CN102953794B - 一种单桅杆式潜航器一体化进排气装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用内燃机为动力的水下近水面长航时、长航程无人潜航器的进排气系统，具体地说是一种单桅杆式潜航器一体化进排气装置，通过进气浮阀利用浮阀密度小于水的调节原理来控制进气口的开关，通过进气筒漏水报警传感器以及挡板的联动控制进气筒的关闭，通过排气单向阀控制排气口的开关，通过排气筒漏水报警传感器与挡板的联动控制排气筒的开关，通过桅杆法兰与底座法兰的连接以及旋转臂的作用实现桅杆的可拆可放倒，通过风机抽风、散热管海水冷却实现了潜航器舱内空气的主动散热。综合这些功能，可以实现水下无人潜航器的安全可靠的进排气，从而为将内燃机引入到水下无人潜航器实现传统的无人潜航器无法实现的高速航行奠定了基础。

Description

一种单桅杆式潜航器一体化进排气装置

技术领域

本发明涉及采用内燃机为动力的水下近水面长航时、长航程无人潜航器的进排气系统，具体地说是一种单桅杆式潜航器一体化进排气装置。

背景技术

内燃机为动力的水下近水面长航时、长航程无人潜航器属于一种新型的水下机器人。水下机器人作为一种水下观测、作业平台，已经广泛应用在海洋、湖泊、水库、河流、大型容器等水下场所，在海洋科学研究、海洋工程、海洋资源勘探、救助打捞、渔业养殖、堤坝检修等水下场所得到了广泛的应用。

传统的水下机器人采用蓄电池或燃料电池或外接电源作为动力，使用过程中不需要从空气中吸入大量新鲜空气也不需要向空气中排放大量废气。因此，这种传统的水下机器人不需要进排气系统。这种传统的水下机器人无法实现水下高速度(仅为3-5节)、长航时(仅为十几小时)、长航程航行(仅为一两百海里)。而内燃机为动力的新型水下无人潜航器由于采用内燃机为动力，因而可以实现水下高速度(可达30节)、长航时(可达一个月或数月)、长航程航行(可达上千至数千海里)。

内燃机动力水下无人潜航器长时间在水下航行，而内燃机燃烧需要充足的氧气以及及时排出燃烧产生的废气，这就需要解决水下与水面之间的空气循环这个核心问题。此外，由于水面受到风等作用时会产生波浪，加上潜航器自身近水面定深航行的状态变化会导致桅杆进排气口经常淹没在水中为进排气带来危险。第三，内燃机工作过程中会产生大量热量，若不能及时散发热量则会引起内燃机功率大幅下降。最后，由于潜航器的尺度限制，则要求桅杆进排气装置具有体积小、强度大、流体阻力小的特点。

发明内容

为了解决水下无人潜航器由于安全可靠进排气需求导致的整体航行性能受限及内燃机系统功能受限等影响，本发明的目的在于提供一种单桅杆式潜航器一体化进排气装置。该进排气装置通过将进排气系统整合进单桅杆中，并按照翼型原理优化桅杆的外形，实现了结构紧凑、阻力小、强度大、水下进排气可靠的功能。

本发明的另一目的在于提供一种单桅杆式潜航器一体化进排气装置。该进排气装置有效地防止了水进入进、排气口。

本发明的再一目的在于提供一种单桅杆式潜航器一体化进排气装置。该进排气装置将热交换系统整合进单桅杆中，解决了水下无人潜航器的散热问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

(定稿后的权利要求内容)

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明将进气与排气装置组合在一起整合到桅杆中，并用可拆式复合材料导流罩包覆，形成适合水下无人潜航器使用的结构紧凑的小尺度桅杆，满足强度要求同时减少阻力。

