CN108928441A - 一种海上航行船体的破冰系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上航行船体的破冰系统，其技术方案要点是包括抽水泵、增压泵和切割装置，所述抽水泵和增压泵之间设有用于连接的第一管道，增压泵与切割装置之间设有用于连接的第二管道，本发明目的在于提供一种破冰方便、效率高、船体不易受到损伤且省能源的海上航行船体的破冰系统。

Description

一种海上航行船体的破冰系统

技术领域

本发明涉及一种船舶破冰技术领域,更具体地说，它涉及一种海上航行船体的破冰系统。

背景技术

现有大型破冰船一般常用采用破冰方法，当冰层不超过1.5米厚时，多采用“连续式”破冰法。主要靠螺旋桨的力量和船头把冰层劈开撞碎，在冰区平均航速为9.2km/h。如果冰层较厚，则采用“往复式”破冰法。往复破冰船船头部位吃水浅，会轻而易举地冲到冰面上去，船体利用自身重力把下面厚厚的冰层压为碎块。然后破冰船倒退一段距离，再开足马力冲上前面的冰层，把船下的冰层压碎。如此反复，就开出了新的航道；这用燃料油为动力的破冰船，多采用柴油机带动发动机发电，电动机驱动螺旋桨(组合机组驱动)，驱动功率可达上百万瓦，可以满足较长时间破冰航行的需要，综上所述破冰船的破冰过程需要反复破冰实在较为复杂，效率极为低下，较容易损坏船体，在大海上船体上破损容易导致全员生命受到伤害；以及需要较大的能耗。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种破冰方便、效率高、船体不易受到损伤且省能源的海上航行船体的破冰系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种海上航行船体的破冰系统，包括抽水泵、增压泵和切割装置，所述抽水泵和增压泵之间设有用于连接的第一管道，增压泵与切割装置之间设有用于连接的第二管道。

本发明进一步设置为：所述切割装置包括辅破冰器和置于辅破冰器两侧的主破冰器，所述辅破冰器和主破冰器外接计算机。

本发明进一步设置为：所述辅破冰器包括第一机械手臂、水刀桁架和第一水刀头，该水刀桁架置于第一机械手臂一端，第一水刀头置于水刀桁架上，水刀桁架上设有供第一水刀头放置的滑行架，滑行架沿着水刀桁架轴向方向滑动，所述第一水刀头上还设有与增压泵连接的第一高压水管。

本发明进一步设置为：所述主破冰器包括第二机械手臂、第一固定片和第二固定片，所述第一固定片和第二固定片均铰接在第二机械手臂一端，第一固定片和第二固定片排列成八字状，第一固定片和第二固定片上均设有刀头连接杆，刀头连接杆上设有第二水刀头,第二水刀头上设有与增压泵连接的第二高压水管。

本发明进一步设置为：所述第一水刀头和第二水刀头上均设有与计算机相连的距离感应器。

本发明进一步设置为：所述第一水刀头和第二水刀头均包括喷嘴和与喷嘴连接的供水管，所述供水管外设有若干个电加热管，其中一个电加热管上设有供砂管，供砂管一端从加热管侧壁贯穿至供水管上且与供水管连通，所述供砂管外接有加砂装置。

本发明进一步设置为：所述加砂装置为加砂漏斗。

本发明进一步设置为：所述增压泵和抽水泵之间设有混合池，所述混合池内设有加热器。

本发明进一步设置为：所述抽水泵外接有船舶主机，船舶主机包括机体和与机体连接的冷却水排放管，该冷却水排放管与第一管道连接。

本发明进一步设置为：所述电加热管上设有与计算机连接的温度传感器，电加热管外设有外包层，该外包层由镍铬合金钢制成，电加热管内设有内包层，内包层由铜镍合金制成，电加热管由高压氧化镁制成。

通过采用上述技术方案，利用抽水泵进行抽水，利用增压泵进行增压，然后通过增压泵增压后的水从切割装置上的第一水刀和第二水刀到进行高压水进行切割，利用辅破冰和主破冰器进行配合，主破冰器置于辅破冰器两侧，利用水切割方式进行切割冰层，能够一次性破坏冰层整体性，使得船体开进去的时候，冰层早已破损，一次性的破坏冰层，在破冰的时候，效率大大得到提升，并且不要额外增加动力，来保证破冰的一个动力，只需要利用原先的动力就可以满足日常破冰开销，进而减少因为破冰而带来高燃料的消耗。

