Устройство для локального разрушения ледяного покрова из-под воды

Полезная модель направлена на повышение эффективности механического воздействия на ледяной покров из-под воды для его быстрого локального разрушения со снижением энергетических затрат. Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве механическое воздействие на лед производится из-под воды жесткой емкостью из твердого материала, имеющей каплеобразную форму для уменьшения сопротивления воды при всплытии устройства. В нижней части емкости располагаются сопла для выхода вытесняемого расширяющимся воздухом водяного балласта. Сопла располагаются под углом 45° к поверхности устройства в горизонтальной плоскости, чтобы выходящие водные потоки создавали закручивающий момент всплывающей емкости, что стабилизирует всплытие устройства и уменьшает сопротивление воды. Ниже уровня сопел, за счет их приподнятости относительно дна устройства, остается некоторый объем воды, увеличивающий массу устройства, что увеличивает силу удара о нижнюю поверхность льда.

Устройство относится к области ледотехники и позволяет осуществлять локальное разрушение льда из-под воды для нужд хозяйственной деятельности, а также для исследования физико-механических свойств льда как материала.

Известны устройства для механического разрушения льда из-под воды, например, с помощью заводимых под лед наполняемых воздухом емкостей [1]. В этом устройстве сжатый воздух подается шлангом в оболочку, которая наполняется воздухом и всплывает, тем самым воздействует на лед с силой, равной весу, вытесненной воды или металлической емкостью с водяным балластом [2]

Указанные устройства используются в сочетании с ледокольными судами. Во время движения такого судна устройство заводится под лед: в первом случае мягкая оболочка наполняется воздухом, а во втором - из металлической емкости вытесняется водяной балласт. Взлом ледяного покрова осуществляется при возникновении подъемной силы надуваемой мягкой или жесткой оболочек, а водный балласт вытесняется полностью через отверстие в нижней части емкости.

Эти устройства обладают существенными недостатками, поскольку с их помощью невозможно разрушить сплошной ледяной покров из-под воды в каком-нибудь определенном месте, так как ледокольные суда способны осуществлять ломку льда с помощью указанных устройств только с кромки ледяного покрова. Кроме того, при этом необходимо производить конструктивные изменения в дорогостоящих ледоколах. Вторым существенным недостатком указанных устройств является их малая эффективность, поскольку разрушение льда осуществляется не за счет приложения резкого динамического удара, а под воздействием медленно нарастающего подъемного усилия. Учитывая, что лед обладает свойствами значительной вязкости и пластичности при приложении медленно воздействующей нагрузки, данные способы не позволяют эффективно и быстро решать некоторые задачи, связанные с локальным взломом ледяного покрова.

Наиболее близким по технической сущности решением является разрушение льда с помощью воздушного пузыря, заключенного в гибкую оболочку усиленную в верхней части металлическим колпаком [3].

К недостаткам данного устройства следует отнести, во-первых, тот факт, что воздействие на ледяной покров происходит длительное время, требующее значительного расхода энергии на пластическое деформирование льда и невозможностью получения с помощью этого устройства сосредоточенного динамического удара.

В основу настоящей полезной модели положено решение технической задачи, позволяющее повысить эффективность механического воздействия на ледяной покров из-под воды для его быстрого разрушения при снижении энергетических затрат.

Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве механическое воздействие на лед производится из-под воды жесткой емкостью из твердого материала, имеющей каплеобразную форму для уменьшения сопротивления воды при всплытии устройства. При этом на головной части устройства устанавливается инициирующее кольцо для концентрации первоначальной нагрузки в момент удара и ослабления прочности льда. В нижней части емкости располагаются сопла для выхода вытесняемой расширяющимся воздухом воды. Сопла располагаются под углом 45° к поверхности устройства в горизонтальной плоскости, чтобы выходящие водные потоки создавали закручивающий момент всплывающей емкости, что стабилизирует всплытие устройства и уменьшает сопротивление воды. Ниже уровня сопел остается некоторый объем водного балласта, увеличивающий массу устройства, что повышает силу удара о нижнюю поверхность льда. Емкость, заполненая водой, размещается на дне, а затем с помощью шланга через одно из сопел частично продувается сжатым воздухом. При этом происходит свободное ускоренное всплытие, при котором шланг вырывается из емкости, а устройство, всплывая, ударяется в нижнюю поверхность льда и разрушает его.

При ударе о лед емкость создает импульс силы S, определяемый интегралом:

где: F- ударная сила, t₁ и t ₂ - моменты времени, соответствующие началу и концу удара. Применяя второй закон Ньютона, получим:

S=mV,

где: m - масса емкости с оставшимся водяным балластом; V - скорость всплытия емкости перед ударом. Отсюда очевидно, что, чем больше масса m и скорость всплытия V емкости, тем больше импульс силы. Ударная сила при этом будет:

где: t - длительность удара.

