CN113815803A - 一种极地气垫运输平台装置的除冰系统 - Google Patents

一种极地气垫运输平台装置的除冰系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种极地气垫运输平台装置的除冰系统，包括结冰程度探测器、控制系统、气热防/除冰设备，所述结冰程度探测器探测到迎风结冰后，将温度及结冰程度信息传递给控制系统，所述控制系统依据结冰厚度及环境温度，自动控制气热防/除冰设备，打开导管及螺旋桨处设置的发动机的尾气收集及流量控制阀，同时控制辅助电热除冰装置进行加热及超声波除冰装置以超声波高频振荡，消除冰层与极地气垫运输平台导管及螺旋桨表面的结合力，使得结冰冰层迅速脱离导管及螺旋桨表面。本发明利用尾气余热及超声波结合的方式，可以在不影响总体性能的条件下，快速消除尾导管及螺旋桨处的积冰，而且能量消耗低，创造了经济价值，实现节能的目的。

Description

一种极地气垫运输平台装置的除冰系统
技术领域
本发明涉及一种冰区气垫破冰运输平台除防冰系统，主要用于气垫破冰运输平台的防除冰，属于极地运输装置的防、除冰技术领域。
背景技术
气垫破冰运输平台在北极区域航行时，由于北极区域气温低，使得气垫船产生的海浪飞沫以及雾、冻雨、雪等在低温情况下很容易形成船舶积冰。在船舶积冰中飞沫积冰是船舶积冰的最主要形式，占到各类冰区船舶积冰影响因数的96.2％。积冰不仅会影响气垫船的稳性浮性加大甲板区域的作业危险，更会对气垫破冰运输平台性能造成严重的危害。在气垫破冰运输平台使用过程中，由于气垫引起的泄流会造成大量飞沫的产生，极易产生飞沫积冰。而目前由于对此类问题重视程度不足，容易出现在设计冰区船舶时忽视船舶积冰对船舶的潜在危害。在已有的极地科学考察设备装置中，常见的除冰措施主要有电伴热系统、蒸汽伴热系统、手动机械除冰等，这些装置存在耗能高、效率低的特点，往往没有效果甚至本身性能受到影响而削减设备性能。因此需要针对冰区气垫平台优化设计提供新的防冰措施与指导。
在气垫破冰运输平台在使用过程中，空气螺旋桨桨叶遇上飞沫积冰会发生推力衰减，螺旋桨效率降低，并伴有由于结冰随机性易引起的桨叶动平衡问题，严重时会发生振动问题导致螺旋桨桨叶损坏。目前广泛的采用热气直吹除防冰装置，即利用发动机热尾气直吹进行除冰，虽然较为简单的利用了发动机余热在除冰、防冰上能量消耗少，但此方法效率低下，其热惯性较大，容易引起螺旋桨后侧冰瘤存在安全隐患。
同时气垫破冰运输平台使用过程中，若导管处积冰不及时清除不仅会大幅降低导管性能，严重的会发生积冰与高速旋转的螺旋桨桨叶剐蹭进而引起螺旋桨断裂的事故。同时运输平台受限于空间及功率的限制，常规船型的电伴热系统等功率消耗过高无法在本平台使用。因此为了运输平台的安全，同时满足运输平台的总体要求，需提出一种新的导管桨叶处的防冰、除冰技术。
超声波作为一种能量形式，在固体介质中传播时会引起机械效应，可通过产生的高频振动在不同物质的粘结界面处瞬间产生持续巨大的剪切力，使粘附的冰层快速破碎，分离。因此，需要对重点区域螺旋桨及喷管处，通过利用发动机尾气余热回收及超声波除冰相结合的方法，可以有效的融冰、除冰。这种方法不仅有效的利用了发动机余热，在除冰、防冰上能量消耗少，同时通过结合超声波除冰方法可迅速将由于热惯性形成的冰块迅速分离。通过结合超声波振动可使得冰块发生振动及在冰块结界区域产生剪切力，使得积冰迅速与螺旋桨及导管分离。
经试验证明采用在冰层与导管表面电加热法可更好的减少结合力，但单独采用电加热法耗能高，速度慢。通过将超声波与电热发相互结合的方法可大幅降低导管桨叶除冰系统所需电能消耗，经计算及试验单独电热丝除冰所需至少2.5kW(28V)的耗能，而通过本方法可降低至耗能不足0.5Kw(28V)，且除冰效果更佳。
发明内容
