RU2589235C1

RU2589235C1 - Device for breaking down ice cover

Info

Publication number: RU2589235C1
Application number: RU2015120894/11A
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Козин; Виталий Леонидович Земляк; Александра Владимировна Погорелова; Сергей Демидович Чижиумов; Елена Григорьевна Рогожникова; Анна Александровна Матюшина; Никита Олегович Баурин; Александр Андреевич Ламаш
Priority date: 2015-06-01
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2016-07-10

Abstract

FIELD: shipbuilding.

SUBSTANCE: invention relates to shipbuilding, particularly to submarine vehicles which break up ice cover using a resonance method. Device for ice breaking consists of a submarine vessel, capable of moving under ice cover and excite therein resonance flexural-gravity waves. Ship in made between its strong and light bodies of water-flow channels of impeller is fitted with two cross-sections which are located perpendicular to longitudinal axis of vessel, they are located one after another and have in top parts of open sections of impeller can rotate in opposite directions, and blade impellers at end of open channel sections-deviate, that is, be held down to inner surface of he impellers on time equal to time of approach to closed sections of next blades, after which come back into initial position, open sections of channels are equipped with gates capable of their close and sharply open.

EFFECT: technical result consists in improvement of efficiency of ice breaking.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области судостроения, в частности к подводным судам, разрушающим ледяной покров резонансным методом, т.е. путем возбуждения в ледяном покрове резонансных изгибно-гравитационных волн (ИГВ) (1. Козин В.М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты. - М.: Издательство «Академия Естествознания». 2007. - 355 с. ISBN 978-5-91327-017-7).The invention relates to the field of shipbuilding, in particular to submarines destroying ice cover by the resonance method, i.e. by excitation in the ice sheet of resonant flexural-gravitational waves (IGW) (1. Kozin VM Resonance method of destruction of the ice sheet. Inventions and experiments. - Moscow: Publishing House "Academy of Natural Sciences". 2007. - 355 p. ISBN 978- 5-91327-017-7).

Известно техническое решение (2. RU 2240252 С2, 28.02.2002), в котором предлагается разрушать ледяной покров подводным судном за счет создания от вращения крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна, области повышенного давления под возникающей вершиной ИГВ.A technical solution is known (2. RU 2240252 C2, 02.28.2002), in which it is proposed to destroy the ice cover by an underwater vessel by creating from the rotation of the impeller located in the upper part of the vessel's hull an area of increased pressure under the arising top of the IHV.

Недостатками этого решения являются: наличие на корпусе судна выступающей части в виде крыльчатки, увеличивающей сопротивление воды и, вследствие этого, уменьшающей скорость его хода; громоздкость конструкции крыльчатки, выходящей за габариты корпуса; низкая работоспособность решения из-за гидродинамического несовершенства его осуществления (отсутствие целенаправленного, т.е. фокусированного, воздействия генерируемых гидродинамических сил на вершину ИГВ) и, соответственно, недостаточная высота возбуждаемых ИГВ.The disadvantages of this solution are: the presence on the hull of the protruding part in the form of an impeller, which increases the resistance of water and, consequently, reduces its speed; the cumbersome design of the impeller beyond the dimensions of the housing; low working capacity of the solution due to the hydrodynamic imperfection of its implementation (the absence of the targeted, i.e. focused, effect of the generated hydrodynamic forces on the top of the IGW) and, accordingly, the insufficient height of the excited IGV.

Сущность изобретения заключается в разработке устройства, установленного в корпусе судна и увеличивающего высоту ИГВ, возбуждаемых при движении судна под ледяным покровом.The essence of the invention consists in the development of a device installed in the hull of the vessel and increasing the height of the IHV, excited when the vessel moves under ice cover.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении толщины разрушаемого льда.The technical result obtained by carrying out the invention is to increase the thickness of destructible ice.

