МОРСКОЙ БУЙ ЛЕДОВЫЙ
SEA ICE BUOY

Изобретение относится к плавучим средствам навигационного оборудования - к морскому бую ледовому, предназначенному для ограждения фарватеров и предотвращения навигационных опасностей на акваториях, покрывающихся льдом в осенний, зимний и весенний периоды.
Известны буи различного назначения, в т.ч. и морские буи ледовые, удерживаемые в заданном месте акватории при помощи якорного устройства, (SU №114241 A [1], RU №2078249 С1 [2], GB №940823 A [3], JP №2003312586 A [4], US №4447740 A [5], RU №2398316 [6]).
Наиболее близкими по назначению и совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению являются навигационные буи, описанные в авторском свидетельстве SU №114241 [1] и патенте RU №2398316 [6]. Известный навигационный буй [1] имеет обтекаемый (сигарообразный) герметичный корпус, разделенный водонепроницаемыми переборками на отсеки, светооптическую аппаратуру, расположенную в головной части корпуса буя, стабилизирующий балласт (весовую массу), закрепленный на хвостовике буя, автономный источник электропитания светооптической аппаратуры буя, размещенный в нижнем хвостовом отсеке корпуса буя, представляющий собой химические источники постоянного тока (гальванические элементы - батареи или аккумуляторы), механизм подключения данного источника питания на разряд к светооптической аппаратуре буя. Недостатком данного типа морского буя ледового является то, что при его эксплуатации необходимо периодически осуществлять замену электрохимических блоков питания, так как они являются источниками одноразового действия, не подлежащими подзарядке, что значительно снижает эффективность эксплуатации морского буя ледового. Замена источников питания морского буя ледового в настоящее время производится в местах использования буя, что, в свою очередь, связано с выходом корабля гидрографической службы для производства этих работ, которые трудоемки из-за необходимости подъема буя на палубу корабля, замены или подзарядки источников тока и постановки буя на прежнее место, после чего необходимо проверить координаты постановки буя, его световые характеристики, что в свою очередь ведет к значительной затрате времени и моторесурса обеспечивающего корабля, особенно на удаленных акваториях и при неблагоприятных погодных условиях.
Известные также энергетические установки для буев различного назначения, содержат электролитический аккумулятор, генератор переменного тока, механизм вращения ротора этого генератора, использующий энергию ветра или морских волн (Волновая энергетическая установка// «Записки по гидрографии», ГУНиО МО РФ, №203, 1979 г. стр.52-54; патент RU №2078249; патент US №393801; патент GB №1448053; патент FR №290774; патенты JP №511019, №51-3054; патент DE №2605569 и др.).
Недостатком данных известных энергетических установок является то, что при их использовании механизм вращения ротора электрического генератора устанавливается на внешней стороне герметичного корпуса морского буя с целью использования энергии окружающей среды.
Это обстоятельство обуславливает низкую надежность эксплуатации буя в ледовых условиях, поскольку при подвижке ледяных полей буй уходит под лед и при этом испытывает значительные ударные нагрузки, которые могут вывести из строя наружные элементы энергетической установки.
Известен также морской буй ледовый (патент RU №2398316), техническим результатом которого является существенное повышение надежности и долговечности функционирования, а также простоты обслуживания морского буя ледового в сложных условиях, дающих в целом резкое сокращение финансовых затрат при его эксплуатации. При этом поставленная цель достигается тем, что морской буй ледовый, имеющий обтекаемый (сигарообразный) герметичный корпус, разделенный водонепроницаемыми переборками на отсеки, светооптическую аппаратуру на светодиодах, расположенную в головной части корпуса буя, стабилизирующий балласт (весовую массу), закрепленный на хвостовике буя, механизм подключения данного источника электропитания светооптической аппаратуры буя ледового, при этом выход данного автономного источника электропитания соединен через данный механизм с входом светооптической аппаратуры в отличие от аналогов и прототипа снабжен в качестве автономного источника электропитания светооптической аппаратуры автономной инерционной поршневой воздушной энергетической установкой, размещенной внутри в заданном отсеке буя ледового, содержащей емкостной молекулярный накопитель электрической энергии (двойносложный конденсатор), подзарядное устройство данного накопителя, расположенное внутри заданного отсека буя ледового, содержащее генератор постоянного тока с реле-регулятором напряжения, ротор которого жестко соединен с введенной воздушной турбиной, например турбиной Уэллса, механизм вращения лопастного колеса турбины Уэллса, содержащий воздушную герметическую емкость, например, продолговатой цилиндрической формы, расположенный по вертикали в заданном отсеке буя ледового, корпус которой жестко закреплен к внутренней стенке заданного отсека буя ледового.
