Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1.2.1. Способы повышения разрушения эффективности ледяного покрова с помощью СВП резонансным методом
В целях повышения эффективности разрушения льда предложен способ, при осуществлении которого производят неоднократные повторные проходы судна по полю разрушаемого льда. Количество проходов ограничивают числом, превышение которого не приводит к увеличению силы электрического тока, возбуждаемого пьезоэлементами, установленными в упорных подшипниках воздушного винта судна. При этом повторные проходы осуществляют с критической скоростью.
Известно, что повторные проходы ледоколов по полю битого льда увеличивают степень его разрушения (уменьшают размеры обломков льда). При этом максимальные поперечные размеры льдин не превышают 3-5 толщины льда, т.е. битый лед превращается в мелкобитый. Очевидно, что аналогичные процессы, т.е. измельчение обломков льда, будут сопровождать и повторные проходы СВП над ледяным покровом, разрушенным резонансными ИГВ от первого прохода. Очевидно, что процесс измельчения крупнобитого льда ИГВ будет продолжаться до тех пор, пока в отдельных обломках льда не будут возникать изгибные напряжения, превышающие предел прочности льда на изгиб. Поскольку длина и амплитyда волн, возбуждаемых СВП в битом льду, имеют конечные размеры, то и минимальные размеры обломков битого льда тоже будут ограниченными.
После первого прохода судна с резонансной скоростью в ледяном покрове возникает канал, заполненный крупнобитым льдом. Последующие неоднократные повторные проходы по проложенному каналу с критической скоростью, т.е. со скоростью, при которой амплитуда волн, возбуждаемых судном теперь уже в битом льду, и дифферент судна на корму также будут максимальными, будут приводить к измельчению обломков. После определенного количества проходов этот процесс прекратится, т.к. СВП непосредственно не контактирует со льдом, а воздействует на него возбуждаемыми волнами. Крупнобитый лед превратится в мелкобитый, при этом поперечные размеры обломков льда перестанут уменьшаться независимо от количества последующих проходов судна.
Известно, что при разрушении льда ИГВ трансформируются в гравитационные волны, т.е. битый лед перестает влиять на скорость и частоту волн. При этом с уменьшением размеров обломков льда длина волн уменьшается, а амплитуда возрастает. Очевидно, что, чем больше степень разрушения льда, тем больше будет амплитуда ИГВ и дифферент судна.
При движении судна над твердой горизонтальной поверхностью, воздушный винт обтекается однородным по скорости потоком воздуха. При движении судна по полю разрушаемого льда с увеличением степени его разрушения будет расти дифферент судна на корму, и поток скоростей, набегающих на винт, становится более неоднородным по вертикали. Вследствие этого лопасти воздушного винта за один оборот будут обтекаться переменным по скорости потоком, что приводит к вибрации винта, которая будет отличаться от значения вибрации при движении судна с такой же скоростью над твердой горизонтальной поверхностью.
Очевидно, что вибрация воздушного винта будет максимальной при максимальном дифференте судна на корму. В результате вибрации в пьезоэлементах, установленных в упорных подшипниках, будет возбуждаться электрический ток, сила тока которого будет расти с увеличением дифферента на корму и достигнет максимального значения при максимальной степени разрушения льда. Из вышесказанного следует, что по максимальному увеличению силы тока можно определить момент настyпления максимальной степени разрушения ледяного покрова, когда размеры обломков льда станут минимальными.
Для осуществления способа СВП первоначально начинают перемещать по твердой горизонтальной поверхности на различных скоростях и близких по значениям к резонансным и критическим, при этом сила воздействия воздушного потока на лопасти винта будет изменяться в зависимости от величины скорости движения судна, но будет относительно однородной по вертикали (в диске винта).
