CN113799929B

CN113799929B - 一种伸缩浮力舱及海底矿物提升系统

Info

Publication number: CN113799929B
Application number: CN202111240179.4A
Authority: CN
Inventors: 张宁; 柯弟; 陈旭光; 尹世洋; 夏建新; 宋宇恒; 马宁; 杨畅
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2021-10-25
Filing date: 2021-10-25
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2041-10-25
Also published as: CN113799929A

Abstract

本发明公开了一种伸缩浮力舱及海底矿物提升系统。一种伸缩浮力舱(1)，包括外壳(11)、可伸缩骨架(12)、传动装置(13)、扣环(14)、高强密封膜，所述外壳(11)由若干活动连接的板块(111)覆盖在可伸缩骨架(12)的表面形成，所述可伸缩骨架(12)包括支撑杆(121)、传力杆(122)，传力杆(122)的一端与传动装置(13)铰接，另一端与支撑杆(121)通过铰接点(123)铰接，铰接点(123)位于支撑杆(121)上；所述伸缩浮力舱的顶部和底部均设置有扣环(14)；整个伸缩浮力舱外表面还覆盖有高强密封膜，高强密封膜在板块接缝处留有余量。海底矿物提升系统，包括伸缩浮力舱(1)、线缆(2)、水上工作平台(3)、水下工作平台(4)。本发明可以有效地用于海底矿物的提升，节省能源，安全可靠。

Description

一种伸缩浮力舱及海底矿物提升系统

技术领域

本发明涉及水下矿物运输技术领域，具体涉及一种伸缩浮力舱及海底矿物提升系统。

背景技术

随着全球经济的发展，世界各国都面临着严峻的资源危机，而深海区域的资源，尤其是深海固体矿产资源开发已经成为许多国家的重要选择。人们越来越意识到，海洋已经成为实现人类社会可持续发展的重要空间。深海多金属结核资源作为可能是海底分布最广、储量最大的金属资源，得到了诸多国家的广泛关注。根据近几十年来的调查和估算显示，全球海洋中大约覆盖了54×10⁶km²的多金属结核，有商业开发潜力的资源量达75×10⁹t。其中深海平原上的锰结核，大多位于水深4000-6000m；热液喷口的多金属硫化物，主要分布在南太平洋水深500-3500m的区域；而富钴结核，在太平洋水深800-3000m的区域分布最广。这些多金属矿物大都位于深海领域，因此如何在深海中采集并安全的将海底矿物运输至水面是深海矿物全面开发利用实现商业开采需要解决的关键问题。

对深海矿物资源的开发利用想法开始于上世纪70年代，然而时至今日，仍然没有达到商业开采要求、相对成熟的开采方法。目前，多数国家仍处于试验阶段，现阶段应用较多的开采方法主要有三种：连续绳斗(CLB)采矿系统、海底遥控车采矿系统(穿梭艇式采矿系统)和流体提升式采矿系统。CLB法是将挂着桶斗的合成纤维缆绳由船尾放入海中然后由船头回到船上，在海底与船上构成一个封闭环。在合成纤维缆绳上每隔一定距离悬挂1个桶斗，缆绳由采矿船提供动力带动桶斗在海底运动，刮取矿物，并提升到船上。此方法存在明显缺点：开采效率低，并且缆绳在深水中容易缠绕打结。海底遥控车采矿系统是依靠可以在水中自主行进的水下机器人携带矿物往返于海底和水面采矿船之间实现矿物开采，目前机器人一般采用蓄电池做动力，该方法受深海洋流特别是潜水区域海浪影响较大，工作效率低、能耗高，并且矿物回采率低。目前，应用较多的是流体提升采矿方法，该方法可以实现连续开采，但耗能较高，而且为了减小管道堵塞风险，矿物必须在海底先破碎，由此造成破碎过程中大量的细小矿物颗粒泄露至海里，造成回采率低的同时，还会引起海洋环境污染和海底生态破坏。

现有技术中也有利用浮力来提升矿物的方案。例如，公开号为CN110803258A的中国专利申请公开了一种浮力自升式的大块海底矿物提升系统，其中包括浮力舱为胶囊型，下沉时舱内灌满水，利用浮力舱的重力使舱体自然下沉至海底，上浮时通过压力泵排出舱内水，使舱体自然上浮。经申请人研究，上述申请存在以下问题：目前能提供水压最大的是用于超临界机组高压锅炉给水泵，最大扬程约3000m左右，相应水压为30MPa，小于矿物所处的水压(＞40MPa)，所以难以通过压力泵实现舱内排水；可行性极差。

