ПЛАВУЧИЙ ПРЕДОСТЕРЕГАТЕЛЬНЫЙ ЗНАК ПОВЫШЕННОЙ ВОЛНОСТОЙКОСТИ Российский патент 2002 года по МПК B63B22/00 

Изобретение относится к средствам навигационного обеспечения фарватеров, портов, гаваней, а также ограждения мест, опасных или закрытых для мореплавания - навигационным буям и вехам.

Известны морские буи большой, средний и малый, принятые на вооружение в Российском флоте (Справочник по средствам навигационного оборудования. Часть I. Средства радиотехнические, гидроакустические, зрительные, звукосигнальные и источники питания. Л.: ГУНИО, 1983).

Они различаются лишь размерами и принципиально включают 4 составные части:
1. Бочкообразную плавучесть, которая на 2/3 погружена в воду; диаметр этой "бочки" у малого буя - 1,6 м, у большого - 2,6 м. Внутри "бочки" располагаются батареи.

2. Мачту ферменного типа, в верхней части которой располагается светооптический аппарат, радиолокационный пассивный отражатель и ревун (на больших буях).

3. Хвостовик-противовес, идущий от "бочки" вниз на 2-4 м; он обеспечивает остойчивость буя; на хвостовике располагаются чугунные кольца, понижающие центр масс буя и вывешивающие его по расчетную ватерлинию.

4. Якорное устройство, включающее якорь-цепь и достаточного тяжелый анкер.

Буи подобной архитектуры имеют один общий недостаток: они отслеживают волну по вертикали и создают большие нагрузки на удерживающие связи. Несмотря на то что, например, большой морской буй удерживается якорь-цепью 18 калибра, на волне более 6-7 баллов эти буи нередко отрываются. Однако эти буи имеют и положительные свойства - высоко поднятые на сравнительно легкой мачте светооптический аппарат (СОА) и радиолокационный отражатель (РЛО). Поэтому данные буи могут использоваться как аналог 1.

Известен столбовидный буй (см. справочник, указанный выше). Он состоит из длинной (~ 8 м) вертикальной трубы внутренним диаметром 283 мм, на верхнем конце которой установлен СОА с защитной решеткой, а в нижней - батарея (аналог 2). На нижнем хвостовике трубы имеется скоба, к которой крепится якорь. 3 метра трубы с СОА находятся над водой, под водой на 2-метровой глубине вокруг трубы образован пенопластовый поплавок с большой положительной плавучестью, которая весь буй тянет вверх. Эти буи ставятся обычно на мелководье. Буй по заданную ватерлинию удерживается якорем.

Достоинство этого технического решения в том, что столбовидный буй, имея избыточную плавучесть, ставится внатяг к якорю и практически не имеет радиуса циркуляции и вертикальной качки. Но если имеются приливы и отливы, этот буй или частично затапливается, или всплывает и теряет остойчивость.

Наиболее близким по сущности к предлагаемому техническому решению (прототипом) является патент РФ 2011599 (Разумеенко Ю.В., Пыльнев Ю.В. Полупогруженное основание морского сооружения, бюл. 8 от 30.04.94). В соответствии с этим патентом для нейтрализации вертикальных волновых возмущающих сил буй должен выполняться в виде длинного полупогруженного цилиндра общей длиной не менее 1,35-1,5 расчетной высоты волны h_р, при этом на глубине Т_d≥1,2 расчетной амплитуды волны А_р=0,5h_р буй должен иметь плоский или объемный пассивно-активный демпфер (ПАД), размеры которого определяются расчетной длиной волны λ_p. Буй, выполненный по рекомендациям этого патента, будет иметь в 4-6 раз меньшие отрывные усилия, а также уменьшенную вертикальную и угловую качку.

Однако рекомендации патента-прототипа не учитывают требований по остойчивости. Опыт проектирования буев с использованием рекомендаций патента 2011599 выявил один существенный недостаток: высоко поднятый на высоту ~1,2 А_р водоизмещающий цилиндр со сплошными стенками повышает центр масс буя и создает проблемы с остойчивостью, особенно при изготовлении корпуса буя из стали. Из-за этого приходится применять тяжелый твердый балласт и увеличивать общий диаметр цилиндра. Кроме того, когда верхняя часть буя полностью водоизмещает при ее накрытии волной, возникает большая отрывная волновая сила, которую необходимо будет нейтрализовывать плоским или объемным демпфером больших размеров.

Однако с точки зрения требований навигации для буя или вехи нет необходимости делать всю верхнюю часть водоизмещающей, равной 1,35-1,5 амплитуды расчетной волны, как это предусмотрено у прототипа. Достаточна и половина этой высоты. Для ППЗ обязательным является только подъем на высоту 2,5-3 м СОА и РЛО. Поэтому надводную часть ППЗ можно сформировать в виде водонепроницаемого цилиндра или конуса высотой 1-1,5 м и легкой мачтовой конструкции над ним такой высоты, чтобы суммарный подъем СОА и РЛО над свободной поверхностью был не менее 2,5-3 м. Такое техническое решение кроме понижения центра масс уменьшает отрывные усилия при накрытии ППЗ волной и его ветровое сопротивление. Это будет также способствовать уменьшению угловых наклонений от ветра и волнения и уменьшению массы ППЗ.

