CN108750052A - 长隧洞水下作业型载人潜航器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种长隧洞水下作业型载人潜航器，包括舱体，所述舱体外设置有作用于不同方向的多个推进器，舱体上连接脐带缆，脐带缆与母船连接，舱体底部可拆卸安装有压载水箱；所述舱体分为气舱、过渡舱及水舱，上述三个舱内均设置有脐带缆供电接口、蓄电池及照明系统，所述气舱内还设置有航行系统及生命支持系统，所述过渡舱内设置有加压系统，所述水舱内安放有施工工具及救生艇。本发明所述的潜航器采用三舱分隔式结构，设计合理，适合于长隧洞的观察及检修工作。应急逃生措施完善，内部电气系统及生命支持系统均具有应急设备，设置脐带缆、救生艇及小型推进器三种救生措施，充分保障工作人员的人身安全。

Description

长隧洞水下作业型载人潜航器

技术领域

本发明属于潜水器技术领域，尤其涉及一种适用于长隧洞潜航的作业型载人潜航器。

背景技术

水下长隧洞因为距离较长，潜水员潜水时间有限，要实现全隧洞的人工检修难度非常大。一般情况下，长度在2km内的隧洞水下检查，均采用水下机器人或污水遥控潜水器对隧洞内部衬砌结构的表面进行摄像。根据所拍摄的混凝土结构缺陷，能够确定需维修位置。这种方式只能发现并确定隧洞内需检修的问题，不能完成维修工作。对于长度大于2km的水下隧洞，则连水下机器人也无法对其进行彻底检查和维护。如果要实现放空检修，就会大量地耗时耗力耗资金，而且还可能对隧洞结构的受力状态产生不利影响。为此，通过载人潜航器对长隧洞内部衬砌的混凝土结构进行检查、维修是现有技术下的最佳选择，流速低于0.5m/s时，可在不放空隧洞的情况下，进行人工水下作业。

目前市场上的小型载人潜航器，多为无缆型，适用于观光或观察，内部人员不能在水下出舱，无法进行舱外的维护和检修。中国专利201510352266.7提出一种深水载人潜水器，包括机架、载人仓、机械手、备用电池、收发器、通讯器材、行走履带、万向螺旋桨、自卸装置和自救装置。该潜水器可深潜至水下，操作人员在载人舱内操纵机械手完成部分工作。在潜水器发生故障的时候通过自卸装置可以迅速安全脱离机架通过母船把载人仓拉回水面，自救装置的载人安全囊用于母船与载人潜水器失去联系时上浮到海面，可以起到自救的作用。但该载人潜水器采用履带实现移动，在水下行动不便，无法在隧洞侧壁和顶壁工作，而且位于载人舱内的工作人员无法到潜水器外进行工作，难以完成修复工作。当潜水器位于隧洞的深部时，若母船与潜水器脱离，则工作人员依靠载人安全囊很难浮到水面，自救困难。

发明内容

本发明针对上述现有的载人潜水器内部人员不能出舱，无法进行舱外的维护和检修；应急逃生系统不完善，作业人员难以自救的技术问题，提出一种专为长隧洞的情况使用，同时具备作业人员可出舱作业的条件，安全可靠的长隧洞潜航的作业型载人潜航器。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种长隧洞水下作业型载人潜航器，包括舱体，所述舱体外设置有作用于不同方向的多个推进器，舱体上连接集供气软管、信号绳、安全绳为一体的脐带缆，脐带缆与母船连接，舱体底部可拆卸安装有压载水箱；所述舱体经闸门分割为供工作人员操作和休息的气舱、供进出的过渡舱及装载工具的水舱，上述三个舱内均设置有脐带缆供电接口、蓄电池及照明系统，所述气舱内还设置有航行系统及生命支持系统，所述过渡舱内设置有加压系统，所述水舱内安放有施工工具及救生艇。