2.本发明采用的进气挡板、排气挡板采用直流电机驱动，控制简单，实现了进排气装置与外界的及时隔绝。

3.本发明包含的热交换系统，通过风机抽风、散热铜管海水冷却最后回到进气筒内的装置解决了水下无人潜航器的散热问题。

4.本发明将进排气装置分为上下两部分，上部为可拆式桅杆下部为固定式底座，中间通过法兰连接并密封，实现了进排气装置的可拆卸功能。

5.本发明采用进气保护罩以及可上下自由滑动的进气浮阀，能够有效地防止水进入进气筒；

6.本发明采用的排气单向阀能够有效地防止水倒灌进排气筒。

附图说明

图1为本发明的结构原理图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为图2中的A-A剖面图；

图4为图2中B处的局部放大图；

图5为本发明的立体结构示意图；

其中：1为进气保护罩，2为进气浮阀，3为进气口，4为顶端进气筒，5为桅杆顶板，6为进气筒主体，7为排气单向阀，8为单向阀卡箍，9为排气口，10为排气筒U形头，11为隔板，12为顶板，13为排气筒主体，14为进气筒前加强筋，15为进排气筒中间加强筋，16为排气筒后上加强筋，17为排气筒后下加强筋，18为第一桅杆圆周加强筋，19为第二桅杆圆周加强筋，20为第三桅杆圆周加强筋，21为第四桅杆圆周加强筋，22为第五桅杆圆周加强筋，23为第六桅杆圆周加强筋，24为底座后肘板，25为底座前肘板，26为底座底板，27为底座围板，28为排气筒隔板，29为隔热绝缘敷料，30为底座法兰，31为桅杆法兰，32为密封垫板，33为O形圈，34为内O形圈，35为直流风机，36为散热管转换接头，37为散热管接头，38为第一散热管，39为第二散热管，40为转换法兰，41为旋臂，42为旋臂上轴，43为旋臂下轴，44为进气挡板直流电机，45为进气挡板转轴，46为进气挡板，47为排气挡板直流电机，48为排气挡板转轴，49为排气挡板，50为进气筒漏水报警传感器，51为排气筒漏水报警传感器，52为导流罩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1～5所示，本发明包括进气浮阀2、顶端进气筒4、进气筒主体6、排气口9、排气筒U形头10、排气筒主体13、防倒灌装置、底座及导流罩52，其中防倒灌装置包括漏水报警传感器、直流电机、挡板及转轴，底座包括底座后肘板24、底座前肘板25、底座底板26、底座围板27及排气筒隔板28。

进气保护罩1通过螺栓联接固定在顶端进气筒4的密封端(上端)，并在靠近上端的外表面上开设多个进气口3，进气浮阀2套在顶端进气筒4的外围可上下自由滑动，进气浮阀采用密度小于水的泡沫塑料外敷玻璃钢保护层制作，顶端进气筒4通过螺栓联接固定在桅杆顶板5上，桅杆顶板5水平布置、焊接在进气筒主体6的顶端(另一端)，并匹配进气筒主体6的横截面开孔实现顺利进气；进气筒主体6的下端(一端)与水平布置的桅杆法兰31焊接，桅杆法兰31匹配进气筒主体6的下端横截面开孔以便顺利进气；桅杆法兰31与排气筒主体13的下端焊接并匹配排气筒主体13的下端横截面开孔以便顺利排气；排气筒主体13的上端与排气筒U形头10焊接，排气筒U形头10为一扁筒，内部通过隔板11分开，顶端用顶板12封闭、实现U形排气通道，排气筒U形头10的末端与水平布置的排气口9焊接，该排气口9通过单向阀卡箍8与排气单向阀7相连。

进气筒主体6与排气筒主体13之间通过开多个减轻孔的进排气筒中间加强筋15焊接在一起，成为一个整体加强桅杆的整体强度，进气筒主体6前侧与导流罩52之间通过焊接进气筒前加强筋14联接，排气筒主体13后侧与导流罩52之间通过开多个减轻孔的排气筒后下加强筋17焊接联接，排气筒U形头10与导流罩52之间通过开多个减轻孔的排气筒后上加强筋16焊接联接；在导流罩52内部、进气筒主体6与排气筒主体13在环向由从上至下的第一桅杆圆周加强筋18、第二桅杆圆周加强筋19、第三桅杆圆周加强筋20、第四桅杆圆周加强筋21、第五桅杆圆周加强筋22及第六桅杆圆周加强筋23共六道开数量不等的通孔的加强筋焊接联接，进气筒主体6、排气筒主体13、排气筒U形头10、进排气筒中间加强筋15、进气筒前加强筋14、排气筒后下加强筋17及排气筒后上加强筋16分别由六个桅杆圆周加强筋穿过。