Если квазигидростатическая составляющая от накрытия волной уменьшенной по высоте надводной части ППЗ уменьшается, то должна соответственно уменьшиться по сравнению с прототипом и величина сил на демпфере, нейтрализующих квазигидростатику на надводной части цилиндра. Иначе буй будет перекомпенсирован. Что касается потери гидростатических сил на цилиндре при опускании волны F^hs = gρS_cA₀cosωt, то она должна быть нейтрализована в полной мере в соответствии с рекомендациями прототипа. Отсюда вытекает, что эффективность работы ПАДа при подъеме и опускании волны должна быть разная.

Цель изобретения - уменьшение отрывных усилий и ветровой нагрузки у плавучих предостерегательных знаков на морском волнении, повышение их остойчивости при одновременном уменьшении общей массы. Эти цели достигаются тем, что у полупогруженного вертикально ориентированного основания морского сооружения, включающего погруженную часть общей осадкой Т_пк не менее 1,35-1,5 расчетной амплитуды волны и плоский или объемный пассивно-активный демпфер, верхняя кромка которого удалена от невозмущенной поверхности на величину Т_d не менее 1,2-1,3 расчетной амплитуды волны, высота водонепроницаемой надводной части выполнена высотой 1-1,5 м, но не менее половины амплитуды расчетной волны над ней, на высоту не менее 2,5-3,5 м от невозмущенной поверхности с помощью одноногой, 3- или 4-ногой мачтовой конструкции поднимаются СОА и РЛО, демпферы выполняются со скосом вниз под углом 20-30^o к горизонту, при этом аккумуляторная батарея размещается в самой нижней части ППЗ, твердый балласт выполняется в виде плоского диска диаметром D_б(1,8-2)D_ц, где D_ц - средний диаметр погруженной части корпуса, выполненного из конусов, или диаметр цилиндрического корпуса, а сам этот диаметр, масса потребного твердого балласта и водоизмещение ППЗ в целом определяются из условий его плавучести по заданную ватерлинию и обеспечения заданного значения метацентрической высоты h_зад из уравнений
ρ(V_n+V_d+V_mб) = m_нг+m_зг (1)
h_зад = z_с - z_g = r
где ρ = 1,01-1,025 т/м³ - плотность морской воды;
V_пк=Т_пк•D_ц - объем погруженной части основного корпуса, м³;
V_d - объем демпфера, м³;
V_mб = m_mб/ρ_mб- - объем твердого балласта массой m_mб вместе с объемом удерживающих ППЗ связей, которые зависят от глубины места постановки, м³;
ρ_mб - плотность материала твердого балласта (обычно стального), т/м³;
m_нг - масса независимых от размеров ППЗ грузов, заданных или заранее принятых, например масс светооптического аппарата и аккумуляторной батареи, кг;
m_зг - масса зависимых от размеров и формы ППЗ грузов, например корпуса, наполнителя, кг;
z_с - положение по высоте ППЗ центра плавучести (центра величины) водоизмещающих объемов, погруженных по заданную ватерлинию;
z_g - положение по высоте ППЗ центра масс всех грузов, корпуса вместе с твердым балластом, демпферами, якорь-цепью и другими, которые уравновешены плавучестью буя, плавающего по заранее назначенную ватерлинию;
r - метацентрический радиус.

Диск твердого балласта жестко крепится снизу к корпусу ППЗ и выполняет роль дополнительного демпфера, а между основным скошенным демпфером и плоским диском твердого балласта располагаются 4 плоских вертикальных бракеты, соединяющих скошенную поверхность ПАДа с корпусом и диском твердого балласта и уменьшающих угловую качку ППЗ.

На фиг. 1 показан ППЗ на основе вертикального кругового цилиндра и плоского демпфера, а на фиг.2 - такой же ППЗ, водонепроницаемая часть которого выполнена из усеченных конусов, соединенных большими основаниями. Эти ППЗ включают погруженную часть 1 в виде вертикального цилиндра или составных конусов осадкой Т_пк, которая назначается из условия Т_пк≥(l,35-1,5)А_р, где А_р - амплитуда расчетной (обычно наибольшей) волны.

Надводная часть 2 может быть цилиндрической или конической формы. Над водонепроницаемой надводной частью на мачтовых конструкциях 3 на заданную высоту поднимается СОА 4 и РЛО 5. Плоские демпферы 6 подкреплены крестообразными вертикальными плоскими демпферами 7, простирающимися от основного демпфера до днища, к которому жестко крепится твердый балласт 8. Обычно твердый балласт выполняется из нескольких дисков. Верхний жестко соединяется с корпусом (у стальных буев на сварке), а другие 2-4 крепятся к нему на шпильках. Это дает возможность обеспечивать необходимую плавучесть буя по заданную ватерлинию при изменении глубины места постановки и изменении в связи с этим веса в воде якорь-цепи. Вниз от днища идет хвостовик 9, к которому крепится удерживающая ППЗ связь (не показана).