Вибрация винта, передаваемая на пьезоэлементы, предварительно установленные в его упорных подшипниках, приведет к возбуждению электрического тока. Полученная зависимость силы тока от скорости движения судна при движении над твердой поверхностью будет тестовой, с которой в дальнейшем сопоставляют результаты. Затем судно выводят на лед и начинают движение по ледяному покрову с резонансной скоростью. После первого прохода СВП в ледяном покрове возникнет область разрушения в виде полосы крупнобитого льда. Затем, например, для создания судоходного канала или для более быстрой очистки акватории ото льда, т.е. для измельчения обломков льда, судно неоднократно совершает по полю разрушенного льда последующие повторные проходы с критической скоростью. После каждого последующего прохода степень разрушения льда в канале будет возрастать, а размеры обломков льда, соответственно, уменьшаться. Одновременно с этим будет увеличиваться дифферент судна, который приведет к повышенной неоднородности поля скоростей набегающего воздушного потока, вибрации воздушного винта и увеличению силы тока, вырабатываемого пьезоэлементами и измеряемой предварительно установленным на судне амперметром. После того, как после очередного прохода разность сил тока не увеличится, последующие проходы прекращают. Судно при этом совершит минимальное количество проходов, достаточное для достижения максимальной степени разрушения ледяного покрова, т.е. крупнобитый лед превратится в мелкобитый при минимальных энергозатратах. Реализация способа показана на рис.1.15.
Рис.1.15.Способ разрушения ледяного покрова
Над твердой поверхностью 1 перемещают СВП 2. Лопасти воздушного винта 3 обтекаются потоком скоростей и 4. Амперметр 5 измеряет силу тока, возбуждаемую пьезоэлементами 6. После этого судно 2 выводят на лед 7 и перемещают с резонансной скоростью. После первого прохода лед 7 превратится в крупнобитый 8. Затем для измельчения обломков льда 8 судно 2 совершает по льду 8 повторные проходы с критической скоростью. Размеры обломков льда 8 начнут уменьшаться до размеров 9, а дифферент судна и разность токов возрастать, т.к. на лопасти винта 3 будет набегать неоднородное поле скоростей 10. При достижении максимальной степени разрушения битый лед 8 превратится в мелкобитый 9, дифферент судна и разность токов увеличатся до максимальных значений. После этого дальнейшие проходы судна прекращают. Судно при этом совершит минимальное количество проходов, достаточное для достижения максимальной степени разрушения льда [130].
Для увеличения толщины разрушаемого льда разработан способ, который осуществляют путем возбуждения во льду резонансных ИГВ с одновременным изменением с частотой резонансных ИГВ аэродинамической подъемной силы. Для этого в процессе движения на корпусе судна периодически с частотой резонансных ИГВ создают знакопеременную аэродинамическую подъемную силу посредством поворота горизонтальных пластин на положительные и отрицательные углы атаки по направлению к набегающему потоку воздуха. Пластины устанавливают предварительно на верхней палубе судна. Углы атаки периодически изменяют с частотой вышеупомянутых волн. Способ поясняется рисунком (рис.1.16) и осуществляется следующим образом. По ледяному покрову 1 начинают перемещать СВП 2 с резонансной скоростью VP. Если амплитуда возбуждаемых при этом основных ИГВ 3 будет недостаточна для разрушения льда 1, то предварительно установленные на верхней палубе 4 пластины 5 периодически с резонансной частотой поворачивают от 0 до углов атаки ±ά, т.е. до положений 6 и 7. При наличии ветра со скоростью Vв СВП направляют ему навстречу. Периодический поворот пластин
Рис.1.16. Способ разрушения ледяного покрова
5 на углы ± ά приведет к появлению и динамическому приложению к судну аэродинамической подъемной силы ±Rа, а направление СВП навстречу ветру - к обтеканию пластин набегающим потоком со скоростью VP + Ve. Динамическое приложение силы ± Ra приведет к возбуждению дополнительных ИГВ 8. Взаимодействие основных 3 и дополнительных 8 ИГВ увеличит амплитуду суммарных ИГВ 9, что вызовет рост толщины разрушаемого льда 1 [181].
