Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1.2.2. Конструкции ледокольных СВП для разрушения ледяного покрова резонансным методом
Для повышения эффективности разрушения ледяного покрова резонансным методом с помощью СВП предложен ряд устройств. В качестве одного из них разработано СВП, имеющее корпус с гибким ограждением и надстройку. В корпусе судна на одной вертикали с центром масс его корпуса установлен вертикальный выдвижной плунжер, который имеет возможность осуществлять периодические вертикальные перемещения с частотой резонансных ИГВ в ледяном покрове. Совпадение частот вертикальных перемещений (колебаний) плунжера и резонансных ИГВ приведет к увеличению амплитуд возбуждаемых волн (во льду возникнут большие деформации, чем при статическом давлении плунжера на ледяной покров). Если локализация нагрузки на лед от веса судна при егo достаточном весовом водоизмещении и ее динамическое воздействие приведет к разрушению ледяного покрова и образованию в нем майны, заполненной битым льдом, то плунжер задвигают в исходное положение. При необходимости увеличения размеров майны судно перемещают на кромку неразрушенного льда и повторяют процесс нагружения ледяного покрова по вышеизложенной схеме (рис.1.18).
Рис.1.18.Схема взаимодействия СВП с ледяным покровом при выполнении ледокольных работ
После приготовления майны необходимых размеров СВП удаляют от нее на расстояние, достаточное для развития ИГВ максимальной амплитуды при движении СВП с резонансной скоростью (для раскачивания льда до максимальной амплитуды требуется определенное время). 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 егo поступательном движении.
Изобретение поясняется чертежом (рис.1.18). По ледяному покрову 1 перемещают СВП 2 с резонансной скоростью vр. Если амплитуда возбуждаемых ИГВ 3 оказывается недостаточной для разрушения льда, то судно 2 останавливают. От статическоro 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, должен быть больше высоты парения корпуса СВП над поверхностью льда, 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. После этого плунжеру 6 при помощи гидропривода 5 сообщают периодические вертикальные перемещения с частотой резонансных ИГВ. Локализация нагрузки на лед от веса судна и ее динамическое воздействие приведет к разрушению ледяного покрова и образованию в нем майны 9, заполненной битым льдом. Затем плунжер 6 задвигают в исходное положение. После приготовления майны 9 СВП удаляют от нее на расстояние L, достаточное для развития ИГВ максимальной амплитуды при движении СВП с резонансной скоростью. Затем судно 2 разворачивают и начинают движение с резонансной скоростью в направлении майны 9. В момент ее прохождения в ледяном покрове амплитуда ИГВ возрастает до профиля 10, и лед начнет разрушаться за судном при его поступательном движении [141].
Рис.1.19.Ледокольное судно на воздушной подушке
Для повышения эффективности разрушения ледяного покрова резонансным методом разработано следующее техническое решение (рис.1.19): по льду 1 перемещают судно 2 на воздушной подушке с резонансной скоростью. 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 ледовый бур 6, установленный в корпусе 7 судна 2. Бур 6 имеет водопроточный канал 8 и режущую кромку 9. Затем при помощи ледового бура 6 во льду 1 сверлится отверстие 10. После этого к верхней кромке 11 ледового бура 6 присоединяют шланг 12 центробежного насоса 13 и начинают откачивать воду 14 из-подо льда 1. Откачанная вода 15 из насоса 13 поступает под юбку 16 судна 2 в чашу прогиба 4. Это приведет к разрушению льда и образованию в нем майны. Насос 13 отключают, бур 6 задвигают в исходное положение, а судно 2 удаляют от нее на расстояние L, достаточное для развития ИГВ максимальной амплитуды. 3атем судно 2 разворачивают и начинают движение с резонансной скоростью в направлении майны [142].
