RU2219089C2 - Method of breaking ice cover - Google Patents

Abstract

FIELD: shipbuilding; submarine vessels breaking ice cover by resonance flexural gravitational waves. SUBSTANCE: proposed method includes exciting resonance flexural gravitational waves in ice when ship runs at resonance speed and forming areas at reduced and increased pressures under wave trough and crest by exciting centrifugal and centripetal forces causes by rotation of impellers located in upper portion of ship s hull. Periodicity of creating areas of reduced and increased pressures is ensured by switching on/off impellers. Duration of switching on/off of impellers is equal to halfperiod of resonance waves. EFFECT: enhanced efficiency of breaking ice cover by submarine vessel. 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, с.1, 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. A technical solution is also known (2. RU 2170687, p.1, 03.15.2000), in which, to increase the efficiency of ice destruction, it is proposed to create, under the ice cover at the location of the depression (sole), a flexural-gravitational discharge wave (low pressure region) by means of centrifugal forces from rotation of the impeller located in the upper part of the ship's 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: одновременно с областью пониженного давления создают область повышенного давления в месте расположения вершины ИГВ посредством центростремительных сил от вращения крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна, при этом область повышенного и пониженного давлений создают периодически с частотой резонансных ИГВ посредством соответствующих периодических включений и отключений вращений крыльчаток, а продолжительность включений и отключений вращений крыльчаток равна полупериоду резонансных ИГВ. Distinctive: at the same time as the region of reduced pressure, they create a region of increased pressure at the location of the top of the IGV by means of centripetal forces from the rotation of the impeller located in the upper part of the vessel, while the region of high and low pressure is created periodically with the frequency of resonant IGV by means of corresponding periodic on and off rotations impellers, and the duration of the on and off rotations of the impeller rotations is equal to the half-period of resonant IGWs.

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 впадина и вершина прогрессивных основных ИГВ формируются над корпусом судна [1], то появляется возможность воздействовать на реакцию упругого основания (воды) от деформирования ледяного покрова в пределах длины судна. Очевидно, что это воздействие должно быть направленно на соответствующее изменение силы поддержания воды в районах впадины и вершины ИГВ, т.к. соответствующее изменение силы поддержания в этом месте может вызвать увеличение амплитуды ИГВ и соответствующий рост изгибных напряжений в ледяной пластине. В свою очередь это повысит эффективность разрушения льда подводным судном. 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 depression and the top of the progressive main IHV are formed above the hull [1], it becomes possible to influence the reaction of the elastic base (water) from deformation of the ice cover within the vessel's length. Obviously, this effect should be aimed at a corresponding change in the strength of maintaining water in the areas of the depression and the summit of the IHW, as a corresponding change in the support force in this place can cause an increase in the amplitude of the IGW and a corresponding increase in bending stresses in the ice plate. In turn, this will increase the efficiency of ice destruction by an underwater vessel.

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. Kheisin. 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 впадиной и вершиной ИГВ, возникших от поступательного движения подводного судна, т.е. основных ИГВ, создавать периодически соответственно области пониженного и повышенного давлений с частотой резонансных ИГВ, то это приведет к возбуждению в ледяном покрове двух дополнительных систем резонансных ИГВ [3], распространяющихся в фазе с основными ИГВ, т.е. вершины и впадины дополнительных ИГВ будут соответственно накладываться на вершины и впадины основных ИГВ. Таким образом, будет происходить благоприятная с точки зрения заявляемого технического результата интерференция, т. е. амплитуда суммарных ИГВ возрастет. Thus, if under the hollow and top of the IHV, arising from the translational motion of the submarine, i.e. of the main IGVs, to create periodically correspondingly the regions of low and high pressures with the frequency of resonant IGVs, this will lead to the excitation in the ice sheet of two additional systems of resonant IGVs [3], propagating in phase with the main IGV, the peaks and troughs of additional IGVs will be respectively superimposed on the peaks and troughs of the main IGV. Thus, interference will be favorable from the point of view of the claimed technical result, i.e., the amplitude of the total IGV will increase.

