CC BY
16
УДК 539.3
В. М. Козин, В. Л. Земляк, Н. О. Баурин, С. В. Радионов
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ЛЕДЯНОГО ПОКРОВА ПОДВОДНЫМИ СУДАМИ РЕЗОНАНСНЫМ МЕТОДОМ
Предложены запатентованные авторами устройства, которые могут быть использованы при переоборудовании субмарин в гражданские суда или при проектировании новых подводных судов, эксплуатация которых предусматривает всплытие в сплошном льду для повышения эффективности резонансного метода разрушения ледяного покрова изгибно-гравитационными волнами.
Ключевые слова: подводное судно, лёд, изгибно-гравитационные волны.
Для реализации метода разрушения ледяного покрова с помощью резонансных изгибно-гравитационных волн (ИГВ) пригодны существующие подводные суда, имеющие достаточное для разрушения льда заданной толщины водоизмещение и способные двигаться с необходимой скоростью на определённом заглублении. Однако в конкретных ледовых условиях их характеристики могут оказаться недостаточными для решения задач всплытия в более толстом ледяном покрове. С целью увеличения амплитуды изгибно-гравитационных волн, возбуждаемых в ледяном покрове движущимся подводным судном, т. е. их ледоразрушаю-щих способностей, разработаны способы их повышения [1—2].
В дополнение к ранее описанным изобретениям относятся решения, сущность которых заключается в разработке устройств, увеличивающих амплитуду ИГВ, возбуждаемых при движении подводного судна.
Известно решение [4], в котором для разрушения ледяного покрова предлагается использовать область повышенного давления под возни-
Козин Виктор Михайлович — доктор технических наук, профессор (Институт машиноведения и металлургии ДВО РАН, Комсомольск-на-Амуре); e-mail: vellkom@list.ru.
Земляк Виталий Леонидович — кандидат физико-математических наук, доцент, проректор по научной работе и инновациям (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); e-mail: vellkom@list.ru.
Баурин Никита Олегович — аспирант (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); е-mail: vellkom@list.ru.
Радионов Сергей Владимирович — студент (Приамурский государственный университет имени Шолом-Алейхема, Биробиджан); е-mail: vellkom@list.ru.
Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 16-19-10097). © Козин В. М., Земляк В. Л., Баурин Н. О., Радионов С. В., 2018
40
кающей вершиной ИГВ, возникающей от вращения крыльчатки, расположенной в верхней части корпуса подводного судна. Недостатками этого устройства являются: наличие на корпусе судна выступающей части, увеличивающей сопротивление воды и вследствие этого уменьшающей скорость хода; громоздкость конструкции; низкая работоспособность из-за отсутствия целенаправленного, т. е. фокусированного, воздействия генерируемых гидродинамических сил на вершину ИГВ и, соответственно, недостаточная высота возбуждаемых ИГВ. Для устранения отмеченных недостатков было предложено устройство в виде двух водопро-точных каналов 2 с открытыми в верхних частях участками 3, установленными в корпусе судна 1 в наиболее вероятном месте расположения вершины ИГВ [5] (рис. 1, 2).
Рис. 1. Устройства для разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2584636)
Рис. 2. Устройства для разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2584636)
41
В каналах устанавливаются крыльчатки 4 с лопатками 5, отогнутыми в направлениях, противоположных направлениям вращения крыльчаток. Такая форма лопаток увеличивает эффективность их работы и создаёт при заданных энергозатратах максимальные центробежные силы, возникающие при выбросе крыльчатками через открытые участки водопроточ-ных каналов масс воды. Габариты каналов и крыльчаток не превышают габаритов судна в месте их расположения. Вертикальное расположение стенок каналов обеспечит строгое фокусированное воздействие выбрасываемых потоков воды под вершину изгибно-гравитационных волн. Вращение крыльчаток в противоположных направлениях исключает возникновение кренящего момента, ухудшающего поперечную остойчивость судна, и приведёт к возникновению перпендикулярно расположенного к направлению движения судна гидродинамического барьера, увеличивающего работоспособность предложенного устройства.
Если при движении судна с критической (резонансной) скоростью ир под ледяным покровом 6 высота возбуждаемых ИГВ 7 окажется недостаточной для разрушения льда, то крыльчатки начинают вращать с угловыми скоростями ±м, что приведёт к выбросу через открытые участки каналов масс воды 8 и 9 (рис. 2), которые будут иметь как радиальные составляющие 10 (за счёт центробежных сил), так и противоположные по знаку окружные составляющие 11 скорости. Возникший за счёт центробежных сил поток воды 10 приведёт к увеличению давления под вершиной ИГВ 7. Окружные составляющие 11 вызовут возникновение гидродинамического барьера 12 и турбулизацию внешнего потока 13 (рис. 1). Лопатки 14 в момент окончания прохождения ими открытых участков каналов прижимаются к внутренней поверхности крыльчаток, что приведёт к возникновению областей пониженного давления 15 и вследствие этого — потоков забортной воды 16 (рис. 2). В результате работы устройства произойдёт увеличение высоты от ИГВ 7 до ИГВ 17.