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

Ограничительные: устройство для разрушения ледяного покрова, состоящее из подводного судна, способного при движении под ледяным покровом возбуждать в нем резонансные ИГВ и создающего с помощью вращающейся крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна, область повышенного давления под ледяным покровом в месте расположения вершины ИГВ.Restrictive: a device for the destruction of ice cover, consisting of an underwater vessel, capable of driving resonant IHV in it under the ice cover and using a rotating impeller located in the upper part of the ship’s hull, an area of increased pressure under the ice cover at the location of the top of the IHV.

Отличительные: на судне в выполненных между его прочным и легким корпусами водопроточных каналах установлены две крыльчатки, поперечные сечения которых расположены перпендикулярно продольной оси судна, они расположены друг за другом и имеют в верхних частях открытые участки, крыльчатки выполнены с возможностью вращаться в противоположных направлениях, а лопатки крыльчаток в момент окончания прохождения ими открытых участков каналов - отклоняться, т.е. прижиматься к внутренней поверхности крыльчаток, на время, равное времени подхода к закрытым участкам очередных лопаток, после чего возвращаться в исходное положение, при этом открытые участки каналов снабжены заслонками, способными их закрывать и резко открывать, лопатки отогнуты в направлениях, противоположных направлениям вращения крыльчаток.Distinctive: on the vessel, two impellers are installed between the strong and light hulls of the water-flowing channels, the cross sections of which are perpendicular to the longitudinal axis of the vessel, they are located one after the other and have open sections in the upper parts, the impellers can rotate in opposite directions, and impeller blades at the moment of completion of passage of open sections of channels by them - deviate, i.e. press against the inner surface of the impellers for a time equal to the approach time to the closed sections of the next blades, and then return to their original position, while the open sections of the channels are equipped with shutters that can close and open them sharply, the blades are bent in the directions opposite to the directions of rotation of the impellers.

Общеизвестно, что при вращательном движении среды на ее массу неизбежно будут действовать центробежные силы. Эту очевидную закономерность можно использовать для повышения эффективности разрушения ледяного покрова резонансным методом с помощью предложенного устройства. Для этого эти силы следует направить под вершину возбуждаемых ИГВ, что повысит в этой области гидродинамическое давление, т.е. увеличит высоту ИГВ.It is well known that during the rotational motion of a medium, centrifugal forces will inevitably act on its mass. This obvious pattern can be used to increase the efficiency of ice cover destruction by the resonance method using the proposed device. To do this, these forces should be directed below the top of the excited IGW, which will increase the hydrodynamic pressure in this area, i.e. increase the height of the IHV.

Также известно (3. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Дрофа. 2003. - 842 с.), что при взаимодействии потоков жидкости с различными скоростями на границе их раздела возникает пограничный слой, в пределах толщины которого из-за вязкости жидкости скорости в потоках резко изменяются в поперечных к ним направлениях. Таким образом, при встречном движении двух потоков жидкости с одинаковыми скоростью и вязкостью, которые будет создавать предложенное устройство, на границе их раздела будет происходить их взаимное торможение с интенсивным вихреобразованием. Тогда в соответствии с законом Бернулли давление на этой границе будет возрастать и в результате возникнет своеобразный гидродинамический барьер (гидродинамическое сопротивление), препятствующий протеканию через него набегающего внешнего потока (в нашем случае при рассмотрении для лучшего понимания обращенного движения (см. [3])), т.е. когда судно считают неподвижным, а вода и ледяной покров как бы надвигаются на него, скорость внешнего потока будет равна скорости судна, что приведет к повышению давления перед ним. Кроме этого, на пути внешнего потока в месте расположения устройства при его работе между корпусом судна и нижней поверхностью ледяного покрова возникнет область завихренной жидкости, что повысит степень турбулентности не только пограничного слоя, возникающего на поверхности самого судна, но приведет и к турбулизации всего внешнего потока между его корпусом и льдом. Вязкостное сопротивление судна возрастет, что, в свою очередь, увеличит давление в этой области (см. [3]).It is also known (3. Loytsyansky LG, Mechanics of liquid and gas. - M.: Drofa. 2003. - 842 p.) That during the interaction of fluid flows with different velocities, a boundary layer arises at the interface, within the thickness of which - due to the viscosity of the fluid, the velocities in the flows change sharply in the directions transverse to them. Thus, with the oncoming movement of two fluid flows with the same speed and viscosity, which will be created by the proposed device, at their interface, they will mutual inhibition with intense vortex formation. Then, in accordance with Bernoulli’s law, the pressure at this boundary will increase and, as a result, a peculiar hydrodynamic barrier (hydrodynamic resistance) will arise that prevents the incoming external flow from flowing through it (in our case, when considering for a better understanding of the reversed motion (see [3])) , i.e. when the vessel is considered motionless, and the water and ice cover seem to be approaching it, the speed of the external flow will be equal to the speed of the vessel, which will increase the pressure in front of it. In addition, in the path of the external flow at the device’s location between the ship’s hull and the lower surface of the ice sheet, a region of swirling liquid will appear, which will increase the degree of turbulence of not only the boundary layer that occurs on the surface of the vessel itself, but will also lead to turbulence of the entire external flow between his hull and ice. The viscosity of the vessel will increase, which, in turn, will increase the pressure in this area (see [3]).