Внутри данной емкости расположен введенный инерционный поршень, имеющий определенную массу и прикрепленный сверху и снизу к внутреннему корпусу заданной емкости с помощью введенных пружинных амортизаторов. В нижней и верхней частях данной емкости в заданных местах образованы два отверстия определенного диаметра, к которым прикреплены жестко и герметично введенные две воздушные трубы, расположение которых обеспечивает движение струи сжатого воздуха к лопастям колеса турбины Уэллса, обусловленного перемещением инерционного поршня вверх и вниз за счет перемещения буя ледового по вертикали вверх и вниз под воздействием колебания уровня на акватории, обусловленное волнением и приливо-отливными колебаниями уровня.
Принцип действия инерционно-поршневой волновой энергетической установки основан на колебаниях инерционного поршня с пружинными амортизаторами, введенного в воздушную камеру, вызванных вертикальными перемещениями морского буя ледового под воздействием колебательных движений морских волн. Колебания инерционного поршня вверх и вниз внутри воздушной камеры обеспечивают подачу сжатого воздуха по воздуховодным трубкам, герметично присоединенным к отверстиям воздушной камеры, на лопатки рабочего колеса турбины Уэллса, жестко скрепленного с ротором генератора постоянного тока, который в своем составе имеет реле-регулятор напряжения. После того как генератор разовьет напряжение, большее, чем внутреннее напряжение накопителя энергии, начнется процесс накопления энергии в накопителе. После полного заряда накопителя энергии, реле-регулятор напряжения переключает генератор на электрическую цепь механизма подключения светооптической аппаратуры. При отсутствии волнения на море и, как следствие, прекращения работы зарядного устройства, электропитание светооптической аппаратуры осуществляется непосредственно от накопителя энергии.
Несмотря на то, что морской буй ледовый снабжен в качестве автономного источника электропитания светооптической аппаратуры инерционно-поршневой волновой энергетической установкой, размещенной внутри герметичного корпуса буя, и при его использовании можно существенно повысить надежность, долговечность и значительно упростить процесс эксплуатации морского буя ледового, его применение отягощено следующим основным недостатком.
При использовании известного морского буя ледового [6] при его нахождении в сплошном льду влияние волнения морской поверхности отсутствует, поэтому он не будет совершать вертикальные колебательные движения, т.е. использование известного буя для получения заявленного технического результата возможно только при наличии вертикальных колебательных перемещений буя под действием морского волнения, которое при наличии сплошного льда практически отсутствует.
Кроме того, используемая светооптическая аппаратура не в полной мере удовлетворяет требованию Международной конвенции по безопасности мореплавания в части обеспечения "высокой интенсивности на ночное видение наблюдателя" особенно при неблагоприятных погодных условиях.
Задачей заявляемого технического решения является повышение надежности и долговечности функционирования, а также простоты обслуживания морского буя ледового в сложных условиях, дающих в целом резкое сокращение финансовых затрат при его эксплуатации.
