приводом, отличающийся тем, что чаша бассейна заполнена пресной водой и снабжена подвижным дном, охватывающим всю площадь рабочего участка чаши бассейна и выполненным с возможностью изменения высоты его подъема над основанием чаши бассейна, при этом подвижное дно содержит перекрывающиеся сквозные окна для перепуска воды, а сверху его поверхность покрыта материалом, имеющим адгезию ко льду менее 30 кПа, при этом край подвижного дна со стороны доковой части имеет защитную преграду-буртик, высота которого превышает удвоенную толщину создаваемого ледового поля, а остальные его края по периметру рабочего участка снабжены устройством для создания гидроизоляции щели между кромками подвижного дня и стенками чаши бассейна и образования открытой корытообразной емкости на подвижном дне, в которую залит водяной раствор NaCl для выращивания ледового поля.

2. Способ создания ледового поля в заполненной жидкостью чаше опытового бассейна, включающий внесение в чашу затравки в виде кристаллов льда, создание температурного режима для формирования ледового поля и осуществление контроля его толщины, отличающийся тем, что чашу бассейна заполняют пресной водой, а ледовое поле выращивают из дополнительно вносимого водяного раствора соли NaCl, для чего сначала охлаждают пресную воду до температуры 4^oС, а затем охлаждают ее приповерхностный слой до температуры 0,5^oС, после этого охлажденный приповерхностный слой воды в пределах рабочего участка перекрывают подвижным дном со сквозными, предварительно открытыми, перепускными окнами, и осуществляют гидроизоляцию щели между кромками подвижного дна и стенками чаши и закрытие сквозных окон, образуя при этом на его поверхности открытую корытообразную емкость, в которой выращивают ледовое поле, для чего в ней создают слой водяного раствора NaCl заданной концентрации высотой, соответствующей толщине образуемого ледового поля, который сначала выхолаживают до температуры - 0,3-0,5^oС, а затем уже в него вносят затравку, причем оставшиеся после образования ледового покрова между льдом и подвижным дном незамерзшие остатки водяного соляного раствора удаляют, и после этого подвижное дно опускают для образования необходимого для проведения эксперимента пространства, предварительно сняв гидроизоляцию и открыв его перепускные окна, которые при достижении подвижным дном заданной глубины затем перекрывают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области морского транспорта и касается вопросов конструирования ледовых опытовых бассейнов для проведения испытаний моделей судов ледового плавания и ледостойких морских инженерных сооружений, а также создания в них ледового поля и его эксплуатации.

Известен опытовый бассейн для испытания моделей, выполненный по авт. св. СССР 1000817, кл. G 01 М 10/00, содержащий заполненную пресной водой чашу и буксировочную тележку с электроприводом и ходовыми колесами, находящимися в контакте с рельсами, проложенными вдоль чаши, испытуемую модель, датчики кинематических параметров движения модели, динамометрическую и регистрирующую аппаратуру.

Недостатком известного устройства является невозможность проведения в нем испытаний моделей судов и ледостойких инженерных сооружений в ледовых условиях.

Известен также опытовый бассейн для испытаний моделей судов и ледостойких инженерных сооружений, преимущественно во льдах, содержащий ледовую камеру, заполненную водяным раствором NaCl заданной солености чашу, на поверхности которой образовано ледовое поле, холодильные машины с системой охлаждения ледовой камеры и буксировочную тележку с электроприводом и ходовыми колесами, находящимися в контакте с рельсами, проложенными вдоль чаши, испытуемую модель, закрепленную на буксировочной тележке, датчик скорости движения, динамометрическую и регистрирующую аппаратуру (Ю.Н.Алексеев, О.Н. Беззубик, В.А.Беляшов, В.С.Шпаков. Экспериментальные возможности нового ледового опытового бассейна ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. - Судостроительная промышленность. Серия: Проектирование судов, вып. 13, 1989 г.), принятый за прототип. Ледовый бассейн достаточно широко используется для изучения процессов взаимодействия со льдом ледоколов и судов активного ледового плавания, и прогнозирования возникающих при этом ледовых нагрузок в различных ледовых условиях, характерных для тех районов, где они эксплуатируются. В нем также проводятся испытания моделей ледостойких оснований буровых платформ.

Известен способ использования ледового опытового бассейна, при котором перед приготовлением ледового поля охлаждают воду в чаше бассейна до заданной температуры (она определяется соленостью водяного раствора NaCl, содержащегося в чаше), затем вносят затравку в виде мелких ледяных кристаллов, после чего поддерживают оптимальный температурный режим, обеспечивающий рост кристаллов льда в направлении, перпендикулярном поверхности воды в чаше (Каштелян В.И., Позняк И.И., Рывлин А.Я. Сопротивление льда движению судна. Л.: Судостроение, 1968, с.48-63) - прототип.

