ледокольное судно на воздушной подушке

Формула изобретения

Ледокольное судно на воздушной подушке, содержащее корпус с гибким ограждением и надстройкой, в корпусе на одной вертикали с центром его масс установлен вертикальный выдвижной плунжер с возможностью совершения периодических вертикальных перемещений с частотой резонансных изгибно-гравитационных волн в ледяном покрове, причем выдвиг плунжера при его вертикальном перемещении больше высоты парения корпуса судна на воздушной подушке над поверхностью льда, отличающееся тем, что внутри плунжера установлен ледовый бур для выполнения во льду сквозного отверстия, а на верхней части плунжера установлен компрессор, при помощи которого и выполненного внутри плунжера воздухопроточного канала через сквозное отверстие нагнетается атмосферный воздух с давлением и расходом, достаточным для формирования под ледяным покровом воздушной полости с габаритами не меньше полудлины резонансной изгибно-гравитационной волны, при этом в воздухопроточном канале установлена заслонка для обеспечения нагнетания воздуха под лед при движении плунжера вниз, а при движении его вверх - стравливания воздуха из-подо льда.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к судостроению, в частности к амфибийным судам на воздушной подушке (СВП), разрушающим ледяной покров резонансным методом.

Известно (1. Зуев В.А., Козин В.М. Использование судов на воздушной подушке для разрушения ледяного покрова. Владивосток. Изд-во ДВГУ. - 1998. 87 с.), что для разрушения ледяного покрова резонансным методом пригодны обычные СВП, содержащие корпус с гибким ограждением и надстройкой.

Также известно ледокольное СВП (2. RU 2173651 C1, 14.08.2000), в корпусе которого на одной вертикали с центром масс судна установлен вертикальный выдвижной плунжер, способный совершать периодические вертикальные перемещения с частотой резонансных изгибно-гравитационных волн (ИГВ) в ледяном покрове.

Недостатками известных решений являются недостаточная эффективность разрушения льда.

Задача заявляемого изобретения заключается в увеличении амплитуды резонансных изгибно-гравитационных волн (ИГВ), возбуждаемых движущимся СВП.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в повышении эффективности разрушения ледяного покрова резонансным методом.

Требуемый результат достигается путем образования в ледяном покрове майны, создаваемой во льду перед началом выполнения ледокольных работ.

Известно (3. Козин В.М., Жесткая В.Д. Исследования параметров изгибно-гравитационных волн в полубесконечном ледяном покрове от движущегося СВП при наличии полосы битого льда. Труды международной конференции “Проблемы прочности и эксплуатационной надежности”. Владивосток: ДВГТУ. - 1996. - 87 с.), что наличие в ледяном покрове майны значительно повышает эффективность разрушения льда. Поэтому, если СВП начинает над майной, то его ледоразрушающая способность при резонансном методе ломки льда возрастает, т.к. ледяное поле, имеющее свободную кромку, легче раскачать до предельных амплитуд.

Существенные признаки, характеризующие изобретение.

Ограничительные: Ледокольное судно на воздушной подушке, содержащее корпус с гибким ограждением и надстройкой, в корпусе на одной вертикали с центром его масс установлен вертикальный выдвижной плунжер с возможностью совершения периодических вертикальных перемещений с частотой резонансных изгибно-гравитационных волн в ледяном покрове, причем выдвиг плунжера при его вертикальном перемещении больше высоты парения корпуса судна на воздушной подушке над поверхностью льда.

Отличительные: Внутри плунжера установлен ледовый бур для выполнения во льду сквозного отверстия, а на верхней части плунжера установлен компрессор, при помощи которого и выполненного внутри плунжера воздухопрочного канала через сквозное отверстие нагнетается атмосферный воздух с давлением и расходом, достаточным для формирования под ледяным покровом воздушной полости с габаритами не меньше полудлины резонансной изгибно-гравитационной волны, при этом в воздухопроточном канале установлена заслонка для обеспечения нагнетания воздуха под лед при движении плунжера вниз, а при движении его вверх - стравливания воздуха из-подо льда.

Известно [1], что несущая способность ледяного покрова в значительной степени определяется реакцией упругого основания. Если ее уменьшить или устранить, то разрушение ледяного покрова можно достичь при меньших энергозатратах. Для уменьшения поддерживающей силы упругого основания достаточно во льду образовать сквозное отверстие и закачать через него под лед воздух. Тогда при деформировании ледяного покрова силы поддержания основания уменьшатся, т.к. образовавшаяся подо льдом воздушная полость оттеснит от нижней кромки льда воду, т.е. лед будет опираться на более податливую, чем вода, воздушную полость. В результате прогибы ледяного покрова, т.е. его деформации на подошве ИГВ, возрастут. Если в момент формирования вершины ИГВ над воздушной полостью из нее начать выпускать воздух через отверстие во льду, то вслед за воздухом к отверстию в освободившееся подо льдом пространство устремятся массы прилегающей воды. Встретив местное гидравлическое сопротивление в виде отверстия, массы воды вследствие большей, чем у воздуха, вязкости резко уменьшат свою скорость. Как известно (см. 4. Башта Т.М. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы. М.: Машиностроение. - 1982. - 424 с), это приведет к гидроудару, т.е. к резкому увеличению давления подо льдом в районе вершины ИГВ. В результате деформации ледяного покрова на вершине ИГВ также возрастут.

