CN113511298A - 一种适用于深潜的耐压结构及其上浮下潜方法 - Google Patents

一种适用于深潜的耐压结构及其上浮下潜方法 Download PDF

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俞俊
程小明
倪欣韵
吴波
丁军
叶永林
刘小龙
苗玉基
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Abstract

本发明涉及海洋工程技术领域，尤其是一种适用于深潜的耐压结构及其上浮下潜方法。其包括中心耐压壳体，所述中心耐压壳体外圈依次套设至少两层外耐压壳体，位于最内层的所述外耐压壳体能够完全包裹中心耐压壳体，相邻两层所述外耐压壳体中外层的外耐压壳体能够完全包裹内层的外耐压壳体；所述中心耐压壳体和相邻外耐压壳体之间、任意相邻两层外耐压壳体之间设置进水夹层，多层外耐压壳体上均设置进水孔。本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过层层相套的耐压壳以及内部高压水，完全拓展了潜水器在不同使用条件下的沉浮作业空间。

Description

一种适用于深潜的耐压结构及其上浮下潜方法
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，尤其是一种适用于深潜的耐压结构及其上浮下潜方法。
背景技术
深渊科学处于现阶段海洋科学研究的最前沿，深海潜水器装备的重要性日益凸显。目前各国都开始以“全海深”作为最新一代潜水器的设计目标。耐压壳是潜水器的核心部件，其结构形式和力学性能是需要重点关注的问题。耐压壳起着保障壳体内部设备不因海水压力而破坏的作用，对于载人潜水器，耐压壳更是与舱内人员的安全息息相关。作为潜水器浮力的主要提供者，耐压壳占据了潜水器较大的重量。潜水器在万米深度下工作时，耐压壳的工作压力大于100MPa，如果仍然使用传统耐压壳构型，就必须加大壳厚以满足强度要求，但这将显著增加壳体重量以及加工难度。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种适用于深潜的耐压结构及其上浮下潜方法，能够同时满足潜水器在多种水深下的潜水要求，尤其是大水深下的耐压要求，既实现了各种深度潜水状态间的自由切换，还解决了传统深潜耐压壳壁厚大，加工困难的难题，从而为潜水器深潜的耐压提供了一种全新的设计和便利的操作流程。
本发明所采用的技术方案如下：
一种适用于深潜的耐压结构，包括中心耐压壳体，所述中心耐压壳体外圈依次套设至少两层外耐压壳体，位于最内层的所述外耐压壳体能够完全包裹中心耐压壳体，相邻两层所述外耐压壳体中外层的外耐压壳体能够完全包裹内层的外耐压壳体；所述中心耐压壳体和相邻外耐压壳体之间、任意相邻两层外耐压壳体之间设置进水夹层，多层外耐压壳体上均设置进水孔；每个所述进水孔位置处设置压力控制阀，压力控制阀能够控制进水孔的开合；所述中心耐压壳体和相邻外耐压壳体之间、任意相邻两层耐压壳体之间设置支撑结构，支撑结构能够防止相邻两层耐压壳体之间相互碰撞。
进一步的，外耐压壳体和中心耐压壳体均为球壳形结构。。
进一步的，支撑结构采用弹性模量小于20MPa的柔软材料制作。
一种适用于深潜的耐压结构的上浮下潜方法，包括下潜流程和上浮流程，所述下潜流程包括如下步骤：
下潜步骤一：中心耐压壳体内部压强为P0，人员进入后关闭舱门，保持中心耐压壳体内部压强P0为一个标准大气压；
下潜步骤二：潜水器下潜，并在深度范围0-h内活动；