Поставленная задача решается за счет того, что в морском буе ледовом, содержащем обтекаемый (сигарообразный) герметичный корпус, разделенный водонепроницаемыми переборками на отсеки, светооптическую аппаратуру на светодиодах, расположенную в головной части корпуса буя, стабилизирующий балласт (весовую массу), закрепленный на хвостовике буя, автономный источник электропитания светооптической аппаратуры, размещенный в хвостовом отсеке корпуса буя, механизм подключения данного автономного источника электропитания к светооптической аппаратуре, причем выход данного автономного источника электропитания соединен через данный механизм с входом светооптической аппаратуры, который снабжен в качестве автономного источника электропитания светооптической аппаратуры автономной инерционной поршневой воздушной энергетической установкой, размещенной внутри в заданном отсеке буя ледового, содержащей емкостной молекулярный накопитель электрической энергии (двойнослойный конденсатор), подзарядное устройство данного накопителя, расположенное внутри заданного отсека буя ледового, содержащее генератор постоянного тока с введенным реле-регулятором его напряжения, ротор которого жестко соединен с введенной воздушной турбиной, например турбиной Уэллса, механизм вращения лопастного колеса турбины Уэллса, содержащий воздушную герметическую емкость, например, продолговатой цилиндрической формы, расположенный по вертикали в заданном отсеке буя ледового, корпус которой жестко закреплен к внутренней стенке заданного отсека буя ледового, внутри данной емкости расположен введенный инерционной поршень, имеющий заданную массу, прикрепленный сверху и снизу к внутреннему корпусу заданной емкости с помощью введенных пружинных амортизаторов, в нижней и в верхней части данной емкости, в заданных местах образованы два отверстия заданного диаметра, к которым прикреплены жестко и герметично введенные две воздушные трубы, расположение которых обеспечивает движение струй сжатого воздуха к лопастям колеса турбины Уэллса, в котором, в отличие от прототипа, герметичный сигарообразный корпус в нижней своей части снабжен сквозными цилиндрическими каналами, расположенными в радиальном направлении, внутри каналов установлены вертушечные механизмы, закрепленные на оси, сочлененной через редуктор с валом электрического генератора, соединенного с емкостным молекулярным накопителем, светооптический излучатель выполнен на светодиодных кристаллах, сгруппированных в модули с обеспечением светопропускания излучаемого света в диапазоне частот от 460 до 633 ньюменов, в верхней части герметичный корпус между водонепроницаемыми переборками снабжен решеточным корпусом, внутри которого расположены ветрогенераторы, соединенные с емкостным молекулярным накопителем.
Пример реализации заявляемого технического решения.
На чертеже (фиг.1) изображен вид заявленного морского буя ледового с расположением внутри его корпуса предлагаемых технических средств и их структурное соединение. Морской буй ледовый, согласно прототипу [6] имеет обтекаемый (сигарообразный) герметичный корпус 1, разделенный водонепроницаемыми переборками 2 на отсеки, нижний хвостовой отсек 3 с балластом 4, рым 5 для крепления якорной цепи 6, светооптический излучатель 7 с защитным колпаком 8, механизм подключения светооптической аппаратуры 9, инерционно-поршневую волновую энергетическую установку, размещенную в хвостовом отсеке 3, состоящую из молекулярного емкостного накопителя энергии 10, подзарядного устройства данного накопителя, включающего в себя генератор постоянного тока 11 с реле-регулятором напряжения 12, рабочее колесо воздушной турбины Уэллса 13, жестко соединенное с якорем генератора 11, воздушную камеру 14 цилиндрической формы, расположенную вертикально и жестко закрепленную к верхней переборке хвостового отсека 3. Внутри воздушной камеры 14 расположен введенный инерционный поршень 15 с заданной массой, который жестко прикреплен к верхней и нижней части воздушной камеры 14 пружинными амортизаторами 16. В верхней и нижней части воздушной камеры 14 имеются отверстия 17, к которым герметично присоединены две воздуховодные трубки 18, расположение которых обеспечивает движение сжатого воздуха из воздушной камеры 14 к лопаткам рабочего колеса турбины Уэллса 13, обусловленное колебательными движениями вверх и вниз инерционного поршня 15, которые в свою очередь вызываются вертикальными перемещениями морского буя ледового на волнах.