Также известно (4. Д.Е. Хейсин. Динамика ледяного покрова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967. - 218 с.), что приложение динамической нагрузки увеличивает деформации ледяного покрова по сравнению с такой же по интенсивности нагрузкой, но приложенной стационарно.It is also known (4. D.E. Heysin. Dynamics of ice cover. - L .: Gidrometeoizdat, 1967. - 218 p.) That the application of dynamic load increases the deformation of the ice cover in comparison with the same intensity load, but applied stationary.

Изобретение осуществляется следующим образом.The invention is as follows.

В корпусе судна в наиболее вероятном месте расположения вершины ИГВ выполнены два водопроточных канала с открытыми в верхних частях участками. В каналах установлены крыльчатки, выполненные с возможностью вращаться в противоположных направлениях и оснащенные лопатками, отогнутыми в направлениях, противоположных направлениям вращения крыльчаток. Такая форма лопаток так же, как и форма лопастей рабочих колес центробежных насосов увеличивает эффективность их работы. В нашем случае - создает при заданных энергозатратах максимальные центробежные силы, возникающие при выбросе крыльчатками через открытые участки водопроточных каналов масс воды. Габариты каналов и крыльчаток не превышают габаритов судна в месте их расположения, что, в отличие от аналога, не приведет к появлению дополнительного сопротивления в виде сопротивления выступающих частей. Вертикальное расположение стенок каналов обеспечит строгое направление (фокусированное воздействие) выбрасываемых потоков воды, под вершину ИГВ. Кроме повышения давления под вершиной ИГВ за счет создаваемых устройством центробежных сил и области завихренной жидкости, его работа за счет близости расположения (друг за другом) водопроточных каналов приведет к гидродинамическому взаимодействию возбуждаемых крыльчатками потоков воды. Вращение крыльчаток в противоположных направлениях не только исключит возникновение кренящего момента, ухудшающего поперечную остойчивость судна, но приведет и к возникновению перпендикулярно расположенного к направлению движения судна гидродинамического барьера, увеличивающего работоспособность предложенного устройства. Для обеспечения возможности заполнения рабочего объема крыльчаток забортной водой после выброса через открытые участки водопроточных каналов масс воды за счет центробежных сил лопатки в момент окончания прохождения ими открытых участков каналов отклоняются, т.е. прижимаются к внутренней поверхности крыльчаток. За отклоненными лопатками вследствие оттеснения воды возникнут области пониженного давления [3], куда устремится забортная вода, обеспечивая тем самым заполняемость данных частей рабочих объемов крыльчаток. После истечения времени, равного времени подхода к закрытым участкам каналов очередных лопаток, они возвращаются в исходное положение. В результате весь рабочий объем крыльчаток, кроме открытых участков каналов, будет заполнен забортной водой. Работа устройства обеспечит более высокое по сравнению с аналогом увеличение давления под вершиной ИГВ. Если этого окажется недостаточно для разрушения ледяного покрова, то вращение крыльчаток прекращается на время, необходимое для заполнения забортной водой рабочих объемов крыльчаток в открытых участках каналов. Затем открытые участки водопроточных каналов при помощи предварительно установленных заслонок закрываются и крыльчатки вновь начинают вращаться, вовлекая в круговое движение воду, заполнившую водопроточные каналы. В момент достижения крыльчатками их рабочей частоты вращения заслонки резко открывают участки каналов. В результате внезапного появления потока воды из-за появления центробежных сил под вершиной ИГВ возникнет гидроудар, высота волн возрастет, что позволит достичь заявленный технический результат.In the ship’s hull, at the most probable location of the IGV peak, two water-flowing channels with open sections in the