下潜步骤三：下潜到深度h，水压为PH，中心耐压壳体外界压强P1＝PH+P0，中心耐压壳体承受内外压强差为PH，此时中心耐压壳体和最内层外耐压壳体之间充斥的水体压力为P1＝PH+P0；
下潜步骤四：关闭最内层外耐压壳体上的进水孔，潜水器继续下潜，此时可以在深度h-2h范围活动；
下潜步骤五：下潜到深度2h处，水压为2PH，最内层外耐压壳体外界压强P2＝2×PH+P0，最内层外耐压壳体内部压强P1＝PH+P0，最内层外耐压壳承受内外压强差为PH，此时最内层外耐压壳和第二层外耐压壳中间充斥的水体压力为P2＝2×PH+P0；
下潜步骤六：此时第二层外耐压壳上的压力控制阀开始作用，关闭第二层外耐压壳上的进水孔，潜水器继续下潜，此时可以在深度2h-3h范围内活动；
下潜步骤七：下潜到最大深度3h处，水压为3PH，第二层外耐压壳外界压强P3＝3×PH+P0，第二层外耐压壳内部压强P2＝2×PH+P0，第二层外耐压壳承受内外压强差也为PH；
所述上浮流程包括如下步骤：
上浮步骤一：潜水器下潜到最大深度3h处；
上浮步骤二：潜水器开始上浮，潜水器可以在深度2h-3h范围活动；
上浮步骤三：上浮到深度2h处，最内层外耐压壳和第二层外耐压壳中间充斥的水体压强为P2＝2×PH+P0，最内层外耐压壳承受内外压强差为PH，第二层外耐压壳承受内外压强差为0；
上浮步骤四：此时第二层外耐压壳上的压力控制阀打开，在2h深度处打开第二层外耐压壳上的进水孔，继续上浮，潜水器可以在深度h-2h之间活动；
上浮步骤五：上浮到深度h处，中心耐压壳体和最内层外耐压壳中间充斥的水体压强为P1＝PH+P0，最内层外耐压壳承受内外压强差为0；
上浮步骤六：在h深度处最内层外耐压壳上的压力控制阀打开，打开最内层外耐压壳上的进水孔，继续上浮，潜水器可以在深度0-h之间活动；
上浮步骤七：潜水器上浮至水面，至此完成整个上浮过程。
进一步的，在整个上浮和下潜过程中，中心耐压壳体、最内层外耐压壳和第二层外耐压壳所承受的内外压强差最大都是PH，按照此种原理模式，每增加一层外耐压壳，相应潜深增加h。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过层层相套的耐压壳以及内部高压水，完全拓展了潜水器在不同使用条件下的沉浮作业空间；本发明是基于耐压壳间内部高压水的传递压强来设计的，即内层耐压壳所受的外压，是作用于外层耐压壳上的内压，巧妙的利用层间高压水传递压强，从而显著降低了外层耐压壳的压差，最终提升了整个潜水器的耐压性能；本发明具有参数化的特点，可根据数值模拟选用不同参数确定耐压壳的直径、厚度以及层间相距的位置，通过不同参数组合实现特定潜深下的优化配置；本发明具有灵活调整的特点，有很高的泛化性，主要体现在利用多层的耐压壳设置，通过每多一层的设置增加了整个外壳的耐压强度，同时也增加了潜水器的下潜深度，进而轻松实现了深潜的需求。
附图说明
图1为本发明主视半剖图。
图2为本发明侧视半剖图。
其中：1、中心耐压壳体；2、外耐压壳体；3、进水夹层；4、进水孔；5、压力控制阀。
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所示的实施例中，主要包括中心耐压壳体1，中心耐压壳体1外圈依次套设至少两层外耐压壳体2。外耐压壳体2和中心耐压壳体1均为球壳形结构。
中心耐压壳体1的内腔用于存放内部设备以及保障舱内人员安全，潜水器作业时，中心耐压壳体1保持密闭且内部压力维持在一个标准大气压。
如图1和图2所示的实施例中，位于最内层的外耐压壳体2能够完全包裹中心耐压壳体1，相邻两层外耐压壳体2中外层的外耐压壳体2能够完全包裹内层的外耐压壳体2。
