СКАНИРУЮЩИЙ ТЕПЛОВОЙ БУЙ Российский патент 1999 года по МПК B63B22/18 

Изобретение относится к технике освоения океана, а именно к подводным аппаратам - буям с изменяемой плавучестью.

Известно устройство перемещения подводного аппарата по глубине, использующее нагревание рабочего тела с помощью электронагревателя и преобразование теплового расширение рабочего тела в изменение плавучести подводного аппарата (США, пат. N 4183316, B 63 B 39/04, 1980 г.). Известно также устройство перемещения по глубине, содержащее герметичный прочный корпус с балластной камерой и рабочее тело, заключенное в сильфоне, взаимодействующим с системой принудительной подачи-выпуска воздуха в балластную камеру (Великобритания, заявка N 1532411, В 63 С 11/30, 1978 г.).

В качестве ближайшего аналога принят патент Российской Федерации N 2081782 (В 63 G 8/24, В 63 В 22/00, В 63 G 8/22) 1994 г. на устройства перемещения по глубине подводного аппарата, в котором для перемещения используется градиент температуры окружающих вод океана. В патенте описано устройство, включающего в себя герметичный прочный корпус с балластной камерой, соединенной посредством управляемого клапана с окружающей средой, и рабочей камерой, заполненной рабочим телом (жидкостью), между которым установлена перегородка, выполненная с цилиндрическим отверстием, в котором размещен пуансон, взаимодействующий с герметичной эластичной оболочкой со сжатым газом, установленной в балластной камере между поршнем и корпусом. Подводный аппарат выдерживают в верхней точке траектории до нагрева рабочего тела до температуры окружающей среды и образования в балластной камере пониженного давления, после чего сообщают балластную камеру с окружающей средой на время приема маневрового балласта, а при достижении аппаратом нижней точки траектории выдерживают его до охлаждения рабочего тела до температуры окружающей среды на соответствующей глубине и образования в балластной камере повышенного давления, после чего сообщают балластную камеру с окружающей средой на время удаления маневрового балласта.

Устройства, описанные в патенте, не достаточно надежны, так как используют поршни, находящиеся при высоком давлении и перемещающиеся с изменением внешней температуры, и не могут работать в автоматическом режиме.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи повышения надежности теплового устройства изменения плавучести и использования данного устройства в режиме автоматического сканирования по глубине.

Технический эффект достигается в устройстве, включающем в себя прочный цилиндрический корпус, содержащий приборный контейнер и стальной сильфон, упирающийся одной торцевой стенкой в боковую поверхность цилиндрического корпуса, стальную пружину, зажатую между второй торцевой стенкой сильфона и противоположной боковой стенкой цилиндрического корпуса, а также стопор, взаимодействующий подпружиненным шариком со штоком с двумя углублениями, жестко соединенным со второй торцевой стенкой сильфона, и герметически соединенный с этим сильфоном сильфон меньшего диаметра, причем общее внутреннее пространство сильфонов заполнено легко испаряемой жидкостью, находящейся в равновесии со своими парами, а противоположные торцевые стенки сильфонов жестко соединены стержнем, проходящим через их общую внутреннюю полость.

На чертеже показана принципиальная схема устройства сканирующего теплового буя.

Устройство (фиг. 1) состоит из прочного цилиндрического корпуса 1, содержащего приборный отсек 2, стальной сильфон большего диаметра 3, который первым торцом соединен с боковой поверхностью корпуса, а вторым упирается в стальную пружину 4 и жестко соединяется со штоком 5, имеющим два углубления 6 с формой, близкой к полусферической, и взаимодействующим со стопором 7 через шарик 8, прижимаемый стопорной пружиной 9, а также из сильфона меньшего диаметра 10, выходящего за пределы прочного корпуса. Сильфон большего диаметра герметически соединен с сильфоном меньшего диаметра и они вместе образуют замкнутый объем, заполненный легко испаряемой жидкостью, находящейся в равновесии со своими парами. Сильфоны соединяются торцами, при этом часть торцевой поверхности большого сильфона упирается в боковую поверхность прочного корпуса, а сильфон меньшего диаметра выходит наружу через отверстие в боковой поверхности прочного корпуса. Противоположные торцевые поверхности сильфонов жестко соединены через стержень 11, проходящий через их внутренний объем. Стопор жестко крепится к боковой поверхности цилиндрического отсека. Шток свободно проходит через отверстие в боковой стенке приборного отсека и расположенную внутри отсека трубку.

