НАВИГАЦИОННЫЙ БУЙ (ВАРИАНТЫ)
NAVIGATION BUOY (VERSIONS)

Изобретение относится к плавучим средствам навигационного оборудования - к бую, предназначенному для ограждения фарватеров и отдельных навигационных опасностей на судоходных акваториях.
Аналогом является, например, инерционно-поршневая волновая энергетическая установка (патент РФ №2388933, опубликованный 10.05.2010). Установка содержит буй, автономный электрический источник и зарядное энергетическое устройство с механизмом подключения его к источнику, инерционный поршень, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вверх и вниз за счет вертикальных движений буя под воздействием колебаний водной поверхности, и пружинные амортизаторы.
Наиболее близок к предлагаемому навигационному бую морской буй ледовый (патент РФ №2399546, опубликованный 20.09.2010). Морской буй содержит обтекаемый герметичный корпус, разделенный водонепроницаемыми переборками на отсеки, светооптическую аппаратуру на светодиодах, расположенную в головной части корпуса буя, стабилизирующий балласт, закрепленный на хвостовике буя, автономную инерционную энергетическую установку, размещенную в хвостовом отсеке корпуса буя. Автономная инерционная энергетическая установка имеет герметическую емкость цилиндрической формы, в которой расположен инерционный поршень, жестко прикрепленный пружинными амортизаторами к верхней и нижней частям емкости.
В прототипе при воздействии на буй волны возникают вынужденные колебания инерционного поршня в герметичной емкости, сжимающие находящийся в емкости воздух, который подается по трубопроводам на турбину Уэллса и вращает ее. Рабочее колесо турбины вращает ротор генератора постоянного тока, с обмотки якоря которого снимается электроэнергия, обеспечивающая питание светооптической аппаратуры буя.
Основными недостатками прототипа является малая выходная мощность, которую может обеспечить инерционная энергетическая установка, а также сложность установки и высокая стоимость ее изготовления.
Методика расчета мощности инерционной энергетической установки приведена, например, в патенте РФ №2037642 опубликованном 19.06.1995.
Принимаем реализуемые практически на навигационном буе параметры инерционной энергетической установки: масса маятника m=50 кг; амплитуда колебаний A=0,1 м; период колебаний, равный периоду следования волн, T=3 с. Частота колебаний ω=2·π/T=2,1 1/с. Механическая энергия, которой обладает маятник при заданных параметрах колебаний и максимальной скорости движения, равна
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>A</mi><mn>2</mn></msup><mo>⋅</mo><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>=</mo><mn>1,05</mn><mtext> </mtext><mtext>Дж</mtext></mrow>
За период колебаний такую энергию маятник накапливает дважды, когда проходит положение равновесия, отсюда механическая мощность, которую можно преобразовать в электрическую будет равна
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>E</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac><mo>=</mo><mn>0,7</mn><mtext> </mtext><mi>В</mi><mi>т</mi></mrow>
При этом следует учесть, что энергия в прототипе преобразуется трижды:
сначала механическая энергия маятника преобразуется в энергию сжатого воздуха, затем энергия сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию вращающейся турбины и ротора генератора постоянного тока и, наконец, генератор преобразует механическую энергию вращающегося ротора в электрическую. При каждом преобразовании будут потери энергии, в результате чего электрическая мощность будет меньше исходной механической, как минимум в 2-3 раза. Очевидно, что электрическая мощность P=0,3-0,2 Вт недостаточна для работы светооптической аппаратуры буя.
Кроме малой выходной мощности энергетической установки буя в прототипе следует отметить ее сложность, связанную с тройным преобразованием энергии, и следовательно, высокую стоимость ее изготовления.
Предлагаемое изобретение (два варианта) позволит создать навигационный буй с энергетической установкой большей мощности, более простой и дешевой, чем у прототипа.
