СПОСОБ РАСКАЛЫВАНИЯ ЛЬДА, СУДНО С ДВИГАТЕЛЕМ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
METHOD OF BREAKING ICE, SHIP WITH ENGINE AND METHOD AND ITS APPLICATION

Область техники
Объектами изобретения является способ раскалывания льда, тримаран с двигателем и применение тримарана для раскалывания льда, как указано в родовых понятиях независимых пунктов приводимой ниже формулы изобретения.
Уровень техники
Термин «тримаран» обозначает судно или другое плавсредство, имеющее три корпуса. В данном документе для указания корпусов используются термины «средний корпус» и «боковые корпуса». Известны парусные тримараны и тримараны с двигателем. Три корпуса предназначены для повышения устойчивости судна. Наличие трех корпусов также позволяет обеспечить палубу большой площади.
Конструкция большинства тримаранов известного уровня техники не предназначена для плавания в ледовой обстановке, и тримараны в ледовой обстановке имеют очень низкие характеристики. Если раскалывать лед на тримаране известного уровня техники, то при этом во льду будут легко образовываться три отдельных прореза, и обломки льда будут скапливаться между корпусами судна. При этом совокупное сопротивление раскалыванию льда будет высоким. Большинство ледоколов имеют один корпус, но в целях улучшения характеристик раскалывания льда необходимо использовать такие технические решения относительно формы их корпуса, которые ухудшают ходовые качества судна на открытой воде.
В российском патенте № 2171203 С1 описан тримаран, на носу которого установлен гидравлический ледокольный агрегат. Разделяющие лед клинья, открытые в сторону боковых корпусов, расположены на среднем корпусе судна. Подводные крылья расположены между средним корпусом и боковыми корпусами. Лед раскалывается гидравлическим режущим устройством перед судном на обломки соответствующего размера. Вода под корпусами насыщается воздухом, и с помощью подводных крыльев тримаран надвигается на лед, после чего лед, прорезаемый режущим устройством, проламывается под весом судна. Это техническое решение очень усложнено особенно в том отношении, что для него требуется режущее лед устройство, а также необходим прикрепляемый к корпусу воздушный мешок. Помимо этого, этот тримаран с его ледокольным агрегатом согласно этой публикации малопригоден для другого применения помимо раскалывания льда.
Цели и краткое описание изобретения
Изобретение направлено на решение, в некоторой степени, или даже на устранение упомянутых выше проблем известного уровня техники.
Изобретение направлено на создание способа, с помощью которого лед можно раскалывать тримараном, и для реализации которого требуется очень небольшое количество энергии для раскалывания льда.
Изобретение также направлено на создание судна, способного к ходу в ледовой обстановке с раскалыванием льда и имеющего хорошие ходовые показатели на открытой воде, а также устойчивого и в тех, и в других условиях.
Изобретение также направлено на создание судна с небольшим волновым сопротивлением и сопротивлением трения во время раскалывания льда.
Изобретение также направлено на создание ледокольного судна, которому для раскалывания льда требуется очень небольшое количество энергии.
Для реализации упоминаемых выше целей, то есть разработки способа раскалывания льда, создания тримарана с двигателем и применения тримарана для раскалывания льда согласно изобретению, используются признаки, указанные в отличительных частях независимых пунктов прилагаемой формулы изобретения.
Приводимые в качестве примера варианты осуществления изобретения и преимущества в данном описании в соответствующих случаях относятся к способу раскалывания льда, тримарану с двигателем и к применению тримарана для раскалывания льда согласно изобретению, даже если это специально не указывается.
В типичном способе согласно изобретению для раскалывания льда с помощью судна с двигателем и с тремя корпусами, т.е. при помощи тримарана, состоящего из среднего корпуса, движительного устройства, правого и левого боковых корпусов, и из палубы, к которой прикреплены три корпуса, причем лед раскалывается средним корпусом тримарана. Существенное преимущество этого способа заключается в том, что какое-либо отдельное ледокольное устройство, которое, например, выступает из корпуса, не требуется для раскалывания льда, и раскалывание льда осуществляет средний корпус тримарана. Правый боковой корпус находится на правой стороне среднего корпуса, со стороны кормы судна в сторону носа, а левый боковой корпус находится на левой стороне среднего корпуса. Как и в обычных тримаранах, боковые корпуса выполнены отдельно от основного корпуса, в результате чего это судно является особо устойчивым.