Наличие в ледяном покрове локальных неоднородностей в виде майны значительно повышает эффективность разрушения льда резонансным методом. Это объясняется тем, что при маневрировании СВП 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. Такой способ можно реализовать следующим образом. По ледяному покрову начинают перемещать СВП с резонансной скоростью. Если амплитуда возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, то судно останавливают. При помощи гидропривода начинают выдвигать вертикальный полый ледовый бур, предварительно установленный в корпусе судна, до контакта бура со льдом. 3атем во льду сверлится отверстие. После его приготовления некоторое количество воды выльется на лед, т.к. вследствие статической нагрузки судна на лед в ледовой пластине образуется прогиб. Если данного количества воды будет недостаточно для образования пролома во льду и образования майны, то поступают следующим образом. К верхней кромке водопроточного канала ледового бура присоединяют центробежнъгй насос и начинают откачивать воду из-подо льда и выливать ее под юбку судна в чашу статического прогиба льда. В результате давление воды на лед снизу упадет, а давление сверху на лед увеличится. Одновременно включают тепловентилятор, предварительно установленный в корпусе судна. Вследствие этого произойдет нагрев воздуха в подкупольном пространстве СВП и нагрев воды в чаше статического прогиба. Контакт верхних слоев льда с теплой водой приведет к уменьшению модуля упругости и прочности льда. В результате этого может произойти разрушение ледяного покрова и образование в ней майны, заполненной битым льдом. После чего насос и тепловентилятор отключают, ледовый бур задвигают в исходное положение. При необходимости увеличения размеров майны судно перемещают на кромку неразрушенного льда и ломают кромку давлением в воздушной подушке. После приготовления майны необходимых размеров СВП удаляют от нее на расстояние, достаточное для развития ИГВ максимальной амплитуды при движении СВП с резонансной скоростью (для раскачивания льда до максимальной амплитуды требуется определенное время). 3атем 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 [143] .
Конусные элементы гибкого ограждения, рассредоточенные под днищем СВП и снабжаемые воздухом от воздухонагнетателей напрямую или через ресивер, увеличивают остойчивость судна на любых режимах движения. Если под днищем судна в его угловых секторах установить по одному конусному гибкому ограждению, то последние будут способствовать увеличению как продольной, так и поперечной остойчивости судна при его движении. Такая конструкция СВП позволяет повысить эффективность разрушения ледяного покрова резонансным методом. Для этого если амплитуда возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, судно останавливают. Выключают общий вентилятор, питающий внешнее гибкое ограждение, т.е. воздушную подушку большой площади. Затем выдвигают внутреннее гибкое ограждение (ГО), включают компрессор высокого давления с выходом в воздушные каналы внутренней юбки и оттуда уже в малое подкупольное пространство, при этом внешнее ГО отключают от вентилятора (путем закрытия соответствующих питающих клапанов) и подтягивают к днищу судна для устранения его контактирования со льдом. Таким образом создается увеличенное давление на лед. После этого судно приводят в движение с резонансной скоростью, одновременно для повышения остойчивости выдвигая четыре гибких ограждения конусного типа, расположенных в угловых секторах внешнего подкупольного пространства и питаемых от вентилятора судна. При этом амплитуда ИГВ за счет локализации нагрузки возрастет, и лед начнет разрушаться за судном при его поступательном движении, т.к. при переходе от распределенной нагрузки к более сосредоточенной происходит резкое увеличение изгибных напряжений. Таким образом, если у СВП предусмотреть дополнительную выдвижную воздушную подушку меньшей площади, чем внешняя (основная), и с помощью компрессора высокого давления создать в ней давление, уравновешивающее вес судна, то при движении с резонансной скоростью такой нагрузки в ледяном покрове возникнут ИГВ большей амплитуды, чем при движении на внешней воздушной подушке [144].
Преимущества такой конструкции СВП можно реализовать следующим образом. По ледяному покрову начинают перемещать СВП с резонансной скоростью. Если амплитуда возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, то судно останавливают. Выключают общий вентилятор, питающий внешнее гибкое ограждение и воздушную подушку большой площади. Затем выдвигают внутреннее гибкое ограждение (ГО), включают компрессор высокого давления с выходом в воздушные каналы внутренней юбки и оттуда уже в малое подкупольное пространство. При этом внешнее ГО отключают от вентилятора и подтягивают к днищу судна для устранения его контактирования со льдом. Так создается увеличенное давление на лед. После этого судно приводят в движение с резонансной скоростью. При недостаточной остойчивости судна, чтобы избежать опасных крена и дифферента СВП, малую подушку перемещают под корпусом судна в сторону наибольшего наклонения. Это приведет к повышению остойчивости судна. В результате движения судна с резонансной скоростью на меньшей по площади подушке с увеличенным давлением на лед амплитуда ИГВ возрастет, и лед начнет разрушаться за судном при его поступательном движении с меньшими энергозатратами [145].
