CN112339955A - 一种用于潜艇液舱的透气阻水安全阀装置及注排水系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于潜艇液舱的透气阻水安全阀装置，包括壳体、浮体和支撑座；所述壳体的上下两端连通且分别设有用于与其他管道相连的连接法兰；所述壳体内部开设有连通的上腔部和下腔部，下腔部下部设有用于支撑浮体的支撑座，浮体内置于下腔部。本发明的有益效果为：本发明所述透气阻水安全阀装置，主要用于潜艇内部均衡水舱的通气管路，利用空气或海水产生的浮力大小不同的原理，空气流动(透气)时浮球将坐落在本体支撑座上，实现当管路流动空气时(通气)自动打开，保证均衡水舱与舱室大气环境相通；当管路海水流动(溢流)时浮球被托起从而关闭管路通道，保证在灌满溢流情况下通气管路的不依赖外部信号和电力驱动实现自动截止。
Description
技术领域
本发明涉及潜艇安全性设计技术领域，具体涉及一种用于潜艇液舱的透气阻水安全阀装置及注排水系统。
背景技术
潜艇往往设置有多个液舱与大海相通。对于单壳体潜艇，通常在潜艇内部设置有耐压的均衡水舱，通过对均衡水舱的注水或排水，实现潜艇在海水中重量与浮力的平衡。当潜艇排放生活垃圾等废弃物或发射雷弹之后，潜艇重量变轻；当潜艇航行到海水密度较大的海域时，海水浮力增大。为了保持潜艇的重量与海水提供的浮力之间的平衡，需要从舷外向潜艇均衡水舱注入海水。
在注水情况下，管路耐压段工作时，必须与非耐压段断开，以确保潜艇安全性；但是该要求存在一个漏洞，就是在注水过程中，为保持注水畅通，均衡水舱需通过通气管路保持与舱室大气相通。假若注水管路发生故障或误操，注水管路可能会将大量海水注入到均衡水舱直至超出均衡水舱舱容，海水就会顺着通气管路溢出到潜艇内部，溢出的海水将会严重危及潜艇安全。人类历史上第一起核潜艇沉没事故是“长尾鲨”号潜艇，“长尾鲨”号核潜艇就是因为海水管路破损导致海水灌注到潜艇内部引起灾难。因此，注水时均衡水舱的通气管路成为潜艇安全性的薄弱环节。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提出一种可靠、不依赖外部信号和电力驱动的用于潜艇液舱的透气阻水安全阀装置及注排水系统。
本发明采用的技术方案为：一种透气阻水安全阀装置，包括壳体、浮体和支撑座；所述壳体的上下两端连通且分别设有用于与其他管道相连的连接法兰；所述壳体内部开设有连通的上腔部和下腔部，下腔部下部设有用于支撑浮体的支撑座，浮体内置于下腔部；当下腔部内浮体受到的浮力小于其自身的重力时，浮体落在支撑座上，上下腔部的连通口处于打开状态，上下腔部连通；当下腔部内浮体受到的浮力大于其自身重力时，浮体上浮且完全堵塞上腔部和下腔部之间的连通口，上下腔部不连通。
按上述方案，在上腔部和下腔部之间的连通口处设有密封圈，浮体上浮与密封圈压紧时，封堵连通口。
按上述方案，所述壳体为上下腔部一体化的整体结构，所述壳体侧部开设有安装口，并通过侧封盖板密封；所述密封圈安装于上腔部与下腔部二者的连接处，密封圈的底部设有压板，压板与上壳体连接固定。
按上述方案，所述支撑座有多个，沿下腔部周向均匀间隔布置，且中部留有通气空间，该通气空间通过端部的连接法兰与其他管道或设备连通。
按上述方案，所述浮体为浮球。
本发明还提供了一种潜艇注排水系统，包括均衡水舱、注水管路、排水管路、通气管路及如上所述的透气阻水安全阀装置，所述均衡水舱设于潜艇内，均衡水舱分别与注水管路和排水管路连通；所述通气管路垂直设于均衡水舱的顶部且与均衡水舱连通；所述透气阻水安全阀装置通过下端的连接法兰与通气管路的上端连接固定，透气阻水安全阀装置的下腔部与通气管路连通；所述透气阻水安全阀装置通过上端的连接法兰与鹅颈弯管连接固定，透气阻水安全阀装置的上腔部与鹅颈弯管连通。
按上述方案，所述排水管路上增设有排水泵。
按上述方案，所述浮球参数设计方法为：
(1)、获取相关参数，包括：通气管路内径DN，mm；注水管路流量Q，m3/h；空气密度ρ1，kg/m3；海水密度ρ2，kg/m3；
