Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты

Козин В. М,

1.3.7. Устройства для повышения ледоразрушающих качеств подводного судна

Оснащением подводного судна дополнительными приспособлениями можно повысить его ледоразрущающие качества. Их назначение заключается в увеличении амплитуды ИГВ за счет изменения закономерностей гидродинамического взаимодействия судна с ледяным покровом при возбуждении резонансных ИГВ. Ниже приведены описания подобных устройств, защищенных патентами РФ.

В качестве одного из них может быть использовано устройство в виде упругого покрытия, установленного в носовой части судна на верхней поверхности его корпуса (рис.1.90) в наиболее вероятном месте расположения первой впадины ИГВ. Устройство работает  следующим образом. При движении судна с V_P возникнут резонансные ИГВ, первая впадина которых окажется над участком судовой поверхности с упругим покрытием. Движение судна с V_p будет неизбежно сопровождаться формированием турбулентного пограничного слоя по всей его поверхности, кроме участка, покрытого упругим слоем. В этом месте частицы жидкости за счет ламинаризации режима течения начнут двигаться с большей средней скоростью (возрастет полнота эпюры скоростей в пограничном слое), что приведет к понижению давления и увеличению глубины впадины ИГВ. В результате повысятся изгибные напряжения в ледяном покрове и эффективность разрушения льда [384].

Рис.1.90.Устройство повышения эффективности разрушения льда

Достичь повышения эффективности разрушения льда подводным судном поможет установленное в носовой части судна на верхней поверхности его корпуса устройство в виде бегущей вдоль корпуса дорожки, представляющей собой транспортерную ленту (рис.1.91). Внешняя часть этой ленты расположена на уровне наружной обшивки корпуса с возможностью ее перемещения. Если при движении судна с резонансной скоростью V_p амплитуда возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения льда, то приводят в действие беryщую дорожку таким образом, чтобы ее внешняя часть перемещалась в направлении, противоположном направлению движения судна, т.е. совпадающим с направлением нaбегaющeгo потока. Это приведет к увеличению относительной скорости жидкости под впадиной ИГВ, (рассматривается обращенное движение), падению давления в соответствии с законом Бернулли в этом месте и соответствующему увеличению амплитуды ИГВ. В результате повысятся изгибные напряжения в ледяном покрове и эффективность разрушения льда [385].

Рис.1.91.Устройство для повышения эффективности разрушения льда

Рис.1.92.Устройство для повышения эффективности разрушения льда

Повысить эффективность разрушения льда при движении подо льдом подводного судна с резонансной скоростью можно с помощью нагревательного элемента, установленного на верхней поверхности носовой части судна (рис.1.92) [386]. Повышение температуры уменьшает вязкость жидкости и соответственно увеличивает скорость обтекания данной части, что увеличивает амплитуду ИГВ.

Аналогичный результат достигается выдвижением устройства, образующего обтекаемую выпуклость над верхней поверхностью носовой части корпуса подводного судна (рис.1.93) [245].

Рис.1.93.Устройство для повышения эффективности разрушения льда

Очередное разработанное устройство может быть изготовлено в виде пластины, установленной на верхней поверхности носовой части корпуса судна, при этом поверхность пластины выполнена ребристой, а пазы пластины расположены вдоль корпуса. (рис.1.94) [387].   

Рис.1.94.Устройство для повышения эффективности разрушения льда

Устройство для увеличения амплитуды ИГВ может представлять  собой турбулизаторы пограничного слоя, установленные на поверхности корпуса судна в виде поясков с возможностью их выдвижения из корпуса судна для увеличения степени турбулентности пограничного слоя (рис.1.95) [389]. С ее ростом возрастает сопротивление движению судна, амплитуда возбуждаемых ИГВ и, соответственно, их ледоразрушающая способность.

Развитием вышеописанного способа является устройство, выполненное в виде охлаждающего элемента, установленного в носовой оконечности корпуса судна [390].

Рис.1.95. Устройство для повышения эффективности разрушения льда

Для увеличения амплитуды ИГВ на верхней поверхности  корпуса судна в носовой его части под первой впадиной возбуждаемых судном ИГВ может быть  установлена легкодеформируемая оболочка, под которой расположена демпфирующая жидкость (рис.1.96) [391].

Рис.1.96.Устройство для повышения эффективности разрушения льда

Устройство для повышения ледоразрушающих качеств подводного судна может быть выполнено в виде  клиновидного кавитатора,  установленного на верхней поверхности корпуса судна в носовой его части под первой впадиной возбуждаемых судном ИГВ [392].

Повышение эффективности разрушения ледяного покрова можно достичь, если на верхней поверхности корпуса судна в носовой его части под первой впадиной возбуждаемых судном ИГВ установить крылья малого размаха [393].

