RU84818U1

RU84818U1 - DEVICE FOR LOCAL DESTRUCTION OF ICE COVER FROM WATER

Info

Publication number: RU84818U1
Application number: RU2008143829/22U
Authority: RU
Inventors: Виктор Николаевич Смирнов; Александр Иванович Шушлебин; Виктор Александрович Никитин; Сергей Михайлович Ковалёв
Original assignee: Государственное учреждение "Арктический и Антарктический научно-исследовательский Институт" (ГУ "ААНИИ")
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2009-07-20

Abstract

Устройство для локального разрушения ледяного покрова из под воды, содержащее емкость, выполненную из твердого материала каплеобразной формы, на головной части которой расположена насадка в виде кольца, шланг для подачи воздуха и отверстие снизу емкости для вытеснения водяного балласта, отличающееся тем, что в нижней части емкости расположены приподнятые относительно дна устройства три сопла в горизонтальной плоскости под углом 45° к поверхности устройства.A device for the local destruction of ice cover from under water, containing a container made of solid drop-shaped material, on the head of which there is a nozzle in the form of a ring, a hose for air supply and an opening at the bottom of the container for displacing ballast water, characterized in that in the lower part Three nozzles are raised relative to the bottom of the device in a horizontal plane at an angle of 45 ° to the surface of the device.

Description

Устройство относится к области ледотехники и позволяет осуществлять локальное разрушение льда из-под воды для нужд хозяйственной деятельности, а также для исследования физико-механических свойств льда как материала.The device relates to the field of ice engineering and allows for the local destruction of ice from under water for the needs of economic activity, as well as for studying the physical and mechanical properties of ice as a material.

Известны устройства для механического разрушения льда из-под воды, например, с помощью заводимых под лед наполняемых воздухом емкостей [1]. В этом устройстве сжатый воздух подается шлангом в оболочку, которая наполняется воздухом и всплывает, тем самым воздействует на лед с силой, равной весу, вытесненной воды или металлической емкостью с водяным балластом [2]Known devices for the mechanical destruction of ice from under water, for example, using ice-filled containers filled with ice [1]. In this device, compressed air is supplied by a hose to a shell, which is filled with air and floats, thereby acting on ice with a force equal to the weight of the displaced water or a metal container with ballast water [2]

Указанные устройства используются в сочетании с ледокольными судами. Во время движения такого судна устройство заводится под лед: в первом случае мягкая оболочка наполняется воздухом, а во втором - из металлической емкости вытесняется водяной балласт. Взлом ледяного покрова осуществляется при возникновении подъемной силы надуваемой мягкой или жесткой оболочек, а водный балласт вытесняется полностью через отверстие в нижней части емкости.These devices are used in combination with icebreaking vessels. During the movement of such a vessel, the device starts up under ice: in the first case, the soft shell is filled with air, and in the second, water ballast is displaced from the metal container. Hacking of the ice cover is carried out when there is a lifting force of the inflated soft or hard shells, and the water ballast is completely displaced through the hole in the lower part of the tank.

Эти устройства обладают существенными недостатками, поскольку с их помощью невозможно разрушить сплошной ледяной покров из-под воды в каком-нибудь определенном месте, так как ледокольные суда способны осуществлять ломку льда с помощью указанных устройств только с кромки ледяного покрова. Кроме того, при этом необходимо производить конструктивные изменения в дорогостоящих ледоколах. Вторым существенным недостатком указанных устройств является их малая эффективность, поскольку разрушение льда осуществляется не за счет приложения резкого динамического удара, а под воздействием медленно нарастающего подъемного усилия. Учитывая, что лед обладает свойствами значительной вязкости и пластичности при приложении медленно воздействующей нагрузки, данные способы не позволяют эффективно и быстро решать некоторые задачи, связанные с локальным взломом ледяного покрова.These devices have significant drawbacks, because with their help it is impossible to destroy a continuous ice cover from under water in any particular place, since icebreaking vessels are capable of breaking ice using these devices only from the edge of the ice sheet. In addition, it is necessary to make structural changes in expensive icebreakers. The second significant drawback of these devices is their low efficiency, since the destruction of ice is carried out not due to the application of a sharp dynamic impact, but under the influence of a slowly increasing lifting force. Considering that ice has properties of significant viscosity and ductility when a slowly acting load is applied, these methods do not allow efficiently and quickly solve some problems associated with local breaking of the ice cover.