Это достигается тем, что в навигационном буе, содержащем обтекаемый герметичный корпус, разделенный водонепроницаемыми переборками на отсеки, светооптическую аппаратуру на светодиодах, расположенную в головной части корпуса буя, и стабилизирующий балласт, во внутренней полости обтекаемого герметичного корпуса установлена цилиндрическая емкость. По оси емкости в направляющих перемещается шток, на конце штока закреплен стабилизирующий балласт. На штоке неподвижно закреплена упорная площадка, которая опирается на пружину, расположенную между одной из направляющих штока и упорной площадкой, а в средней части на штоке установлен ротор с постоянными магнитами линейного электрического генератора. Статор линейного электрического генератора закреплен на внутренней поверхности цилиндрической емкости. Обмотка статора генератора соединена с зарядным устройством аккумулятора, от которого питается светооптическая аппаратура (первый вариант).
По второму варианту - во внутренней полости обтекаемого герметичного корпуса установлена цилиндрическая емкость, к которой неподвижно прикреплен стабилизирующий балласт, по оси цилиндрической емкости в направляющих размещен шток, прикрепленный одним концом к герметичному корпусу буя, на штоке неподвижно закреплена упорная площадка,. В верхней части штока между верхней направляющей и упорной площадкой установлена пружина, а в средней части на штоке установлен ротор с постоянными магнитами линейного электрического генератора, статор линейного электрического генератора, также как и в первом варианте, закреплен на внутренней поверхности цилиндрической емкости, обмотка статора генератора соединена со входом зарядного устройства, а выход зарядного устройства соединен с аккумулятором, от которого питается светооптическая аппаратура.
Предлагаемая конструкция буя позволяет во много раз увеличить выходную мощность энергетической установки буя, упростить конструкцию буя и сделать его дешевле.
Увеличение выходной мощности энергетической установки буя достигается за счет того, что в предлагаемом навигационном буе в электрическую энергию преобразуется не механическая энергия, накопленная инерционным маятником, как это происходит в прототипе. В предлагаемом навигационном буе при подъеме навигационного буя на гребень волны в электрическую энергию преобразуется механическая энергия движения герметичного корпуса под действием силы Архимеда вместе со статором электрического генератора относительно стабилизирующего балласта и присоединенного к балласту ротора линейного электрического генератора. При спуске навигационного буя с гребня волны в электрическую энергию преобразуется механическая энергия движения стабилизирующего балласта и присоединенного к балласту ротора относительно герметичного корпуса и статора генератора под действием силы тяжести балласта и ротора. Как будет показано ниже, механическая энергия, которую можно преобразовать в электрическую при тех же параметрах колебаний, в предлагаемом навигационном буе значительно больше, чем в прототипе.
Кроме того в предлагаемом навигационном буе в электрическую энергию преобразуется непосредственно механическая энергия, в то время как в прототипе механическая энергия маятника сначала преобразуется в энергию сжатого воздуха, затем энергия сжатого воздуха преобразуется снова в механическую энергию вращающейся турбины и, наконец, генератор постоянного тока преобразует механическую энергию турбины в электрическую. Для каждого преобразования энергии в прототипе предусмотрено соответствующее устройство, в результате конструкция буя выполненного по прототипу будет сложной и дорогой. В предлагаемом навигационном буе никаких дополнительных устройств для промежуточных преобразований энергии нет, его конструкция проще и дешевле, чем у прототипа.
На фиг.1 показано осевое сечение навигационного буя - первый вариант. На фиг.2 - схема линейного электрического генератора, на фиг.3 второй вариант конструкции навигационного буя.
Изображенный на фиг.1 навигационный буй имеет герметичный корпус 1, разделенный водонепроницаемыми переборками 2 на отсеки, светооптическую аппаратуру 3 на светодиодах, расположенную в головной части корпуса буя, и стабилизирующий балласт 4. Во внутренней полости герметичного корпуса 1 установлена цилиндрическая емкость 5, изготовленная из ферромагнитного материала, по оси которой в направляющих 6 и 7, закрепленных в цилиндрической емкости 5, расположен шток 8, выполненный из немагнитного материала. На конце штока 8 установлен стабилизирующий балласт 4 буя. На штоке 8 неподвижно закреплена упорная площадка 9, которая опирается на пружину 10, расположенную между направляющий 7 штока 8 и упорной площадкой 9, а в средней части штока 8 установлен ротор 11 с постоянными магнитами линейного электрического генератора. Статор 12 линейного электрического генератора неподвижно закреплен на внутренней поверхности цилиндрической емкости 5. В верхнем отсеке 13 навигационного буя размещены зарядное устройство 14 и аккумулятор 15. Обмотка статора 12 генератора соединена со входом зарядного устройства 14, а выход зарядного устройства 14 соединен с аккумулятором 15, от которого питается светооптическая аппаратура 3 навигационного буя. Навигационный буй имеет рым 16, к которому закрепляется якорная цепь 17, удерживающая буй на заданном месте.