Для повышения эффективности работы устройства лопатки задней крыльчатки могут быть дополнительно наклонены к оси её вращения [6] (рис. 3, 4). Вращение задней крыльчатки приведёт к появлению не только радиального и окружного, но и дополнительного осевого потока 18, направленного к кормовой оконечности судна, т. е. под первую, следующую за вершиной подошву ИГВ. Для этого угол наклона лопаток крыльчатки к оси её вращения (острый или тупой) выбирают в зависимости от направления м.
С целью уменьшения гидродинамического сопротивления на пути осевого потока задняя кромка водопроточного канала в пределах его открытого участка закруглена (рис. 5). В результате давление под впадиной ИГВ понизится 19, т. е. амплитуда прогиба ледяного покрова возрастёт. Кроме этого, возникающий осевой поток будет создавать дополнительный к гребному винту упор судна. Работа устройства приведёт к увеличению высоты ИГВ 20.
42
Рис. 3. Устройства для разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2585133)
Рис. 4. Устройства для разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2585133)
Рис. 5. Устройства для разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2585133)
43
Известно, что приложение периодической динамической нагрузки к ледяному покрову с частотой, равной частоте резонансных ИГВ, увеличивает деформации льда по сравнению с такой же по интенсивности, но приложенной стационарно нагрузкой [11]. Следовательно, если под вершиной ИГВ, возникающих от поступательного движения подводного судна, периодически создавать область повышенного давления с частотой резонансных ИГВ, то это приведёт к возбуждению во льду дополнительной системы резонансных ИГВ. Для достижения максимального периодического возрастания амплитуды изгибно-гравитационных волн необходимо, чтобы время воздействия сил, возбуждающих дополнительные ИГВ, равнялось половине периода Т основных резонансных ИГВ, величину которого можно определить по зависимости [3]:
В этом случае будет возникать эффективная дополнительная к основным ИГВ раскачка ледяного покрова при перемещении льда вверх и вниз от возникших дополнительных ИГВ 21 (рис. 6) [7].
Рис. 6. Устройства для разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2588562)
Для повышения эффективности работы устройства частота вращения крыльчаток может периодически изменяться с частотой резонансных изгибно-гравитационных волн, а интервалы времени, в течение которых происходит уменьшение с последующим увеличением частоты вращения крыльчаток, должны быть равны полупериоду резонансных ИГВ [8]. Увеличение амплитуды резонансных ИГВ возможно и в случае, если крыльчатки имеют возможность периодически с частотой резонансных изгибно-гравитационных волн начинать и прекращать своё вращение в течение времени, равного полупериоду этих волн [9].
44
Если эффективность работы устройства окажется недостаточной для разрушения ледяного покрова, то вращение крыльчаток прекращается на время, необходимое для заполнения забортной водой рабочих объёмов крыльчаток в открытых участках каналов. Затем открытые участки каналов при помощи предварительно установленных заслонок 17 закрываются 18 и крыльчатки вновь начинают вращаться, вовлекая в круговое движение воду (рис. 7, 8). Участки 19 водопроточных каналов с отклоняющимися лопатками (рис. 9, 10) заслонками не перекрываются, т. е. не закрываются. 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 ИГВ возрастёт 20.
Рис. 7. Устройства для разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2589227)
А-А В-В
4 4
Рис. 8. Устройства для разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2589227)
45
Рис. 9. Устройства для разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2589227)
Рис. 10. Устройства для разрушения ледяного покрова
(патент на изобретение РФ № 2589227)
Если заслонки 17 периодически резко открывать с частотой резонансных ИГВ и держать открытыми в течение времени, равном полупериоду ИГВ, то в результате внезапных периодических появлений потоков воды под вершиной ИГВ в дополнение к образующимся также с резонансной частотой областям повышенного давления будут возникать гидроудары.
В итоге возникнет дополнительная система резонансных ИГВ [3], которая, накладываясь на основные резонансные ИГВ, вследствие их интерференции будет периодически увеличивать высоту суммарных из-гибно-гравитационных волн, что позволит повысить эффективность разрушения ледяного покрова [10].
Предложенные устройства могут быть использованы при переоборудовании атомных субмарин, вышедших из состава военно-морского
46
флота, в гражданские суда или при проектировании новых подводных судов, эксплуатация которых предусматривает всплытие в сплошном льду, для повышения эффективности резонансного метода разрушения ледяного покрова.
Список литературы
1. Козин В. М. Резонансный метод разрушения ледяного покрова. Изобретения и эксперименты. М.: Академия Естествознания, 2007. 355 с.
2. Козин В. М., Земляк В. Л. Всплытие подводных судов в ледовых условиях. Комсомольск-на-Амуре: ИМиМ ДВО РАН, 2012. 195 с.