Наиболее близким по технической сущности решением является разрушение льда с помощью воздушного пузыря, заключенного в гибкую оболочку усиленную в верхней части металлическим колпаком [3].The closest technical solution is the destruction of ice using an air bubble enclosed in a flexible shell reinforced in the upper part with a metal cap [3].

К недостаткам данного устройства следует отнести, во-первых, тот факт, что воздействие на ледяной покров происходит длительное время, требующее значительного расхода энергии на пластическое деформирование льда и невозможностью получения с помощью этого устройства сосредоточенного динамического удара.The disadvantages of this device include, firstly, the fact that exposure to the ice cover takes a long time, requiring a significant expenditure of energy on the plastic deformation of the ice and the inability to obtain a concentrated dynamic impact with this device.

В основу настоящей полезной модели положено решение технической задачи, позволяющее повысить эффективность механического воздействия на ледяной покров из-под воды для его быстрого разрушения при снижении энергетических затрат.The present utility model is based on the solution of a technical problem, which makes it possible to increase the efficiency of mechanical action on the ice cover from under water for its rapid destruction while reducing energy costs.

Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве механическое воздействие на лед производится из-под воды жесткой емкостью из твердого материала, имеющей каплеобразную форму для уменьшения сопротивления воды при всплытии устройства. При этом на головной части устройства устанавливается инициирующее кольцо для концентрации первоначальной нагрузки в момент удара и ослабления прочности льда. В нижней части емкости располагаются сопла для выхода вытесняемой расширяющимся воздухом воды. Сопла располагаются под углом 45° к поверхности устройства в горизонтальной плоскости, чтобы выходящие водные потоки создавали закручивающий момент всплывающей емкости, что стабилизирует всплытие устройства и уменьшает сопротивление воды. Ниже уровня сопел остается некоторый объем водного балласта, увеличивающий массу устройства, что повышает силу удара о нижнюю поверхность льда. Емкость, заполненая водой, размещается на дне, а затем с помощью шланга через одно из сопел частично продувается сжатым воздухом. При этом происходит свободное ускоренное всплытие, при котором шланг вырывается из емкости, а устройство, всплывая, ударяется в нижнюю поверхность льда и разрушает его.This is achieved by the fact that in the proposed device, mechanical action on the ice is made from under the water by a rigid container of solid material having a droplet shape to reduce the resistance of water when the device emerges. At the same time, an initiating ring is installed on the head of the device to concentrate the initial load at the time of impact and weaken the strength of the ice. In the lower part of the tank are nozzles for water displaced by expanding air. The nozzles are located at an angle of 45 ° to the surface of the device in a horizontal plane so that the outgoing water flows create a twisting moment of the pop-up tank, which stabilizes the ascent of the device and reduces the resistance of water. Below the nozzle level, a certain amount of water ballast remains, increasing the mass of the device, which increases the force of impact on the lower surface of the ice. A container filled with water is placed at the bottom, and then partially blown with compressed air through a nozzle through a hose. In this case, free accelerated ascent occurs, in which the hose breaks out of the tank, and the device, floating, hits the lower surface of the ice and destroys it.

При ударе о лед емкость создает импульс силы S, определяемый интегралом:Upon impact with ice, the capacitance creates a momentum of force S, determined by the integral:

где: F- ударная сила, t₁ и t₂ - моменты времени, соответствующие началу и концу удара. Применяя второй закон Ньютона, получим:where: F is the impact force, t ₁ and t ₂ are time points corresponding to the beginning and end of the impact. Applying Newton’s second law, we get:

S=mV,S = mV,

где: m - масса емкости с оставшимся водяным балластом; V - скорость всплытия емкости перед ударом. Отсюда очевидно, что, чем больше масса m и скорость всплытия V емкости, тем больше импульс силы. Ударная сила при этом будет:where: m is the mass of the tank with the remaining water ballast; V is the ascent rate of the container before impact. Hence, it is obvious that the larger the mass m and the ascent rate V of the tank, the greater the momentum of the force. The shock force will be:

где: Δt - длительность удара.where: Δt is the duration of the impact.