在进气筒主体6的上部安装有防止海水进入潜航器舱内的防倒灌装置，包括进气筒漏水报警传感器50、进气挡板46、进气挡板转轴45及进气挡板直流电机44，其中进气漏水报警传感器50安装在进气筒主体6的内壁，在进气漏水报警传感器50的下方设有可转动的进气挡板转轴45，该进气挡板转轴45上固接有随其转动的进气挡板46；所述进气挡板直流电机44安装在进气筒主体6的外表面上，进气挡板直流电机44的输出轴插入进气筒主体6内，该输出轴通过伞齿轮组驱动进气挡板转轴45转动。在排气筒主体13内也安装有结构相同的防止海水进入潜航器舱内的防倒灌装置，包括排气筒漏水报警传感器51、排气挡板49、排气挡板转轴48及排气挡板直流电机47，其中排气筒漏水报警传感器51安装在排气筒U形头10内，在排气筒主体13的上端安装排气挡板49、排气挡板转轴48、排气挡板直流电机47，排气挡板转轴48位于排气漏水报警传感器51的下方，该排气挡板转轴48上固接有随其转动的排气挡板49；所述排气挡板直流电机47安装在排气筒主体13的外表面上，排气挡板直流电机47的输出轴插入排气筒主体13内，该输出轴通过伞齿轮组驱动排气挡板转轴48转动。

底座法兰30水平布置，底座法兰30与桅杆法兰31之间设密封垫板32、O形圈33及内O形圈34，O形圈33为大圈封住法兰盖板，内O形圈34为小圈封住进、排气筒开口；底座法兰30与其下的底座围板27焊接联接，底座围板27中间焊接排气筒隔板28，将底座围板27的空间分成进气、排气两部分，底座法兰30上对应进气、排气的位置开孔供气流通过，排气筒隔板28以及底座围板27的端部用隔热绝缘敷料29包覆，本发明的隔热绝缘敷料29可为石棉；底座围板27下端与底座底板26焊接联接，底座围板27的前侧焊接底座前肘板25，后侧焊接底座后肘板24；旋臂41的一端通过旋臂上轴44与进气筒前加强筋14铰接，另一端通过旋臂下轴43与底座前肘板25铰接，实现桅杆与底座可分离可倒的功能；直流风机35通过散热管转换接头36与十根散热管38相连设置在潜航器舱内，第一散热管38的端部通过散热管接头37与底座法兰30连接，底座法兰30配合散热管接头37开孔通气，桅杆法兰31以及密封垫板32上对应位置同样开孔通气，桅杆法兰31上连接十根第二散热管39，第二散热管39的上端通过散热管接头37与转换法兰40连接，转换法兰40焊接到进气筒主体6上，转换法兰42与进气筒主体6上对应散热管接头37的位置开孔通气；桅杆外围整体用复合材料制作导流罩52，该导流罩52为翼形，复合材料可为玻璃钢，导流罩52为形状相同的两片组成，用螺栓把合固接，海水可在两片连接的缝隙处进入导流罩内部，为散热管散热。

本发明的工作原理为：

如图1所示，本发明适用于无人潜航器三种吃水状态，分别对应图1中的“吃水K”“吃水M”“吃水N”。

(1)吃水K工况，进气口、排气口均在水面上：

进气：这种工况下进气口3、排气单向阀7均暴露在空气中。空气通过进气口3进入顶端进气筒4，沿着顶端进气筒4通过桅杆顶板5上的开孔进入进气筒主体6，沿着进气筒主体6下行穿过进气挡板48继续沿着进气筒主体6下行，穿过桅杆法兰31、密封垫板32、底座法兰30通过底座围板27进入潜航器舱内，完成进气过程；该过程中如遇水面波浪等因素则进气保护罩1发挥保护作用、防止水由进气口3溅入，如果波浪水位没过了桅杆顶板5，则进气浮阀2发挥作用向上滑动，及时封闭进气口3防止进水，同时作为第三道保险，进气筒主体6中的进气筒漏水报警传感器50可随时检测进气筒主体6内的进水情况，如果有进水情况发生则进气挡板直流电机44接到信号开始工作，通过旋转进气挡板转轴45带动进气挡板46旋转，切断进气筒主体6的通路，阻隔水进入潜航器内部造成事故，同时潜航器舱内的内燃机停机，潜航器上浮。通过本发明的进气系统可以实现安全可靠的水下潜航器进气。