如图1所示实施例中，中心耐压壳体1和相邻外耐压壳体2之间、任意相邻两层外耐压壳体2之间设置进水夹层3，多层外耐压壳体2上均设置进水孔4，进水孔4的设置使得外部海水能够填满进水夹层3。
如图1所示实施例中，每个进水孔4位置处设置压力控制阀5，压力控制阀5能够控制进水孔4的开合。
中心耐压壳体1和相邻外耐压壳体2之间、任意相邻两层耐压壳体1之间设置支撑结构，支撑结构能够防止相邻两层耐压壳体之间相互碰撞。支撑结构采用弹性模量小于20MPa的柔软材料制作，例如Ecoflex材料，PDMS材料。
本发明的适用于深潜的耐压结构的上浮下潜方法，包括下潜流程和上浮流程，其中，下潜流程包括如下步骤：
下潜步骤一：中心耐压壳体1内部压强为P0，人员进入后关闭舱门，保持中心耐压壳体1内部压强P0为一个标准大气压。
下潜步骤二：潜水器下潜，并在深度范围0-h内活动。
下潜步骤三：下潜到深度h，水压为PH，中心耐压壳体1外界压强P1＝PH+P0，中心耐压壳体1承受内外压强差为PH，此时中心耐压壳体1和最内层外耐压壳体2之间充斥的水体压力为P1＝PH+P0。
下潜步骤四：关闭最内层外耐压壳体2上的进水孔4，潜水器继续下潜，此时可以在深度h-2h范围活动。
下潜步骤五：下潜到深度2h处，水压为2PH，最内层外耐压壳体2外界压强P2＝2×PH+P0，最内层外耐压壳体2内部压强P1＝PH+P0，最内层外耐压壳2承受内外压强差为PH，此时最内层外耐压壳2和第二层外耐压壳2中间充斥的水体压力为P2＝2×PH+P0。
下潜步骤六：此时第二层外耐压壳2上的压力控制阀开始作用，关闭第二层外耐压壳2上的进水孔，潜水器继续下潜，此时可以在深度2h-3h范围内活动。
下潜步骤七：下潜到最大深度3h处，水压为3PH，第二层外耐压壳2外界压强P3＝3×PH+P0，第二层外耐压壳2内部压强P2＝2×PH+P0，第二层外耐压壳2承受内外压强差也为PH。
在整个过程中，中心耐压壳体1、最内层外耐压壳2和第二层外耐压壳2所承受的内外压强差最大都是PH，按照此种原理模式，每增加一层外耐压壳2，相应潜深增加h。
上浮流程包括如下步骤：
上浮步骤一：潜水器下潜到最大深度3h处。
上浮步骤二：潜水器开始上浮，潜水器可以在深度2h-3h范围活动。
上浮步骤三：上浮到深度2h处，最内层外耐压壳2和第二层外耐压壳2中间充斥的水体压强为P2＝2×PH+P0，最内层外耐压壳2承受内外压强差为PH，第二层外耐压壳2承受内外压强差为0。
上浮步骤四：此时第二层外耐压壳2上的压力控制阀打开，在2h深度处打开第二层外耐压壳2上的进水孔4，继续上浮，潜水器可以在深度h-2h之间活动。
上浮步骤五：上浮到深度h处，中心耐压壳体1和最内层外耐压壳2中间充斥的水体压强为P1＝PH+P0，最内层外耐压壳2承受内外压强差为0。
上浮步骤六：在h深度处最内层外耐压壳2上的压力控制阀打开，打开最内层外耐压壳2上的进水孔，继续上浮，潜水器可以在深度0-h之间活动。
上浮步骤七：潜水器上浮至水面，至此完成整个上浮过程。
在整个过程中，中心耐压壳体1、最内层外耐压壳2和第二层外耐压壳2所承受的内外压强差最大都是PH，按照此种原理模式，每增加一层外耐压壳2，相应潜深增加h。
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 (5)