(2)、在通气工况，通气气流产生的升力F1小于浮球的重量K1mg，即F1＜K1mg，其中
上式中，K1为裕度系数；m为浮球质量，kg；ξ为绕流阻力系数；ρ1为空气密度；S为特征面积，
为浮球直径，mm；v为气流速度，海水注入均衡水舱的水量与通气管路排出气量匹配，则
代入相应参数，整理可得浮球质量m与浮球直径
之间的第一约束关系；
(3)、在溢流工况，排开海水体积所产生的浮力大于浮球的重量，即F2＞k2mg，其中K2为裕度系数；根据阿基米德定律，浮力等于排开海水体积的重量，即
其中，ρ2为海水密度；g为重力加速度；
代入相应参数，整理可得浮球质量m与浮球直径
之间的第二约束关系；
(4)、根据两个约束关系，得到浮球直径
和浮球质量m的设计参数区间范围。
本发明的有益效果为：本发明所述透气阻水安全阀装置，主要用于潜艇内部均衡水舱的通气管路，利用空气或海水产生的浮力大小不同的原理，空气流动(透气)时浮球将坐落在本体支撑座上，实现当管路流动空气时(通气)自动打开，保证均衡水舱与舱室大气环境相通；当管路海水流动(溢流)时浮球被托起从而关闭管路通道，保证在灌满溢流情况下通气管路的不依赖外部信号和电力驱动实现自动截止。该装置利用纯机械原理，无需外部信号和电力驱动即可自动投入工作，消除潜艇均衡水舱的溢流安全隐患，大大提高潜艇安全性。本发明中所述壳体为上下腔部采用一体化成型设计制造、侧边安装的结构型式，避免了上下腔部通过螺栓连接可能因紧固件失效导致的透气阻水安全阀装置损坏事故的发生，提高了壳体整体安全可靠性。
附图说明
图1为本发明中透气阻水安全阀装置的结构示意图。
图2为本发明中排水系统的整体示意图。
其中：1、连接法兰；2、壳体；3、密封圈；4、压板；5、浮球；6、支撑座；7、上腔部；8、下腔部；9、侧封盖板；10、均衡水舱；11、注水管路；12、排水管路；13、通气管路；14、透气阻水安全阀装置；15、鹅颈弯管；16、潜艇。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
如图1所示的一种用于潜艇液舱的透气阻水安全阀装置，包括壳体2、浮体和支撑座6；所述壳体2的上下两端连通且分别设有用于与其他管道相连的连接法兰1；所述壳体2内部开设有连通的上腔部7和下腔部8，下腔部8的下部设有用于支撑浮体的支撑座6，浮体内置于下腔部；当下腔部内浮体受到的浮力小于其自身的重力时，浮体落在支撑座6上，下腔部8的连通口处于打开状态，上下腔部连通；当下腔部8内浮体受到的浮力大于其自身重力时，浮体上浮且完全堵塞上腔部7和下腔部8之间的连通口，上下腔部不连通。本发明中，所述浮体为浮球5。
优选地，在上腔部7和下腔部8之间的连通口处设有密封圈3，浮体上浮与密封圈3压紧时，封堵连通口。
优选地，所述壳体2为上下腔部一体化的整体结构，所述壳体2侧部开设有安装口，并通过侧封盖板9密封，以便于浮体与密封件的安装。壳体2一体化整体成型结构，可避免壳体分体之间采用螺栓连接带来的紧固件失效引起的安全可靠问题的发生；所述密封圈3安装于壳体2肩颈部，密封圈3的底部设有压板4，压板4与壳体2肩颈部连接固定。本发明中，压板4将密封圈3固定在壳体2肩颈部连通口处，浮体被海水托起与密封圈3接触继而压缩形成面密封阻止海水溢出。
优选地，所述支撑座6有多个，沿下腔部8周向均匀间隔布置，且中部留有通气空间，该通气空间通过端部的连接法兰1与其他管道或设备连通。
如图2所示的一种潜艇注排水系统，包括均衡水舱10、注水管路11、排水管路12、通气管路13及如上所述透气阻水安全阀装置14，所述均衡水舱10设于潜艇16内，均衡水舱10分别与注水管路11和排水管路12连通；所述通气管路13垂直设于均衡水舱10的顶部且与均衡水舱10连通；所述透气阻水安全阀装置14通过下端的连接法兰1与通气管路13的上端连接固定，透气阻水安全阀装置14的下腔部8与通气管路13连通；所述透气阻水安全阀装置14通过上端的连接法兰1与鹅颈弯管15连接固定，透气阻水安全阀装置14的上腔部7与鹅颈弯管15连通。本发明中，注水管路11和排水管路12上均分别配置有控制通断的阀门，所述排水管路12上增设有排水泵。