Оптимальный вариант соотношения m и V зависит от толщины и механических свойств ледяного покрова и может быть подобран для различных льдов опытным путем.The optimal variant of the ratio of m and V depends on the thickness and mechanical properties of the ice cover and can be selected experimentally for various ice.

Проведем сравнительный анализ. Из экспериментальных данных по определению несущей способности льда известно, что разрушающее усилие Р для льда толщиной h будет Р=k h², где k эмпирическая константа - 200 т/м² /4/. Пусть емкость, обладающая подъемной силой Р=100 т действует на ледяной покров статически. Тогда с гарантией можно разрушить лед толщиной Пусть теперь эта же емкость с массой 100 т всплывает со скоростью 2 м/с. Примем вполне реальную величину длительности удара емкости о лед Δt=0,1 с. Тогда ударная сила Р будет 2000 т. При действии такой силы на лед из-под воды можно с гарантией разрушить лед толщиной 3 м, т.е. больше, чем в случае действия статической нагрузки. Таким образом, ударное воздействие значительно эффективнее, чем статическое действие нагрузки на лед.We will conduct a comparative analysis. From the experimental data to determine the ability of ice carrier it is known that the destructive force F h the ice thickness is F = kh ^2, where empirical constant k - 200 t / m ^2/4 /. Let a tank with a lifting force of P = 100 t act statically on the ice sheet. Then with a guarantee it is possible to destroy ice thick Now let the same tank with a mass of 100 tons float at a speed of 2 m / s. Let us take a very real value of the duration of the impact of the tank on ice Δt = 0.1 s. Then the impact force P will be 2000 tons. Under the action of such a force on ice from under water, it is possible to destroy ice with a thickness of 3 m with a guarantee, i.e. more than in the case of static load. Thus, the impact is much more effective than the static effect of the load on the ice.

На фиг.1 (вид устройства в двух проекциях) представлено схематическое изображение устройства для локального разрушения льда из-под воды. Устройство представляет собой жесткий корпус 1 из твердого материала каплеобразной формы. На головной части корпуса закреплено инициирующее кольцо 2. В нижней части корпуса на некотором расстоянии от дна устройства расположены три сопла 3, развернутые в горизонтальной плоскости под углом 45° к поверхности устройства. В одно из сопел 3 вставлен шланг 4, соединенный с компрессором или баллоном сжатого воздуха, расположенным на поверхности льда, берегу или гидротехническом сооружении (на фиг.1 не изображены). При вытеснении водяного баласта 5 приподнятое относительно дна емкости расположение сопел 3 позволяет сохранить некоторый объем воды для увеличения массы устройства.Figure 1 (view of the device in two projections) presents a schematic illustration of a device for the local destruction of ice from under water. The device is a hard case 1 of solid material in the form of a drop-shaped. An initiating ring 2 is fixed on the head of the casing. Three nozzles 3 are located in the lower part of the casing at a certain distance from the bottom of the device and are deployed in a horizontal plane at an angle of 45 ° to the surface of the device. A hose 4 is inserted into one of the nozzles 3 and is connected to a compressor or a cylinder of compressed air located on an ice surface, a shore, or a hydraulic structure (not shown in FIG. 1). When water ballast 5 is displaced, the arrangement of nozzles 3 raised relative to the bottom of the tank allows preserving a certain amount of water to increase the mass of the device.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Емкость 1 каплеобразной формы заполняется водяным балластом и располагается на донном грунте в вертикальном положении, например, в основании гидротехнического сооружения, соединяется шлангом 4 с компрессором или баллонами сжатого воздуха (на фиг.1 не изображены), которые могут находиться на берегу, гидротехническом сооружении, поверхности ледяного покрова. Сжатый воздух подают внутрь емкости через сопло 3 и тем самым вытесняют водяной балласт 5, пока устройство 1 не приобретет положительную плавучесть и начнет всплытие, при этом шланг 4 выдергивается из сопла. Во время всплытия наружное гидростатическое давление и давление внутри емкости будут уменьшаться: наружное - за счет уменьшения глубины погружения, а внутреннее - за счет выхода воды через сопла 3. Объем воздуха в емкости при вытеснении водяного балласта 4 будет возрастать, увеличивая подъемную силу и тем самым скорость всплытия емкости, а выход воды через сопла 3 вызовет закручивание устройства вокруг вертикальной оси, что повысит устойчивость устройства при всплытии. Величина ускорения будет зависеть от количества воздуха, поданного до момента всплытия устройства и от размера сопел 3. Максимальная скорость всплытия емкости ограничивается сопротивлением воды. Приподнятое расположение сопел 3 относительно дна корпуса 1 позволяет сохранить некоторый объем воды 5 в емкости 1 вплоть до момента удара о нижнюю поверхность льда. Наличие инициирующего кольца 2 позволяет осуществить концентрацию приложения силы в момент удара и тем самым ослабить лед, что облегчает его разрушение и снижает энергозатраты.The operation of the device is as follows. The droplet-shaped container 1 is filled with water ballast and is located on the bottom soil in a vertical position, for example, at the base of a hydraulic structure, connected with a hose 4 to a compressor or compressed air cylinders (not shown in FIG. 1), which can be on shore, a hydraulic structure, surface ice cover. Compressed air is fed into the container through the nozzle 3 and thereby displace the water ballast 5 until the device 1 acquires positive buoyancy and begins to emerge, while the hose 4 is pulled out of the nozzle. During the ascent, the external hydrostatic pressure and the pressure inside the tank will decrease: the external - by reducing the depth of immersion, and the internal - due to the release of water through the nozzle 3. The volume of air in the tank during the displacement of ballast water 4 will increase, increasing the lifting force and thereby the rate of ascent of the tank, and the exit of water through the nozzle 3 will cause the device to twist around the vertical axis, which will increase the stability of the device during ascent. The magnitude of the acceleration will depend on the amount of air supplied before the ascent of the device and the size of the nozzles 3. The maximum ascent rate of the container is limited by water resistance. The elevated location of the nozzles 3 relative to the bottom of the housing 1 allows you to save a certain amount of water 5 in the tank 1 until the moment of impact on the bottom surface of the ice. The presence of the initiating ring 2 allows the concentration of the application of force at the time of impact and thereby weaken the ice, which facilitates its destruction and reduces energy consumption.