В соответствии со способом согласно настоящему изобретению, имеющий небольшой градиент нос среднего корпуса частично надвигается на лед, и киль носа тримарана первым соударяется со льдом и создает на нем линию, по которой лед начинает раскалываться, после чего днище среднего корпуса надвигается на лед и раскалывает его за счет того, что толкает его в значительной степени вниз, в результате чего лед раскалывается на площади, по существу равной ширине среднего корпуса.
В соответствии со способом согласно настоящему изобретению, боковые корпуса, расположенные со смещением назад в продольном направлении судна по отношению к среднему корпусу, наталкиваются на лед значительно позднее носа среднего корпуса. Боковым корпусам легче раскалывать лед, когда средний корпус уже до них пробил проход во льду, ширина которого составляет ширину среднего корпуса.
В соответствии со способом согласно настоящему изобретению боковые корпуса расположены выше среднего корпуса в вертикальном направлении судна. Поэтому боковые корпусы поднимаются очень легко, по меньшей мере, частично поверх льда и раскалывают лед, требуя для этого очень небольшое количество энергии, прогибая края льда вниз, и поэтому боковым корпусам не нужно раскалывать лед с полным прохождением сквозь него. По этой причине сопротивление раскалывания льда очень небольшое. Благодаря боковым корпусам судно также очень устойчиво как на открытой воде, так и в ледовой обстановке.
В соответствии со способом согласно настоящему изобретению боковые корпусы прогибают лед вниз и тем самым раскалывают лед, оставшийся по сторонам среднего корпуса, в результате чего во льду пробивается проход по существу с шириной, равной полной ширине суда, включая боковые корпуса.
В соответствии со способом согласно настоящему изобретению боковые корпуса прогибают вниз и тем самым раскалывают лед, по существу не проходя сквозь него. Боковые корпуса выполнены с возможностью прогиба льда вниз и тем самым раскалывания его под собой, затрачивая очень небольшое количество энергии, поскольку средний корпус сначала пробивает во льду проход по своей ширине, после чего края ледяного поля, на которые давят боковые корпуса, не имеют опоры на стороне среднего корпуса по отношению к боковым корпусам. Обломки льда, прогибаемые вниз боковыми корпусами, не могут скапливаться между средним корпусом и расположенными выше него боковыми корпусами, в результате чего сопротивление раскалывания льда остается очень небольшим.
В соответствии со способом согласно настоящему изобретению основное движущее усилие тримарана формируется движительным устройством, установленным в среднем корпусе. Поскольку движитель установлен в среднем корпусе, он может контактировать с водой, даже в воде с обломками льда, и может эффективно отталкиваться от воды, поскольку средний корпус раскалывает лед на достаточно мелкие обломки.
Типичное судно с двигателем и тремя корпусами согласно изобретению, т.е. тримаран содержит: средний корпус, движительное устройство, правый и левый боковые корпуса, и палубу, к которой прикреплены эти три корпуса. В типичном тримаране согласно изобретению движительное устройство расположено в среднем корпусе, а киль в продольном направлении среднего корпуса расположен на носовой части днища среднего корпуса и предназначен для ледокольной функции. Помимо своих ледокольных свойств киль также защищает и упрочняет нос и днище судна. Судно согласно изобретению может иметь хороший ход как в ледовой обстановке, так и на открытой воде, и имеет хорошую устойчивость в обоих случаях. Палубу судна можно выполнить с большой площадью, по сравнению с однокорпусными суднами соответствующей длины.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения киль находится по существу на одном уровне с боковыми листами.