upper parts are made. Impellers are installed in the channels, which are configured to rotate in opposite directions and equipped with vanes bent in directions opposite to the directions of rotation of the impellers. This shape of the blades as well as the shape of the blades of the impellers of centrifugal pumps increases their efficiency. In our case, it creates, at given energy inputs, the maximum centrifugal forces arising from the ejection of impellers through the open sections of water-flowing channels of water masses. The dimensions of the channels and impellers do not exceed the dimensions of the vessel at their location, which, unlike the analogue, will not lead to the appearance of additional resistance in the form of the resistance of the protruding parts. The vertical arrangement of the walls of the channels will provide a strict direction (focused effect) of the ejected water flows, under the top of the IHV. In addition to increasing the pressure under the summit of the IGW due to the centrifugal forces created by the device and the swirling liquid region, its operation due to the proximity of the water flow channels (one after another) will result in hydrodynamic interaction of the water flows excited by the impellers. Rotation of the impellers in opposite directions not only eliminates the occurrence of heeling moment, worsening the transverse stability of the vessel, but also leads to the appearance of a hydrodynamic barrier perpendicular to the direction of movement of the vessel, increasing the efficiency of the proposed device. To ensure that the working volume of the impellers can be filled with outboard water after the masses of water are ejected through open sections of the water-flowing channels due to the centrifugal forces of the blade, they are rejected at the moment they pass the open sections of the channels, i.e. pressed against the inner surface of the impellers. For deflected blades due to water displacement, areas of reduced pressure will appear [3], where outboard water will rush, thereby ensuring the occupancy of these parts of the working volumes of the impellers. After the expiration of the time equal to the approach time to the closed sections of the channels of the next blades, they return to their original position. As a result, the entire working volume of the impellers, except for the open sections of the channels, will be filled with sea water. The operation of the device will provide a higher pressure increase under the top of the IHV than the analogue. If this is not enough to destroy the ice cover, then the rotation of the impellers stops for the time necessary to fill the working volumes of the impellers with open water in open sections of the channels. Then, the open sections of the water flow channels with the help of pre-installed shutters are closed and the impellers begin to rotate again, involving in the circular motion the water that has filled the water flow channels. At the moment the impellers reach their operating speed, the flaps sharply open the channel sections. As a result of the sudden appearance of a water flow due to the appearance of centrifugal forces, a water hammer will occur under the summit of the IGW, the height of the waves will increase, which will achieve the claimed technical result.

Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг.1 показан вид на устройство сбоку при открытом положении заслонок; на фиг. 2 и 3 - сечения по А-А и В-В на фиг. 1; на фиг. 4 - вид на устройство сбоку при закрытом положении заслонок; на фиг. 5 и 6 - сечения по С-С и D-D на фиг. 4.The invention is illustrated by drawings, where: in Fig.1 shows a side view of the device with the open position of the dampers; in FIG. 2 and 3 are sections along aa and bb in FIG. one; in FIG. 4 is a side view of the device with the shutters closed; in FIG. 5 and 6 are cross-sections along CC and D-D in FIG. four.

