RU2219088C2

RU2219088C2 - Method of breaking ice cover

Info

Publication number: RU2219088C2
Application number: RU2002105535/11A
Authority: RU
Inventors: В.М. Козин
Original assignee: Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-12-20

Abstract

FIELD: shipbuilding; submarine vessels breaking ice cover by resonance flexural gravitational waves. SUBSTANCE: proposed method includes exciting flexural gravitational waves in ice when ship runs at resonance speed and forming area of reduced pressure under wave trough by means of centrifugal forces created by impeller located in upper portion of ship s hull. Simultaneously area of reduced pressure is formed under ice cover by means of centrifugal forces and area of increased pressure by means of centripetal forces caused by rotation of additional impeller located in upper portion of ship s hull where crest of flexural gravitational wave is located. Change in direction of rotation of impeller is performed repeatedly and periodically at doubled frequency of resonance flexural gravitational waves; duration of direct and reverse rotation of additional impeller is equal to half-period of resonance flexural gravitational waves. EFFECT: enhanced efficiency of ice breaking. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области судостроения, в частности к подводным судам, плавающим в ледовых условиях и разрушающим ледяной покров резонансным способом при всплытии в сплошном льду. The invention relates to the field of shipbuilding, in particular to submarines sailing in ice conditions and destroying the ice cover in a resonant way when surfacing in solid ice.

Уровень техники известен из способа разрушения ледяного покрова резонансными изгибно-гравитационными волнами (ИГВ), возбуждаемыми подводным судном (1. В.М. Козин, А.В. Онищук "Модельные исследования волнообразования в сплошном ледяном покрове от движения подводного судна". - ПМТФ, Новосибирск, Изд-во "Наука", 1994. - 2. С. 78-91), в котором предлагается разрушать ледяной покров подводным судном путем возбуждения изгибно-гравитационных волн при его движении с резонансной скоростью ν_p, т.е. со скоростью, при которой амплитуда возбуждаемых ИГВ максимальна.The prior art is known from the method of ice cover destruction by resonant flexural-gravitational waves (IGW) excited by an underwater vessel (1. V.M. Kozin, A.V. Onishchuk "Model studies of wave formation in a continuous ice sheet from the movement of an underwater vessel." - ПМТФ , Novosibirsk, Nauka Publishing House, 1994. - 2. P. 78-91), which proposes to destroy the ice cover by an underwater vessel by excitation of flexural-gravitational waves when it moves with a resonant speed ν _p , i.e. at the speed at which the amplitude of the excited IGV is maximum.

Также известно техническое решение (2. RU 2170687 С1, 15.03.2000), в котором для повышения эффективности разрушения льда предлагается создавать под ледяным покровом в месте расположения впадины (подошвы) изгибно-гравитационной волны разряжения (области пониженного давления) посредством центробежных сил от вращения крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна. It is also known a technical solution (2. RU 2170687 C1, 03/15/2000), in which, to increase the efficiency of ice destruction, it is proposed to create a bending-gravitational rarefaction wave (region of reduced pressure) under the ice cover at the location of the depression (sole) by means of centrifugal forces from rotation impeller located in the upper part of the hull.

Недостатком способов является недостаточное увеличение амплитуды ИГВ, т. е. ледоразрушающей способности судна, при его движении с резонансной скоростью. The disadvantage of this method is the insufficient increase in the amplitude of the IGV, i.e., the ice-breaking ability of the vessel, when it moves at a resonant speed.

Сущность изобретения заключается в разработке способа увеличения амплитуды ИГВ. The essence of the invention lies in the development of a method of increasing the amplitude of IVG.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении эффективности разрушения льда подводным судном. The technical result obtained by carrying out the invention is to increase the efficiency of ice destruction by an underwater vessel.

Существенные признаки, характеризующие изобретение. The essential features characterizing the invention.

