CN113184151A

CN113184151A - 一种中浅深度潜水器用浮力调节系统及调节方法

Info

Publication number: CN113184151A
Application number: CN202110618303.XA
Authority: CN
Inventors: 刘浩; 杨申申
Original assignee: 702th Research Institute of CSIC
Current assignee: 702th Research Institute of CSIC
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2041-06-03
Also published as: CN113184151B

Abstract

一种中浅深度潜水器用浮力调节系统及调节方法，包括水舱组件、排水支路和应急排水支路，水舱组件的结构为：包括水舱，水舱为低耐压部件，水舱的底部设置有通海口；排水支路的结构为：包括气瓶组，其输出端通过管路依次串联有手动开关阀、节流阀、第一进气阀、止回阀、第一海水过滤器、第一固定节流孔；应急排水支路的结构为：包括应急气瓶，其输出端通过管路依次串联有应急开关阀、第二进气阀、第三海水过滤器、第三固定节流孔；水舱的顶面还串联有放气阀、第二固定节流孔和第二海水过滤器，第二海水过滤器的输出口与外界海水环境连通，不仅可以实现潜水器的上浮下潜功能，还可以实现潜水器的浮力微调，并具有成本低、可靠性高。

Description

一种中浅深度潜水器用浮力调节系统及调节方法

技术领域

本发明涉及潜水器辅助设备技术领域，尤其是一种中浅深度潜水器用浮力调节系统及调节方法。

背景技术

载人潜水器为节省能源，一般采用无动力的下潜上浮方式。在下潜过程中，潜水器的重量大于水下浮力，潜水器依靠在水下的负浮力下潜；当潜水器下潜至接近预定工作深度时，通过压载抛弃装置抛弃一组压载，此时潜水器的水下重量和浮力基本平衡，潜水器可以进行水下工作；当潜水器完成水下作业时，潜水器通过压载抛弃装置抛弃另外一组压载，此时潜水器的水下浮力大于重力，潜水器依靠水下正浮力上浮至水面。

潜水器取样后由于重量的增加或释放其他装备后重量的减少，或是由于水介质的特性(压力、温度)而引起的海水密度的变化；随着下潜深度的增加，潜水器耐压结构发生弹性变形而引起排水体积的变化，这些因素均导致重力和浮力的平衡经常被打破。因此，为确保潜水器在一定深度具有相对稳定的作业姿态，需要对其进行浮力微调节。

现有技术中的潜水器，上浮和下潜需要一套专用的装置，比如目前已经公开的《深海吊挂及抛弃重物的装置》、《深海潜水器压载抛弃装置》、《压载重块用吊挂、释放机构》等；其浮力微调也需要一套专门的装置，比如目前公开的《潜水器浮力调节装置及其控制系统》、《一种基于双向海水泵的浮力调节系统》等，且目前的潜水器浮力微调方法都采用了海水泵或油泵，噪音比较大，。

对中浅深度潜水器而言，其观光属性较强，对可靠性、人员舒适性要求较高，因此需要找到一种浮力调节方法，可以同时实现潜水器的上浮下潜和浮力微调两个功能，并具有可靠性高，噪音小的优点。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种中浅深度潜水器用浮力调节系统及调节方法，从而使其应用于中浅深度载人潜水器，不仅可以实现潜水器的上浮下潜功能，还可以实现潜水器的浮力微调，并具有成本低廉、可靠性高、系统组成简单、噪音小的技术优点。

本发明所采用的技术方案如下：

一种中浅深度潜水器用浮力调节系统，包括水舱组件、排水支路和应急排水支路，

所述水舱组件的结构为：包括水舱，所述水舱为低耐压部件，水舱的内部安装有电液位计，所述水舱的底部设置有通海口；

所述排水支路的结构为：包括气瓶组，所述气瓶组的输出端通过管路依次串联有手动开关阀、节流阀、第一进气阀、止回阀、第一海水过滤器、第一固定节流孔，第一固定节流孔的输出端与水舱的顶部连接；

所述应急排水支路的结构为：包括应急气瓶，所述应急气瓶的输出端通过管路依次串联有应急开关阀、第二进气阀、第三海水过滤器、第三固定节流孔，第三固定节流孔的输出端与水舱的顶部连接；