Работа энергетической установки морского буя ледового происходит следующим образом. Морской буй ледовый, имеющий обтекаемую (сигарообразную) форму и положительную плавучесть, под воздействием балласта 4, закрепленного на хвостовике буя 3, принимает вертикальное положение и сохраняет необходимую устойчивость в месте постановки на морской акватории. Вследствие волнения водной поверхности возникают вертикальные колебательные движения буя, что вызывает колебательные движения вверх и вниз инерционного поршня 15, введенного в воздушную камеру 14, в результате чего сжатый воздух из воздушной камеры 14 через отверстия 17 по воздуховодным трубкам 18 поступает на лопатки рабочего колеса турбины Уэллса 13 и начинает вращение в постоянном направлении рабочего колеса 13 с жестко скрепленным с ним ротором генератора 11, который вырабатывает постоянный электрический ток, поступающий через реле-регулятор напряжения 12 в молекулярный емкостный накопитель энергии 10. По электрическим связям 19 ток поступает в механизм подключения светооптической аппаратуры 9, что в свою очередь вызывает свечение светооптического излучателя 7. Процесс накопления энергии начинается после того, как генератор 11 разовьет напряжение, большее, чем внутреннее напряжение накопителя энергии 10, а после полного заряда реле-регулятор напряжения 12 переключит генератор 11 на электрическую цепь 19 механизма подключения светооптической аппаратуры 9.
Емкостный молекулярный накопитель энергии 10 представляет собой супераккумулятор нового поколения на основе двойнослойного конденсатора (см. материалы Конкурса русских инновационных проектов, Москва, 2001/2008 гг.) и имеет улучшенные технические характеристики по сравнению с существующими химическими источниками тока, а именно:
- высокая удельная мощность 10-30 кВт на кг;
- малый вес (аккумулятор весом 1 кг имеет емкость 150 А/ч);
- рабочее напряжение 12 В;
- экологическая безопасность;
- устойчивость к механическим воздействиям;
- герметичность;
- многократность разрядов в режиме короткого замыкания;
- возможность полного разряда;
- возможность ускоренного заряда;
- низкая себестоимость производства (в 2-5 раз ниже традиционной);
- диапазон рабочих температур -45° +85°С
- срок эксплуатации 8-10 лет.
В отличие от прототипа [6], морской буй ледовый также снабжен сквозными цилиндрическими каналами 20, расположенными в радиальном направлении, внутри цилиндрических каналов 20 установлены вертушечные механизмы 21, закрепленные на оси 22, сочлененной через редуктор 23 с валом 24 электрического генератора 25, соединенного с емкостным молекулярным накопителем 10, светооптическая аппаратура 26 выполнена на светодиодных кристаллах 27, сгруппированных в модули 28 с обеспечением светопропускания излучаемого света в диапазоне частот от 460 до 633 ньюменов. Позицией 28 на фиг.1 показана нижняя граница льда. При отсутствии колебательных движений морского буя ледового в вертикальной плоскости, обусловленных воздействием водной поверхности, в частности при нахождении морского буя ледового в сплоченных льдах, зарядка емкостного молекулярного накопителя энергии 10 осуществляется от электрического генератора 25 и/или ветрогенераторов 29.
При этом в цилиндрические каналы 20 под воздействием приливных явлений и подводных течений, а также отражением водной массы от неровностей нижней кромки ледовых образований (кили, впадины), вода будет поступать в цилиндрические каналы 20, в которых установлены вертушечные механизмы 21 и закрепленные на оси 22, которые под действием воды будут вращаться. Вертушечные механизмы 21 сочленены через редуктор 23 с валом 24 электрического генератора 25, соединенного с емкостным молекулярным накопителем 10.
Ветрогенераторы 29 установлены в решетчатом корпусе 30, соединенным с герметичным корпусом 1 в месте расположения водонепроницаемых переборок 2. Ветрогенераторов 29 может быть, по крайней мере, четыре и которые ориентированы по частям света. Ветрогенераторы 29 также электрически соединены с емкостным молекулярным накопителем 10.
Аналогом ветрогенератора 29 в части принципа действия являются Ветрогенераторы, приведенные в патентах RU №2253040 и №2231687.