Согласно варианту осуществления изобретения высота киля составляет от 40 до 100 мм, предпочтительно от 50 до 70 мм; и ширина составляет от 20 до 60 мм, предпочтительно от 30 до 50 мм. Наиболее выступающая часть киля расположена в продольном направлении судна к носовой части днища среднего корпуса, и она в первую очередь раскалывает лед, при этом в наибольшей степени соударяясь со льдом во время раскалывания льда. Термин «наиболее выступающая часть» обозначает часть, высота киля которой от днища среднего корпуса вокруг него составляет, например, 40-100 мм, или предпочтительно 50-70 мм. В одном из вариантов осуществления изобретения наиболее выступающая часть киля начинается приблизительно в метре над ватерлинией, и проходит на 2-8 м назад от ватерлинии. Согласно варианту осуществления изобретения узкий киль также выполнен на днище обоих боковых корпусов, и он в особой степени улучшает прогибание льда вниз.
Согласно изобретению соотношение длины и ширины среднего корпуса тримарана составляет, по меньшей мере, 5, или предпочтительно от 5 до 20, более предпочтительно от 6 до 15; и наиболее предпочтительно от 7 до 10. Поэтому средний корпус в значительной степени удлинен и сужен, и, помимо прочего, по этой причине он и все судно имеет небольшое волновое сопротивление и сопротивление трения. Тримаран в соответствии с вариантом осуществления изобретения на открытой воде может иметь значения числа Фруда выше 1. Совокупное сопротивление узкого корпуса также невелико во время раскалывания льда. В соответствии с вариантом осуществления изобретения длина тримарана составляет от 10 до 300 м, в соответствии с другим - от 10 до 200 м; и в соответствии с еще одним - от 100 до 300 м. В соответствии с другим вариантом осуществления длина тримарана составляет от 10 до 40 м, предпочтительно от 11 до 30 м. В соответствии с одним вариантом осуществления длина тримарана составляет от около 18 до около 22 м; максимальная ширина составляет от 9 до 11 м; ширина среднего корпуса составляет от 3 до 5 м; ширина боковых корпусов составляет от 0,5 до 1,5 м; и расстояние между боковыми корпусами и средним корпусом составляет от 1,5 до 2 м.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения носы боковых корпусов расположены с существенным смещением назад по отношению к носу среднего корпуса в продольном направлении судна. Этот тримаран имеет особо хорошие характеристики управляемости, когда боковые корпуса расположены в значительной степени позади среднего корпуса. Одна из существенных отличительных особенностей изобретения заключается в том, что тримаран, в котором боковые корпусы расположены с существенным смещением назад относительно среднего корпуса, может поворачиваться в пробитом в ледяном поле проходе, и тем самым уклоняться от прохода. Этот тип поворота нередко значительно затруднен у судна с одним ледокольным корпусом, и суда этого типа обычно дают задний ход в пробитый проход по форме носа.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения днище среднего корпуса существенно ниже днища боковых корпусов в вертикальном направлении судна.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения угол наклона днища среднего корпуса к воде составляет от 10° до 45°, предпочтительно от 13° до 25°, и особо предпочтительно от 14° до 20°. Благодаря этому низкоградиентному углу наклона, нос судна легко приподнимается частично на лед во время раскалывания льда, после чего нос судна и днище передней части толкает лед вниз, наклоняясь вниз и наклонно вперед относительно направления движения, в результате чего лед разламывается на обломки, при этом затрачивается незначительное количество энергии.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения ширина среднего корпуса уменьшается или не изменяется в продольном направлении от середины корпуса к корме. По этой причине лед не может свободно скапливаться между средним корпусом и боковыми корпусами. Во время раскалывания льда лед, прогибаемый боковыми корпусами, не может легко попадать между боковыми корпусами и средним корпусом, так как боковые корпуса расположены выше среднего корпуса, и раскалывают край льда, прогибая его в основном вниз.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения кормовая часть боковых корпусов доходит по существу до того же уровня, что и кормовая часть среднего корпуса в продольном направлении судна.