作为优选，所述推进器包括4个上下推进器，4个前后推进器和2个侧向水平推进器。

作为优选，所述舱体整体两端为椭圆球型，中间为圆柱型。

作为优选，所述舱体底部安装有底座，所述压载水箱可拆卸的固定在底座上，压载水箱上设置有气阀及水阀，气阀通过管道连接至气泵。

作为优选，所述生命支持系统包括制氧装置、二氧化碳去除装置及应急气罐。

作为优选，所述航行系统包括深度仪、航向指示仪、速度仪、回声测深仪及声呐系统。

作为优选，所述过渡舱内还设置有小型助推器。

作为优选，所述舱体、小型助推器和救生艇上均安装有定位器。

作为优选，气舱前端安装有机械臂。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：本发明所述的潜航器采用三舱分隔式结构，设计合理，适合于长隧洞的观察及检修工作。舱体外在上下左右及前后方向上均设推进器，使潜航器在三维上均可灵活运动。应急逃生措施完善，内部电气系统及生命支持系统均具有应急设备，设置脐带缆、救生艇及小型推进器三种救生措施，充分保障工作人员的人身安全。

附图说明

图1为本发明潜航器的外侧面结构示意图；

图2为本发明潜航器的内部结构示意图；

图3为本发明潜航器的环切面结构示意图；

以上各图中：

A—水舱；B—过渡舱；C—气舱；

1—备用储气罐；2—活动门；3—连接罩；4—脐带缆；5—气、电、通信接口；6—压载水箱；7—底座；8—操控台；9—闸门；10—前后推进器；11—上下推进器；12—照明灯；13—观察窗；14—机械手；15—显示屏；16—材料储存区；17—逃生艇；18—工具储存区；19—座椅；20—方向舵。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例做具体说明。

实施例：如图1至图3所示，一种长隧洞水下作业型载人潜航器，包括舱体，所述舱体经闸门9分割为水舱A、过渡舱B、气舱C三部分。正常航行情况下，工作人员在常压气舱C内操作潜航器、观察外部情况及休息待命，内部安装有操控台8、显示屏15、座椅19等设施。过渡舱B内设加压系统，舱内可通过空气压缩或者充水等方式使舱内压力逐渐与外界水压持平，使舱内人员逐渐适用水下压力。水舱A主要装载施工材料、液压施工设备、液压动力站、应急设备等。作业时，工作人员穿着潜水服，从气舱C进入过渡舱B，再由过渡舱B进入水舱A，水舱A后部设置有活动门2，携带设备和工具后从活动门2离开潜航器进行隧洞水下作业。潜航器的工作人员要求为潜水员或者经过体检合格，适合在加压环境中工作的人员。

下面对该潜航器的各个组成部分分别就进行说明。

1、外部结构

为减少在航行过程中水的阻力，潜航器中部为圆柱形，两端为椭圆球形。该形状使壳体结构处于最佳的受力状态，潜航器的最大作业水深60m。该潜航器所有舱室的壳体采用高强度船体结构用钢制作，所用钢级可选择E、D32、D36、D420级别。每一耐压壳体的焊缝均要做常规试验，进行焊缝腐蚀、接头拉力、接头弯曲、冲击试验。耐压壳体上的对接焊缝应100%进行射线检测。耐压壳体上的全焊透角焊缝应100%进行超声波检测。

潜航器在水中的浮力约为25t，潜航器自重控制在22t左右，使浮力略大于其总重量。舱体底部安装有底座7，底座7上可拆卸的安装有前后左右4个压载水箱6。压载水箱6为独立的圆柱形水箱，主要用于对潜航器充水加载，调整潜航器在水中的浮力状态。压载水箱6设有水阀和气阀两个阀门。减重时，可通过脐带缆4的充气管向内充气，同时排水使潜航器上浮。同时，压载水箱6内的气体也可作为应急备用气源使用。压载水箱6与底座7之间设置有解抛装置，该解抛装置包括解抛电机及推杆，在紧急情况下，可通过解抛压载水舱A来实现应急上浮。当然也可手动解除压载水箱6与底座7的连接，实现手动解抛。