本发明提出一种极地气垫运输平台装置的除冰装置，采用程序控制器、超声波除冰器、发动机热气输送装置以及导管电加热丝，通过结合发动机尾气余热及超声波高频振荡装置及电加热辅助，能够实现除冰时间短，能耗低同时安全可靠。
为了实现以上的技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种极地气垫运输平台装置的除冰系统，包括结冰程度探测器、控制系统、气热防/除冰设备、尾气收集及流量控制阀、超声波除冰装置、辅助电热除冰装置，所述结冰程度探测器探测到迎风结冰后，将温度及结冰程度信息传递给控制系统，所述控制系统依据结冰厚度及环境温度，自动控制气热防/除冰设备，打开导管及螺旋桨处设置的发动机的尾气收集及流量控制阀，同时控制辅助电热除冰装置进行加热及超声波除冰装置以超声波高频振荡，消除冰层与极地气垫运输平台导管及螺旋桨表面的结合力，使得结冰冰层迅速脱离导管及螺旋桨表面。
进一步，所述积冰程度探测器设置在极地气垫运输平台导管迎风面导管外侧，所述积冰程度探测器将采集的积冰数据传输到位于驾驶室的控制系统，所述控制系统依据反馈的温度及结冰强度信号器所反馈的冰层厚度信息自动控制电加热及超声波振荡辅助热气除冰。
进一步，所述结冰程度探测器包括温度传感器以及结冰程度信号器，所述温度传感器及冰层厚度信号器位于极地气垫运输平台导管上端前侧。
进一步，所述控制系统具有自动控制模式和手动控制模式，所述手动控制模式包括强力除冰，除冰，预热及防冰模式，其中预热及防冰模式仅控制气热防/除冰设备进行工作，强力除冰及除冰模式中的电加热及超声波元器件按照预定周期循环工作。
进一步，所述气热防/除冰设备包括热气除冰装置，所述热气除冰装置沿着桨叶根部各设一出气口，并与空气螺旋桨的导管相连接。
进一步，所述热气除冰装置通过尾气收集及流量控制阀和控制系统连接发动机尾热气，利用发动机尾热气，通过控制系统自动控制尾气收集及流量控制阀的开启度。
进一步，所述导管处的热气通过管路输入导管前侧，所用管路外包裹隔热绝缘材料，并在导管内部循环后从导管上侧尾部排出。
进一步，所述超声波除冰装置包括导管超声波除冰装置和桨叶超声波除冰装置；所述导管超声波除冰装置固定于导管外蒙皮内表面前沿处，沿水平导管中心线位置±45°，±135°方向共布置4个，所述桨叶超声波除冰装置设置在桨叶根部。
进一步，所述超声波除冰装置由超声波发生器和超声波换能器单元组成，所述桨叶超声波除冰装置中的超声波换能器单元布置于桨叶根部，所述超声波换能器单元为圆环状，数量与桨叶数一致，超声波振荡频率与桨叶固有频率一致，通过程序控制器自动确定强度大小。
进一步，所述辅助电热除冰装置采用电热丝加热，与布置位于导管翼型前缘位置的导管超声波除冰装置共同作用除冰，并依据积冰厚度由结冰程度探测器自动调节强度，其中，电热丝位于导管外蒙皮外侧前缘，导管超声波除冰装置中的超声波换能器单元布置在导管外蒙皮内表面，上下左右对称，一共布置4个超声波换能器单元，并位于水平夹角±45°处。
本发明的有益效果是：
本发明采取防冰加除冰相结合的方法进行除防冰问题，通过控制器依据温度传感器及结冰传感器检测运输平台的结冰情况，采用超声波结合尾气热量的方法，通过主动措施结合被动措施的方法，提高除冰效率的同时，大幅降低了能源的消耗。
本发明利用尾气余热及超声波结合的方式，可以在不影响总体性能的条件下，快速消除尾导管及螺旋桨处的积冰，而且能量消耗低，创造了经济价值，实现节能的目的。
附图说明
图1是本发明的导管螺旋桨除冰系统在全船的布置位置示意图；
图2是图1所示的电热除冰装置，超声波除冰装置的具体布置主视图；
图3是图2的左视图；
图4是导管螺旋桨除冰系统发动机尾气气热防/除冰设施布置示意图；
图5是导管螺旋桨除冰系统电气接线图；