所述水舱的顶面还通过管路依次串联有放气阀、第二固定节流孔和第二海水过滤器，第二海水过滤器的输出口与外界海水环境连通；

所述水舱的顶面还安装有安全阀；

还包括控制系统，所述控制系统分别与电液位计、第一进气阀、第二进气阀和放气阀电信号连接。

其进一步技术方案在于：

所述水舱采用空心薄壁圆柱体结构。

所述水舱的顶面设置有多个接口。

所述水舱的横截面积为A1，内部气体压力为P1，通海口横截面积为A2，潜水器设计工作深度下海水压力为P2。

所述第一进气阀和第二进气阀均封装于耐压罐体内。

所述放气阀封装于耐压罐体内。

所述气瓶组与手动开关阀之间的管路上安装有第一充气阀和第一高压压力传感器。

所述应急气瓶与应急开关阀之间的管路上安装有第二充气阀和第二高压压力传感器。

所述第一进气阀和止回阀之间的管路上安装有低压压力传感器。

一种中浅深度潜水器用浮力调节系统的调节方法，包括如下操作步骤：

(一)系统排水：

打开第一进气阀，气瓶组内部高压气经过节流阀、止回阀、第一海水过滤器、第一固定节流孔节流调速后，进入水舱内，然后将水舱内部海水从通海口排出；

(二)系统注水：

打开放气阀，海水在外界环境压力下，自通海口进入水舱，水舱内部空气经放气阀、第二固定节流孔、第二海水过滤器排出；

(三)潜水器上浮下潜功能实现过程如下：

潜水器吊放于水面之后，将水舱内部注满水，潜水器获得较大的负浮力，实现下潜；

潜水器在海底准备上浮时，启动系统排水功能，将水舱内部的海水吹除一部分，获得上浮速度，随着潜水器上浮，深度变小，外部海水压力P2改变，依据理想气体状态方程：

pV＝nRT，

其中：

p为水舱14顶部气体压力P1；

V为水舱14顶部气体体积；

n为气体物质量；

R为普适气体常量；

T为理想气体的热力学温度；

水舱内部的气体体积将膨胀，直至将水舱内部海水完全排出，潜水器上浮速度将会越来越大，直至和上浮阻力重新平衡为止；

(四)当潜水器作业时获取大重量取样或抛弃大重量压载，引起浮力较大变化时，潜水器需要较大的正负浮力调节，此时调节过程如下：

舱内潜航员启动排水操作，获得满足要求的正浮力；

舱内潜航员启动系统注水的操作，获得满足要求的负浮力；

在上述调节之后，潜水器会在一个确定作业深度，轻微上浮或下潜，这将导致水舱内部压缩空气的膨胀或收缩，从而引起潜水器浮力的轻微变化，如果潜水器是在确定作业深度上下±50米之内轻微上浮下潜，那可以忽略潜水器轻微的浮力变化，潜水器通过推进器的配合达到稳定姿态，当超过该深度时，引入由控制系统实时监控水舱内部液位，自动控制第一进气阀或放气阀的开合，从而智能控制水舱内部液位在一合适的确定值。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过合理的设计浮力调节系统，在实际应用过程中，不仅可以实现潜水器的上浮下潜功能，还可以实现潜水器的浮力微调，并具有成本低廉、可靠性高、系统组成简单、噪音小的技术优点。

附图说明

图1为本发明中浅深度潜水器用浮力调节系统的结构示意图。

图2为本发明控制系统的连接示意图。

其中：101、第一充气阀；102、第二充气阀；

2、气瓶组；

301、第一高压压力传感器；302、第二高压压力传感器；

4、手动开关阀；

5、节流阀；

601、第一进气阀；602、第二进气阀；

7、低压压力传感器；

8、止回阀；

901、第一海水过滤器；902、第二海水过滤器；903、第三海水过滤器；

1001、第一固定节流孔；1002、第二固定节流孔；1003、第三固定节流孔；

11、放气阀；

12、安全阀；

13、电液位计；

14、水舱；

1401、通海口；

15、应急气瓶；

16、应急开关阀；

17、控制系统。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本实施例的中浅深度潜水器用浮力调节系统，包括水舱组件、排水支路和应急排水支路，