潜航器两侧和艏部设有照明灯12和观察窗13，便于工作人员随时观察外部情况，观察窗13采用聚甲基丙烯酸甲酯作为窗玻璃材料。

2、电气系统

舱体上连接有脐带缆4，脐带缆4与母船连接，该脐带缆集供气软管、电缆、信号绳、安全绳为一体。电缆由于至于水环境中，因此选用耐压水密型电缆，且具有阻燃性能。电缆与信号绳、供气管软直接与耐压壳体上的气、电、通信接口5连接。耐压壳体外侧安装有连接罩3，安全绳则与耐压壳体上的连接罩3相连，从而保证脐带电缆和供气软管不受到拉伸荷载。

潜航器正常工作时，由母船经电缆供电，每个舱室均设置脐带缆4转换接口，包含了供电、供气管以及通信接口。气舱C内还安装有备用蓄电池，在紧急状况下，各舱室的供电接口均可通过气舱C内的备用蓄电池供电。备用蓄电池在此时可为照明系统、通信系统、航行系统供电，以保障潜航器可正常运行，便于工作人员逃生。备用蓄电池可采用铅酸电池、银锌电池或镍鎘电池，每个电池上部的接线头封装剂，应有良好的绝缘性能。

潜航器各舱室设有正常照明灯12和应急照明灯12。正常照明的照度在65～80lx范围内，便于居住人员观察仪表和进行必要操作。应急照明灯由备用蓄电池，不必依靠水面供电，应急照明等在主电源断电时自动开启。

3、航行系统

航行系统的控制台位于气舱C内，主要包括通讯系统、导航定位系统、测压仪、姿态指示仪，集中安装在方向舵20上。气舱C内还设置有声呐系统，用于探测周围障碍物。还包括航行测速仪、测深仪，此类需要在水中工作的装置均设置在水舱A内，测深仪设置为两套，其中一个为压力传感型测深仪，可根据水压检测水深。各类仪器的检测信号均通过显示屏15显示。

潜航器与水面母船之间主要通过脐带缆4内的信号绳通讯，潜航器内还配备无线通信设备，保证在紧急状态下，潜航器挣脱脐带缆4实现自由自航时，潜航器能发出遇险呼救信号。潜航器水舱A内设置有定位装置，便于水面的救援。

舱体上安装有4个上下推进器11，4个前后推进器10和2个侧向水平推进器，可使该潜航器在三维方向灵活运动，便于观察或施工。一般情况下，每类推进器2台协同工作，使潜航器可以灵活地进行前后、左右、上下三维运动。剩余的推进器应急备用。在故障状态下，要求每类推进器剩余的2台能够承担全部工作，保证在主推进器故障时，潜航器仍能继续航行。

4、生命支持系统

正常状态下，气舱C和过渡舱B的供气由脐带缆4内的充气管连接的母船上的外部空压机组提供。

潜航器顶部还安装有2个大型备用储气罐1，每个储气罐的供气管均可独立通往气舱C和过渡舱B。每个备用储气罐1可供5名潜水员呼吸2小时。气舱C内设有应急气瓶，应急气瓶的数量需满足5人呼吸1小时的需求。过渡舱B内设有5个12L的气瓶可供3名潜水员在减压过程中使用。水舱A内及水舱A中的逃生艇17内均放置有应急气罐，以备紧急情况时使用。

潜航器载人舱室的二氧化碳分压不得超过0.5kPa，因此气舱C内还设有制氧装置和二氧化碳去除装置，均设置为2套，其中一套作为应急备用。

5、应急逃生系统

对于处于动力瘫痪状态下的潜航器，其离开危险水域的方式有两种：一种为强行拖拽，在紧急情况下，可利用牵引脐带缆4，通过母船上的卷扬机等设备将其拉出洞外。在供气条件允许的情况下，潜水员可一直待在潜航器内。第二种为应急上浮，此种逃生方式适合开阔水域，脐带缆4与潜航器连接部位设置独立接头，遇到紧急情况时，脐带缆4可与潜航器脱开，并解抛压载水箱6，便于潜航器逃生。