图中：1-结冰程度探测器，2-控制系统，3-电热除冰装置，4-导管超声波除冰装置，5-桨叶超声波除冰装置，6-尾气收集及流量控制阀，7-热气输送装置。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图5所示，本实施例的一种地气垫运输平台装置的除冰系统，包括结冰程度探测器1、控制系统2、电热除冰装置3、导管超声波除冰装置4、桨叶超声波除冰装置5、尾气收集及流量控制阀6、热气除冰装置7。
结冰程度探测器1设置在导管迎风面A表面全船仅设置一个，左右导管均可设置)，电热除冰装置3仅为辅助措施，设置于平台导管表面内嵌于导管表面，需与超声波转换器共同作用，其布置位于导管翼型前缘位置；导管超声波除冰装置4固定于导管内侧，并位于左侧对称布置，桨叶超声波除冰装置5设置在桨叶B根部。
导管超声波除冰装置4和桨叶超声波除冰装置5包括超声波发生器及与超声波发生器连接的超声波换能器单元。在使用中电热除冰装置3和导管超声波除冰装置4和桨叶超声波除冰装置5共同使用，依据积冰厚度由结冰程度探测器自动调节强度。
热气除冰装置7设置在螺旋桨处，热气除冰装置7沿着桨叶根部各设一出气口以及与导管相连接。热气除冰装置7通过尾气收集及流量控制阀6和控制系统2连接发动机尾热气，热气利用发动机尾热气，通过控制系统2自动控制尾气收集及流量控制阀6的开启度。导管处热气通过管路输入导管前侧，所用管路需包裹隔热绝缘材料并，在导管内部循环后从导管上侧尾部排出。
结冰程度探测器1包括温度传感器以及结冰程度信号器。温度传感器及冰层厚度信号器位于极地气垫运输平台导管上端前侧，依据仿真及试验，导管前缘积冰对全船积冰程度最具指导性。
本实施例中，结冰程度探测器1探测到迎风结冰后，将温度及结冰程度信息传递给控制系统2，控制系统2依据结冰厚度及环境温度，自动控制气热防/除冰设施(热气除冰装置7)，打开导管及螺旋桨处设置发动机的尾气收集及流量控制阀6，同时辅助电热除冰装置3以电热丝加热及导管超声波除冰装置4和桨叶超声波除冰装置5以超声波高频振荡，消除冰层与极地气垫运输平台导管、喷管及螺旋桨表面的结合力，使得结冰冰层迅速脱离导管及螺旋桨表面。
飞沫积冰的形成速率是否准确主要由飞沫产生量以及积冰形成过程中的传热率决定。本系统依据1)环境参数输入；2)目标选择；3)飞沫生成及运动轨迹模型；4)冰的生成模型；5)结冰厚度探测。通过收集各参数依据不同的结冰厚度、环境参数及飞沫量进行计算，除冰程序自动调节所述除冰强度，主要包括发动机尾热气空气流量控制，电热丝及超声波高频振荡频率控制。
积冰程度探测器1位于极地气垫运输平台导管迎风面导管外侧，如图1，图2，全船仅包含一套，主要包含温度传感器及积冰强度信号器。依据积冰程度探测器采集积冰数据传输到位于驾驶室的控制系统2，控制系统2依据反馈的温度及结冰强度信号器所反馈的冰层厚度信息自动控制电加热及超声波振荡辅助热气除冰。当进入飞沫积冰发生区域时，控制气热防/除冰设备进行工作，当表面结冰厚度超过设定值是，电加热及超声波元器件开始按照预定周期开始循环工作。当除冰完成，运输平台开出结冰区后，应控制气热防/除冰设备据需工作3-5分钟以消除所有积冰。
同时控制系统2除了自动模式还应包含手动控制模式。手动控制模式主要应包括强力除冰，除冰，预热及防冰模式。其中预热及防冰模式仅控制气热防/除冰设备进行工作，强力除冰及除冰模式电加热及超声波元器件开始按照预定周期开始循环工作。
热气利用发动机尾热气，通过控制系统2自动尾气收集及流量控制阀6的开启度，螺旋桨处的热气除冰装置7沿着桨叶根部各设一出气口，导管处热气通过管路输入导管前侧，所用管路需包裹隔热绝缘材料并在导管内部循环后从导管上侧尾部排出。
当桨叶启动超声波及热气联合除冰系统，包括热气防/除冰、超声波除冰装置。通过检测信号器，依据温度及飞沫强度信号控制热气防/除冰热气及超声波强度。桨叶超声波除冰装置中的超声波换能器单元布置于桨叶根部，超声波换能器单元为圆环状，数量与桨叶数一致，超声波振荡频率与桨叶固有频率一致，通过程序控制器自动确定强度大小。