水舱组件的结构为：包括水舱14，水舱14为低耐压部件，水舱14的内部安装有电液位计13，水舱14的底部设置有通海口1401；

排水支路的结构为：包括气瓶组2，气瓶组2的输出端通过管路依次串联有手动开关阀4、节流阀5、第一进气阀601、止回阀8、第一海水过滤器901、第一固定节流孔1001，第一固定节流孔1001的输出端与水舱14的顶部连接；

应急排水支路的结构为：包括应急气瓶15，应急气瓶15的输出端通过管路依次串联有应急开关阀16、第二进气阀602、第三海水过滤器903、第三固定节流孔1003，第三固定节流孔1003的输出端与水舱14的顶部连接；

水舱14的顶面还通过管路依次串联有放气阀11、第二固定节流孔1002和第二海水过滤器902，第二海水过滤器902的输出口与外界海水环境连通；

水舱14的顶面还安装有安全阀12；

还包括控制系统17，控制系统17分别与电液位计13、第一进气阀601、第二进气阀602和放气阀11电信号连接。

水舱14采用空心薄壁圆柱体结构。

水舱14的顶面设置有多个接口。

水舱14的横截面积为A1，内部气体压力为P1，通海口1401横截面积为A2，潜水器设计工作深度下海水压力为P2。

第一进气阀601和第二进气阀602均封装于耐压罐体内。

放气阀11封装于耐压罐体内。

气瓶组2与手动开关阀4之间的管路上安装有第一充气阀101和第一高压压力传感器301。

应急气瓶15与应急开关阀16之间的管路上安装有第二充气阀102和第二高压压力传感器302。

第一进气阀601和止回阀8之间的管路上安装有低压压力传感器7。

本实施例的中浅深度潜水器用浮力调节系统的调节方法，包括如下操作步骤：

(一)系统排水：

打开第一进气阀601，气瓶组2内部高压气经过节流阀5、止回阀8、第一海水过滤器901、第一固定节流孔1001节流调速后，进入水舱14内，然后将水舱14内部海水从通海口1401排出；

(二)系统注水：

打开放气阀11，海水在外界环境压力下，自通海口1401进入水舱14，水舱14内部空气经放气阀11、第二固定节流孔1002、第二海水过滤器902排出；

(三)潜水器上浮下潜功能实现过程如下：

潜水器吊放于水面之后，将水舱14内部注满水，潜水器获得较大的负浮力，实现下潜；

潜水器在海底准备上浮时，启动系统排水功能，将水舱14内部的海水吹除一部分，获得上浮速度，随着潜水器上浮，深度变小，外部海水压力P2改变，依据理想气体状态方程：

pV＝nRT，

其中：

p为水舱14顶部气体压力P1；

V为水舱14顶部气体体积；

n为气体物质量；

R为普适气体常量；

T为理想气体的热力学温度；

水舱14内部的气体体积将膨胀，直至将水舱14内部海水完全排出，潜水器上浮速度将会越来越大，直至和上浮阻力重新平衡为止；

舱内潜航员启动排水操作，获得满足要求的正浮力；

舱内潜航员启动系统注水的操作，获得满足要求的负浮力；

在上述调节之后，潜水器会在一个确定作业深度，轻微上浮或下潜，这将导致水舱14内部压缩空气的膨胀或收缩，从而引起潜水器浮力的轻微变化，如果潜水器是在确定作业深度上下±50米之内轻微上浮下潜，那可以忽略潜水器轻微的浮力变化，潜水器通过推进器的配合达到稳定姿态，当超过该深度时，引入由控制系统17实时监控水舱14内部液位，自动控制第一进气阀601或放气阀11的开合，从而智能控制水舱14内部液位在一合适的确定值。