Очевидно, что для достижения максимального возрастания амплитуды суммарных ИГВ необходимо, чтобы время воздействия сил, возбуждающих дополнительные ИГВ, т.е. продолжительность вращения крыльчаток, равнялось полупериоду резонансных ИГВ. При этом величину периода ИГВ Т можно определить по зависимости работы [3]:

где D - цилиндрическая жесткость ледяного покрова; ρ_л - плотность льда; h - толщина ледяного покрова; g - ускорение силы тяжести.Obviously, in order to achieve the maximum increase in the amplitude of the total IHV, it is necessary that the exposure time of the forces that excite additional IHV, i.e. the duration of the rotation of the impellers was equal to the half-period of the resonant IGV. In this case, the size of the IGV period T can be determined by the dependence of [3]:

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

В этом случае в районе вершины основных ИГВ, где подо льдом создается область повышенного давления при перемещении льда вверх от возникших дополнительных ИГВ, возбуждающие их силы также будут направлены вверх, а при перемещении льда вниз эти силы исчезнут. In this case, in the region of the summit of the main IGVs, where an area of increased pressure is created under the ice when the ice moves upward from the additional additional IGVs, their exciting forces will also be directed upward, and when the ice moves downward, these forces will disappear.

В районе подошвы основных ИГВ, где подо льдом создается область пониженного давления, будет происходить обратный процесс: при перемещении льда вниз от возникших дополнительных ИГВ возбуждающие их силы также будут направлены вниз, а при перемещении льда вверх эти силы исчезнут. In the area of the base of the main IHV, where a reduced pressure region is created under the ice, the reverse process will occur: when the ice moves down from the additional IHV that has arisen, their exciting forces will also be directed downward, and when the ice moves upward, these forces will disappear.

Таким образом, возникнет наиболее эффективная дополнительная к основным ИГВ раскачка ледяного покрова. Thus, the most effective additional ice cover buildup to the main IHV will arise.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Под ледяным покровом на заданном заглублении начинают перемещать подводное судно со скоростью ν_p для возбуждения резонансных ИГВ. Если амплитуда этих волн окажется недостаточной для разрушения ледяного покрова, то одновременно включают предварительно установленные в верхней части корпуса судна крыльчатки, одну из которых располагают в наиболее вероятном месте расположения подошвы основных ИГВ, а вторую - в месте расположения вершины основных ИГВ. По истечении времени Т/2, т.е. через полупериод резонансных ИГВ, крыльчатки отключают. Повторное включение крыльчаток осуществляют также через полупериод Т/2, т. е. через время Т от момента первого включения, а значит, с частотой резонансных ИГВ. Процесс включений и отключений вращений крыльчаток 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 resonant IGWs. If the amplitude of these waves is insufficient to destroy the ice cover, then simultaneously include the impellers pre-installed in the upper part of the ship’s hull, one of which is located at the most probable location of the sole of the main IHV, and the second at the location of the top of the main IHV. After the time T / 2, i.e. after a half-period of resonant IGV, the impellers are turned off. Re-inclusion of the impellers is also carried out through a half-period T / 2, i.e., after a time T from the moment of the first inclusion, and therefore, with the frequency of resonant IGWs. The process of turning on and off the rotations of the impellers continues throughout the entire time of the icebreaking operations.

Периодическое вращение крыльчатки, расположенной под подошвой основных ИГВ и работающей по принципу центробежного насоса, вызовет появление периодических центробежных сил и соответствующей периодически возникающей области пониженного давления под подошвой основных ИГВ. Periodic rotation of the impeller located under the sole of the main IGV and operating on the principle of a centrifugal pump will cause the appearance of periodic centrifugal forces and the corresponding periodically occurring region of reduced pressure under the sole of the main IGV.