3. Способ разрушения ледяного покрова: патент 2219089 РФ: МПК B63B 35/08 / В. М. Козин. № 2002105537/11; заявл. 28.02.2002; опубл. 20.12.2003. Бюл. № 35.
4. Способ разрушения ледяного покрова: патент 2240252 РФ: МПК B63B 35/08 / В. М. Козин. № 2002105426/11; заявл. 28.02.2002; опубл. 20.11.2004. Бюл. № 32.
5. Устройство для разрушения ледяного покрова: патент 2584636 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, А. В. Погорелова [и др.]. № 2015120892/11; заявл. 01.06.2015; опубл. 20.05.2016. Бюл. № 14.
6. Устройство для разрушения ледяного покрова: патент 2585133 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, А. В. Погорелова [и др.]. № 2015120888/11; заявл. 01.06.2015; опубл. 27.05.2016. Бюл. № 15.
7. Устройство для разрушения ледяного покрова: патент 2588562 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, А. В. Погорелова [и др.]. № 2015120879/11; заявл. 01.06.2015; опубл. 27.06.2016. Бюл. № 18.
8. Устройство для разрушения ледяного покрова: патент 2588563 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, А. В. Погорелова [и др.]. № 2015120899/11; заявл. 01.06.2015; опубл. 27.06.2016. Бюл. № 18.
9. Устройство для разрушения ледяного покрова: патент 2588564 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, А. В. Погорелова [и др.]. № 2015120900/11; заявл. 01.06.2015; опубл. 27.06.2016. Бюл. № 18.
10. Устройство для разрушения ледяного покрова: патент 2589227 РФ: МПК В63В 35/08, В63С 8/00 / В. М. Козин, В. Л. Земляк, А. В. Погорелова [и др.]. № 20151208966/11; заявл. 01.06.2015; опубл. 10.07.2016. Бюл. № 19.
11. Хейсин Д. Е. Динамика ледяного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 216 с.
* * *
Kozin Victor M., Zemliak Vitaly L., Baurin Nikita O., Radionov Sergey V. DEVICES FOR IMPROVING EFFICIENCY BREAKING ICE COVER BY SUBMARINE VESSELS BY RESONANCE METHOD
^Institute of Machining and Metallurgy, FEB RAS, Komsomolsk-on-Amur ; ' 3' 4Sholom-Aleichem Priamursky State University, Birobidzhan)
We propose devices patented by the authors that can be used for re-equipping submarines in civil vessels or when designing new submarines whose operation provides for floating in solid ice to enhance the effectiveness of the resonant method of destruction of the ice cover by flexural-gravity waves.
Keywords: submarine vessels, ice, flexural-gravity waves.
47
References
1. Kozin V. M. Rezonansniy metod razrusheniya ledyanogo pokrova. Izobreteniya i eksperimenty (Resonance method of destruction of the ice cover. Inventions and experiments), Moscow, Academy of Natural History Publ., 2007. 355 p.
2. Kozin V. M., Zemlyak V. L. Vsplytie podvodnykh sudov v ledovykh usloviyakh (Surfacing of underwater vessels in ice conditions), Komsomolsk-on-Amur, 2012. 195 p.
3. Kozin V. M. Sposob razrusheniya ledyanogo pokrova (The method of destruction of the ice cover), patent 2219089 RU, IPC B63B 35/08, publ. 12/20/2003. Bul. No. 35.
4. Kozin V. M. Sposob razrusheniya ledyanogo pokrova (The method of destruction of the ice cover), patent 2240252 RU, IPC B63B 35/08, publ. 11/20/2004. Bul. No. 32.
5. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Pogorelova A. V. [and others]. Ustroystvo dlya razrusheniya ledyanogo pokrova (Device for destruction of the ice cover), patent 2584636 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 05/20/2016. Bul. No. 14.
6. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Pogorelova A. V. [and others]. Ustroystvo dlya razrusheniya ledyanogo pokrova (Device for destruction of the ice cover), patent 2585133 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 05/27/2016. Bul. No. 15.
7. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Pogorelova A. V. [and others]. Ustroystvo dlya razrusheniya ledyanogo pokrova (Device for destruction of the ice cover), patent
2588562 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 06/27/2016. Bul. No. 18.
8. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Pogorelova A. V. [and others]. Ustroystvo dlya razrusheniya ledyanogo pokrova (Device for destruction of the ice cover), patent
2588563 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 06/27/2016. Bul. No. 18.
9. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Pogorelova A. V. [and others]. Ustroystvo dlya razrusheniya ledyanogo pokrova (Device for destruction of the ice cover), patent
2588564 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 06/27/2016. Bul. No. 18.
10. Kozin V. M., Zemlyak V. L., Pogorelova A. V. [and others]. Ustroystvo dlya razrusheniya ledyanogo pokrova (Device for destruction of the ice cover), patent 2589227 RU, IPC B63B 35/08, B63G 8/00, publ. 07/10/2016. Bul. No. 19.
11. Kheisin D. E. Dinamika ledianogo pokrova (Dynamics of Ice Cover), Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1967. 216 p.
* * *
48