附图说明

图1为本发明实施例的系统在船体安装位置结构示意图。

图2为本发明实施例的切割装置示意图。

图3为本发明实施例的主破冰器结构示意图。

图4为本发明实施例的第一水刀头结构示意图。

图5为本发明实施例的第二水刀头结构示意图。

图6为本发明实施例系统示意图。

图7为本发明实施例混合池结构示意图。

图8为本发明实施例电加热管结构示意图。

图9为本发明实施例装置的能耗和破冰船自身能耗进行对比图。

图10为本发明实施例高压水射流数据图。

图11为本发明实施例行刀速度图。

图12为本发明实施例切割深度和抗压强度对比图。

具体实施方式

参照图1至图12对本发明实施例做进一步说明。

一种海上航行船体的破冰系统，包括抽水泵1、增压泵5和切割装置6，所述抽水泵1和增压泵5之间设有用于连接的第一管道2，增压泵5与切割装置6之间设有用于连接的第二管道61。

通过采用上述技术方案，首先利用抽水泵1将海水抽取上来，然后通过增压泵5进行增压，利用增压泵5增压至350MPa后，将通过第二管道61通向切割装置6上，利用切割装置6进行高压喷射进行切割，选择350MPa的压力水作为装置的输出水压，保证破冰效率的前提下降低能耗，加快切割速度。

本发明进一步设置为：所述切割装置6包括辅破冰器和置于辅破冰器两侧的主破冰器，所述辅破冰器和主破冰器外接计算机。

通过采用上述技术方案，通过切割装置6包括辅破冰器和置于辅破冰器两侧的主破冰器，然后通过计算机控制辅破冰器和主破冰器，利用计算机设定的轨迹进行控制主破冰器和辅破冰器进行工作，进行良好且有规律的破冰。

本发明进一步设置为：所述辅破冰器包括第一机械手臂8、水刀桁架81和第一水刀头9，该水刀桁架81置于第一机械手臂8一端，第一水刀头9置于水刀桁架81上，水刀桁架81上设有供第一水刀头 9放置的滑行架82，滑行架82沿着水刀桁架81轴向方向滑动，所述第一水刀头9上还设有与增压泵5连接的第一高压水管83。

通过采用上述技术方案，利用第一机械手臂8上的水刀桁架81 的固定，使得第一水刀头9配合滑行架进行滑动，当第一手臂固定在某个位置的时候，然后通过第一水刀头9进行在水刀桁架81上滑动的时候，也就相当于第一水刀头9来回进行切割，并且在切割的同时船舶在向前运动，使得其第一水刀头9运动轨迹变成连续的Z字形运行，使得冰层能够这样连续的Z字形前行方式进行破坏冰层，以达到高效破冰的效果。

本发明进一步设置为：所述主破冰器包括第二机械手臂7、第一固定片71和第二固定片72，所述第一固定片71和第二固定片72均铰接在第二机械手臂7一端，第一固定片71和第二固定片72排列成八字状，第一固定片71和第二固定片72上均设有刀头连接杆74，刀头连接杆74上设有第二水刀头75,第二水刀头75上设有与增压泵 5连接的第二高压水管73。

通过采用上述技术方案，通过第二机械手臂7，进行距离调节，在第一机械手臂8两侧，由两个第二机械手臂7进行工作，利用第一固定片71和第二固定片72均铰接在第二机械手臂7一端，然后第一固定片71和第二固定片72排列成八字状，进行角度调节，使得切割形成的V字状的开口大小进行调节，第一固定片71和第二固定片72 上均设有刀头连接杆74，刀头连接杆74上设有第二水刀头75,利用刀头连接杆74铰接，在第一固定片71和第二固定片72上，通过刀头连接杆74进行铰接调节角度，使得第二水刀头75喷射的角度进行调节，使得切割成V字状在第一水刀头9切割出来的Z字状切痕两侧，通过V字状的切除冰层，在破冰的时候，船舶运行，自然可以形成一个V字槽，哪怕船体直接开过的时候，被切割的层V字形也能够以少部分进行阻碍，船体也能够自身轻易破冰，进而保证了不用往返破冰，提高了工作效率。

本发明进一步设置为：所述第一水刀头9和第二水刀头75上均设有与计算机相连的距离感应器902。

通过采用上述技术方案，通过距离感应器902的感应冰层的距离，通过第一机械手臂8和第二机械手臂7调节高度然后从甲板升起将第一水刀头9和第二水刀头75下放至冰层，通过距离传感应器902将第一水刀头9和第二水刀头75下放至距离冰面 7mm-8mm处的时候，能够利用计算机控制抽水泵1进行抽取工作，保证在正在开始切割的时候就有高压水进行切割，保证其工作的稳定性和切割的效率性。