Использование предлагаемого устройства для локального разрушения льда из-под воды обеспечивает по сравнению с известными устройствами следующие преимущества:Using the proposed device for the local destruction of ice from under water provides, in comparison with known devices, the following advantages:

- повышается эффективность получения локальной майны в ледяном покрове за счет удара с последующим статическим воздействием на ледяной покров;- increases the efficiency of obtaining a local lane in the ice cover due to impact with subsequent static impact on the ice cover;

- уменьшаются энергозатраты на получение локальной майны в ледяном покрове;- reduced energy costs for obtaining a local lane in the ice cover;

-данное устройство может быть использовано в труднодоступных районах на различных участках льда рек, озер и морей как с целью снятия избыточного давления льда на гидротехнические сооружения, так и с целью определения прочностных характеристик ледяных полей, используемых как конструкции.-This device can be used in hard-to-reach areas on various ice sections of rivers, lakes and seas, both to relieve excess ice pressure on hydraulic structures, and to determine the strength characteristics of ice fields used as structures.

Источники информации:Information sources:

1. Басе Б.А. Состояние и возможности совершенствования оборудования для образования майн во льдах. Новосибирск. Тр. НИИЖТ, вып. 135, 1978 г.1. Base B.A. Status and opportunities for improving equipment for the formation of lanes in ice. Novosibirsk Tr. NIIZHT, vol. 135, 1978

2. Сербул Г.Я Толкаемая ледокольная приставка. А. с, №310837,1971 г.2. Serbul G.Ya Pushed icebreaker. A. s, No. 310837.1971

3. Богородский В.В., Гаврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1983 г.3. Bogorodsky V.V., Gavrilo V.P., Nedoshivin O.A. The destruction of ice. Leningrad, Hydrometeoizdat, 1983

4. Песчанский И.С. Ледоведение и ледотехника. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1967 г.4. Peschansky I.S. Ice studies and ice engineering. Leningrad, Hydrometeoizdat, 1967

Claims

A device for the local destruction of ice cover from under water, containing a container made of solid drop-shaped material, on the head of which there is a nozzle in the form of a ring, a hose for air supply and an opening at the bottom of the container for displacing ballast water, characterized in that in the lower part the container are three nozzles raised relative to the bottom of the device in a horizontal plane at an angle of 45 ° to the surface of the device.