В соответствии с одним вариантом осуществления грузовместимость среднего корпуса соответствует 50-99% водоизмещения судна, предпочтительно 70-90%, наиболее предпочтительно 80-90%. Когда такая большая часть веса судна приходится на средний корпус, то технологию судна можно в основном сосредоточить на среднем корпусе. Средний корпус большого водоизмещения можно выполнить в значительной степени узким, но длинным. Поэтому волновое сопротивление и сопротивление раскалывания льда небольшие.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения судно помимо среднего корпуса и правого и левого боковых корпусов имеет, по меньшей мере, один корпус, и поэтому судно имеет, например, 4, 5, 6 или 7 корпусов. В соответствии с вариантом осуществления изобретения, судно помимо среднего корпуса, и правого и левого боковых корпусов имеет два вспомогательных корпуса, носы которых расположены позади носов боковых корпусов в продольном направлении судна. Правый вспомогательный корпус расположен на правой стороне правого бокового корпуса - если смотреть от кормы судна к носу; и левый вспомогательный корпус - на левой стороне левого бокового корпуса. Во время раскалывания льда средний корпус сначала раскалывает площадь льда, ширина которой равна ширине среднего корпуса. Правый и левый боковые корпуса наталкиваются на лед позднее среднего корпуса, и прогибают вниз и тем самым раскалывают лед, оставшийся по сторонам среднего корпуса, по существу по ширине боковых корпусов. После боковых корпусов на лед наталкиваются вспомогательные корпуса, прогибая лед на дополнительную ширину, в результате чего ширина пробитого прохода по существу соответствует расстоянию вспомогательных корпусов друг от друга.
Согласно типичному применению тримарана согласно изобретению для раскалывания льда этот тримаран соответствует одному из вариантов осуществления излагаемого изобретения.
Краткое описание чертежей
Изобретение описано более подробно ниже со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых:
фиг.1 - вид спереди, т.е. от носа тримарана согласно первому варианту осуществления изобретения;
фиг.2 - вид сбоку тримарана согласно первому варианту осуществления изобретения;
фиг.3 - вид снизу тримарана согласно первому варианту осуществления изобретения; и
фиг.4 - тримаран согласно второму варианту осуществления изобретения во время раскалывания льда.
Подробное описание варианта осуществления изобретения
На Фиг.1 показан вид спереди, т.е. в направлении носа судна, тримарана 4 согласно первому варианту осуществления изобретения; тримаран содержит средний корпус 3, правый 1 и левый 2 боковые корпуса, и палубу 5, к которой прикреплены три корпуса 1, 2, 3. Средний корпус 3 является основным корпусом судна 4, и согласно этому чертежу он шире боковых корпусов 1, 2; и на него приходится наибольшая часть водоизмещения судна 4, в этом примере: приблизительно 85%. Боковые корпуса 1, 2 в вертикальном направлении выше среднего корпуса 3, и поэтому они менее погружены в воду, но делают судно 4 очень устойчивым. На этом чертеже поверхность воды обозначена ссылочной позицией 6. На этом чертеже наглядно показана достаточно большая палуба, являющаяся одним из преимуществ тримарана согласно изобретению по сравнению с однокорпусными судами. На носовой части днища среднего корпуса, т.е. посередине поперечного направления судна расположен киль 7, который в наибольшей степени способствует раскалыванию льда.
На Фиг.2 показан вид сбоку тримарана 4 согласно первому варианту осуществления изобретения. На чертеже показано, что угол α наклона днища среднего корпуса 3 к поверхности воды очень низкоградиентный, в этом примере - около 20°. Благодаря низкоградиентному углу наклона передний конец среднего корпуса частично надвигается на лед в ледовой обстановке и раскалывает лед, толкая его вниз, причем для раскалывания льда требуется значительно меньшая энергия, чем в случае таранного пробивания льда по существу в направлении поверхности 6 воды. Боковой корпус 1 расположен по отношению к среднему корпусу 3 таким образом, что нос 1а бокового корпуса в продольном направлении в существенной степени отстоит назад по отношению к носу среднего корпуса, причем в этом примере он начинается от середины среднего корпуса. Носовая часть 11а днища бокового корпуса 1 значительно выше днища 31а середины среднего корпуса, находящейся на той же точке в продольном направлении судна 4. Угол наклона боковых корпусов 1 к поверхности воды 6 также приблизительно такой же низкоградиентный, как и угол среднего корпуса 3, и поэтому боковой корпус 1 тоже легко частично надвигается на лед в ледовых условиях, прогибает его вниз и ломает под собой. Также более высокое расположение боковых корпусов 1 по сравнению со средним корпусом 3 помогает боковым корпусам 1 частично надвигаться на лед и оставаться частично на нем.