Для повышения эффективности разрушения ледяного покрова резонансным методом с помощью судна на воздушной подушке разработан способ разрушения ледяного покрова, осуществляемый путем дополнительного воздействия на ледяной покров радиоизлучения с частотой 106-107 Гц при помощи генератора. Генератор устанавливают на выдвижной штанге на корпусе судна. Работой генератора повышают температуру ледяного покрова и понижают предел прочности льда при проведении ледокольных работ резонансным способом. Способ реализуется следующим образом. По ледяному покрову начинают перемещать СВП с резонансной скоростью. Генератор радиоизлучения на частоте 10 6-107 Гц, расположенный на выдвижной штанге в корпусе СВП и направленный на ледяную поверхность впереди судна, осуществляет диэлектрический нагрев и плавление поверхностных слоев льда. Последние приводят к разупрочнению льда, к увеличению амплитуды прогиба ледяной поверхности и к повышению вероятности разлома ледяного покрова при прочих равных условиях [182].
Для повышения эффективности воздействия на ледяной покров волнами от движения СВП получено изобретение на патент РФ: разрушение ледяного покрова осуществляют вблизи берега с использованием напряженно-деформированного состояния ледяного покрова, возникающем по береговой линии 4 во время морского прилива. Способ поясняется графически, где на рис.1.17 показана схема деформирования ледяного покрова с учетом влияния отлива и после образования свободной кромки. По ледяному покрову 1 начинают перемещать СВП 2. Если разрушения льда 1 не происходит, то определяют время наступления максимального отлива, когда ледяной покров примет наложение 3. Затем судно перемещают сначала вдоль береговой линии 4 на расстоянии от кромки примерзшего к берегу льда, равном полудлине волны статического прогиба ледяного покрова, затем с резонансной скоростью вдоль образовавшейся свободной кромки.
В результате лед у берега разрушится и у ледяного покрова появится свободная кромка, что приведет к возрастанию амплитуды и соответствующему росту толщины разрушаемого льда [183].
Для совершенствования технологии ледоразрушения посредством применения резонансного способа разрушения ледяного покрова с помощью СВП разработан способ разрушения ледяного покрова, при котором на ледяной покров дополнительно воздействуют радиоизлучением при помощи
Рис.1.17. Способ разрушения ледяного покрова
генератора, расположенного на выдвижной штанге в корпусе судна. Работой генератора создают гидравлический удар под вершиной ИГВ и увеличивают амплитyду этой волны, образующейся при движении СВП вдоль кромки ледяного покрова. Если при помощи генератора радиоизлучения создать дистанционно в области нижней поверхности льда под вершиной ИГВ взрывоподобное образование пара, то это приведет к увеличению амплитуды прогиба ледяной поверхности и к большей вероятности разлома ледяного покрова.
Такой способ реализуется следующим образом. По свободной поверхности воды вдоль кромки ледяного покрова начинают перемещать СВП с резонансной скоростью. Вследствие этого в ледяном покрове в направлении движения судна начинают распространяться ИГВ. Одновременно с движением судна при помощи генератора радиоизлучения на частоте 10 9-1010 Гц, расположенного на выдвижной штанге в корпусе судна, под максимальной вершиной ИГВ в области нижней поверхности льда дистанционно возбуждаются термогидравлические импульсы. Последние приводят к увеличению амплитуды прогиба ледяной поверхности и, как следствие этого, к более эффективному разрушению ледяного покрова [184].
Другой прием разрушения ледяного покрова резонансным методом, реализуемый СВП, заключается в том, что в процессе движения судна путем изменения его скорости последнее размещают относительно профиля ИГВ таким образом, чтобы ультразвуковой излучатель, установленный в корпусе судна и выдвигаемый под ледяной покров, расположился под максимальной по высоте вершиной ИГВ. Затем включают ультразвуковой излучатель, при помощи которого повышают температуру и гидродинамическое давление под максимальной вершиной изгибно-гравитационной волны, что приведет к повышению давления на ледяной покров со стороны воды и к более эффективному разрушению ледяного покрова [185].