导管除冰系统，采用超声波、电加热辅助热气联合除冰系统，包括热气防/除冰、超声波高频振荡辅助装置和电热丝辅助装置。电加热位于导管外蒙皮外侧前缘，超声波除冰器单元布置导管外蒙皮内表面，上下左右对称，一共布置4个超声波换能器单元，布置于水平夹角±45°处，如图2，3所述。

Claims (10)

1.一种极地气垫运输平台装置的除冰系统，其特征在于：包括结冰程度探测器、控制系统、气热防/除冰设备、尾气收集及流量控制阀、超声波除冰装置、辅助电热除冰装置，所述结冰程度探测器探测到迎风结冰后，将温度及结冰程度信息传递给控制系统，所述控制系统依据结冰厚度及环境温度，自动控制气热防/除冰设备，打开导管及螺旋桨处设置的发动机的尾气收集及流量控制阀，同时控制辅助电热除冰装置进行加热及超声波除冰装置以超声波高频振荡，消除冰层与极地气垫运输平台导管及螺旋桨表面的结合力，使得结冰冰层迅速脱离导管及螺旋桨表面。
2.根据权利要求1所述的极地气垫运输平台装置的除冰系统，其特征在于：所述积冰程度探测器设置在极地气垫运输平台导管迎风面导管外侧，所述积冰程度探测器将采集的积冰数据传输到位于驾驶室的控制系统，所述控制系统依据反馈的温度及结冰强度信号器所反馈的冰层厚度信息自动控制电加热及超声波振荡辅助热气除冰。
3.根据权利要求1所述的极地气垫运输平台装置的除冰系统，其特征在于：所述结冰程度探测器包括温度传感器以及结冰程度信号器，所述温度传感器及冰层厚度信号器位于极地气垫运输平台导管上端前侧。
4.根据权利要求1所述的极地气垫运输平台装置的除冰系统，其特征在于：所述控制系统具有自动控制模式和手动控制模式，所述手动控制模式包括强力除冰，除冰，预热及防冰模式，其中预热及防冰模式仅控制气热防/除冰设备进行工作，强力除冰及除冰模式中的电加热及超声波元器件按照预定周期循环工作。
5.根据权利要求1所述的极地气垫运输平台装置的除冰系统，其特征在于：所述气热防/除冰设备包括热气除冰装置，所述热气除冰装置沿着桨叶根部各设一出气口，并与空气螺旋桨的导管相连接。
6.根据权利要求5所述的极地气垫运输平台装置的除冰系统，其特征在于：所述热气除冰装置通过尾气收集及流量控制阀和控制系统连接发动机尾热气，利用发动机尾热气，通过控制系统自动控制尾气收集及流量控制阀的开启度。
7.根据权利要求5所述的极地气垫运输平台装置的除冰系统，其特征在于：所述导管处的热气通过管路输入导管前侧，所用管路外包裹隔热绝缘材料，并在导管内部循环后从导管上侧尾部排出。
8.根据权利要求1所述的极地气垫运输平台装置的除冰系统，其特征在于：所述超声波除冰装置包括导管超声波除冰装置和桨叶超声波除冰装置；所述导管超声波除冰装置固定于导管外蒙皮内表面前沿处，沿水平导管中心线位置±45°，±135°方向共布置4个，所述桨叶超声波除冰装置设置在桨叶根部。
9.根据权利要求8所述的极地气垫运输平台装置的除冰系统，其特征在于：所述超声波除冰装置由超声波发生器和超声波换能器单元组成，所述桨叶超声波除冰装置中的超声波换能器单元布置于桨叶根部，所述超声波换能器单元为圆环状，数量与桨叶数一致，超声波振荡频率与桨叶固有频率一致，通过程序控制器自动确定强度大小。
10.根据权利要求1所述的极地气垫运输平台装置的除冰系统，其特征在于：所述辅助电热除冰装置采用电热丝加热，与布置位于导管翼型前缘位置的导管超声波除冰装置共同作用除冰，并依据积冰厚度由结冰程度探测器自动调节强度，其中，电热丝位于导管外蒙皮外侧前缘，导管超声波除冰装置中的超声波换能器单元布置在导管外蒙皮内表面，上下左右对称，一共布置4个超声波换能器单元，并位于水平夹角±45°处。
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