Если у СВП предусмотреть дополнительную выдвижную воздушную подушку меньшей площади, чем внешняя (основная), и с помощью компрессора высокого давления создать в ней давление, уравновешивающее вес судна, то при движении с резонансной скоростью такой нагрузки в ледяном покрове возникнут ИГВ большей амплитуды , чем при движении на внешней воздушной подушке. Преимущества такой конструкции корпуса СВП можно реализовать следующим образом. По ледяному покрову начинают перемещать СВП с резонансной скоростью. Если амплитуда возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, то судно останавливают. Выключают общий вентилятор, питающий внешнее гибкое ограждение и воздушную подушку большой площади. 3атем выдвигают внутреннее ГО, включают компрессор высокого давления с выходом в воздушные каналы внутренней юбки и оттуда уже в малое подкупольное пространство, при этом внешнее ГО отключают от вентилятора и подтягивают к днищу судна для устранения его контактирования со льдом. Таким образом создается увеличенное давление на лед. После этого судно приводят в движение с резонансной скоростью. При недостаточной остойчивости судна, чтобы избежать опасного крена и дифферента СВП, геометрию в плане малой подушки изменяют. С этой целью по периметру малого ГО устанавливают отдельные секции, которые могут выдвигаться за пределы штатного положения или втягиваться во внутрь ГО. Например, при появлении крена вправо правые секции малой воздушной подушки выдвигаются за пределы своего положения, а левые наоборот втягиваются внутрь. В результате при движении СВП на малой подушке амплитуда ИГВ возрастет [146].
Если у СВП предусмотреть дополнительную выдвижную воздушную подушку меньшей площади, чем внешняя (основная), и с помощью компрессора высокого давления создать в нeй давление, уравновешивающее вес судна, то при движении с резонансной скоростью такой нагрузки в ледяном покрове возникнут ИГВ большей амплитуды, чем при движении на внешней воздушной подушке. Для осуществления этого решения после остановки судна выключают общий вентилятор, питающий внешнее гибкое ограждение и воздушную подушку большой площади. Затем выдвигают внутреннее ГО, включают компрессор высокого давления с выходом в воздушные каналы внутренней юбки и оттуда уже в малое подкупольное пространство, при этом внешнее ГО отключают от вентилятора (путем закрытия соответствующих питающих клапанов) и подтягивают к днищу судна для устранения его контактирования со льдом. Таким образом создается увеличенное давление на лед. После этого судно начинают перемещать с резонансной скоростью. При недостаточной остойчивости судна, для избежания опасных углов крена и дифферента СВП, со стороны крена открывают каналы, выполненные в жестком ресивере под днищем судна, включают общий вентилятор и начинают выпускать воздух, подаваемый от вентилятора, через открытые каналы под днище судна. Это приведет к повышению остойчивости СВП за счет появления реактивной силы выходящего через каналы воздуха. В результате движения судна с резонансной скоростью на малой подушке с увеличенным давлением на лед амплитуда ИГВ возрастет [147].
Очевидно, что при начале маневрирования СВП вблизи или непосредственно над майной, его ледоразрушающая способность при резонансном методе ломки льда возрастает, т.к. ледяное поле, имеющее свободную кромку, легче раскачать до предельных амплитуд. Поэтому, если у СВП предусмотреть дополнительную выдвижную воздушную подушку меньшей площади, чем внешняя (основная), и с помощью компрессора высокого давления создать в ней давление, уравновешивающее вес судна, то при статическом нагружении ледяного покрова такой нагрузкой в нем могут возникнуть изгибные напряжения, превышающие напряжения при деформировании ледяного покрова ИГВ возбуждаемыми обычными СВП на резонансной скорости. Кроме этого дополнительную нагрузку на лед можно создать за счет веса откачанной из-подо льда воды. При контакте верхней кромки льда с откачанной водой температура верхних слоев льда будет повышаться. Это приведет к уменьшению модуля упругости и прочности льда и к более вероятному разрушению льда при прочих аналогичных условиях. Выше указанное, а именно: уменьшение давления воды на лед снизу; увеличение давления на лед сверху за счет уменьшения площади ВП, уменьшение модуля упругости и прочности льда - значительно ослабят прочность ледяного покрова.
Для осуществления такой технологии поступают следующим образом: при помощи гидропривода начинают выдвигать вертикальный полый ледовый бур, предварительно установленный в корпусе судна, и во льду сверлят отверстие. После его приготовления некоторое количество воды выльется на лед, т.к. вследствие статической нагрузки судна на лед в ледовой пластине образуется прогиб. Если данного количества воды будет недостаточно для образования пролома во льду и образования майны, то общий вентилятор, питающий внешнее гибкое ограждение и воздушную подушку большой площади, выключают. Затем выдвигают внутреннее гибкое ограждение, включают компрессор высокого давления с выходом в воздушные каналы внутренней юбки и оттуда уже в малое подкупольное пространство. В результате возникнет увеличенное давление на лед. Одновременно к верхней кромке водопроточного канала ледового бура присоединяют центробежный насос, с его помощью начинают откачивать воду из-подо льда и выливать во внутрь подкупольного пространства. Давление воды на лед снизу упадет, а давление сверху на лед увеличится. Кроме того, произойдет нaгpeв верхних слоев льда водой, что приведет к уменьшению модуля упругости и прочности льда. Если после этого произойдет разрушение ледяного покрова и образование в нем майны, заполненной битым льдом, то насос и компрессор отключают, ледовый бур и внутреннее гибкое ограждение задвигают в исходное положение. При необходимости увеличения размеров майны судно перемещают на кромку неразрушенного льда и ломают кромку методом давления воздушной подушки. После приготовления майны необходимых размеров СВП удаляют от нее на расстояние, достаточное для развития ИГВ максимальной амплитуды 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, что при достаточных условиях может вызвать разрушение льда за судном при его поступательном движении [25, 148].
