CN110217343A - 一种增强密封的大深度海洋光学装置 - Google Patents

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Abstract

一种增强密封的大深度海洋光学装置，包括玻璃窗口、预紧法兰、耐压壳体和封头端盖。其特征在于：蓝宝石抗压锥形光学玻璃安装于壳体的窗座孔中，光学窗口法兰通过螺钉为玻璃施加预紧力，玻璃和壳体间通过端面O型密封圈及挡圈和径向O型密封圈及挡圈实现密封。封头端盖和壳体之间通过螺钉施加预紧力，端盖和壳体间由径向O型密封圈及挡圈和端面O型密封及挡圈实现密封。球形圆柱面外形配合耐压法兰、抗压玻璃和抗压端盖实现抗压。本发明专利密封简单可靠，结构紧凑，具备深海大深度6000米抗压强度和稳定性，且适合多种光电系统设备搭载。

Description

一种增强密封的大深度海洋光学装置
技术领域
本发明属于抗压装置技术领域，具体涉及一种增强密封的大深度海洋光学 装置。
背景技术
深海抗压光学装置一般在窗口玻璃周围布置密封圈和密封垫，再通过预紧 法兰为这些密封件施加预压紧力。光电设备安装完毕后，壳体后端部装上密封件通 过端盖为其施加预压紧力。
现有技术公开的深海抗压装置，如专利号为CN200820066898.2公开的一种 耐压密封窗口。布置在锥形玻璃圆柱面和窗孔外侧孔肩间的O形密封圈为第一道密 封，玻璃锥形面和窗座承压面之间通过聚四氟乙烯垫片实现第二道密封。该密封形 式能满足深度1000米要求。但是在深海大深度6000米环境下第一道密封圈要同时 承受来自径向和端面两方向的水压，密封可靠性不好；第二道密封垫的聚四氟乙烯 材料无法提供足够的接触应力抵抗外压而失效。故此密封方式不适用于水下6000米 环境。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种增强密封的 大深度海洋光学装置，以解决现有技术下壳体抗压性能不足，密封不可靠问题。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
一种深度抗压光学装置，包括玻璃窗口、预紧法兰、壳体和封头端盖，所述的 玻璃窗口安装于壳体的窗座孔中，所述的封头端盖和壳体之间通过螺钉预紧，其特 征在于：还包括玻璃端面密封圈及其挡圈、玻璃径向密封圈及其挡圈、壳体径向密 封圈及其挡圈和壳体端面密封圈及其挡圈；
所述的玻璃窗口的端面与壳体的窗座孔底部之间设有玻璃端面密封圈及其挡圈， 所述的玻璃窗口的径向与壳体的窗座孔侧壁之间设有玻璃径向密封圈及其挡圈，所 述的封头端盖的径向与壳体的侧壁之间设有壳体径向密封圈及其挡圈，所述的封头 端盖的端面与壳体底部之间设有壳体端面密封圈及其挡圈。
所述的玻璃窗口为单边倾角45°的顶端略带弧形的柱面锥型蓝宝石窗口玻璃。 柱面部分与壳体窗座孔对应位置配置径向密封圈及其挡圈，底端部分与壳体窗座孔 对应位置配置端面密封圈及其挡圈。其厚度t满足蓝宝石锥形玻璃强度公式：
其中δmax为蓝宝石受到的应力，单位为MPa；δb为蓝宝石材料的强度极限， δb＝400MPa；[δ]为蓝宝石玻璃的许用应力，[δ]＝100Mpa；[δ]≥δmax；r为锥形玻璃小圆 半径，单位为mm；t为玻璃厚度，单位为mm；q为最大工作深度对应外压，q＝75MPa。
按上述方案所述的预紧法兰，其特征是开有凹槽，用于与壳体安装面凸台 尺寸定位和布置保护玻璃的聚四氟乙烯垫片。
按上述方案所述的壳体窗座孔，其特征是侧壁部分开有两道径向密封槽， 窗座孔锥面底端的平面开有一道端面密封槽。分别配置径向密封圈及其挡圈和端面 密封圈及其挡圈。壳体底部分别在内径径向和端面开有两道径向密封槽和一道端面 密封槽，分别用于配置径向和端面密封圈及其挡圈。
按上述方案所述的壳体，其特征是圆柱形结合球曲面形；壳体中间部分开 有环肋。圆柱壳厚度δ满足外压圆柱壳公式：
Pcr＝n[P]
其中Pcr为圆柱壳的临界压力，单位为MPa；[P]为许用外压，[P]＝90MPa；n 为安全系数，n＝3；其中，由于0.45(δ/D0)2.5量很小，忽略不计；L为圆柱壳长度，单 位为mm；D0为近似内直径，单位为mm；E为材料弹性模量，钛合金材质E＝110GPa；δ为 圆柱壳厚度，单位为mm。
按上述方案所述的封头端盖，其特征是外侧呈扁球形；端盖安装面突出一 部分形成内密封套筒；端盖内球壳部分沿开孔环向布置辐肋板。端盖半径和厚度满 足外压球壳公式：
其中，R0为球壳外半径，单位为mm；δe为球壳厚度，单位为mm。按所选材 料查表确定对应的外压应力系数B曲线图，由A值查取B值；[p]为许用外压，单位为 MPa；Pc为计算外压，单位为MPa；计算得到的[P]应大于或等于Pc，否则调整参数，重复 上述计算，直到满足设计要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
窗口玻璃采用蓝宝石材质的锥形结构外形，其顶面略带弧形，改善了玻璃 结构内的应力分布，其结构强度达到深海大深度6000米抗压要求，且符合光学性能 的需要。
锥形窗口玻璃密封采用径向加端面三道密封的设计，突破了锥形玻璃无法 使用端面密封的局限，密封可靠性好，其性能能达到深海6000米的密封要求。
壳体采用球壳和圆柱壳相结合结构，端盖采用扁球壳端盖结构形式且开孔 处由辐肋加强，经有限元仿真其结构强度和稳定性达到深海大深度6000米抗压要求。
附图说明
图1是本发明增强密封的大深度海洋光学装置的剖视图；
图2是本发明增强密封的大深度海洋光学装置的窗口部分爆炸视图；
图3是端盖主视示意图，
图4是端盖侧视示意图；