Периодическое вращение крыльчатки, расположенной под вершиной основных ИГВ, в направлении, противоположном вращению рабочего колеса центробежного насоса, вызовет появление центростремительных сил и соответствующей периодически возникающей области повышенного давления под вершиной основных ИГВ. Periodic rotation of the impeller located under the apex of the main IGV in the direction opposite to the rotation of the impeller of the centrifugal pump will cause centripetal forces and the corresponding periodically arising high pressure region under the apex of the main IGV.

Периодическое возникновение областей пониженного и повышенного давлений соответственно под подошвой и вершиной основных ИГВ с резонансной частотой приведет к возникновению двух дополнительных систем резонансных ИГВ, наложение которых на основные ИГВ и друг на друга увеличит амплитуду суммарных ИГВ и эффективность разрушения льда повысится. The periodic occurrence of areas of low and high pressures, respectively, under the sole and apex of the main IHV with a resonant frequency will lead to the appearance of two additional systems of resonant IHV, the application of which to the main IHV and to each other will increase the amplitude of the total IHV and the ice destruction efficiency will increase.

На чертеже показана схема реализации изобретения. The drawing shows a diagram of an embodiment of the invention.

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 одновременно включают крыльчатку 4, расположенную под первой впадиной 5 ИГВ 3, и крыльчатку 6, расположенную под первой вершиной 7 ИГВ 3. Вращение крыльчатки 4 с угловой скоростью

вызовет появление центробежных сил 8 и области пониженного давления 9, а вращение крыльчатки 6 с угловой скоростью

вызовет появление центростремительных сил 10 и области повышенного давления 11. Периодическое вращение крыльчатки 4 приведет к появлению дополнительных резонансных ИГВ 12, а крыльчатки 6 - ИГВ 13. Наложение дополнительных резонансных ИГВ 12 и 13 друг на друга и на основные ИГВ 3 вызовет рост амплитуды суммарных ИГВ до профиля 14, что повысит эффективность разрушения ледяного покрова 1 судном 2.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 simultaneously turn on the impeller 4 located under the first depression 5 of the IGV 3 and the impeller 6 located under the first peak 7 of the IGV 3. Rotation of the impeller 4 with an angular velocity

will cause the appearance of centrifugal forces 8 and the region of reduced pressure 9, and the rotation of the impeller 6 with an angular velocity

will cause the appearance of centripetal forces 10 and the region of high pressure 11. Periodic rotation of the impeller 4 will lead to the appearance of additional resonant IGVs 12, and the impeller 6 to the IGV 13. The application of additional resonant IGVs 12 and 13 to each other and to the main IGV 3 will cause an increase in the amplitude of the total IGV to profile 14, which will increase the efficiency of ice cover destruction 1 by vessel 2.

Claims (1)

Способ разрушения ледяного покрова подводным судном путем возбуждения во льду резонансных изгибно-гравитационных волн 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, отличающийся тем, что одновременно с областью пониженного давления под ледяным покровом создают область повышенного давления в месте расположения вершины изгибно-гравитационной волны посредством центростремительных сил от вращения крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса судна, при этом области повышенного и пониженного давлений создают периодически с частотой резонансных изгибно-гравитационных волн посредством соответствующих периодических включений и отключений вращений крыльчаток, а продолжительность включений и отключений вращений крыльчаток равна полупериоду резонансных изгибно-гравитационных волн.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 rotation of the impeller located in the upper part of the ship’s hull characterized in that at the same time as the area of reduced pressure under the ice cover create a region of increased pressure at the location of the top of the ridge but the gravitational wave by means of centripetal forces from the rotation of the impeller located in the upper part of the ship’s hull, while the areas of high and low pressure are created periodically with the frequency of the resonant flexural-gravitational waves through the corresponding periodic on and off rotations of the impellers, and the duration of the on and off rotations of the impellers equal to the half-period of resonant flexural-gravitational waves.