Ограничительные: ледяной покров разрушается подводным судном путем возбуждения во льду резонансных ИГВ при его движении с резонансной скоростью и создания области пониженного давления под ледяным покровом в месте расположения подошвы изгибно-гравитационной волны посредством центробежных сил от вращения крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна. Restrictive: the ice cover is destroyed by an underwater vessel by exciting resonant IGWs in ice when it moves at a resonant speed and creating an area of reduced pressure under the ice cover at the location of the bend of the gravitational wave by centrifugal forces from the rotation of the impeller located in the upper part of the ship's hull.

Отличительные: под ледяным покровом создают дополнительно как область пониженного давления посредством центробежных сил, так и область повышенного давления посредством центростремительных сил от вращения крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна в месте расположения вершины изгибно-гравитационной волны, при этом центробежные силы возбуждают прямым вращением крыльчатки, а центростремительные - изменением направления вращения крыльчатки на противоположное, причем изменение направления вращений крыльчатки осуществляют неоднократно и периодически с удвоенной частотой резонансных изгибно-гравитационных волн, а продолжительность прямого и противоположного вращений крыльчатки равна полупериоду резонансных изгибно-гравитационных волн, при этом лопатки крыльчатки имеют криволинейную форму, характерную для лопаток центробежных насосов. Distinctive: under the ice cover, they additionally create both a region of reduced pressure by means of centrifugal forces and a region of increased pressure by centripetal forces from rotation of the impeller located in the upper part of the ship’s hull at the location of the apex of the flexural-gravitational wave, while centrifugal forces are excited by direct rotation of the impeller and centripetal - by changing the direction of rotation of the impeller to the opposite, and changing the direction of rotation of the impeller t repeatedly and periodically with twice the frequency of resonant flexural-gravitational waves, and the duration of the direct and opposite rotations of the impeller is equal to the half-period of resonant flexural-gravitational waves, while the impeller blades have a curved shape characteristic of centrifugal pump blades.

Известно [1], что зарождение системы ИГВ происходит непосредственно над его источником (подводным судном). Поэтому вносимые в поток возмущения в области генерации ИГВ окажут прямое воздействие на процесс их развития. Поскольку первые вершина и подошва прогрессивных ИГВ формируются над корпусом судна [1], то появляется возможность воздействовать на реакцию упругого основания (воды) от деформирования ледяного покрова в пределах длины судна. It is known [1] that the IGV system originates directly above its source (submarine vessel). Therefore, disturbances introduced into the flow in the field of generation of IGW will have a direct impact on the process of their development. Since the first peak and sole of progressive IHVs are formed above the hull of the vessel [1], it becomes possible to influence the reaction of the elastic base (water) from deformation of the ice cover within the vessel's length.

Также известно (3. Д.Е. Хейсин. Динамика ледяного покрова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967. - 218 с.), что приложение периодической динамической нагрузки к ледяному покрову с частотой, равной частоте резонансных ИГВ, значительно увеличивает деформации ледяного покрова по сравнению с такой же по интенсивности нагрузкой, но приложенной стационарно. Объясняется это тем, что при таких воздействиях возникают резонансные ИГВ. It is also known (3. D.E. Heysin. Dynamics of ice cover. - L .: Gidrometeoizdat, 1967. - 218 p.) That the application of a periodic dynamic load to the ice cover with a frequency equal to the frequency of resonant IGWs significantly increases the deformation of the ice cover in comparison with the same intensity load, but applied stationary. This is explained by the fact that resonant IHVs arise under such influences.

Таким образом, если под вершиной прогрессивных ИГВ, возникших от поступательного движения подводного судна, т.е. основных резонансных ИГВ, создавать периодически области пониженного и повышенного давлений с удвоенной частотой резонансных ИГВ, а продолжительность создания каждых этих областей обеспечивать в течение времени, равного полупериоду резонансных ИГВ, то это приведет к возбуждению в ледяном покрове дополнительной системы резонансных ИГВ. При этом период резонансных ИГВ Т можно определить по зависимости [3]:

где D - цилиндрическая жесткость льда;
ρ_л - плотность льда;
h - толщина ледяного покрова;
g - ускорение силы тяжести.Thus, if under the apex of progressive IHV, arising from the progressive movement of the submarine, i.e. main resonant IGVs, to create periodically the regions of low and high pressures with twice the frequency of resonant IGVs, and to ensure the creation of each of these regions for a time equal to the half-period of resonant IGVs, this will lead to the excitation of an additional system of resonant IGVs in the ice sheet. Moreover, the period of resonant IGW T can be determined by the dependence [3]:

where D is the cylindrical stiffness of ice;
ρ _l is the density of ice;
h is the thickness of the ice cover;
g is the acceleration of gravity.