На фиг.3 показан ППЗ с объемным ПАДом. Он принципиально не отличается от ППЗ с плоскими ПАДами. Вся верхняя часть у него такая же, только вместо плоского ПАДа - объемный 6 в форме цилиндра, верхнее и нижнее основание которого имеют тот же скос вниз 20-30^o к горизонту. Объемный ПАД также связан с корпусом и диском твердого балласта бракетами 7.

ППЗ с плоскими ПАДами могут быть рекомендованы для малых морских волностойких буев и вех, а с объемными - для больших и средних навигационных буев, а также буев специального назначения.

По сравнению с известными техническими решениями по буям и прототипом предложенные архитектурные формы ППЗ обладают рядом существенных отличительных признаков:
1. Высота водоизмещающей надводной части назначается в пределах 1-1,5 м, что меньше расчетной амплитуды волны А_р, над нею на легких мачтах на потребную высоту 2,5-3 м поднимаются СОА и РЛО, а осадка и заглубление ПАДа назначаются как у прототипа Т_пк≥(l,35-1,5)А_р, Т_d≥(1,2-1,3)А_р. Это позволяет по сравнению с прототипом уменьшить общую массу ППЗ и повысить его остойчивость (за счет снятия части высокорасположенных грузов), уменьшить ветровую нагрузку и отрывные ветровые силы при прохождении через ППЗ вершины волны.

2. Пассивно-активные демпферы вокруг корпуса выполнены с наклоном демпфирующей поверхности вниз на 20-30^o, в частности, может быть применена коническая поверхность с наклоном образующей. Такое решение позволяет уменьшенную волновую силу при прохождении ППЗ вершины волны согласовать с уменьшенной эффективностью ПАДа, а на подошве волны добиться нейтрализации полной волновой силы меньшими площадями или объемами ПАДов за счет того что эффективность ПАДа при ускорениях в волне, направленных вверх, будет выше, чем с горизонтальными демпфирующими плоскостями.

3. Твердый балласт выполнен в виде диска диаметром D_б(1,8-2)D_ц среднего диаметра погруженного корпуса, и он выполняет роль дополнительного демпфера.

4. Между демпферами, нейтрализующими вертикальные волновые силы и качку, и диском твердого балласта установлены 4 вертикально ориентированные бракеты, которые создают жесткую конструкции из корпуса ПАДа и твердого балласта и служат для уменьшения угловой качки.

Патентный поиск не выявил подобных технических решений. Поэтому предложенная форма ППЗ отвечает критерию новизны.

Предложение отвечает также критерию существенного положительного эффекта, т.к. даже по отношению к волностойкому прототипу обеспечивает меньшие отрывные усилия в системе удержания ППЗ на месте, позволяет уменьшить его водоизмещение и стоимость при достаточной остойчивости.

Плавучий предостерегательный знак включает в себя плавучее вертикально ориентированное основание с плоским или объемным пассивно-активным демпфером и прикрепленный к днищу этого знака балласт, при этом осадка указанного основания равна 1,35 - 1,5 расчетной амплитуды волны, а верхняя кромка пассивно-активного демпфера удалена от поверхности моря на величину, не меньшую 1,2-1,3 расчетной амплитуды волны. Водонепроницаемая надводная часть этого основания выполнена высотой 1-1,5 м и с расположенными над ней радиолокационным отражателем и светооптическим аппаратом. Твердый балласт выполнен в виде плоского диска с диаметром, определяемым по указанной в формуле изобретения зависимости. Указанный демпфер имеет скос вниз под углом 20-30^o, а между ним и диском твердого балласта установлены плоские вертикальные демпферы. Такое выполнение предостерегательного знака обеспечивает уменьшение отрывных усилий и ветровых нагрузок на морском волнении. 3 ил.

Плавучий предостерегательный знак, включающий в себя плавучее вертикально ориентированное основание с плоским или объемным пассивно-активным демпфером, аккумуляторную батарею и прикрепленный к днищу этого плавучего знака балласт, при этом осадка плавучего вертикально ориентированного основания равна 1,35 - 1,5 расчетной амплитуды волны, а верхняя кромка пассивно-активного демпфера удалена от невозмущенной поверхности моря на величину не меньшую 1,2-1,3 расчетной амплитуды волны, отличающийся тем, что водонепроницаемая надводная часть упомянутого основания выполнена высотой 1-1,5 м, но не менее половины расчетной амплитуды волны и с расположенными над ней с помощью мачтовой конструкции радиолокационным отражателем и светооптическим аппаратом, причем аккумуляторная батарея расположена в самой нижней части плавучего предостерегательного знака, а твердый балласт выполнен в виде плоского диска с массой, обеспечивающей метацентрическую высоту 0,25-0,3 м, и диаметром D_б=(1,8-2)D_ц, где D_ц - диаметр подводной части этого знака, выполненной цилиндрической, или средний диаметр при выполнении подводной части этого знака в виде усеченных конусов, при этом демпфер имеет скос вниз под углом 20-30^o к горизонту, а между пассивно-активным демпфером и плоским диском твердого балласта установлены соединенные с ним плоские вертикальные демпферы.