Изобретение осуществляется следующим образом. По ледяному покрову начинают перемещать СВП с резонансной скоростью. Если амплитуда возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, то судно останавливают. Затем, например, при помощи гидропривода начинают выдвигать вертикальный плунжер, предварительно установленный в корпусе судна и имеющий внутри его ледовый бур. При этом выдвиг плунжера должен быть больше высоты парения корпуса СВП над поверхностью льда, что необходимо для полной передачи веса СВП на лед через плунжер, т.е. в этом случае произойдет замена распределенной нагрузки на сосредоточенную, т.к. давление в ВП упадет до атмосферного. Кроме этого, плунжер в корпусе судна располагают так, чтобы ось плунжера находилась на одной вертикали с центром масс СВП, что необходимо для исключения появления у судна крена и дифферента и соответствующего контакта корпуса судна со льдом помимо плунжера. Для более строгого выполнения этого условия в момент выдвижения плунжера могут быть использованы переменные массы, расходные материалы, балласт и прочие грузы, имеющиеся на судне.

После выдвига плунжера и удифферентовки судна буром, расположенным внутри плунжера, во льду сверлится отверстие. После этого плунжеру при помощи гидроцилиндра сообщают периодические вертикальные перемещения в частотой резонансных ИГВ, значение которой в зависимости от параметров ледовой обстановки определяется по рекомендации работы (5. Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. – Л.: Гидрометеоиздат, 1967, 217 с.)

где _н - плотность воды;

g - ускорение силы тяжести;

D - цилиндрическая жесткость ледяной пластины.

Совпадение частот вертикальных перемещений (колебаний) плунжера и резонансных ИГВ приведет к возникновению прогрессивных ИГВ.

Если после этого разрушения льда вновь не происходит, то через сквозное отверстие при помощи предварительно установленного на верхней части плунжера и изготовленного внутри плунжера воздухопроточного канала под лед нагнетают (закачивают) атмосферный воздух с добавлением и расходом, достаточными для формирования под ледяным покровом воздушной полости габаритами не меньше полудлины резонансной ИГВ. При таких габаритах воздушной полости вся прогнувшаяся часть льда, т.е. подошва ИГВ, будет располагаться над воздушной полостью. При этом воздух начинают нагнетать в тот момент, когда плунжер перемещается вниз. В тот момент, когда плунжер начинает перемещаться вверх, воздух из воздушной полости стравливают, например, путем открывания заслонки, предварительно установленной в воздухопроточном канале. Это приведет к росту амплитуды ИГВ.

Локализация нагрузки на лед от веса судна при его достаточном весовом водоизмещении, ее динамическое воздействие и наличие сквозного отверстия, через которое под лед нагнетают, а затем стравливают воздух, приведет к разрушению ледяного покрова и образованию в нем майны, заполненной битым льдом. После этого плунжер с ледовым буром задвигают в исходное положение, а компрессор выключают. При необходимости увеличения размеров майны судно перемещают на кромку не разрушенного льда и повторяют процесс нагружения ледяного покрова только при помощи плунжера (при отключенном компрессоре).

После приготовления майны необходимых размеров СВП удаляют от нее на расстояние, достаточное для развития ИГВ максимальной амплитуды (для раскачивания льда до максимальной амплитуды требуется определенное время) при движении СВП с резонансной скоростью. Затем судно разворачивают и начинают движение с резонансной скоростью в направлении майны. В момент ее прохождения в ледяном покрове, ослабленном майной, амплитуда ИГВ возрастет и лед начнет разрушаться за судном при его поступательном движении.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема деформирования ледяного покрова СВП, а на фиг.2 - схема его маневрирования при выполнении ледокольных работ.

По ледяному покрову 1 перемещают СВП 2 с резонансной скоростью V_p. Если амплитуда возбуждаемых ИГВ 3 оказывается недостаточной для разрушения льда, то судно 2 останавливают. От статического нагружения в ледяном покрове возникнет чаша прогиба 4. При помощи гидропривода 5 начинают выдвигать вертикальный плунжер 6, предварительно установленный в корпусе 7 судна 2. При этом выдвиг плунжера _пл должен быть больше высоты парения корпуса СВП над поверхностью льда h_пap, что необходимо для полной передачи веса СВП на лед, т.е. в этом случае произойдет замена распределенной нагрузки на сосредоточенную и увеличение кривизны чаши прогиба от 4 до профиля 8. Затем при помощи ледового бура 9, размещенного внутри плунжера 6, во льду 1 сверлится отверстие 10. После этого плунжеру 6 при помощи гидропривода 5 сообщают периодические вертикальные перемещения с частотой резонансных ИГВ _р. Одновременно при перемещении плунжера 6 вниз через отверстие 10 под лед 1 при помощи компрессора 11 и воздухопроточного канала 12 нагнетают атмосферный воздух. Подо льдом 1 сформируется воздушная полость 13 габаритами _п, не меньше полудлины ИГВ _в. При перемещении плунжера 6 вверх воздух из воздушной полости 13 стравливают путем открывания заслонки 14, установленной в воздухопроточном канале 12. В результате в ледяном покрове возникнет майна 15, заполненная битым льдом. После этого плунжер 6 задвигают в исходное положение, а компрессор 11 выключают.

После приготовления майны 15 СВП удаляют от нее на расстояние L, достаточное для развития ИГВ максимальной амплитуды при движении СВП с резонансной скоростью _p. Затем судно 2 разворачивают и начинают движение с резонансной скоростью в направлении майны 15. В момент ее прохождения в ледяном покрове амплитуда ИГВ возрастет до профиля 16 и лед начнет разрушаться за судном при его поступательном движении.