本发明的具体结构、功能和原理如下：

本发明主要包括水舱组件、排水支路、应急排水支路。

水舱组件的结构为：包括水舱14、电液位计13、放气阀11、第二海水过滤器902、安全阀12。

水舱14为低耐压部件，其设计耐内压压力为0.2～2MPa，且底部开有通海口1401；

电液位计13安装于水舱14内部，水舱14顶部依次接放气阀11、第二固定节流孔1002、第二海水过滤器902后直通外界海水环境；

安全阀12入口接水舱14顶部，出口直通外界海水环境。

水舱14选用圆柱型结构，其横截面积为A1，内部气体压力为P1，通海口1401横截面积为A2，潜水器设计工作深度下海水压力为P2；应急吹除支路的最大气流量为QA；

依据流体力学流量连续性方程：

A1V1＝A2V2＝QW。

其中：V1为排水时，水舱14横截面积A1处的海水排出平均速度，

V2为排水时，通海口1401处的海水排出平均速度；

QW为海水排出流量。

通海口1401的面积通过如下方式确定：

为防止水舱14顶部积聚压力，在设计上，将QW取为等于QA；

忽略重力能影响，依据流体力学伯努利方程：

γ＝ρg，

ρ为流体密度，

ρg为重力加速度

得到：

水舱14的横截面积A1由潜水器总体布置和水舱强度计算确定，通海口A2的面积由上式确定，需能够保证V2在0.1～1m/s，P1-P2需不超过水舱14的设计强度。由此可以得到通海口横截面的设计面积A2。

本发明所述的排水支路包括：气瓶组2、第一充气阀101、第一高压压力传感器301、手动开关阀4、节流阀5、第一进气阀601、低压压力传感器7、止回阀8、第一海水过滤器901、第一固定节流孔1001。

气瓶组2出口依次经过手动开关阀4、节流阀5、第一进气阀601、止回阀8、第一海水过滤器901、第一固定节流孔1001后，接入水舱14顶部；

第一充气阀101和第一高压压力传感器301均接于气瓶组2出口和手动开关阀4入口之间；

低压压力传感器7接于第一进气阀601出口和止回阀8入口之间。

本发明所述的应急支路包括：应急气瓶15、第二充气阀102、第二高压压力传感器302、应急手动开关阀16、第二进气阀602、第三海水过滤器903、第三固定节流孔1003。

应急气瓶15出口依次接应急开关阀16、第二进气阀602、第三海水过滤器903、第三固定节流孔1003后，接入水舱14的顶部；

第二充气阀102和第二高压压力传感器302均接于应急气瓶15出口和应急开关阀16入口之间。

本发明所述的第一进气阀601和第二进气阀602均为市售电磁开关阀，并经过耐压封装；

本发明所述的放气阀11为市售电磁开关阀，并经过耐压封装；

采用市售阀件技术成熟，工作可靠，可有效保证整个系统的可靠性，且市售阀件相比定制阀件而言，成本低；安全阀12的设定压力为水舱14的设计耐内压压力。

本发明所述的应急支路的作用是：

由于第一进气阀601属于高压电磁开关阀，放气阀11属于低压电磁开关阀，因此第一进气阀601可靠性低于放气阀11；同时气瓶组2也可能会出现漏气等情况。因此排水支路可靠性比放气支路的可靠性低一些，所以引入独立的应急排水支路，为排水支路提供备份，可以有效保障潜水器上浮下潜功能的实现，从而提升整个系统可靠性。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims

1.一种中浅深度潜水器用浮力调节系统，其特征在于：包括水舱组件、排水支路和应急排水支路，

所述水舱组件的结构为：包括水舱(14)，所述水舱(14)为低耐压部件，水舱(14)的内部安装有电液位计(13)，所述水舱(14)的底部设置有通海口(1401)；

所述排水支路的结构为：包括气瓶组(2)，所述气瓶组(2)的输出端通过管路依次串联有手动开关阀(4)、节流阀(5)、第一进气阀(601)、止回阀(8)、第一海水过滤器(901)、第一固定节流孔(1001)，第一固定节流孔(1001)的输出端与水舱(14)的顶部连接；

所述应急排水支路的结构为：包括应急气瓶(15)，所述应急气瓶(15)的输出端通过管路依次串联有应急开关阀(16)、第二进气阀(602)、第三海水过滤器(903)、第三固定节流孔(1003)，第三固定节流孔(1003)的输出端与水舱(14)的顶部连接；