排气：从潜航器内燃机排气筒排出的废气首先进入由排气筒隔板28在底座围板27中隔出来的底座排气通道，该通道由隔热绝缘敷料29包覆，以防止内燃机废气二次加热潜航器内舱内的空气；废气经过底座排气通道以后穿过底座法兰30、密封垫板32、桅杆法兰31进入排气筒主体13，然后穿过排气挡板49进入排气筒U形头10，排气筒U形头10由隔板11以及顶板12形成倒U形通道供废气通过；流过排气筒U形头10以后进入排气口9最后通过由单向阀卡箍8连接的排气单向阀7排至外界；如果有随机波浪则排气单向阀7可防止水进入排气筒，如果大的波浪淹没了排气单向阀7则依靠潜航器内燃机的排气背压大于水压顺利排气，排气筒U形头10起到缓冲的作用，如果淹没过深水压超过了内燃机的排气背压则排气筒U形头10的缓冲作用已经不足以保证排气安全，此时排气筒漏水报警传感器51触发，排气挡板直流电机47开始工作，驱动排气挡板转轴48旋转，带动排气挡板49旋转密封住排气筒主体13，防止进水，同时内燃机停机潜航器上浮。通过本发明的排气系统可以实现安全可靠的水下潜航器排气。

散热：潜航器舱内设置直流风机35，直流风机35启动后将舱内的热空气抽到风机自身的排风筒中，热风通过排风筒后经过散热管转换接头36进入十根第一散热管38中，然后通过散热管接头37并流过底座法兰30、密封垫板32、桅杆法兰31进入桅杆的散热管接头37，进入对应的十根第二散热管39，第二散热管39处于由两片导流罩2缝隙进入海水的浸泡中，热空气经过海水的冷却最后到达第二散热管39顶端的散热管接头37，然后经过海水冷却的空气流过转换法兰40后进入进气筒主体6，最后按上述进气过程重新进入潜航器舱内完成散热的过程。通过本发明的散热系统可以安全可靠高效地将积攒在潜航器舱内的由内燃机产生的热量，从而保持潜航器动力舱的温度不过高保证内燃机的工作效率不下降。

装置结构强度：由于进、排气筒主体都很高，所以需要设置加强筋保证结构强度。首先是进气筒主体6与排气筒主体13之间通过开多个减轻孔的进排气筒中间加强筋15焊接到一起，成为一个整体加强桅杆的整体强度，进气筒主体6前侧与进气筒前加强筋14焊接联接，排气筒主体13与开多个减轻孔的排气筒后下加强筋17焊接联接，排气筒U形头10与开多个减轻孔的排气筒后上加强筋16焊接联接，这样保证了进排气筒纵向强度；进气筒主体6与排气筒主体13在环向由和第一桅杆圆周加强筋18、第二桅杆圆周加强筋19、第三桅杆圆周加强筋20、第四桅杆圆周加强筋21、第五桅杆圆周加强筋22、第六桅杆圆周加强筋23共六道开数量不等的通孔的加强筋焊接联接，这样与前述的加强筋组成横纵交错的立体框架保证了桅杆装置的结构强度。

桅杆可拆可放倒：为了运输等的方便，上部桅杆设计成可拆可放倒式，通过旋臂41将上部的桅杆和下部的底座连接在一起，当需要放倒或拆卸桅杆的时候，将底座法兰30和桅杆法兰31之间的连接螺栓拆开，则桅杆绕旋臂上轴42实现旋转，旋转的支点为旋臂下轴43。