На Фиг.3 показан вид снизу, т.е. от днища судна тримарана согласно первому варианту осуществления изобретения. Все три корпуса 1, 2, 3 имеют по существу удлиненную и узкую форму. Приблизительное соотношение длины и ширины среднего корпуса 3 составляет 6:1. На этом чертеже наглядно показано, что средний корпус 3 имеет наибольшую ширину посередине продольного направления, т.е. приблизительно именно в том месте, с которого начинаются носовые части 1а, 2а боковых корпусов. В этом примере ширина среднего корпуса 3 уменьшается в продольном направлении от середины к корме 3b. Пространство между средним корпусом 3 и боковыми корпусами 1, 2 существенно не становится более узким в направлении поверхности воды при движении от оконечности носовых частей 1а, 2а боковых корпусов к корме 4b судна. Помимо прочих преимуществ этой конструкции одно из его преимуществ заключается в том, что лед не может скапливаться между средним корпусом и боковыми корпусами.
На Фиг.4 показан тримаран согласно второму варианту осуществления изобретения во время раскалывания льда 8. На этом чертеже тримаран показан сверху. Показаны только три корпуса 1, 2, 3 тримарана; палуба не показана для наглядности. На этом чертеже показано, что нос 3а среднего корпуса тримарана и киль 7, который в наибольшей степени выступает в носовой части днища, первыми сталкиваются с раскалываемым льдом 8. Киль 7 показан через средний корпус 3. Средний корпус 3 пробивает проход во льду 8 по существу на ширину среднего корпуса. Средний корпус раскалывает лед на мелкие обломки; при этом движительное устройство 9, расположенное в задней части среднего корпуса, может эффективно отталкиваться от воды. Боковые корпуса 1, 2, находящиеся со сдвигом назад по отношению к среднему корпусу в продольном направлении судна, наталкиваются на лед значительно позднее, чем нос 3а среднего корпуса. Обычно боковые корпуса 1, 2 расположены выше среднего корпуса 3 в вертикальном направлении судна, и поэтому боковые корпусы не проходят полностью через лед, а только толкают лед 8 вниз, который прогибается вниз и поэтому раскалывается приблизительно в местоположении боковых корпусов 1, 2. Лед прогибается упомянутым образом относительно легко и за счет небольшого количества энергии, поскольку край льда, который вталкивается вниз, не имеет стабильной опоры на стороне среднего корпуса 3 - если смотреть от бокового корпуса 1, 2. На чертеже также показано, что средний корпус раскалывает лед на мелкие обломки 15, хотя секции 16 льда, которые раскалываются боковыми корпусами за счет прогибания, остаются крупными, но разделенными, и поэтому судно с шириной, равной ширине L, или с меньшей шириной пробитого прохода может свободно пройти по проходу, пробитому тримараном, без раскалывания льда.
Хотя в этом описании внимание в основном уделено возможностям заявляемого тримарана по раскалыванию льда, следует отметить, что тримаран также имеет хорошие показатели на открытой воде.
Чертежи показывают предпочтительные применения изобретения. Они не показывают отдельно аспекты, не относящиеся к главной идее изобретения, известные специалистам как очевидные. Специалисту в данной области техники будет очевидно, что изобретение не ограничивается только излагаемыми выше примерами, и что в изобретение могут быть внесены изменения в рамках объема прилагаемой формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения описывают возможные осуществления изобретения, и они не считаются ограничивающими объем охраны изобретения как такового.