CN111959727A - 一种可蓄压式深海悬浮定深装置 - Google Patents

一种可蓄压式深海悬浮定深装置 Download PDF

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Abstract

本发明的一种可蓄压式深海悬浮定深装置，包括壳体，壳体设置有压力传输构件和浮力控制结构；所述压力传输构件包括壳体内设置的密封的腔体，腔体内滑动设置有活塞，活塞一端通过弹簧与腔体底部固定，另一端连接有穿出壳体的压力感应单元，压力感应单元与壳体之间滑动连接，所述活塞中部开设环槽；所述浮力控制结构包括气囊、高压气仓和低压气仓，高压气仓中填充高压气体，气囊与缸套中部连通，低压气仓、高压气仓分别与缸套的两端连通。本发明在受到内波等海洋环境影响导致其深度位置发生大幅变化后，可迅速将装置自发调整至预设深度范围内。

Description

一种可蓄压式深海悬浮定深装置
技术领域
本发明属于深海悬浮定深技术领域，尤其涉及一种可蓄压式深海悬浮定深装置。
背景技术
随着海洋资源的开发利用, 各种水下无人探测平台在海洋环境调查、海洋资源开发、深海生物研究等领域得到广泛应用。根据具体任务不同，要求探测平台具备不同的工作状态和位置，其中一类要求探测平台处于海洋中某一固定深度位置进行长时效漂流观测。
海洋中，尤其是海洋混合层区域，受表层混合、Langmuir环流，海洋锋生次生环流、海洋内波，海洋中尺度涡等要素影响，导致海水湍流混合强烈，对流现象显著，作用机理复杂，对观测平台在固定深度长时效观测带来巨大挑战。以海洋内波为例，海洋内波使得海水密度跃层产生大幅度的垂向波动，同时上下流动呈剪切状态，这对于悬浮在跃层附近的水下装置可产生强烈的剪切作用，破坏其悬浮稳定性，同时由于密度界面的波动，对悬浮于海洋密度跃层中的装置的浮力会发生突变，使其产生大幅掉深或者突然上浮，无法保持在固定深度。
目前深海定深方法多为排水法，其主要应用于潜航器中，同时需要能源供应方可执行抽水或排水来使得潜航器下沉或上浮，一旦遇到突发事故危机控制系统或能源供应系统时，深度控制单元将无法启用，其对能源供应和控制系统依赖性较强。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种可蓄压式深海悬浮定深装置。根据海水的压力自动控制气囊的充气、放气，从而控制装置上浮或下沉。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种可蓄压式深海悬浮定深装置，包括壳体，壳体设置有压力传输构件和浮力控制结构；
所述压力传输构件包括壳体内部设置的密封的腔体，腔体内滑动设置有活塞，活塞一端通过弹簧与腔体底部固定，另一端连接有穿出壳体的压力感应单元，压力感应单元与壳体之间滑动连接，所述活塞中部开设环槽；
所述浮力控制结构包括气囊、高压气仓和低压气仓，高压气仓中填充高压气体，气囊与缸套中部连通，低压气仓、高压气仓分别与缸套的两端连通，并且当活塞处于缸套中部时，气囊与环槽连通，而高压气仓和低压气仓与环槽均不连通；当活塞移动到缸套上端或下端时，气囊依然与环槽连通，而低压气仓和高压气仓中有且仅有一个与环槽连通。
进一步的，所述活塞端部设置有连接杆，所述连接杆穿过缸套与压力感应单元或者弹簧连接。
进一步的，所述压力感应单元为活塞柱。
进一步的，所述壳体一端开口并设置端盖，所述连接杆和活塞柱穿过端盖。
进一步的，所述腔体端部设置有用于穿设弹簧和连接杆的长槽。
进一步的，所述活塞内部沿其运动方向贯穿设置有通气孔。
进一步的，所述气囊采用芳纶12纤维束丝和耐腐蚀橡胶复合而成。
进一步的，所述气囊中填充二氧化碳气体，所述低压气仓中装入氢氧化钠溶液。
进一步的，所述低压气仓内壁涂覆有耐碱性涂层。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明能够根据海水的压力自动控制气囊的充气、放气，从而控制装置上浮或下沉，由于高压气仓向气囊充气和气囊向低压气仓放气的自发性，从而不需要额外能源即可完成平衡装置的深度这一特性。
附图说明
图1为实施例一中浮力减小状态图；
图2为实施例一中浮力平衡状态图；
图3为实施例一中浮力增大状态图；
图4为本发明尺寸关系图；
图5为本发明工作深度变化示意图。
图中，1、壳体；11、端盖；2、腔体；21、通气孔；3、活塞；31、弹簧；311、长槽；32、活塞柱；33、环槽；34、连接杆；4、气囊；41、低压气仓；42、高压气仓。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