图中：1-玻璃窗口，2-预紧法兰，3-聚四氟乙烯垫片，4-螺钉，5-玻璃端面密封圈 及其挡圈，6-玻璃径向密封圈及其挡圈，7-壳体，8-端盖，9-壳体径向密封圈及其 挡圈，10-壳体端面密封圈及其挡圈，11-水密接插件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
结合附图1和图2，法兰12通过M6钛合金螺钉4对玻璃窗口预紧。聚四 氟乙烯垫圈3在预压过程中起到保护玻璃和调整玻璃尺寸定位的作用。壳体端部通 过M6钛合金螺钉对封头端盖8预紧。窗座孔侧壁开有两道径向密封槽，用于布置两 道径向密封圈和挡圈3形成主密封；窗孔锥面底端的平面开有一道端面密封槽，用 于布置端面密封圈和挡圈5形成次级密封。一旦其中两道主径向密封均失效而出现 泄漏，流体流向经过端面处发生90°转折，摩擦阻力可减少30％，因此流体作用在 端面密封的压力会减少，为端面密封提供保护，因此径向密封和端面密封组合的形 式能提供可靠的密封性能。
结合附图1和图2，窗口和壳体底部的径向、端面密封槽尺寸均按国家标 准定义和选取；密封圈选用聚氨酯硬度90HA的O型密封圈，在大深度高压环境下 O型圈的自密封作用能提供足够的接触应力，其密封效果较普通丁晴橡胶更好；密 封槽内均配置聚四氟乙烯挡圈，防止在外压作用下O型圈挤进密封间隙中发生破坏。
结合附图1和图2，窗口玻璃采用蓝宝石材料，具有抗压强度高，抗热变 形能力好，光学性能优异的特点，结合单边倾角θ＝45°的锥形，这样设计可以使玻 璃主要受压力，利用蓝宝石玻璃抗压不抗拉的特性保证其强度；且窗座孔承压面在 外压下变形最小，避免因变形过大造成玻璃破坏。其厚度满足锥形玻璃强度校核公 式：
其中δmax为窗口玻璃受到的应力，单位为MPa；δb为材料的强度极限， δb＝400MPa；[δ]为蓝宝石玻璃的许用应力，[δ]＝100Mpa；[δ]≤δmax；r为锥形玻璃小圆 半径，单位为mm；t为玻璃厚度，单位为mm；q为最大工作深度对应外压，q＝75MPa。
结合图1、图2和表1锥形玻璃顶面的一部分有略微的弧形的凸起，对比 纯平面，凸起的弧形部分是球面的一部分抗压效果更好，改善内应力分布。表1所 示经过对比，顶端略带弧形的锥形玻璃受到的应力更小，结构强度更高。考虑到弧 面对光学性能的影响，顶部弧度不因过大，因而采用略带弧形的设计。考虑到便于 安装聚四氟乙烯垫圈3，玻璃顶面边缘处为平面。如表1所示，窗口玻璃受到的应 力小于其许用应力，其强度符合深海大深度6000米抗压要求。
表1略带弧度的锥形窗口玻璃和纯平面的窗口玻璃有限元应力仿真对比
弧面锥形窗口玻璃应力MPa 平面锥形窗口玻璃应力MPa
最大值 75.143 75.267
许用值 100 100
结合附图1和图2，壳体开出对应窗口玻璃顶部大底部小的柱面锥形窗 孔，其中侧壁和玻璃之间有一定间隙，这样既可以保证密封性能的条件下窗口玻璃 的安装方便，也可以避免因外压作用导致的壳体侧壁变形对玻璃的挤压，防止玻璃 与金属面发生硬接触。窗孔锥面底端为非承压面，受外压形变较小，将光电设备布 置在其背面可使壳体内部光学设备性能受变形影响较小；因为变形较小其厚度较小， 可使窗口玻璃和光电设备距离更近，改善光学性能。
结合附图1、图2和表2，由于摩擦力作用，窗口玻璃在外压作用下和窗座 锥面间轴向相对位移被限制。且装配后玻璃底部和金属密封端面间设计出合理间隙， 保证聚四氟乙烯端面密封挡圈在外压下受较小的应力作用，既是端面密封挡圈也是 玻璃缓冲垫圈。经有限元仿真如表2所示，其最大值为1.66MPa，小于其许用应力值 9MPa，故聚四氟乙烯端面密封挡圈不会因窗口过度位移而导致压溃失效，从而避免 了玻璃底面与金属密封端面发生硬接触而被破坏的风险，从而可以在端面布置密封 圈。
表2各零件及装配体有限元仿真结果
结合附图1壳体底部内径径向面开有两道径向密封槽，布置密封圈和挡圈 9，形成主密封；端面开有端面密封槽，布置密封圈和挡圈10形成次级密封，提供 较可靠的密封保证。
结合附图3和图4封头端盖8采用扁球形抗压外形设计，兼顾高抗压性和 结构紧凑的特点。封头端盖半径和厚度满足外压球壳公式：
其中，R0为球壳外半径，单位为mm；δe为球壳厚度，单位为mm。按所选材 料查表确定对应的外压应力系数B曲线图，由A值查取B值；[p]为许用外压，单位为 MPa；Pc为计算外压，单位为MPa；计算得到的[P]应大于或等于Pc，否则调整参数，重 复上述计算，直到满足设计要求。
结合图1和图3和表2所示封头端盖中心开有水密接插件(11)的螺纹孔。 考虑开孔对结构强度的破坏，在端盖内侧开孔环向位置采用8辐板加强肋。经有限 元分析其最大应力为548Mpa，小于钛合金许用应力。封头端盖符合深海大深度6000 米抗压强度要求。
壳体(7)采用抗压球壳和圆柱壳组合形式，圆柱壳厚度满足外压圆柱壳公式：
Pcr＝n[P]
其中Pcr为圆柱壳的临界压力，单位为MPa；[P]为许用外压，[P]＝90MPa；n 为安全系数，n＝3；其中，由于0.45(δ/D0)2.5量很小，忽略不计；L为圆柱壳长度，单 位为mm；D0为近似内直径，单位为mm；E为材料弹性模量，钛合金材质E＝110GPa；δ为 圆柱壳厚度，单位为mm。
经过有限元仿真，壳体中间部分薄壳体处应力最大，对其增加环肋改善径 向稳定性。经有限元仿真分析优化如表2所示，最大应力468Mpa，小于钛合金许用 应力，抗压壳体符合深海大深度6000米抗压强度要求。耐压法兰，耐压壳体，耐压 端盖装配形成的模型有限元一阶模态稳定性安全系数结果值28.962，大大超过了安 全系数1.5的要求，整体屈曲(稳定性)符合深海大深度6000米抗压要求。