Оптимальный вариант соотношения m и V зависит от толщины и механических свойств ледяного покрова и может быть подобран для различных льдов опытным путем.

Проведем сравнительный анализ. Из экспериментальных данных по определению несущей способности льда известно, что разрушающее усилие Р для льда толщиной h будет Р=k h² , где k эмпирическая константа - 200 т/м² /4/. Пусть емкость, обладающая подъемной силой Р=100 т действует на ледяной покров статически. Тогда с гарантией можно разрушить лед толщиной Пусть теперь эта же емкость с массой 100 т всплывает со скоростью 2 м/с. Примем вполне реальную величину длительности удара емкости о лед t=0,1 с. Тогда ударная сила Р будет 2000 т. При действии такой силы на лед из-под воды можно с гарантией разрушить лед толщиной 3 м, т.е. больше, чем в случае действия статической нагрузки. Таким образом, ударное воздействие значительно эффективнее, чем статическое действие нагрузки на лед.

На фиг.1 (вид устройства в двух проекциях) представлено схематическое изображение устройства для локального разрушения льда из-под воды. Устройство представляет собой жесткий корпус 1 из твердого материала каплеобразной формы. На головной части корпуса закреплено инициирующее кольцо 2. В нижней части корпуса на некотором расстоянии от дна устройства расположены три сопла 3, развернутые в горизонтальной плоскости под углом 45° к поверхности устройства. В одно из сопел 3 вставлен шланг 4, соединенный с компрессором или баллоном сжатого воздуха, расположенным на поверхности льда, берегу или гидротехническом сооружении (на фиг.1 не изображены). При вытеснении водяного баласта 5 приподнятое относительно дна емкости расположение сопел 3 позволяет сохранить некоторый объем воды для увеличения массы устройства.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Емкость 1 каплеобразной формы заполняется водяным балластом и располагается на донном грунте в вертикальном положении, например, в основании гидротехнического сооружения, соединяется шлангом 4 с компрессором или баллонами сжатого воздуха (на фиг.1 не изображены), которые могут находиться на берегу, гидротехническом сооружении, поверхности ледяного покрова. Сжатый воздух подают внутрь емкости через сопло 3 и тем самым вытесняют водяной балласт 5, пока устройство 1 не приобретет положительную плавучесть и начнет всплытие, при этом шланг 4 выдергивается из сопла. Во время всплытия наружное гидростатическое давление и давление внутри емкости будут уменьшаться: наружное - за счет уменьшения глубины погружения, а внутреннее - за счет выхода воды через сопла 3. Объем воздуха в емкости при вытеснении водяного балласта 4 будет возрастать, увеличивая подъемную силу и тем самым скорость всплытия емкости, а выход воды через сопла 3 вызовет закручивание устройства вокруг вертикальной оси, что повысит устойчивость устройства при всплытии. Величина ускорения будет зависеть от количества воздуха, поданного до момента всплытия устройства и от размера сопел 3. Максимальная скорость всплытия емкости ограничивается сопротивлением воды. Приподнятое расположение сопел 3 относительно дна корпуса 1 позволяет сохранить некоторый объем воды 5 в емкости 1 вплоть до момента удара о нижнюю поверхность льда. Наличие инициирующего кольца 2 позволяет осуществить концентрацию приложения силы в момент удара и тем самым ослабить лед, что облегчает его разрушение и снижает энергозатраты.

Использование предлагаемого устройства для локального разрушения льда из-под воды обеспечивает по сравнению с известными устройствами следующие преимущества:

- повышается эффективность получения локальной майны в ледяном покрове за счет удара с последующим статическим воздействием на ледяной покров;

- уменьшаются энергозатраты на получение локальной майны в ледяном покрове;

-данное устройство может быть использовано в труднодоступных районах на различных участках льда рек, озер и морей как с целью снятия избыточного давления льда на гидротехнические сооружения, так и с целью определения прочностных характеристик ледяных полей, используемых как конструкции.

Источники информации:

1. Басе Б.А. Состояние и возможности совершенствования оборудования для образования майн во льдах. Новосибирск. Тр. НИИЖТ, вып. 135, 1978 г.

2. Сербул Г.Я Толкаемая ледокольная приставка. А. с, 310837,1971 г.

3. Богородский В.В., Гаврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1983 г.

4. Песчанский И.С. Ледоведение и ледотехника. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1967 г.

Устройство для локального разрушения ледяного покрова из под воды, содержащее емкость, выполненную из твердого материала каплеобразной формы, на головной части которой расположена насадка в виде кольца, шланг для подачи воздуха и отверстие снизу емкости для вытеснения водяного балласта, отличающееся тем, что в нижней части емкости расположены приподнятые относительно дна устройства три сопла в горизонтальной плоскости под углом 45° к поверхности устройства.