На фиг.2 показана схема линейного электрического генератора. Ротор 11 (фиг.1) генератора, установленный на штоке 8, состоит из полюсов 18 дисковой формы и дисковых постоянных магнитов 19, расположенных между полюсами 18. Постоянные магниты 19 намагничены в осевом направлении и при установке на шток 8 магниты 19 размещаются так, чтобы их полярность чередовалась. Тогда полярность полюсов 18 также будет чередоваться, как показано на фиг.2. Между полюсами 18 установлены разделительные кольца 20 ротора 11 из немагнитного материала, которые защищают постоянные магниты 19 от механических повреждений. Статор 12 (фиг.1) линейного электрического генератора, установленный на внутренней поверхности цилиндрической емкости 5, состоит из зубцов 21 дисковой формы между которыми размещается однофазная обмотка 22. Разделительное кольцо 23 статора 12, обеспечивает заданное расстояние между зубцами 21 и должно быть выполнено из ферромагнитного материала. Число полюсов 18 и постоянных магнитов 19 ротора, а также число зубцов 21 статора и число секций обмотки 22 статора может быть увеличено в зависимости от параметров энергетической установки буя.
Навигационный буй работает следующим образом. В исходном состоянии при отсутствии волны вес стабилизирующего балласта 4 и жесткость пружины 10 должны быть выбраны так, чтобы ротор 11 и статор 12 располагались симметрично друг относительно друга, как показано на фиг.2. При подходе волны герметичный корпус 1 буя с цилиндрической емкостью 5 и статором 12 поднимается на гребень волны и смещается относительно штока 8 со стабилизирующим балластом 4 и ротором 11, при этом пружина 10 сжимается, создает давление на упорную площадку 9 и заставляет шток 8 с балластом 4 и ротором 11 двигаться вслед за герметичным корпусом 1, но с некоторым отставанием. При спуске с гребня волны герметичный корпус 1 с цилиндрической емкостью 5 и статором 12 и шток 8 с балластом 4 и ротором 11 двигаются навстречу друг другу. По инерции и под действием силы пружины 10 шток 8 проходит нейтральное положение, и теперь направление смещения штока 8 с балластом 4 и ротором 11 относительно корпуса 1 с цилиндрической емкостью 5 и статором 12 изменяется на противоположное. При подходе следующего гребня волны все повторяется. Таким образом, волны создают колебательное движение герметичного корпуса 1 относительно стабилизирующего балласта 4 и штока 8, а значит и ротора 11 относительно статора 12 линейного электрического генератора.
При смещении ротора 11 относительно статора 12 линейного электрического генератора потокосцепление обмотки 22 статора 12 генератора изменяется по величине и по знаку, в результате чего в обмотке индуцируется переменная электродвижущая сила. Так как ротор 11 и статор 12 располагаются симметрично, как показано на фиг.2, в исходном состоянии, то есть при отсутствии волнения воды и колебаний штока 8, то при колебаниях скорость смещения ротора 11 относительно статора 12 в показанном на фиг.2 положении будет максимальной, а значит, будет максимальной и электродвижущая сила, и напряжение на выходе обмотки 22 статора 12. Переменное напряжение с выхода обмотки 22 подается в отсек 13 на вход зарядного устройства 14, и с выхода зарядного устройства 14 уже выпрямленное напряжение поступает на вход аккумулятора 15, что обеспечивает подзарядку аккумулятора 15 дважды за период колебаний штока 8.
