Способ локального разрушения ледяного покрова из-под воды

Способ локального разрушения ледяного покрова из-под воды

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Способ относится к области исследования физико-механических свойств льда как материала в ледотехнике, в частности к механическим способам разрушения льда для нужд хозяйственной деятельности.

Известны многочисленные способы механического разрушения льда из-под воды, а также устройства для их реализации, например, с помощью заводимых под лед наполняемых воздухом емкостей, которые выполнены в виде мягкой оболочки, усиленной металлическим колпаком [1], или металлическая емкость с водяным балластом [2].

Указанные способы и устройства для их реализации 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.

Эти способы для разрушения льда и устройства для их реализации 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 способов и устройств только с кромки ледяного покрова. Кроме того, при этом обязательно необходимо производить конструктивные изменения в дорогостоящих ледоколах. Вторым существенным недостатком указанных способов и устройств для их реализации является их малая эффективность, поскольку разрушение льда этим способом 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.

Наиболее близким решением по технической сущности к заявляемому является способ ослабления прочности или разрушения ледового покрова путем динамического воздействия на нижнюю поверхность льда пробойником, имеющим форму тела вращения и обладающего запасом кинетической энергии за счет положительной плавучести, приобретаемой путем замещения воды сжатым газом [3], принятый за прототип.

К недостаткам данного способа следует отнести тот факт, что в этом способе удар осуществляется упрочненной головной частью пробойника полусферической формы. В этом случае значительная энергия удара будет израсходована на образование лунки смятия, формирование радиальных и концентрических трещин. Кроме того, подъемная сила устройства будет приложена к большой массе льда.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности механического воздействия на ледяной покров из-под воды для его локального разрушения, заключающийся в снижении энергозатрат.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе механическое воздействие на лед производится из-под воды жесткой емкостью специальной формы, на головной части емкости закрепляется инициирующее кольцо, при помощи которого в момент удара о лед происходит первоначальная концентрация нагрузки и ослабление прочности льда. При этом устойчивое всплытие обеспечивается закручивающим моментом вокруг вертикальной оси емкости, который создается за счет вытеснения расширяющимся воздухом водяного балласта из сопел, расположенных в нижней части емкости и развернутых под углом 45° к корпусу емкости в горизонтальной плоскости. Сопла приподняты относительно дна емкости, что сохраняет некоторый объем водяного балласта до момента удара о нижнюю поверхность льда, увеличивая массу емкости и силу ее воздействия на лед. Устройство размещается на донном грунте в вертикальном положении при заполнении водой, затем шланг вводится в одно из сопел и соединяется с компрессором или баллоном сжатого газа, расположенных на гидротехническом сооружении, берегу или поверхности льда. При этом создают свободное ускоренное всплытие, при котором емкость ударяется в нижнюю поверхность льда и разрушает его.

Выполнение способа локального разрушения льда из-под воды осуществляется жесткой емкостью, представленной на фиг.1 (вид в двух проекциях), которая содержит корпус 1 из твердого материала каплеобразной формы, на головной части корпуса закреплено инициирующее кольцо 2, в нижней части корпуса на некотором расстоянии от дна емкости расположены три сопла 3, развернутые в горизонтальной плоскости под углом 45° к ее поверхности. В одно из сопел 3 вставлен шланг 4 для подачи воздуха для вытеснения водяного балласта 5.

На фиг.2 приведена схема, поясняющая работу устройства. Заполненная водяным балластом 5 емкость 1 располагается на донном грунте 6 под ледяным покровом 7. С помощью шланга 4, введенного в одно из сопел 3 и соединенного с баллоном 8 со сжатым воздухом или компрессором и расположенных на поверхности льда 7 или любом другом объекте, подается сжатый воздух в емкость 1 до момента начала всплытия устройства. Водяной балласт 5 вытесняется из емкости 1 через сопла 3, создает закручивающий момент относительно вертикальной оси устройства. Всплытие осуществляется ускоренно, шланг 4 выдергивается из сопла 3 и емкость 1 с остатком водяного балласта 5 производит удар в нижнюю поверхность льда 7, при этом при помощи инициирующего кольца 2 создается предварительная концентрация нагрузки на нижнюю поверхность ледяного покрова 7, что облегчает пролом и разрушение льда.

Способ локального разрушения ледяного покрова из-под воды осуществляется следующим образом. Жесткую емкость 1 заполняют водяным балластом 5 и располагают на донном грунте 6 в вертикальном положении в основании гидротехнического сооружения и т.п. При помощи шланга 4, введенного в одно из сопел 3, емкость 1 соединяют с баллоном сжатого воздуха 8 или компрессором, которые могут находиться на берегу, гидротехническом сооружении, поверхности ледяного покрова 7. Сжатый воздух подают внутрь емкости 1 через одно из сопел 3, вытесняют водяной балласт, пока устройство не приобретет положительную плавучесть и начнет всплытие. При этом вытесняемый из устройства 1 через сопла 3 водяной балласт создает закручивающий момент относительно вертикальной оси устройства, а шланг 4 вырывается из емкости 1. 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 1 будет возрастать, увеличивая подъемную силу и тем самым скорость всплытия емкости. Величина ускорения будет зависеть от количества воздуха, поданного в начальный момент и от размера сопел. Максимальная скорость всплытия емкости ограничивается сопротивлением воды. Приподнятое положение сопел 3 относительно дна устройства 1 обеспечивает наличие в емкости некоторого объема водяного балласта 5 в момент удара о нижнюю поверхность льда 7, что увеличивает импульс силы. Инициирующее кольцо 2 при ударе создает концентрацию нагрузки на нижнюю поверхность льда 7 и облегчает пролом ледяного покрова, который происходит в основном за счет среза, а не при смятии и изгибе. Такой способ воздействия уменьшает энергозатраты на разрушение льда.

Использование предлагаемого способа локального разрушения льда из-под воды обеспечивает по сравнению с известным способом следующие преимущества:

- повышается эффективность получения локальной майны в ледяном покрове при уменьшении энергозатрат за счет первоначальной концентрации удара;

- данный способ может быть использован 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;

- данный способ можно применять для образования локальных майн в ледяном покрове.

Источники информации

1. Богородский В.В., Гаврило В.П., Недошивин О.А. Разрушение льда. Ленинград. Гидрометеоиздат.1983 г.

2. Сербул Г.Я. Толкаемая ледокольная приставка. А.С., №310837, 1971 г.

3. Самойлов Э.Н., Табунов С.В., Французов А.Н., Чичагов А.В. Описание изобретения к патенту «Способ ослабления прочности или разрушения ледового покрова и устройство для его разрушения» (RU 2066657 C1, B63G 8/41, 20.09.1996).

Способ локального разрушения ледяного покрова из-под воды путем механического воздействия на него жесткой емкостью, наполняемой воздухом, отличающийся тем, что на головной части корпуса жесткой емкости закрепляют инициирующее кольцо для создания предварительной концентрации нагрузки на нижнюю поверхность ледяного покрова, устойчивость жесткой емкости при всплытии обеспечивают приданием ей вращения, которое создают при вытеснении водяного балласта из сопел, расположенных в нижней части жесткой емкости, приподнятых относительно ее дна и развернутых под углом 45° к корпусу емкости в горизонтальной плоскости.