Светооптический излучатель 26 содержит источник излучения 31, изолированный от воздействия внешней среды прозрачным защитным колпаком 8, соединенным с герметичным корпусом 1, а также контакты 32 и штырь 33, на котором расположены полупроводниковые кристаллы 34, являющиеся источником излучения. Прозрачный защитный колпак 8 имеет сверху крышку 35, а верхняя водонепроницаемая переборка 2 имеет герметичные разъемы 36 для подвода гибких проводников 37 к контактам 32. Штырь 33 выполнен в виде печатной платы, а полупроводниковые кристаллы 34 сгруппированы в светодиодные модули 38, расположенные на девяти уровнях. На первом и девятом уровнях расположено по три светодиодных модуля, на втором уровне - шесть светодиодных модулей, на третьем, четвертом и шестом уровнях - по восемь светодиодных модулей, на пятом уровне - девять светодиодных модулей, на седьмом уровне - семь светодиодных модулей, на восьмом уровне - шесть светодиодных модулей. Светодиодные модули 38 установлены на соответствующих расстояниях от прозрачного защитного колпака 8 и под углами к оптической оси, обеспечивающими получение перекрещивающихся световых потоков, формируемых в заданных направлениях. Прозрачный защитный колпак 8 выполнен в форме дуги, обеспечивающей светопропускание излучаемого света в диапазоне частот от 460 до 633 ньюменов, что позволяет повысить интенсивность излучения и расширить область применения морского буя ледового.
Прозрачный защитный колпак 8, печатная плата (штырь 33), светодиодные модули 38, контакты 32 и крышка 35 зафиксированы с помощью клееобразующего вещества.
Полупроводниковые кристаллы 34, сгруппированные в светодиодные модули 38, являются источником когерентного излучения и обеспечивают непосредственное преобразование электрической энергии в световую. В качестве полупроводниковых кристаллов используются одноосные кристаллы, которые оптически анизотропны и не имеют двойного лучепреломления. Излучаемый свет определяется параметрами кристаллов. Печатная плата (штырь 33) обеспечивает однозначное соответствие определенной комбинации сигналов на входах и определенных комбинаций сигналов на выходах, что позволяет перекрывать диапазоны частот: для красного цвета 610-633 нм; для желтого цвета 538-590 нм; для зеленого цвета 505-535 нм; для оранжевого цвета 590-610 нм; для синего цвета 460-490 нм.
Устройство работает следующим образом. Напряжение от источника питания через гибкие проводники 37, проходящие через герметичные разъемы 36 в водонепроницаемой переборке 2 и соединенные с контактами 32, подаются на печатную плату 33 (штырь), где формируются сигналы, которые подаются на источник излучения 31, который преобразует электрическую энергию в световую. Расположение светодиодных модулей в определенном порядке обеспечивает угол видимости в горизонтальной плоскости 270 градусов, в вертикальной плоскости ±7,5 градусов от оптической оси. Повышенная температура на прозрачном защитном колпаке 8, выполненном из макролона, не превышает 65 градусов Цельсия. При этом дальность видимости составляет не менее 3 миль.
При сравнительно простой конструкции и технологичности его изготовления при его применении исключается такой недостаток известных аналогов, как инерционность, и при этом повышается светопропускание, что позволяет выполнить основное требование, предъявляемое к сигнальным световым устройствам в части обеспечения высокой интенсивности на ночное видение наблюдателя, а также позволяет расширить диапазон излучаемых частот, что обеспечивает применение заявляемого устройства в качестве сигнальных устройств при эксплуатации практически всех морских сигнальных средств.
Аналогом светооптического излучателя 26 является устройство, приведенное в патенте RU №2270397.
Технико-экономическая эффективность заявленного устройства заключается в существенном повышении надежности, долговечности и упрощении процесса эксплуатации морского буя ледового и тем самым в значительном сокращении финансовых расходов на его обслуживание, которое обеспечивается благодаря предложенным отличительным техническим признакам заявленного изобретения, поскольку отпадает необходимость периодических выходов гидрографического корабля к месту постановки морского буя ледового для замены или подзарядки источников электропитания, а расположение основных элементов конструкции внутри герметичного корпуса обеспечит безотказную работу буя в сложных ледовых условиях. Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы стандартные средства навигационного оборудования, стандартное оборудование и приспособления для модернизации этих средств.
Источники информации
1. Авторское свидетельство SU №114241 А, 01.01.1958.
2. Патент RU №2078249 C1, 27.04.1997.
3. Патент GB №940823 A, 06.11.1963.
4. Патент JP №2003312586 А, 06.11.2003.
5. Патент US №4447740 A, 08.05.1984.
6. Патент RU №2328757.