В корпусе судна 1 выполнены водопроточные каналы 2 с открытыми участками 3 (фиг. 1-6). В каналах 2 установлены крыльчатки 4, оснащенные лопатками 5, которые способны вращаться в противоположных направлениях (фиг. 2, 3, 5, 6). Если при движении судна 1 с резонансной скоростью u_p под ледяным покровом 6 высота возбуждаемых ИГВ 7 окажется недостаточной для разрушения ледяного покрова, то крыльчатки начинают вращаться с угловыми скоростями ±ω соответственно, что приведет к выбросу через открытые участки 3 водопроточных каналов 2 масс воды 8 и 9 (фиг. 2, 3), которые будут иметь как радиальные составляющие 10 (за счет центробежных сил), так и окружные составляющие 11 скорости (за счет закручивания воды в каналах 2 (фиг. 2, 3)). Возникший за счет центробежных сил поток воды (составляющие 10) приведет к увеличению давления под вершиной ИГВ 7. Окружные составляющие 11 вызовут возникновение гидродинамического барьера 12 и турбулизацию внешнего потока 13. Лопатки 14 в момент окончания прохождения ими открытых участков 3 каналов 2 отклоняются, т.е. прижимаются к внутренней поверхности крыльчаток 4, что приведет к возникновению областей пониженного давления 15 и, вследствие этого, - потоков забортной воды 16 (фиг. 2, 3). Открытые участки каналов 3 снабжены заслонками 17 в открытом положении (фиг. 1) и 18 - в закрытом положении (фиг. 4-6). В результате работы устройства произойдет увеличение высоты от ИГВ 7 до ИГВ 19.In the hull of the vessel 1 made water-flowing channels 2 with open sections 3 (Fig. 1-6). In the channels 2 impellers 4 are installed, equipped with blades 5, which are able to rotate in opposite directions (Fig. 2, 3, 5, 6). If, when the vessel 1 moves with a resonant speed u _p under the ice sheet 6, the height of the excited IGV 7 turns out to be insufficient to destroy the ice sheet, then the impellers begin to rotate at angular velocities ± ω, respectively, which will lead to the release of 2 water masses through open sections 3 of the flow channels 8 and 9 (FIG. 2, 3), which will have both radial components 10 (due to centrifugal forces) and circumferential velocity components 11 (due to the twisting of water in channels 2 (FIG. 2, 3)). The water flow (components 10) arising due to centrifugal forces will lead to an increase in pressure under the summit of the IGW 7. The circumferential components 11 will cause the appearance of a hydrodynamic barrier 12 and the turbulence of the external flow 13. The vanes 14 at the moment they pass through the open sections of 3 channels 2 are rejected, i.e. e. pressed against the inner surface of the impellers 4, which will lead to the appearance of areas of reduced pressure 15 and, consequently, flows of overboard water 16 (Fig. 2, 3). The open sections of the channels 3 are provided with shutters 17 in the open position (Fig. 1) and 18 in the closed position (Fig. 4-6). As a result of the operation of the device, an increase in height from IGV 7 to IGV 19 will occur.

Claims

1. Device for breaking the ice cover, consisting of an underwater vessel, capable of driving resonant bending-gravitational waves in it under the ice cover and creating with the help of a rotating impeller located in the upper part of the ship's hull an area of increased pressure under the ice cover at the location the tops of the bending-gravitational wave, characterized in that on the vessel two impellers are installed between the strong and light hulls of the water-flowing channels, the cross sections of which X arranged perpendicularly to the longitudinal axis of the vessel, they are arranged one behind the other and have in the upper parts of the open areas, the impeller adapted to rotate in opposite directions, and the impeller blade at the time of closure of the passage portions open channels - deflected, i.e. press against the inner surface of the impellers for a time equal to the approach time to the closed sections of the next blades, and then return to their original position, while the open sections of the channels are equipped with shutters that can close and open them sharply.

2. The device according to p. 1, characterized in that the blades are bent in directions opposite to the directions of rotation of the impellers.