本实施例中，浮体可为浮球5，利用浮球5在液体中和在气体中的浮力不同，形成透气阻水的通道。所述透气阻水安全阀装置14应用于潜艇16承压均衡水舱10的通气管路13，假设均衡水舱10的注水流量为Q，通气管内径DN，那么浮球5直径
浮球5质量m(kg)和浮球5平均理论密度ρ(kg/m3)的选取是设计的要点参数。以下利用阿基米德浮力原理和流体力学给出浮球5相关参数的设计方法。
在通气时，通过计算设计使空气浮力和升力小于浮球5自身重力，保证浮球5坐落在支撑座6上；在溢流时，通过计算设计使浮球5受到的浮力大于浮球5自身重力，海水托起浮球5使之与密封圈3接触，从而关闭管路通道。具体设计流程如下：
1、获取相关参数，包括：均衡水舱10通气管内径DN，mm；均衡水舱10注水管路11流量Q，m3/h；空气密度ρ1，kg/m3；海水密度ρ2，kg/m3。
本实施例中，通气管路13内径DN取值0.04m；注水管路11流量Q取值0.00556m3/s；空气密度ρ1取值1.2kg/m3；海水密度ρ2取值1.025×103kg/m3。
2、通气工况计算。
计算条件：在通气工况，浮球5应落座于支撑座6上。通气气流产生的升力F1应小于浮球5的重量K1mg，即F1＜K1mg，其中K1为裕度系数。考虑气流速度的波动等因素，必须确保通气时浮球5不会被气流吹起，因此计算升力要离浮球5重量远一点，通过裕度系数K1，(K1＜1)来调节。
升力可用下式进行估算：
上式中，ξ为绕流阻力系数，对于球体取0.47；ρ1为空气密度，一般取1.2kg/m3；S为特征面积(迎流面积)，
v为气流速度，假如海水注入均衡水舱10的水量与通气管排出气量匹配，那么
代入相关参数，可得
整理可得m与
之间的第一约束关系：
3、溢流工况计算。
计算条件：在溢流工况，浮球5被浮力托起。排开海水体积所产生的浮力应大于浮球5的重量，即F2＞k2mg，其中K2为裕度系数。浮球5浮起后，必须对压板4施加一定的比压，才能保证通气管路13溢流后的密封。因此实际设计中，浮力不仅必须大于浮球5重力，还必须高于浮球5重量一个量级才能保证压紧后与密封圈3间的密封，故设计裕度系数K2，(K2＞1)。
按照阿基米德定律，浮力等于排开海水体积的重量，即
其中，ρ2为海水密度，取1.025×103kg/m3；g为重力加速度，9.81m/s2。
代入相应参数，得：
整理可得m与
之间的第二约束关系，
4、浮球5尺寸的确定。
基于上述F1＜K1mg和F2＞k2mg两个不等式约束条件，即可得到浮球5的物理参数的区间范围要求：浮球5直径
和浮球5质量m的设计参数区间范围，据此优选浮球5设计参数值。
本实施例中，根据不等式(1)(2)获得综合约束式：
按照安全设计要求取值裕度系数：K1＝0.5(相当于气流速度可波动幅度41％范围)，K2＝1.4(相当于71％球体容积产生浮力)，那么浮球5物理参数范围约束式为：
浮球5选择方面，一是要求采用金属可以增强海水腐蚀防护功能，二是球体平均密度要高于海水，因此选择采用空心的金属球体。
由于浮球5直径
还必须控制在
范围之内，DN取值40mm(0.04m)，与之对应的法兰外径D可查国家标准得145mm(0.145m)，即
规定了浮球5直径的选择范围。
基于以下两个联立不等式：
浮球5直径
取区间的中位数0.1m，重量取范围的上限0.38kg。
由于球体表面积为
空心球球壳体积按照表面积乘以球壳厚度估算，质量为0.38kg的金属球，如果金属选用不锈钢材质(密度ρ＝7.8×103kg/m3)，计算得球壳厚1.5mm；如果金属选用钛合金材质(密度ρ＝4.5×103kg/m3)，计算得球壳厚2.7mm。
为此获得设计参数最终结果：在均衡水舱10注水流量为20m3/h，通气管路13通径DN40条件下，在通气管路13上设置所述透气阻水安全阀装置14可以确保安全，其中透气阻水安全阀装置14采用金属空心浮球。不锈钢浮球物理参数为：外径
球壳厚δ＝1.5mm，质量m＝0.38kg；钛合金浮球物理参数为：外径
球壳厚δ＝2.7mm，质量m＝0.38kg。