在潜航器紧急撤离失败的情况下，工作人员可选择弃船逃生。所述水舱A内盛放有一艘可承载5名工作人的逃生艇17，逃生艇17内自带电池组、推进器和紧急气罐。尺寸约为长1.8m，宽1.5m，航行速度2节，续航能力不低于14km。所述水舱A内还安放有小型助推器，当逃生艇17无法使用的状态下，潜水员可穿戴自携式潜水装具，采用小型助推器向隧洞外逃生。

6、任务执行系统

任务执行系统主要是潜水员出水作业需要用的各种材料、工具和液压动力站，施工材料安装在水舱A内的材料储存区16，施工工具安装在工具储存区18，可根据不同的任务，携带不同设备和工具。任务执行系统所用电力通过电缆由水面连续电源提供。潜航器艏部设置有两个机械手14，一个机械手14用于固定潜航器主体，另一个机械手14用于外部任务操作。

7、潜航器水面支持系统

水面支持系统包括电力系统、起重系统、供气系统、水面监控系统、通讯系统、水下定位系统、绞盘系统、减压舱等。

电力系统包含母船上的外接电源和备用200kW发电机。

供气系统为产气量15m³/h的空压机组，直接为潜航器提供连续气源。

水面监控系统可同时监控气舱C、水舱A、过渡舱B的实时状态，随时关注工作人员在潜航器内的状况。各舱室均设置通讯系统，保证任何时间任何地点均可与母船联络。

水下声呐定位系统主要用于实时监控潜航器的航行位置，便于紧急情况下实施搜救。

起重系统分别设有起重力40t的潜航器起重机和起重力10t的脐带缆4绞盘起重机。由于潜航器续航距离长，脐带缆4需在水面和水下各设置一个脐带绞盘。绞盘应为一个独立系统，可单独运输，并可实现自动收放脐带缆4。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种长隧洞水下作业型载人潜航器，其特征在于：包括舱体，所述舱体外设置有作用于不同方向的多个推进器，舱体上连接集供气软管、电缆、信号绳、安全绳为一体的脐带缆，脐带缆与母船连接，舱体底部可拆卸安装有压载水箱；所述舱体经闸门分割为供工作人员操作和休息的气舱、适应压力变化的过渡舱及装载工具的水舱，上述三个舱内均设置有脐带缆供电接口、蓄电池及照明系统，所述气舱内还设置有航行系统及生命支持系统，所述过渡舱内设置有加压系统，所述水舱内安放有施工工具及救生艇。

2.根据权利要求1所述的长隧洞水下作业型载人潜航器，其特征在于：所述推进器包括4个上下推进器，4个前后推进器和2个侧向水平推进器。

3.根据权利要求1所述的长隧洞水下作业型载人潜航器，其特征在于：所述舱体两端为椭圆球型，中间为圆柱型。

4.根据权利要求3所述的长隧洞水下作业型载人潜航器，其特征在于：所述舱体底部安装有底座，所述压载水箱可拆卸的固定在底座上，压载水箱上设置有气阀及水阀，气阀通过管道连接至气泵。

5.根据权利要求1所述的长隧洞水下作业型载人潜航器，其特征在于：所述生命支持系统包括制氧装置、二氧化碳去除装置及应急气罐。

6.根据权利要求1所述的长隧洞水下作业型载人潜航器，其特征在于：所述航行系统包括深度仪、航向指示仪、速度仪、回声测深仪及声呐系统。

7.根据权利要求6所述的长隧洞水下作业型载人潜航器，其特征在于：所述过渡舱内还设置有小型助推器。

8.根据权利要求1或6所述的长隧洞水下作业型载人潜航器，其特征在于：所述舱体、小型助推器和救生艇上均安装有定位器。

9.根据权利要求1所述的长隧洞水下作业型载人潜航器，其特征在于：所述气舱前端安装有机械臂。