Для тех же целей на верхней поверхности корпуса судна в носовой его части под первой впадиной возбуждаемых судном ИГВ устанавливается гидрофобное покрытие [394].

Схожий результат достигается, если на верхней поверхности корпуса судна в носовой его части под первой впадиной возбуждаемых судном ИГВ установлена резиновая оболочка, под которой расположены электромагнитные манометры [395].

Очередное разработанное устройство для разрушения ледяного покрова состоит из подводного судна, выполненного с возможностью двигаться подо льдом с резонансной скоростью и подавать под лед воздух в процессе его движения и последующей остановки. Для этого в корме судна выполнены каналы, снабженные клапанами (рис.1.97). Клапаны выполнены с возможностью открытия и закрытия с частотой, равной частоте резонансных  ИГВ с помощью предварительно установленных приводов. Каналы посредством трубопроводов соединены с баллонами сжатого воздуха, установленными на подводном судне. Такой способ осуществляется следующим образом. Под ледяным покровом 7 на заданном заглублении Н начинают перемещать подводное судно 1 со скоростью v_P для возбуждения резонансных ИГВ 8. На подводном судне 1 в его кормовой оконечности выполнены  каналы 2, которые снабжены клапанами 3 и приводят в движение с помощью приводов 4. Каналы 2 посредством трубопроводов 5 соединены с баллонами сжатого воздуха 6.     

Рис.1.97.Устройство для разрушения ледяного покрова

Если амплитуда возбуждаемых ИГВ окажется недостаточной для разрушения ледяного покрова 7, то судно за счет реверса гребных винтов 9 начинают тормозить. Одновременно с торможением судна 1 с помощью баллонов сжатого воздуха 6 для продувки цистерн главного балласта за кормой судна периодически с частотой, равной частоте резонансных ИГВ, формируют воздушную полость 10 путем соответствующей подачи из корпуса судна воздуха за борт. Для этого каналы 2, соединенные посредством трубопроводов 5 с баллонами сжатого воздуха 6, открывают и закрывают при помощи приводов 4 и клапанов 3 с частотой, равной частоте резонансных ИГВ. Попутный поток 11, сформировавшийся за судном при его постyпательном движении, продолжая по инерции свое движение, встретит на своем пути воздушную полость 10, что вызовет его ускорение, а затем после ее прохождения - препятствие в виде остановившегося судна 1. Это приведет к скачкообразному увеличению давления в районе кормы судна 12. Вследствие несжимаемости воды это давление мгновенно передастся во всех направлениях, в том числе и в направлении 13 к нижней поверхности ледяного покрова в районы вершин ИГВ 8, что вызовет возбуждение во льду дополнительных резонансных ИГВ 14. В результате на основные ИГВ 8, возбужденные от поступательного движения судна, наложатся дополнительные резонансные ИГВ 14, возникающие при торможении судна и периодического формирования за его кормой воздушной полости 10. Суммирование этих колебаний до профиля волны 15 повысит эффективность разрушения льда 7 [396].

Конструкция очередного устройства предусматривает следующее: верхняя палуба судна выполняется в виде конструкции, способной деформироваться до формы, зеркально отображающей профиль возбуждаемых судном ИГВ при помощи установленных под ней приводов,  которые приводятся в действие в соответствии с показаниями ультразвуковых датчиков. Датчики установлены на палубе для измерения расстояния по вертикали от верхней палубы до нижней поверхности ледяного покрова (рис.1.98). Устройство работает следующим образом. Верхняя палуба 1 судна 2 выполнена в виде конструкции, например чашуйчатой,  способной деформироваться  при помощи установленных под ней приводов 3, на палубе 1 установлены ультразвуковые датчики 4, с помощью которых измеряют расстояния Н по вертикали от верхней палубы 1 до нижней поверхности ледяного покрова 5, при этом каждый из приводов снабжен своим датчиком. Если при движении судна с резонансной скоростью v_P амплитyда возбуждаемых ИГВ 6 окажется недостаточной для разрушения ледяного покрова, то в процессе движения судна со скоростью v_P при помощи датчиков 4 измеряют расстояния Н по всей длине судна.  На основании этих замеров посредством приводов 3 палуба 1 деформируется таким образом, чтобы ее форма 7 зеркально отображала профиль ИГВ 6. Это приведет к стеснению потока в области 8 и его расширению в области 9. Соответственно давление под подошвой ИГВ 6 понизится, а под вершиной - повысится. В результате амплитyда ИГВ 6 возрастет до амплитуды ИГВ 10 [397].

Рис.1.98.Устройство разрушения ледяного покрова