В этом случае на основные ИГВ периодически в фазе будут накладываться дополнительные ИГВ, т.е. через время Т на вершину основных резонансных ИГВ будет накладываться вершина дополнительных резонансных ИГВ. Таким образом, возникнет наиболее эффективная своеобразная дополнительная к основным ИГВ раскачка ледяного покрова. In this case, additional IGVs will be superimposed periodically on the main IGV in the phase, i.e. after time T, the top of the additional resonant IGVs will be superimposed on top of the main resonant IGVs. Thus, the most effective kind of additional build-up of ice cover to the main IGW will arise.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Под ледяном покровом на заданном заглублении начинают перемещать подводное судно со скоростью ν_p для возбуждения основных резонансных ИГВ. Если амплитуда этих волн окажется недостаточной для разрушения ледяного покрова, то включают крыльчатку, предварительно установленную в верхней части корпуса судна в наиболее вероятном месте расположения подошвы волны и создающую область пониженного давления посредством центробежных сил. Как показали опыты [1] , место расположения подошвы волны практически не зависит от скорости судна, заглубления и толщины льда и определяется лишь геометрией корпуса. Если и после этого разрушения льда не произойдет, то включают дополнительную крыльчатку, также расположенную в верхней части корпуса судна в наиболее вероятном месте расположения вершины ИГВ (это место также определяется геометрией судна). При этом дополнительную крыльчатку вращают вначале в одном (прямом) направлении, а затем - в противоположном. В прямом направлении дополнительная крыльчатка возбуждает центробежные силы, т.е. под вершиной основных ИГВ возникнет область разряжения, а при противоположном - центростремительные, т. е. под подошвой основных ИГВ возникнет область повышенного давления. Изменение направления вращений дополнительной крыльчатки осуществляют неоднократно и периодически с удвоенной частотой резонансных ИГВ, а продолжительность прямого и противоположного вращении обеспечивают в течение времени, равного полупериоду резонансных ИГВ, т.е. Т/2. Процесс периодического изменения направления вращений крыльчатки продолжают в течение всего времени выполнения ледокольных работ.Under the ice cover at a given depth, a submarine begins to move at a speed of ν _p to excite the main resonant IGVs. If the amplitude of these waves is insufficient to destroy the ice cover, then they include an impeller pre-installed in the upper part of the ship’s hull at the most probable location of the wave base and creating a region of reduced pressure by centrifugal forces. As experiments [1] showed, the location of the sole of the wave is practically independent of the speed of the vessel, the depth and thickness of the ice and is determined only by the geometry of the hull. If after this destruction of the ice does not occur, then they include an additional impeller, also located in the upper part of the ship’s hull at the most probable location of the IGV peak (this place is also determined by the vessel’s geometry). In this case, the additional impeller is first rotated in one (forward) direction, and then in the opposite direction. In the forward direction, the additional impeller excites centrifugal forces, i.e. under the apex of the main IHV, a rarefaction region will arise, and if the opposite is the case, centripetal, i.e., under the sole of the main IHV, a region of increased pressure will arise. The change in the direction of rotation of the additional impeller is carried out repeatedly and periodically with twice the frequency of the resonant IHV, and the duration of the direct and opposite rotation is provided for a time equal to the half-period of the resonant IHV, i.e. T / 2. The process of periodically changing the direction of rotation of the impeller continues throughout the entire icebreaking period.