所述水舱(14)的顶面还通过管路依次串联有放气阀(11)、第二固定节流孔(1002)和第二海水过滤器(902)，第二海水过滤器(902)的输出口与外界海水环境连通；

所述水舱(14)的顶面还安装有安全阀(12)；

还包括控制系统(17)，所述控制系统(17)分别与电液位计(13)、第一进气阀(601)、第二进气阀(602)和放气阀(11)电信号连接。

2.如权利要求1所述的一种中浅深度潜水器用浮力调节系统，其特征在于：所述水舱(14)采用空心薄壁圆柱体结构。

3.如权利要求1所述的一种中浅深度潜水器用浮力调节系统，其特征在于：所述水舱(14)的顶面设置有多个接口。

4.如权利要求1所述的一种中浅深度潜水器用浮力调节系统，其特征在于：所述水舱(14)的横截面积为(A1)，内部气体压力为(P1)，通海口(1401)横截面积为(A2)，潜水器设计工作深度下海水压力为(P2)。

5.如权利要求1所述的一种中浅深度潜水器用浮力调节系统，其特征在于：所述第一进气阀(601)和第二进气阀(602)均封装于耐压罐体内。

6.如权利要求1所述的一种中浅深度潜水器用浮力调节系统，其特征在于：所述放气阀(11)封装于耐压罐体内。

7.如权利要求1所述的一种中浅深度潜水器用浮力调节系统，其特征在于：所述气瓶组(2)与手动开关阀(4)之间的管路上安装有第一充气阀(101)和第一高压压力传感器(301)。

8.如权利要求1所述的一种中浅深度潜水器用浮力调节系统，其特征在于：所述应急气瓶(15)与应急开关阀(16)之间的管路上安装有第二充气阀(102)和第二高压压力传感器(302)。

9.如权利要求1所述的一种中浅深度潜水器用浮力调节系统，其特征在于：所述第一进气阀(601)和止回阀(8)之间的管路上安装有低压压力传感器(7)。

10.一种利用权利要求1所述的中浅深度潜水器用浮力调节系统的调节方法，其特征在于：包括如下操作步骤：

(一)系统排水：

打开第一进气阀(601)，气瓶组(2)内部高压气经过节流阀(5)、止回阀(8)、第一海水过滤器(901)、第一固定节流孔(1001)节流调速后，进入水舱(14)内，然后将水舱(14)内部海水从通海口(1401)排出；

(二)系统注水：

打开放气阀(11)，海水在外界环境压力下，自通海口(1401)进入水舱(14)，水舱(14)内部空气经放气阀(11)、第二固定节流孔(1002)、第二海水过滤器(902)排出；

(三)潜水器上浮下潜功能实现过程如下：

潜水器吊放于水面之后，将水舱(14)内部注满水，潜水器获得较大的负浮力，实现下潜；

潜水器在海底准备上浮时，启动系统排水功能，将水舱(14)内部的海水吹除一部分，获得上浮速度，随着潜水器上浮，深度变小，外部海水压力P2改变，依据理想气体状态方程：

pV＝nRT，

其中：

p为水舱14顶部气体压力P1；

V为水舱14顶部气体体积；

n为气体物质量；

R为普适气体常量；

T为理想气体的热力学温度；

水舱(14)内部的气体体积将膨胀，直至将水舱(14)内部海水完全排出，潜水器上浮速度将会越来越大，直至和上浮阻力重新平衡为止；

舱内潜航员启动排水操作，获得满足要求的正浮力；

舱内潜航员启动系统注水的操作，获得满足要求的负浮力；

在上述调节之后，潜水器会在一个确定作业深度，轻微上浮或下潜，这将导致水舱(14)内部压缩空气的膨胀或收缩，从而引起潜水器浮力的轻微变化，如果潜水器是在确定作业深度上下±50米之内轻微上浮下潜，那可以忽略潜水器轻微的浮力变化，潜水器通过推进器的配合达到稳定姿态，当超过该深度时，引入由控制系统(17)实时监控水舱(14)内部液位，自动控制第一进气阀(601)或放气阀(11)的开合，从而智能控制水舱(14)内部液位在一合适的确定值。