本发明进一步设置为：所述第一水刀头9和第二水刀头75均包括喷嘴91和与喷嘴91连接的供水管92，所述供水管92外设有若干个电加热管93，其中一个电加热管93上设有供砂管94，供砂管94 一端从加热管侧壁贯穿至供水管92上且与供水管92连通，所述供砂管94外接有加砂装置。

通过采用上述技术方案，破冰船的航区温度在-20℃—-30℃，低温可能导致高压水射流系统冻结，从而导致装置的工作效率大大降低，通过外设有的电加热管93，进对供水管92内的水进行加热保温，然后在通过供砂管94进行设置，利用加砂装置在内部添加氯化钠晶体、石榴砂和金刚砂等，当在使用的时候，能够利用高压，再配合这些固体，利用晶体进行摩擦，提高其摩擦效率，如果利用传统石榴砂、金刚砂等虽然能够很好的提高切割强度，但是会对海洋环境造成不可逆转的破坏，所以采用特殊的摩擦剂，以保证装置工作的绿色环保，优选氯化钠晶体，因为其他的晶体容易对海洋产生一定的破坏，而添加氯化钠晶体，能够最终溶解于海洋中，不会对海洋产生破坏。

本发明进一步设置为：所述加砂装置为加砂漏斗95。

通过采用上述技术方案，通过加砂漏斗95的设置，能够更好方便的将助切割固体进行放入，保证切割效率。

本发明进一步设置为：所述增压泵5和抽水泵1之间设有混合池4，所述混合池4内设有加热器41。

通过采用上述技术方案，通过增压泵5和抽水泵1之间设有混合池4，当水进入混合池4的时候，通过在混合吃内添加氯化钠然后利用加热器41进行加热，使得绿化钠溶解后使得混合池4内的水达到饱和，而后利用增压泵5进行将混合池4内的水进行增压，使得混合池4内的水以高压状态送第一水刀头9和第二水刀头75内高压喷射出去，并且是以一定的温度高压喷射出去，进行高水压热切割，从而完成高效率破冰。

本发明进一步设置为：所述抽水泵1外接有船舶主机3，船舶主机3包括机体31和与机体31连接的冷却水排放管32，该冷却水排放管32与第一管道2连接。

通过采用上述技术方案，利用抽水泵1外接有船舶主机3，在实际的应用中，直接可以与船体上的船舶主机3进行对接，原先冷却水可能直接排放到海里，容易对海洋产生一定的影响，因为排除来的冷却水具有一定的温度，通过这样的连接，第一可以减少海水的利用，可以将冷却水直接用来做喷嘴91的水源供应，也减少了能耗，然后也进一步提升了其喷射水源的温度，减少混合池4内部的加热器41 对水温加热的时间，对船舶主机3的冷却水进行二次利用，达到资源该资源的二次利用效果。

本发明进一步设置为：所述电加热管93上设有与计算机连接的温度传感器901，电加热管93外设有外包层931，该外包层 931由镍铬合金钢制成，电加热管93内设有内包层932，内包层 932由铜镍合金制成，电加热管93由高压氧化镁制成。

通过采用上述技术方案，在电加热管93的外侧包裹保温材料，温度传感器901安装在电加热管93上，外包层931导热材料为镍铬合金钢，内包层932电热材料为铜镍合金，电加热管93高压氧化镁绝缘，以此来对抗极端低温对装置的切割效率的影响，从而保证了装置在南北两极区域能够正常工作，保证了切割的时候的效率，不会因为天气而带来影响。

在切割冰层之后，冰层的整体性遭到了一定的破坏，在船体向前行时，船首就会挤压被切割部分的冰层，冰层由于被切割就会轻易的遭到破坏，在冰层之间就会出现一条狭窄的通道，而当船体进一步向前推进的过程中，由于船体的横向长度远大于冰层之间的狭窄通道，冰层就会给船体提供一个向上的支持力，船进一步向前运动时，支持力进一步增大，船体向上运动，部分离开水面，导致排水量减小，导致水对船体的浮力减小，导致二力平衡失稳，合力向下，从而使船体挤压冰层，导致冰层结构性破坏，达到破冰效果。

两个主破冰器，在增压泵5开始工作，两组高压水射流对向切割，切割出一个倒三角的切割缝，在船体两侧切割出两道切割缝，而辅破冰器在水刀桁架81上做往复运动，垂直冰层切割，使冰层出现Z字行的切割轨迹，切割液温度设置在4℃-10℃和食盐水，并在其中掺入了NaCl晶体，能够保证切割缝不冻结，防止冰层整体性的恢复。