Периодическое изменение направления вращения дополнительной крыльчатки вызовет появление периодических центробежных и центростремительных сил, т.е. к возникновению под вершиной основных ИГВ соответственно периодически возникающих областей пониженного и повышенного давлений. В свою очередь, это приведет к генерации в области вершины основных резонансных ИГВ дополнительной системы резонансных ИГВ. Периодическое наложение дополнительных ИГВ в фазе на основные ИГВ (т.е. через время Т вершины основных и дополнительных ИГВ наложатся друг на друга) вызовет суммирование их амплитуд. В результате амплитуда суммарных ИГВ возрастет, что повысит эффективность разрушения льда. A periodic change in the direction of rotation of the additional impeller will cause the appearance of periodic centrifugal and centripetal forces, i.e. to the occurrence under the apex of the main IHV, respectively, of periodically arising areas of low and high pressures. In turn, this will lead to the generation in the region of the apex of the main resonant IGWs of an additional system of resonant IGWs. Periodic overlapping of additional IGVs in phase on the main IGVs (i.e., after time T the vertices of the main and additional IGVs overlap each other) will cause a summation of their amplitudes. As a result, the amplitude of total IHV will increase, which will increase the efficiency of ice destruction.

На чертеже показана схема реализации изобретения. Под ледяным покровом 1 на заданном заглублении Н начинают перемещать подводное судно 2 со скоростью ν_p. Если амплитуда возбужденных основных резонансных ИГВ 3 окажется недостаточной для разрушения ледяного покрова 1, то под первой впадиной 4 прогрессивных ИГВ 3 создают область пониженного давления 5 за счет вращения крыльчатки 6 и появления соответствующих центробежных сил 7. Понижение давления под впадиной 4 приведет к росту амплитуды основных ИГВ (профиль ИГВ 8).The drawing shows a diagram of an embodiment of the invention. Under the ice cover 1 at a given depth H begin to move the submarine 2 at a speed of ν _p . If the amplitude of the excited main resonant IGV 3 is insufficient to destroy the ice cover 1, then under the first cavity 4 of the progressive IGV 3 create a region of reduced pressure 5 due to the rotation of the impeller 6 and the appearance of the corresponding centrifugal forces 7. Lowering the pressure under the cavity 4 will increase the amplitude of the main IHV (IHV profile 8).

Если и после этого разрушения льда не произойдет, то периодически включают дополнительную крыльчатку 9, расположенную под вершиной 10 основных ИГВ 3. Периодическое изменение направления вращения дополнительной крыльчатки 9 приведет к периодическому появлению области пониженного и повышенного давлений 11 за счет появления соответственно центробежных 12 и центростремительных 13 сил, что вызовет во льду возбуждение дополнительных резонансных ИГВ 14. Наложение дополнительных ИГВ 14 на ИГВ 8 (показано наложение в фазе) вызовет суммирование их амплитуд (профиль ИГВ 15). If after this destruction of the ice does not occur, then periodically turn on the additional impeller 9, located under the top 10 of the main IGV 3. Periodically changing the direction of rotation of the additional impeller 9 will lead to the periodic appearance of the region of low and high pressures 11 due to the appearance of, respectively, centrifugal 12 and centripetal 13 forces, which will cause the excitation of additional resonant IGVs in ice 14. The application of additional IGVs 14 to IGV 8 (shown in phase overlay) will sum their amplitudes litood (IGV profile 15).

Claims

1. The method of destruction of the ice cover by an underwater vessel by exciting resonant flexural-gravitational waves in ice when it moves at a resonant speed and creating a region of reduced pressure under the ice cover at the location of the base of the flexural-gravitational wave by centrifugal forces from the rotation of the impeller located in the upper part hull, characterized in that under the ice cover additionally create as the area of low pressure by centrifugal forces, and the area of high pressure centrifugal forces from the rotation of the additional impeller located in the upper part of the hull at the location of the apex of the flexural-gravitational wave, while centrifugal forces are excited by direct rotation of the additional impeller, and centripetal forces are reversed, the direction of rotation of the additional impeller impellers are carried out repeatedly and periodically with a double frequency of resonant flexural-gravitational waves ln, and the duration of the direct and opposite rotation of the additional impeller is equal to the half-period of the resonant flexural-gravitational waves.

2. The method according to claim 1, characterized in that the blades of the additional impeller have a curved shape characteristic of centrifugal pump blades.