Ледокольное судно на воздушной подушке

 

Изобретение относится к судостроению и касается строительства амфибийных судов на воздушной подушке для разрушения ледяного покрова резонансным способом. Ледокольное судно на воздушной подушке содержит корпус с гибким ограждением и надстройкой. В корпусе судна на одной вертикали с центром масс его корпуса установлен вертикальный выдвижной плунжер с размещенным внутри него ледовым буром, способный совершать периодические вертикальные перемещения с частотой резонансных изгибно-гравитационных волн в ледяном покрове. Технический результат реализации изобретения заключается в повышении эффективности разрушения ледяного покрова резонансным способом. 2 ил.

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

Известно (1. 3уев В.А., Козин В.М. Использование судов на воздушной подушке для разрушения ледяного покрова. - Владивосток, Изд-во ДВГУ, 1988, 87 с.), что для разрушения ледяного покрова резонансным методом пригодны обычные СВП, содержащие корпус с гибким ограждением и надстройкой.

Недостатком известной конструкции СВП, применяемых для ледокольных работ, является невозможность повышения эффективности разрушения льда СВП при заданных параметрах судна.

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 (2. 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 локальных неоднородностей в виде майны значительно повышает эффективность разрушения льда резонансным методом. Поэтому, если СВП начинает соответствующее маневрирование вблизи или непосредственно 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.

Отличительные: в корпусе судна на одной вертикали с центром масс его корпуса устанавливают вертикальный выдвижной плунжер с размещенным внутри него ледовым буром, способный совершать вертикальные перемещения с частотой резонансных изгибно-гравитационных волн в ледяном покрове.

Известно (3. Козин В.М. О влиянии формы поперечной нагрузки на напряженно-деформированное состояние бесконечной ледяной пластины. - Горький: ГПИ им. А.А.Жданова, 1981, 6 с. Рукопись Деп. в ЦНИИ "Румб", N ДР - 1347), что переход от распределенной нагрузки к сосредоточенной силе при давлениях в ВП, характерных для существующих СВП, приводит к резкому увеличению изгибных напряжений, которые превышают уровень напряжений в ледяном покрове от СВП на резонансной скорости (см.[1, 2, 3]). Таким образом, если у СВП предусмотреть устройство, с помощью которого можно всю нагрузку от веса судна передавать на лед не через ВП, а локально, т.е. сосредоточенно, то при статическом нагружении ледяного покрова сосредоточенной нагрузкой в нем возникнут изгибные напряжения, превышающие напряжения при деформировании ледяного покрова изгибно-гравитационными волнами (ИГВ), возбуждаемыми обычными СВП на резонансной скорости.

Также известно (4. Козин В.М., Скрипачев В.В. Колебания ледяного покрова под действием периодически изменяющейся нагрузки. ПМТФ. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1992, №5, 144 с.), что динамическое приложение периодической нагрузки с частотой резонансных ИГВ вызывает в ледяном покрове значительно большие изгибные напряжения по сравнению со статическим нагружением.

Очевидным является и то обстоятельство, что в несущей способности ледяного покрова большую роль играет реакция 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. Тогда при деформировании ледяного покрова последний становится проницаемым и архимедовы силы поддержания (силы плавучести) перестают участвовать в образовании реакции упругого основания, т.е. вода перестает поддерживать ледяной покров при его деформировании внешней нагрузкой. Понятно, что при медленном нагружении льда степень проницаемости ледяного покрова (диаметр сквозных отверстий) не играет определяющей роли и наоборот, при быстрых колебаниях льда от ИГВ наличие в нем отверстий может вообще не сказаться на несущей способности ледяного покрова. Действительно, если расход воды через отверстие во льду недостаточен для заполнения чаши прогиба льда за время, равное четверти периода ИГВ (время заполнения и опорожнения чаши прогиба льда равно полупериоду ИГВ), наличие во льду сквозного отверстия будет слабо сказываться на снижении его несущей способности. В противном случае при прогибе льда в момент прохождения отверстия подошвой ИГВ вода успевает полностью заполнить чашу прогиба и затем из нее вылиться за полупериод ИГВ, т.е. упругое основание (вода) не будет участвовать в образовании архимедовых сил поддержания. В результате деформации ледяного покрова, имеющего такое отверстие, возрастут по сравнению с деформациями сплошного льда от прохождения ИГВ.

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 него 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 строго 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. При этом диаметр отверстия должен обеспечивать расход воды, достаточной для заполнения и опорожнения чаши прогиба льда от прохождения подошвы ИГВ за время, равное полупериоду ИГВ. В этом случае реакция упругого основания на деформации ледяного покрова будет минимальной. После этого плунжеру при помощи гидроцилиндра сообщают периодические вертикальные перемещения с частотой резонансных ИГВ, значение которой в зависимости от параметров ледовой обстановки определяется по рекомендации работы [5] (5. Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967, 217 с.):

где _в - 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. При этом во льду возникнут большие деформации, чем при статическом давлении плунжера на сплошной ледяной покров.

Локализация нагрузки на лед от веса судна при его достаточном весовом водоизмещении, ее динамическое воздействие и наличие сквозного отверстия приведет к разрушению ледяного покрова и образованию в нем майны, заполненой битым льдом. После этого плунжер с ледовым буром задвигают в исходное положение. При необходимости увеличения размеров майны судно перемещают на кромку неразрушенного льда и повторяют процесс нагружения ледяного покрова только при помощи плунжера.

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 графически, 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. Локализация нагрузки на лед от веса судна, ее динамическое воздействие и наличие отверстия 10 приведет к разрушению ледяного покрова и образованию в нем майны 11, заполненной битым льдом. После этого плунжер 6 задвигают в исходное положение.

После приготовления майны 11 СВП удаляют от нее на расстояние L, достаточное для развития ИГВ максимальной амплитуды при движении СВП с резонансной скоростью v_p. Затем судно 2 разворачивают и начинают движение с резонансной скоростью в направление майны 11. В момент ее прохождения в ледяном покрове амплитуда ИГВ возрастает до профиля 12 и лед начнет разрушаться за судном при его поступательном движении.

Формула изобретения

Ледокольное судно на воздушной подушке, содержащее корпус с гибким ограждением и надстройкой, отличающееся тем, что в корпусе судна на одной вертикали с центром масс его корпуса устанавливают вертикальный выдвижной плунжер с размещенным внутри него ледовым буром, способный совершать периодические вертикальные перемещения с частотой резонансных изгибно-гравитационных волн в ледяном покрове.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2