如图9所示对装置的能耗和破冰船自身能耗进行对比，以往复式破冰100米为例，往复式破冰100米能耗大约在1015千焦，而以连续式破冰100米的能耗大约在507千焦，连续式破冰能耗约为往复式破冰的50％；增加装置之后，可以将往复式破冰转化为连续式破冰，而添加附加设备连续破冰100米的时间内能耗大约在30 千焦，能耗远小于往复式破冰的能耗。

图10所示的数据是高压水射流，以压强350Mpa为例，通过0.3 mm的喷嘴91喷出之后，喷嘴91处的压强为350Mpa，随着切割点与喷嘴91的距离不断加大，水射流的压力逐渐减小，喷嘴91到切割点的距离为1400mm时，高压水射流的压强无法达到切割强度要求。

图11曲线表示的是350Mpa的高压水射流,通过0.3mm的喷嘴 91分别切割碳钢板和大理石的行刀速度,通过表中数据可以看出, 随着材料的物理性能的变化,水刀的行刀速度也会发生较大的变化。

通过图10和图11的数据,结合动量守恒的原则和能量守恒定理,预估350MPa高压水射流,通过0.3mm的喷嘴91切割冰层,再保证船行速度(9.2km/h)的前提下最大切割深度约为1.2m,而现阶段破冰船的破冰厚度大约在2.2m左右,切割深度大于破冰厚度的1/2。

使用C30标准混凝土试块(20*20*20cm³)来分析切割深度、切割道数对材料整体性的影响,从表4中可以看出,随着切割深度, 切割道数的增加,材料整体的抗压强度逐渐减小,证明了通过水刀技术来打破冰层的整体性,达到辅助破冰的效果,这是可行的。

通过上述的表格分析,对本装置的切割方式进行了分析,在高压水射流强度一定的前提下,中间一道做左右往复运动,并且垂直于冰面,随着船体前进,做Z字形切割,其余四道,两两对向切割,使得两边的冰层出现上部分实现分离，然后通过中间进行Z 字形垂直切割，使得冰层能够实现较大的整体破坏性，使得船体在前行的时候，能够利用水的浮力的作用下，简单的前行力，就可以将其冰层分开。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行通常的变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种海上航行船体的破冰系统，其特征是：包括抽水泵、增压泵和切割装置，所述抽水泵和增压泵之间设有用于连接的第一管道，增压泵与切割装置之间设有用于连接的第二管道。

2.根据权利要求1所述的一种海上航行船体的破冰系统，其特征是：所述切割装置包括辅破冰器和置于辅破冰器两侧的主破冰器，所述辅破冰器和主破冰器外接计算机。

3.根据权利要求2所述的一种海上航行船体的破冰系统，其特征是：所述辅破冰器包括第一机械手臂、水刀桁架和第一水刀头，该水刀桁架置于第一机械手臂一端，第一水刀头置于水刀桁架上，水刀桁架上设有供第一水刀头放置的滑行架，滑行架沿着水刀桁架轴向方向滑动，所述第一水刀头上还设有与增压泵连接的第一高压水管。

4.根据权利要求2所述的一种海上航行船体的破冰系统，其特征是：所述主破冰器包括第二机械手臂、第一固定片和第二固定片，所述第一固定片和第二固定片均铰接在第二机械手臂一端，第一固定片和第二固定片排列成八字状，第一固定片和第二固定片上均设有刀头连接杆，刀头连接杆上设有第二水刀头,第二水刀头上设有与增压泵连接的第二高压水管。

5.根据权利要求3或4所述的一种海上航行船体的破冰系统，其特征是：所述第一水刀头和第二水刀头上均设有与计算机相连的距离感应器。

6.根据权利要求5所述的一种海上航行船体的破冰系统，其特征是：所述第一水刀头和第二水刀头均包括喷嘴和与喷嘴连接的供水管，所述供水管外设有若干个电加热管，其中一个电加热管上设有供砂管，供砂管一端从加热管侧壁贯穿至供水管上且与供水管连通，所述供砂管外接有加砂装置。

7.根据权利要求6所述的一种海上航行船体的破冰系统，其特征是：所述加砂装置为加砂漏斗。

8.根据权利要求1所述的一种海上航行船体的破冰系统，其特征是：所述增压泵和抽水泵之间设有混合池，所述混合池内设有加热器。

9.根据权利要求8所述的一种海上航行船体的破冰系统，其特征是：所述抽水泵外接有船舶主机，船舶主机包括机体和与机体连接的冷却水排放管，该冷却水排放管与第一管道连接。

10.根据权利要求8所述的一种海上航行船体的破冰系统，其特征是：所述电加热管上设有与计算机连接的温度传感器，电加热管外设有外包层，该外包层由镍铬合金钢制成，电加热管内设有内包层，内包层由铜镍合金制成，电加热管由高压氧化镁制成。