实施例一，一种可蓄压式深海悬浮定深装置，如图1、2和3所示，包括壳体1，壳体1设置有压力传输构件和浮力控制结构。
所述压力传输构件包括壳体1内部设置的密封的腔体2，腔体2内滑动设置有活塞3，活塞3一端通过弹簧31与腔体2底部固定，另一端连接有穿出壳体1的压力感应单元，压力感应单元与壳体1之间滑动连接，所述活塞3中部开设环槽33。
所述浮力控制结构包括气囊4、高压气仓42和低压气仓41，高压气仓42中填充高压气体，气囊4与缸套中部连通，低压气仓41、高压气仓42分别与缸套的两端连通，并且当活塞3处于缸套中部时，气囊4与环槽33连通，而高压气仓42和低压气仓41与环槽33均不连通；当活塞3移动到缸套上端或下端时，气囊4依然与环槽33连通，而低压气仓41和高压气仓42中有且仅有一个与环槽33连通。
所述活塞3端部设置有连接杆34，所述连接杆34穿过缸套与压力感应单元或者弹簧31连接。所述压力感应单元为活塞柱32。所述壳体1一端开口并设置端盖11，所述连接杆34和活塞柱32穿过端盖11。所述腔体2端部设置有用于穿设弹簧31和连接杆34的长槽311。所述活塞3内部沿其运动方向贯穿设置有通气孔21。
所述气囊4采用芳纶12纤维束丝和耐腐蚀橡胶复合而成。所述气囊4中填充二氧化碳气体，所述低压气仓41中装入氢氧化钠溶液。所述低压气仓41内壁涂覆有耐碱性涂层。
具体实施说明：
本发明的工作原理为，当本发明置于海洋中时，本发明中的气囊4将会使本发明悬浮于海水中，而随着本发明不断下潜，海水对活塞柱32的压力不断变大，将活塞3不断朝向弹簧31压动，从而使得气囊4和高压气仓42连通，高压气仓42中的气体向气囊4中不断涌入，气囊4体积变大，从而提高气囊4的浮力，从而使得本发明上升一定高度，从而降低海水对活塞柱32的压力，最后海水的压力将会和弹簧31的弹力达到一个平衡点，从而使得本发明悬浮于海水中的某个固定深度（该深度可能会有小范围的变动，但可以忽略不计，因此可定义为深度不变）。
当海洋内波使得海水密度跃层产生大幅度的垂向波动，同时上下流动呈剪切状态，这对于悬浮在跃层附近的水下装置可产生强烈的剪切作用，破坏其悬浮稳定性，同时由于密度界面的波动，对悬浮于海洋密度跃层中的装置的浮力会发生突变，从而使本发明产生大幅掉深或者突然上浮的现象。这时，海水对于活塞柱32的压力将会发生突变。若本发明上浮，海水压力变小，活塞柱32被弹簧31向外推动，从而气囊4和低压气仓41连通，气囊4中的气体不断涌入低压气仓41，从而气囊4的体积变小，本发明的浮力也随之变小，本发明便会下潜直到海水压力和弹簧31再次到达平衡状态。若本发明下潜，海水压力变大，活塞柱32将活塞3向内推动，从而气囊4和高压气仓42连通，高压气仓42中的气体涌入气囊4，气囊4体积变大，浮力变大，从而本发明将会上升直到海水压力和弹簧31弹力再次回到平衡状态。因此，本发明在受到内波等海洋环境影响导致其深度位置发生大幅变化后，可迅速将装置自发调整至预设深度范围内。
实施例二，所述气囊4中填充二氧化碳气体，所述低压气仓41中装入氢氧化钠溶液。所述低压气仓41内壁涂覆有耐碱性涂层。
当本发明上浮，海水压力变小，活塞柱32被弹簧31向外推动，从而气囊4和低压气仓41连通，气囊4中的二氧化碳不断涌入低压气仓41，然后被氢氧化钠吸收，从而使得低压气仓41恢复低压状态，以便再次为气囊4减压。而高压气仓42中可充入大量的液态二氧化碳，从而为气囊4提供足够的充气量。
本发明的尺寸关系分析如下：
如图4所示，设连接杆截面积为S，活塞的起开关作用部分长度为L1，中间起联通作用 部分长度为L2，连接高低压气仓通气孔间距为L3，缸套的通气孔半径为r，当活塞移动至最 左端时，起开关作用部分与临近通气孔边缘距离为L4，弹簧弹力系数为k。
图5为装置工作示意图，其中装置在a、b和c三个位置的状态对应图1、图2和图3。图4中h1和h2分别为装置预设工作深度范围的上限与下限。h*为装置实时位置。
为保证装置正常工作，各部分尺寸需满足以下方程
k(L4+2r)＝ρgh1S
k(L2+L4-L3)＝ρgh2S
L1＞L2-L3
通气孔孔径的大小r可控制装置自发调整的快慢。
当装置所处位置高于预设深度范围时，即h*＜h1，活塞向上移动，如图1所示，气囊和低压气仓连通，气囊体积变小，浮力变小，装置下移。当装置位置在预设深度范围内时，即h2＞h*＞h1，如图2所示，气囊与低压气仓和高压气仓均处于断开连接状态，装置浮力稳定，此时装置运动方向受稳定时浮力与重力合力影响。当装置位置低于预设深度范围时，即h*＞h2， 如图3所示，气囊与高压气仓连通，气体由高压气仓流向气囊，气囊体积增大浮力增大，装 置上移。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (9)