最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于潜艇液舱的透气阻水安全阀装置，其特征在于，包括壳体、浮体和支撑座；所述壳体的上下两端连通且分别设有用于与其他管道相连的连接法兰；所述壳体内部开设有连通的上腔部和下腔部，下腔部下部设有用于支撑浮体的支撑座，浮体内置于下腔部；当下腔部内浮体受到的浮力小于其自身的重力时，浮体落在支撑座上，上下腔部的连通口处于打开状态，上下腔部连通；当下腔部内浮体受到的浮力大于其自身重力时，浮体上浮且完全堵塞上腔部和下腔部之间的连通口，上下腔部不连通。
2.如权利要求1所述的透气阻水安全阀装置，其特征在于，在壳体上腔部和下腔部之间的连通口处设有密封圈，浮体上浮与密封圈压紧时，封堵连通口。
3.如权利要求1所述的透气阻水安全阀装置，其特征在于，所述壳体为上下腔部一体化的整体结构，所述壳体侧部开设有安装口，并通过侧封盖板密封；所述密封圈安装于上腔部与下腔部二者的连接处，密封圈的底部设有压板，压板与上壳体连接固定。
4.如权利要求1所述的透气阻水安全阀装置，其特征在于，所述支撑座有多个，沿下腔部周向均匀间隔布置，且中部留有通气空间，该通气空间通过端部的连接法兰与其他管道或设备连通。
5.如权利要求1所述的透气阻水安全阀装置，其特征在于，所述浮体为浮球。
6.一种潜艇注排水系统，其特征在于，包括均衡水舱、注水管路、排水管路、通气管路及如权利要求1～5中任意一项所述的透气阻水安全阀装置，所述均衡水舱设于潜艇内，均衡水舱分别与注水管路和排水管路连通；所述通气管路垂直设于均衡水舱的顶部且与均衡水舱连通；所述透气阻水安全阀装置通过下端的连接法兰与通气管路的上端连接固定，透气阻水安全阀装置的下腔部与通气管路连通；所述透气阻水安全阀装置通过上端的连接法兰与鹅颈弯管连接固定，透气阻水安全阀装置的上腔部与鹅颈弯管连通。
7.如权利要求6所述的注排水系统，其特征在于，所述排水管路上增设有排水泵。
8.如权利要求6所述的注排水系统，其特征在于，所述浮球参数设计方法为：
(1)、获取相关参数，包括：通气管路内径DN，mm；注水管路流量Q，m3/h；空气密度ρ1，kg/m3；海水密度ρ2，kg/m3；
(2)、在通气工况，通气气流产生的升力F1小于浮球的重量K1mg，即F1＜K1mg，其中
上式中，K1为裕度系数；m为浮球质量，kg；ξ为绕流阻力系数；S为特征面积，
为浮球直径，mm；v为气流速度，海水注入均衡水舱的水量与通气管路排出气量匹配，则
(3)、在溢流工况，排开海水体积所产生的浮力大于浮球的重量，即F2＞k2mg，其中K2为裕度系数；根据阿基米德定律，浮力等于排开海水体积的重量，即
其中，ρ2为海水密度；g为重力加速度；
代入相应参数，整理可得浮球质量m与浮球直径
之间的第二约束关系；
(4)、根据两个约束关系，得到浮球直径
和浮球质量m的设计参数区间范围。
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| 郭仁宇，孟凡英, 中国矿业大学出版社 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112960089A (zh) * | 2021-03-22 | 2021-06-15 | 中国船舶科学研究中心 | 一种水下姿态自适应的注水装置及其工作过程 |
| CN113552823A (zh) * | 2021-07-05 | 2021-10-26 | 中国舰船研究设计中心 | 一种用于耐压通气管及进气阀的监控方法和监控系统 |
| CN115148178A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-10-04 | 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 | 一种流噪声消声装置及其工作方法 |
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