Недостатками известного устройства и способа являются большие затраты энергии и времени на приготовление ледового поля, а также большой износ оборудования бассейна, вызванный контактом с агрессивной средой - заполняющим чашу бассейна водяным раствором NaCl при повторяющихся перепадах температуры.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения эффективности использования ледового опытового бассейна путем существенного снижения износа оборудования из-за прекращения или резкого уменьшения времени его контакта с агрессивной средой, а также за счет уменьшения энергетических и временных затрат на приготовление ледового поля.

Для этого в известном ледовом бассейне для испытания моделей судов и морских инженерных сооружений, содержащем ледовую камеру, заполненную жидкостью чашу, разделенную на рабочий участок и доковую часть, холодильные машины с системой охлаждения ледовой камеры и приготовления ледового поля, систему слива воды из-подо льда и буксировочную тележку с приводом, его чаша заполнена пресной водой и снабжена подвижным дном, охватывающим всю площадь рабочего участка чаши бассейна и выполненным с возможностью изменения высоты его подъема над основанием чаши бассейна, при этом подвижное дно содержит перекрывающиеся сквозные окна для перепуска воды, а сверху его поверхность покрыта материалом, имеющим адгезию ко льду менее 30 кПа, при этом край подвижного дна со стороны доковой части имеет защитную преграду-буртик, высота которого превышает удвоенную толщину создаваемого ледового поля, а остальные его края по периметру рабочего участка снабжены устройством для создания гидроизоляции щели между кромками подвижного дна и стенками чаши бассейна и образования открытой корытообразной емкости на подвижном дне, в которую залит водяной раствор NaCl для выращивания ледяного поля.

В способе создания ледового поля в заполненной жидкостью чаше опытового бассейна, включающем внесение в чашу затравки в виде кристаллов льда, создание температурного режима для формирования ледового поля и осуществление контроля его толщины, чашу бассейна заполняют пресной водой, а ледовое поле выращивают из дополнительно вносимого водяного раствора соли NaCl, для чего сначала охлаждают пресную воду до температуры 4^oС, а затем охлаждают ее приповерхностный слой до температуры 0,5^oС, после этого охлажденный приповерхностный слой воды в пределах рабочего участка перекрывают подвижным дном со сквозными, предварительно открытыми, перепускными окнами, и осуществляют гидроизоляцию щели между кромками подвижного дна и стенками чаши и закрытие сквозных окон, образуя при этом на его поверхности открытую корытообразную емкость, в которой выращивают ледовое поле, для чего в ней создают слой водяного раствора NaCl заданной концентрации высотой, соответствующей толщине образуемого ледового поля, который сначала выхолаживают до температуры -0,3-0,5^oС, а затем уже в него вносят затравку, причем оставшиеся после образования ледового покрова между льдом и подвижным дном незамерзшие остатки водяного соляного раствора удаляют, и после этого подвижное дно опускают для образования необходимого для проведения эксперимента водного пространства, предварительно сняв гидроизоляцию и открыв его перепускные окна, которые при достижении подвижным дном заданной глубины, затем перекрывают.

Заполнение чаши бассейна пресной водой позволяет существенно снизить агрессивность среды - жидкости, заполняющую чашу бассейна и вызывающую коррозию его оборудования и тем самым уменьшить износ оборудования бассейна.

Снабжение чаши бассейна подвижным дном с перекрывающимися окнами, выполненным с возможностью изменения высоты его подъема над основанием чаши обеспечивает возможность выращивания на нем ледового поля заданной толщины из водяного солевого раствора NaCl и изоляции этого соленого ледового поля от остальной пресной воды чаши бассейна при намораживании льда.

Наличие на поверхности подвижного дна материала, имеющего малую адгезию ко льду менее 30 кПа, способствует уменьшению сцепления ледового поля с верхней поверхностью подвижного дна, что облегчает отделение намороженного льда от его поверхности.

Перекрываемые сквозные окна в подвижном дне позволяют свободно перемещать его по вертикали относительно дна чаши бассейна.

Предварительное охлаждение в процессе создания ледового поля из солевого раствора NaCl пресной воды до температуры +4^oС обеспечивает достижение наибольшей плотности пресной воды.

Охлаждение приповерхностного слоя пресной воды до 1^oС необходимо для обеспечения устойчивости этого слоя за счет понижения плотности воды при 1^oС по сравнению с ее плотностью при 4^oС.

Выхолаживание солевого водного раствора NaCl до температуры -0,3^o-0,5^oС перед внесением затравки необходимо для обеспечения начала роста ледового поля сразу после внесения затравки.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано поперечное сечение ледового опытового бассейна; на фиг.2 - общий вид подвижного дна.