桅杆导流罩：由于水下无人潜航器需要在水下高速航行，桅杆会产生很大的阻力，所以需要将桅杆的外形做成流线形导流罩以最大地减少阻力，导流罩采用复合材料(玻璃钢)制作以减轻重量降低潜航器重心，导流罩由两片组成，连接处的缝隙以利于水进入内部冷却第二散热管39，具体如图3所示。

(2)吃水M工况，进气口在水面上，排气口在水面下：

进气：与工况K相同；

排气：与工况K不同的是，此时排气口9与排气单向阀7均在水面下，此时主要依靠潜航器内燃机的排气背压大于水压顺利排气，排气筒U形头10起到缓冲的作用，如果淹没过深水压超过了内燃机的排气背压，则排气筒U形头10的缓冲作用已经不足以保证排气安全，此时排气筒漏水报警传感器51触发，排气挡板直流电机47开始工作，驱动排气挡板转轴48旋转，带动排气挡板49旋转密封住排气筒主体13，防止进水；同时内燃机停机潜航器上浮。通过本发明的排气系统可以实现安全可靠的水下潜航器排气。

散热：与工况K相同；

装置结构强度：与工况K相同；

桅杆可拆可放倒：与工况K相同；

桅杆导流罩：与工况K相同；

(2)吃水N工况，进气口、排气口均在水面下：

进气：此时水位已经完全淹没了进气保护罩1的上表面，此时进气浮阀2由于浮力的作用完全滑到顶端进气筒4的顶端将进气口3封住以避免水进入进气筒主体6，同时作为第三道保险，进气筒主体6中的进气筒漏水报警传感器50可随时检测进气筒主体6内的进水情况，如果有进水情况发生则进气挡板直流电机44接到信号开始工作，通过旋转进气挡板转轴45带动进气挡板46旋转，切断进气筒主体6的通路，阻隔水进入潜航器内部造成事故，同时内燃机停机潜航器上浮。通过该系统可以实现安全可靠的水下潜航器进气。

排气：此时进气系统已经停止工作，内燃机已经停机，排气单向阀7发挥作用阻隔水进入排气筒主体13，同时排气筒U形头10起到缓冲的作用，如果排气筒U形头10的缓冲作用已经不足以保证安全，此时排气筒漏水报警传感器51触发，排气挡板直流电机47开始工作，驱动排气挡板转轴48旋转，带动排气挡板49旋转密封住排气筒主体13，防止进水，此时内燃机停机潜航器上浮。通过该系统可以实现安全可靠的水下潜航器排气。

散热：此时直流风机35停机，以保存蓄电池能源以利于潜航器再次开机。

装置结构强度：与工况K相同；

桅杆可拆可放倒：与工况K相同；

桅杆导流罩：与工况K相同；

本发明通过进气浮阀利用浮阀密度小于水的浮力的调节原理来控制进气口的开关，通过进气筒漏水报警传感器以及进气挡板的联动控制进气筒的关闭，通过排气单向阀控制排气口的开关，通过排气筒漏水报警传感器与排气挡板的联动控制排气筒的开关，通过桅杆法兰与底座法兰的连接以及旋转臂的作用实现桅杆的可拆可放倒，通过风机抽风、散热管海水冷却实现了潜航器舱内空气的主动散热。

综合这些功能，可以实现水下无人潜航器的安全可靠的进排气，从而为将内燃机引入到水下无人潜航器实现传统的无人潜航器无法实现的高速航行奠定了基础。

Claims (10)

1.一种单桅杆式潜航器一体化进排气装置，其特征在于：包括进气浮阀(2)、顶端进气筒(4)、进气筒主体(6)、排气口(9)、排气筒U形头(10)、排气筒主体(13)、底座及导流罩(52)，其中底座安装在潜航器舱壁外表面，进气筒主体(6)及排气筒主体(13)的一端通过桅杆法兰(31)与底座连接，所述进气筒主体(6)的另一端与顶端进气筒(4)的一端相连，顶端进气筒(4)的另一端为密封闭端、并在靠近另一端的外表面上开设有多个进气口(3)，在顶端进气筒(4)上套设有可上下滑动的进气浮阀(2)；所述排气筒主体(13)的另一端连接有排气筒U形头(10)，该排气筒U形头(10)的末端设有排气口(9)；所述底座内部分为两部分，一部分用于连通进气筒主体(6)及潜航器舱内，另一部分用于连通排气筒主体(13)及潜航器内部内燃机的排气筒，气体由所述进气口(3)进入，依次通过进气筒主体(6)、底座进入潜航器舱内，内燃机排气筒的废气依次通过底座、排气筒主体(13)、排气筒U形头(10)、排气口(9)排出；在进气筒主体(6)及排气筒主体(13)的外围设有导流罩(52)。