Оценим механическую мощность колебаний, которую может преобразовать в электрическую линейный электрический генератор. При подъеме на гребень волны смещение герметичного корпуса 1 относительно штока 8 происходит под действием силы Fп, максимальное значение Fпmax равно
Fпmax=Fa-Fк-Fб-Fц,
где Fa=γв·V·g-Fk - сила Архимеда, действующая на герметичный корпус 1;
Fk - вес герметичного корпуса 1 буя с цилиндрической емкостью 5, со статором 12, со светооптической аппаратурой 3, аккумулятором и зарядным устройством, размещенными в верхнем отсеке 13 буя;
Fб - вес штока 8 с балластом 4 и ротором 11;
Fц - вес провисающей части якорной цепи 17;
γв - плотность воды;
V - объем герметичного корпуса 1;
g - ускорение свободного падания.
Отсюда механическая энергия движения штока 8 относительно корпуса 1 при подъеме навигационного буя на гребень волны равна
МП
П
W=F·Vm.
При спуске с гребня волны смещение штока 8 относительно герметичного корпуса 1 происходит под действием силы Fб.
Механическая энергия штока 8 относительно корпуса 1 при спуске навигационного буя с гребня волны равна
MC
W=Fб·Vm.
Поскольку период колебаний буя принят T=3 с, можно найти среднюю механическую мощность, которую имеет шток 8 при колебаниях относительно корпуса 1
Рм=(Wмп+Wмc)/T.
Определим Рм для речного буя РБ-4-02 при той же массе стабилизирующего балласта m=50 кг и тех же параметрах колебаний, как и у рассмотренного выше прототипа: амплитуда колебаний А=0,1 м, период колебаний T=3 с. Максимальная скорость смещения ротора 11 относительно статора 12 будет равна Vm=A·ω=0,21 м/с. Параметры навигационного речного буя РБ-4-02: сила Fa=6560 H (670 кг); Fк=1960 H (200 кг); Fб=490 H (m=50 кг); Fц до 980 H (до 100 кг). По этим параметрам получим
Fпmax=Fa-Fк-Fб-Fц=3130 H;
Wмпmax=Fпmax·Vm=657 Дж;
Wмс=Fб·Vm=103 Дж;
Рмmах=(Wмп+Wмc)/T=253 Вт.
Если принять, что линейный электрический генератор при подъеме на гребень волны использует только часть механической мощности Wмпmах, равную Wмc, то получим Рм=69 Вт.
Как видно, механическая мощность энергетической установки буя многократно увеличена по сравнению с прототипом. После преобразования механической мощности в электрическую линейным электрическим генератором электрической мощности будет достаточно для подзарядки аккумулятора 15, питающего светооптическую аппаратуру 3.
Предлагаемая конструкция навигационного буя намного проще, чем у прототипа, так как исключается насос, сжимающий воздух, и турбина, вращение которой создается сжатым воздухом. Следовательно, изготовление предлагаемого навигационного буя будет стоить дешевле, чем изготовление прототипа.
В изображенном на фиг.2 навигационном буе в зазор между направляющей 7 и штоком 8 может попадать вода, которая может нарушить работу линейного электрического генератора. Этот недостаток устранен в другом варианте навигационного буя (фиг.3) в котором стабилизирующий балласт 4 неподвижно закреплен в цилиндрической полости 5, а конец штока 8 прикреплен к герметичному корпусу 1 буя. В этом варианте шток 8 и ротор 11 линейного электрического генератора вместе с герметичным корпусом 1 совершает колебательное движение относительно цилиндрической полости 5 с прикрепленным к ней стабилизирующим балластом 4 и статором 12. В навигационном буе на фиг.3 ввод штока 8 в цилиндрическую полость 5 выполнен через направляющую 6, расположенную в верхней части буя. В такой конструкции зазор между направляющей 6 и штоком 8 проще защитить от попадания воды в цилиндрическую полость 5, в которой расположены ротор 11 и статор 12 линейного электрического генератора. По энергетическим характеристикам варианты навигационного буя, изображенные на фиг.1 и фиг.3 эквивалентны.