Ледовый опытовый бассейн (фиг.1) содержит бетонированную чашу 1, заполненную пресной водой 2, вдоль чаши проложены рельсы 3, по которым перемещается технологическая тележка 4, используемая для приготовления ледового поля 5, холодильные машины с системой охлаждения ледовой камеры 6 и систему слива воды из-под ледового поля 7 при повышении давления в зазоре 8 между подвижным дном 9 и льдом 5.

Подвижное дно 9 имеет устройство для подъема, например гидроцилиндр 10, основание которого установлено на дне чаши бассейна 1, верхняя поверхность подвижного дна покрыта слоем материала 11 с малым коэффициентом адгезии ко льду менее 30 кПа, например тефлон, в подвижном дне сделаны герметично закрываемые сквозные отверстия 12 для пропуска воды, а также по периметру подвижного дна 9, за исключением стороны, соседней с доковой частью бассейна, установлена гидроизоляция 13, препятствующая протеканию воды, например полые резиновые трубы, в которые подается воздух высокого давления. Подвижное дно имеет размерения, совпадающие с размерениями рабочего участка чаши бассейна, со стороны доковой части бассейна на нем установлен преграда-буртик 14 (фиг. 2), высота которого превышает суммарную толщину ледового покрова 5 и зазора между подвижньм дном и льдом 8.

Выигрыш в затратах энергии от применения предложенного устройства можно оценить следующим образом. Расчеты будем проводить для ледового бассейна, принятого в качестве прототипа. Тогда главные размерения чаши бассейна будут следующие: длина 35 м; ширина 6 м; глубина 1,75 м. Объем воды составит V= 643,125 м³. В прототипе этот объем должен быть охлажден от некоторой температуры t до -0,5^oС. На это затрачивается следующее количество энергии Q = c_WWV[t-(-0,5)], Вт, где c_w - теплоемкость воды, _W - плотность воды. В предлагаемом устройстве основная масса пресной воды охлаждается до средней температуры 3^oС, только слой водного раствора NaCl охлаждается до температуры -0,5^oС. Объем этого слоя равен V_c=3560,08=16,8 м³. В этом случае затраты энергии составят Q₁ = c_WW(V-V_c)[t-3]+c_WWV_c[t-(-0.5)]. Пренебрегая вторым членом в написанном уравнении ввиду его малости, получим что затраты в новом устройстве при t=15^oС на 30% меньше, чем для прототипа.

Выигрыш во времени при использовании заявляемого устройства возникает из-за уменьшения времени охлаждения воды в бассейне, а также из-за уменьшения времени охлаждения слоя водяного раствора NaCl над подвижным дном.

В процессе эксплуатации бассейна проводят постоянный контроль солености пресной воды. Ее соленость будет постепенно увеличиваться, т.к. в пресную воду будет попадать стекающий из приготовленного ледового поля рассол. При увеличении солености пресной воды до 2 ⁰/₀₀, воду в бассейне разбавляют пресной.

Предложенное устройство по предлагаемому способу работает следующим образом.

Весь объем пресной воды 2, содержащийся в чаше ледового бассейна 1, охлаждают до температуры 4^oС с помощью холодильных машин 6. После этого приповерхностный слой пресной воды 2 дополнительно охлаждают до температуры 1^oС. Во время выполнения этих операций подвижное дно 9 находится на дне чаши 1.

После создания необходимого температурного режима в объеме пресной воды 2 подвижное дно 9 поднимают на поверхность с помощью гидроцилиндра 10, предварительно открыв сквозные отверстия 12 для пропуска воды. Завершив подъем подвижного дна, сквозные отверстия 12 герметично закрывают и восстанавливают гидроизоляцию по периметру подвижного дна, за исключением той его стороны, на которой установлен защитный козырек 14.

На свободную поверхность подвижного дна 9 наливают водный раствор NaCl заданной солености 8, толщина которого примерно равна толщине ледового поля 5, которое собираются наморозить. Водный раствор NaCl заданной солености охлаждают до температуры 0,3-0,5^oС, а затем на его поверхности создают ледовое поле 5. В процессе роста ледового поля лишний объем соленой воды удаляется из зазора 8 между льдом и верхней поверхностью подвижного дна 9 с помощью системы компенсации 7.

После намораживания ледового поля заданной толщины открывают сквозные отверстия 12 в подвижном дне, при этом создается контакт намороженного соленого льда с пресной водой, что приводит к таянию нижней кромки ледового поля. В процессе таяния уменьшается сцепление ледового поля с верхней поверхностью подвижного дна 9, покрытого материалом с малым коэффициентом адгезии ко льду. При прекращении сцепления льда с подвижным дном, последнее опускают на заданную условиями проведения эксперимента глубину. После установки подвижного дна на заданной глубине сквозные отверстия закрывают. Устройство готово к проведению испытаний.