Далее приведено устройство ледокольного СВП, в корпусе которого на одной вертикали с его центром масс установлен вертикальный выдвижной плунжер с размещенным внутри него ледовым буром, способным совершать периодические вертикальные перемещения с частотой резонансных ИГВ в ледяном покрове. 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 ИГВ, возбуждаемыми обычными СВП на резонансной скорости. Также известно, что динамическое приложение периодической нагрузки с частотой резонансных ИГВ вызывает в ледяном покрове значительно большие изгибные напряжения по сравнению со статическим нагружением. Очевидным и то, что при обеспечении 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. При медленном наrружении 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.
Данное решение осуществляется следующим образом. Если по ледяному покрову начинают перемещать СВП с резонансной скоростью, а амплитyда 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. 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. Совпадение частот вертикальных перемещений (колебаний) плунжера и резонансных ИГВ приведет к возбуждению прогрессивных ИГВ и возникновению во льду деформаций, больших 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 при достаточной массе судна приведет к разрушению ледяного покрова и образованию в нем майны, заполненной битым льдом. Затем 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 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 [149].
Для повышения эффективности разрушения льда предложена конструкция СВП, содержащая корпус с внешним гибким ограждением, запитывающимся вентилятором и внутренним гибким ограждением, выполненным в виде выдвижной юбки площадью, меньшей, чем внешнее гибкое ограждение. Внутреннее гибкое ограждение запитывается дополнительным компрессором высокого давления. Для обеспечения остойчивости судна в жестком ресивере судна выполнены закрывающиеся каналы с регулирующими заслонками для соответствующего выпуска воздуха вверх через верхнюю палубу, запитывающиеся вентилятором при отключенной подаче воздуха во внешнее гибкое ограждение. Если при движении СВП с резонансной скоростью амплитyда возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, то судно останавливают и выключают общий вентилятор, питающий внешне гибкое ограждение (ГО) и воздушную подушку большой площади. Затем выдвигают внутреннее ГО, включают компрессор высокого давления с выходом в воздушные каналы внутренней юбки и оттуда уже в малое подкупольное пространство, при этом внешнее ГО отключают от вентилятора путем закрытия соответствующих питающих клапанов и подтягивают к днищу судна для устранения его контакта со льдом. В результате давление на лед возрастет, после этого судно начинают перемещать с резонансной скоростью. При недостаточной остойчивости судна, для избежания опасных углов крена и дифферента СВП в верхней части палубы открывают каналы, выполненные в жестком ресивере судна, включают общий вентилятор и начинают выпускать воздух, подаваемый от вентилятора, через открытые каналы вверх через верхнюю палубу. Расход воздуха через каналы регулируется заслонками с тем расчетом, чтобы по стороне, противоположной крену, расход воздуха через каналы был максимальным, а по стороне крена - минимальным. Это не только повысит остойчивость СВП за счет появления реактивной силы выходящего через каналы воздуха, но и увеличит давление на лед за счет реакции струй. В результате при движении судна с резонансной скоростью на малой подушке с увеличенным давлением на лед амплитyда ИГВ возрастет.
Данное изобретение (рис.1.20) осуществляется следующим образом. По ледяному покрову 1 перемещают СВП 2 с резонансной скоростью VP. Используется внешняя (основная) юбка 3. Если амплитуда возбуждаемых ИГВ 4 оказывается недостаточной, то судно останавливают. Затем выдвигают юбку малой площади 5 и подключают ее к компрессору высокого давления 6. После этого внешнее гибкое ограждение 3 отключают от главного вентилятора 7, подтягивают к днищу судна (позиция 8) и начинают движение по льду с резонансной скоростью.
Рис.1.20.Схема деформирования ледяного покрова СВП (вверху) и схема каналов в жестком ресивере судна (внизу)
При появлении опасных углов крена или дифферента судна открывают каналы 9 с регулирующими заслонками 10, выполненные в жестком ресивере с выходом в верхнюю палубу, подключают их к вентилятору 7 и повышают остойчивость судна. При этом амплитуда ИГВ возрастает до профиля 11 и лед начинает разрушаться за судном при его поступательном движении [150].