2.按权利要求1所述的单桅杆式潜航器一体化进排气装置，其特征在于：所述进气筒主体(6)及排气筒主体(13)内分别设有防止海水进入潜航器舱内的防倒灌装置。

3.按权利要求2所述的单桅杆式潜航器一体化进排气装置，其特征在于：所述防倒灌装置包括漏水报警传感器、直流电机、挡板及转轴，其中漏水报警传感器安装在进气筒主体(6)或排气筒主体(13)的内壁，在漏水报警传感器的下方设有可转动的转轴，该转轴上固接有随其转动的挡板；所述直流电机安装在进气筒主体(6)或排气筒主体(13)的外表面上，直流电机的输出轴插入进气筒主体(6)或排气筒主体(13)内，该输出轴通过伞齿轮组驱动转轴转动。

4.按权利要求1所述的单桅杆式潜航器一体化进排气装置，其特征在于：所述导流罩(52)内设有多根安装在桅杆法兰(31)上的第二散热管，该第二散热管的一端与进气筒主体(6)内部连通，另一端与底座内的第一散热管的一端连通，第一散热管的另一端接至潜航器舱内的直流风机。

5.按权利要求1所述的单桅杆式潜航器一体化进排气装置，其特征在于：所述底座包括底座后肘板(24)、底座前肘板(25)、底座底板(26)、底座围板(27)及排气筒隔板(28)，其中底座底板(26)密封安装在潜航器舱体上，底座底板(26)上分别开有供进气和排气的通孔，所述底座围板(27)的一端焊接在底座底板(26)上，另一端设有与桅杆法兰(31)连接的底座法兰(30)，在底座围板(27)中间安装有将底座内部分成进、排气两部分的排气筒隔板(28)；所述底座围板(27)的两侧分别设有底座后肘板(24)及底座前肘板(25)。

6.按权利要求5所述的单桅杆式潜航器一体化进排气装置，其特征在于：所述进气筒主体(6)与排气筒主体(13)之间、进气筒主体(6)与导流罩(52)之间以及排气筒主体(13)与导流罩(52)之间分别设有加强筋，在所述加强筋与底座前肘板(25)或底座后肘板(24)之间连接有旋臂(41)，该旋臂(41)的两端分别与加强筋、底座前肘板(25)或底座后肘板(24)铰接。

7.按权利要求5所述的单桅杆式潜航器一体化进排气装置，其特征在于：所述排气筒隔板(28)以及底座围板(27)的端部包覆有隔热绝缘敷料(29)。

8.按权利要求1、2、4或6所述的单桅杆式潜航器一体化进排气装置，其特征在于：所述进气筒主体(6)的另一端设有桅杆顶板(5)，该桅杆顶板(5)上开有供气体通过的孔；所述顶端进气筒(4)的一端安装有桅杆顶板(5)上，另一端的密封端密封连接有进气保护罩(1)。

9.按权利要求1、2、4或6所述的单桅杆式潜航器一体化进排气装置，其特征在于：所述排气筒U形头(10)为一扁筒，内部通过隔板(11)分开，顶端通过顶板(12)封闭、实现U形排气通道，排气筒U形头(10)的末端与水平布置的排气口(9)焊接，该排气口(9)通过单向阀卡箍(8)与排气单向阀(7)相连。

10.按权利要求1、2、4或6所述的单桅杆式潜航器一体化进排气装置，其特征在于：所述导流罩(52)内部由上至下设有多个桅杆圆周加强筋。