Устройство работает следующим образом. На поверхности океана рабочая жидкость во внутреннем пространстве сильфоной пары 3, 10 нагревается, кипит, давление насыщенных паров повышается. Сила, действующая на вторую (внешнюю) торцевую поверхность большего сильфона 3, больше, чем сила, действующая на торцевую поверхность малого сильфона 10 в противоположном направлении, так как эти силы пропорциональны соответствующим площадям поверхностей. В результате сильфон большего диаметра 3 стремится разжаться. Сила, действующая со стороны штока 5 на стальной шарик 8 стопорного механизма 7, увеличивается. Как только рабочая жидкость нагреется и давление внутри сильфонов достигнет большой величины, стальной шарик 8 сдавит стопорную пружину 9 и силой штока будет вдавлен из первого углубления 6 штока 5 внутрь стопора 7, сильфон большого диаметра 3 раздвинется, шток 5 продвинется внутрь приборного отсека 2, пружина 4 сожмется, сильфон меньшего диаметра 10, увлекаемый стержнем 11, также сожмется. Шток 5 продвинется на расстояние, при котором стопорный механизм 7 окажется напротив второго углубления, стальной шарик 8, прижимаемый стопорной пружиной 9, западет в углубление и зафиксирует шток 5 в этом положении. Сжатие наружного сильфона малого диаметра приведет к уменьшению объема буя и он начнет опускаться под воду. В глубине моря рабочая жидкость охладится, пар конденсируется, давление насыщенных паров уменьшится и сила, действующая на пружину со стороны сильфона большего диаметра 3, начнет уменьшаться. Пружина 4 стремится сжать сильфон 3 и вернуть шток 5 в исходное состояние. Сила, действующая со стороны штока 5 на стальной шарик 8 стопорного механизма 7, теперь уже увеличивается в противоположном направлении. Как только рабочая жидкость охладится и давление внутри сильфонов 3, 10 упадет, стальной шарик 8 вдавится внутрь стопора 7, шток 5 высвободится, пружина 4 раздвинется, сжимая сильфон большего диаметра 3, а сильфон малого диаметра 10 раздвинется под действием внутреннего стержня 11. Шток перемещается до тех пор, пока стальной шарик 8 не западет в первое углубление штока 5 и не зафиксируется в исходном положении. Растяжение сильфона малого диаметра 10 приводит к увеличению объема буя и он поднимается к поверхности моря.

Приведем расчеты, демонстрирующие работоспособность предлагаемого устройства сканирующего буя.

Параметры расчета:
Длина пружины в сжатом состоянии (длина буя) L = 1.0 m
Радиус большого сильфона 3 R = 0.1 m
Радиус малого сильфона 10 r = 0.0225 m
Предельная глубина моря H = 100 m
Рассмотрим два состояния системы "холодное" при температуре 10^oC в глубине океана и "теплое" при температуре 20^oC на поверхности моря. Рабочая жидкость - фреон 12 (CF₂Cl₂, см. Физические величины. Под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991 г., 1232 с.) имеет давление насыщенных паров P₁ = 4,285 атм при температуре 10^oC и P₂ = 5,012 атм при температуре 15^oC.

В холодном состоянии в глубине моря равновесие сил выражается следующим уравнением:
kx = P₁(S₁ - S₂) + P_wS₂,
где k - жесткость пружины; x - сжатие пружины в холодном состоянии;
S₁ - площадь торцевой поверхности большего сильфона, S₁ = π R² = 0.0314 m²;
S₂ - площадь торцевой поверхности малого сильфона, S₂ = π r² = 0.0016 m²;
P_w = 11 атм - давление воды на глубине 100 м;
На поверхности моря при температуре 20^oC равновесие сил удовлетворяет уравнению:
k(x+ Δ x) = P₂(S₁-S₂)+P_wS₂,
где Δ x - изменение длины пружины по сравнению с холодным состоянием; P_w = 1 атм давление воды на поверхности моря.

Из этих уравнений получаем соотношение для относительного изменения длины пружины.

Если x= 1,0 m то перемещение малого сильфона равно x = 0,196 m, a изменение плавучести буя при изменении температуры на 5 градусов составит Δ V = x • S₁ = 0.0016 • 0.196 = 0,.000312 m³ или 372 г, что вполне достаточно для перемещения такого сравнительно небольшого аппарата (1,0x0,2 m) на 100 м.

Предлагаемое устройство не имеет перемещающихся поршней, снижающих его надежность, все внутренние узлы устройства находятся при небольшом давлении, а перемещение по глубине осуществляется в автоматическом режиме, что и служит достижению поставленной цели.

Сканирующий буй содержит прочный цилиндрический корпус с приборным контейнером, а также герметично соединенные между собой и заполненные легко испаряемой жидкостью сильфоны большего и меньшего диаметра, причем последний выполнен выходящим за пределы прочного цилиндрического корпуса. Сильфон большего диаметра упирается одной торцевой стенкой в боковую поверхность цилиндрического корпуса, а его вторая торцевая стенка, соединенная со штоком, взаимодействующим со стопором, контактирует с пружиной, зажатой между этой стенкой сильфона и противоположной стенкой цилиндрического корпуса. Противоположные торцевые стенки сильфонов жестко соединены стержнем, проходящим через их общую внутреннюю полость. Такое выполнение буя повышает его надежность и обеспечивает работу в режиме автоматического сканирования по глубине. 1 ил.

Сканирующий тепловой буй, включающий в себя прочный цилиндрический корпус, содержащий приборный контейнер и стальной сильфон, упирающийся одной торцевой стенкой в боковую поверхность цилиндрического корпуса, отличающийся тем, что он дополнительно включает в себя стальную пружину, зажатую между второй торцевой стенкой сильфона и противоположной боковой стенкой цилиндрического корпуса, а также стопор, взаимодействующий со штоком, жестко соединенным со второй торцевой стенкой сильфона, и герметически соединенный с этим сильфоном сильфон меньшего диаметра, причем общее внутреннее пространство сильфонов заполнено легко испаряемой жидкостью, находящейся в равновесии со своими парами, а противоположные торцевые стенки сильфонов жестко соединены стержнем, проходящим через их общую внутреннюю полость.