1.一种可蓄压式深海悬浮定深装置，其特征在于：包括壳体，壳体设置有压力传输构件和浮力控制结构；
所述压力传输构件包括壳体内部设置的密封的腔体，腔体内滑动设置有活塞，活塞一端通过弹簧与腔体底部固定，另一端连接有穿出壳体的压力感应单元，压力感应单元与壳体之间滑动连接，所述活塞中部开设环槽；
所述浮力控制结构包括气囊、高压气仓和低压气仓，高压气仓中填充高压气体，气囊与缸套中部连通，低压气仓、高压气仓分别与缸套的两端连通，并且当活塞处于缸套中部时，气囊与环槽连通，而高压气仓和低压气仓与环槽均不连通；当活塞移动到缸套上端或下端时，气囊依然与环槽连通，而低压气仓和高压气仓中有且仅有一个与环槽连通。
2.根据权利要求1所述的一种可蓄压式深海悬浮定深装置，其特征在于：所述活塞端部设置有连接杆，所述连接杆穿过缸套与压力感应单元或者弹簧连接。
3.根据权利要求1所述的一种可蓄压式深海悬浮定深装置，其特征在于：所述压力感应单元为活塞柱。
4.根据权利要求3所述的一种可蓄压式深海悬浮定深装置，其特征在于：所述壳体一端开口并设置端盖，所述连接杆和活塞柱穿过端盖。
5.根据权利要求2所述的一种可蓄压式深海悬浮定深装置，其特征在于：所述腔体端部设置有用于穿设弹簧和连接杆的长槽。
6.根据权利要求1所述的一种可蓄压式深海悬浮定深装置，其特征在于：所述活塞内部沿其运动方向贯穿设置有通气孔。
7.根据权利要求1所述的一种可蓄压式深海悬浮定深装置，其特征在于：所述气囊采用芳纶12纤维束丝和耐腐蚀橡胶复合而成。
8.根据权利要求1所述的一种可蓄压式深海悬浮定深装置，其特征在于：所述气囊中填充二氧化碳气体，所述低压气仓中装入氢氧化钠溶液。
9.根据权利要求8所述的一种可蓄压式深海悬浮定深装置，其特征在于：所述低压气仓内壁涂覆有耐碱性涂层。
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