1.一种适用于深潜的耐压结构，包括中心耐压壳体(1)，其特征在于：所述中心耐压壳体(1)外圈依次套设至少两层外耐压壳体(2)，位于最内层的所述外耐压壳体(2)能够完全包裹中心耐压壳体(1)，相邻两层所述外耐压壳体(2)中外层的外耐压壳体(2)能够完全包裹内层的外耐压壳体(2)；所述中心耐压壳体(1)和相邻外耐压壳体(2)之间、任意相邻两层外耐压壳体(2)之间设置进水夹层(3)，多层外耐压壳体(2)上均设置进水孔(4)；每个所述进水孔(4)位置处设置压力控制阀(5)，压力控制阀(5)能够控制进水孔(4)的开合；所述中心耐压壳体(1)和相邻外耐压壳体(2)之间、任意相邻两层耐压壳体(1)之间设置支撑结构，支撑结构能够防止相邻两层耐压壳体之间相互碰撞。
2.如权利要求1所述的一种适用于深潜的耐压结构，其特征在于：所述外耐压壳体(2)和中心耐压壳体(1)均为球壳形结构。
3.如权利要求1所述的一种适用于深潜的耐压结构，其特征在于：所述支撑结构采用弹性模量小于20MPa的柔软材料制作。
4.一种如权利要求1～3所述的适用于深潜的耐压结构的上浮下潜方法，其特征在于：包括下潜流程和上浮流程，所述下潜流程包括如下步骤：
下潜步骤一：中心耐压壳体(1)内部压强为P0，人员进入后关闭舱门，保持中心耐压壳体(1)内部压强P0为一个标准大气压；
下潜步骤二：潜水器下潜，并在深度范围0-h内活动；
下潜步骤三：下潜到深度h，水压为PH，中心耐压壳体(1)外界压强P1＝PH+P0，中心耐压壳体(1)承受内外压强差为PH，此时中心耐压壳体(1)和最内层外耐压壳体(2)之间充斥的水体压力为P1＝PH+P0；
下潜步骤四：关闭最内层外耐压壳体(2)上的进水孔(4)，潜水器继续下潜，此时可以在深度h-2h范围活动；
下潜步骤五：下潜到深度2h处，水压为2PH，最内层外耐压壳体(2)外界压强P2＝2×PH+P0，最内层外耐压壳体(2)内部压强P1＝PH+P0，最内层外耐压壳(2)承受内外压强差为PH，此时最内层外耐压壳(2)和第二层外耐压壳(2)中间充斥的水体压力为P2＝2×PH+P0；
下潜步骤六：此时第二层外耐压壳(2)上的压力控制阀开始作用，关闭第二层外耐压壳(2)上的进水孔，潜水器继续下潜，此时可以在深度2h-3h范围内活动；
下潜步骤七：下潜到最大深度3h处，水压为3PH，第二层外耐压壳(2)外界压强P3＝3×PH+P0，第二层外耐压壳(2)内部压强P2＝2×PH+P0，第二层外耐压壳(2)承受内外压强差也为PH；
所述上浮流程包括如下步骤：
上浮步骤一：潜水器下潜到最大深度3h处；
上浮步骤二：潜水器开始上浮，潜水器可以在深度2h-3h范围活动；
上浮步骤三：上浮到深度2h处，最内层外耐压壳(2)和第二层外耐压壳(2)中间充斥的水体压强为P2＝2×PH+P0，最内层外耐压壳(2)承受内外压强差为PH，第二层外耐压壳(2)承受内外压强差为0；
上浮步骤四：此时第二层外耐压壳(2)上的压力控制阀打开，在2h深度处打开第二层外耐压壳(2)上的进水孔(4)，继续上浮，潜水器可以在深度h-2h之间活动；
上浮步骤五：上浮到深度h处，中心耐压壳体(1)和最内层外耐压壳(2)中间充斥的水体压强为P1＝PH+P0，最内层外耐压壳(2)承受内外压强差为0；
上浮步骤六：在h深度处最内层外耐压壳(2)上的压力控制阀打开，打开最内层外耐压壳(2)上的进水孔(4)，继续上浮，潜水器可以在深度0-h之间活动；
上浮步骤七：潜水器上浮至水面，至此完成整个上浮过程。
5.如权利要求4所述的一种上浮下潜方法，其特征在于：在整个上浮和下潜过程中，中心耐压壳体(1)、最内层外耐压壳(2)和第二层外耐压壳(2)所承受的内外压强差最大都是PH，按照此种原理模式，每增加一层外耐压壳(2)，相应潜深增加h。
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