Claims (4)

1.一种增强密封的大深度海洋光学装置，包括玻璃窗口(1)、预紧法兰(2)、壳体(7)和封头端盖(8)，所述的玻璃窗口(1)安装于壳体(7)的窗孔中，所述的封头端盖(8)和壳体(7)之间通过螺钉(4)预紧，其特征在于：还包括玻璃端面密封圈及其挡圈(5)、玻璃径向密封圈及其挡圈(6)、壳体径向密封圈及其挡圈(9)和壳体端面密封圈及其挡圈(10)；
所述的玻璃窗口(1)的端面与壳体(7)的窗座孔底部之间设有玻璃端面密封圈及其挡圈(5)，所述的玻璃窗口(1)的径向与壳体(7)的窗座孔侧壁之间设有玻璃径向密封圈及其挡圈(6)，所述的封头端盖(8)的径向与壳体(7)的侧壁之间设有壳体径向密封圈及其挡圈(9)，所述的封头端盖(8)的端面与壳体(7)底部之间设有壳体端面密封圈及其挡圈(10)。
2.根据权利要求1所述的增强密封的大深度海洋光学装置，其特征在于，所述的玻璃窗口(1)为单边倾角45°的顶端带弧形的柱面锥型蓝宝石玻璃。
3.根据权利要求1所述的增强密封的大深度海洋光学装置，其特征在于，所述的预紧法兰(2)开有凹槽，用于预紧法兰(2)与壳体安装面凸台尺寸定位和布置保护玻璃的聚四氟乙烯垫片(3)。
4.根据权利要求1所述的增强密封的大深度海洋光学装置，其特征在于，所述的壳体(7)的窗孔的圆柱面部分开有两道径向密封槽，窗孔锥面底端的平面开有一道端面密封槽，分别配置径向密封圈及其挡圈和端面密封圈及其挡圈。
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