公告号为CN2550258Y的中国实用新型公开了一种浮力捞物装置，其浮力舱为一金属外壳或者柔性抗腐蚀，不渗水、气的材料，下沉时舱内灌满水，下沉至指定水位时，依靠爆炸反应或者产生大量气体的化学反应排除舱内水，减小浮力舱自重，使浮力舱带着矿物上浮。上述申请同样存在问题：由于深海压强至少在40-60MPa，想要完成排水需要有大量的气体并产生足够的压强。经估算，若要提升一吨的矿物则需气体22017mol。而常规气体质量，氧气O₂的摩尔质量M＝32g/mol，所需气体的质量为704.5kg；二氧化碳CO₂的摩尔质量M＝44g/mol，所需气体的质量为968kg；该方法采用化学反应，不能重复利用，每次矿物提升均需要接近于矿物本身重量的气体，成本高；再加上深海超高水压作用下的气体压缩，实际气体质量和反应物需求量大大增加；此外，深海爆炸危险性系数高、难以控制。总体来看，此方案也很难实施。

因此，本领域亟需找到一种易实施、安全可靠的水下矿物提升方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种伸缩浮力舱及海底矿物提升系统，能够解决现有的浮力提升装置不可靠的问题。

为解决现有技术存在的问题，首先，本发明提供一种伸缩浮力舱，包括外壳、可伸缩骨架、传动装置、扣环、高强密封膜，其特征在于：

所述外壳由若干活动连接的板块覆盖在可伸缩骨架的表面形成，所述可伸缩骨架包括支撑杆、传力杆，所述支撑杆对板块起到支撑作用，传力杆设置在舱体内部，传力杆的一端与传动装置铰接，另一端与支撑杆通过铰接点铰接，铰接点位于支撑杆上；

所述伸缩浮力舱的顶部和底部均设置有扣环；

整个伸缩浮力舱外表面还覆盖有高强密封膜，高强密封膜在板块接缝处留有余量。

优选的，伸缩浮力舱呈上下对称布置。

优选的，所述传动装置包括端头柱、承力盘、舱帽、外螺纹管、中心套筒；所述端头柱、承力盘、舱帽、外螺纹管均为两个，在中心套筒上下对称设置；所述承力盘为环状中空结构，其一侧固定设置有外螺纹管；所述端头柱一端设置有舱帽，另一端为自由端，容纳于承力盘的中空部分；所述中心套筒设置有与外螺纹管匹配的内螺纹；所述传力杆铰接在承力盘上；所述支撑杆的一端与所述舱帽铰接，另一端与相对部分的支撑杆铰接。

优选的，沿所述承力盘周边开设有多个连接槽，所述传力杆与所述承力盘的铰接处位于连接槽内。

优选的，所述承力盘中空环状的内壁设置有多个凸条，所述端头柱的外周设置有多个限位槽，凸条与限位槽相匹配。

优选的，所述板块与板块之间角度可变地活动连接，在板块的侧边或部分侧边处，设置有一定数量的连接套筒，连接套筒分布在侧边的不同位置上，相邻的板块上的连接套筒位置互补，通过支撑杆、轴杆穿过连接套筒将相邻的板块活动连接。

另一方面，本申请还提供一种利用所述伸缩浮力舱的海底矿物提升系统，包括伸缩浮力舱、线缆、水上工作平台、水下工作平台，其特征在于：

线缆连接水上工作平台和水下工作平台；所述水下工作平台包括行走机构、海底运输系统、储料仓；

所述海底运输系统包括：接收部、传送带、发射部以及控制箱。

优选的，水下工作平台还包括水下工作平台浮力装置。为水下工作平台提供浮力，以减小水下工作平台对海底的压力，避免产生沉陷。

优选的，所述行走机构是履带行走机构。

优选的，水上工作平台是固定工作平台或移动工作平台。

本发明的特点和有益效果是：

1、采用伸缩骨架控制浮力舱的体积，从而调节浮力大小，可以有效地用于矿物的提升，节省能源。

2、伸缩骨架依靠螺纹旋转开合，咬合力大，可承载较高的水压，安全可靠。

附图说明

图1是本发明实施例的伸缩浮力舱外观示意图；

图2是本发明实施例的伸缩浮力舱内部结构示意图；

图3是本发明实施例的承力盘结构图；

图4是本发明实施例的端头柱、承力盘、外螺纹管细部图；

图5是本发明实施例的板块连接细部图；

图6是本发明实施例的板块背部结构分解图；

图7是本发明实施例的海底矿物提升系统示意图；

图8是本发明实施例的水下工作平台俯视示意图。

附图标记列表：1伸缩浮力舱；11外壳；111板块；112轴杆；12可伸缩骨架；121支撑杆；122传力杆；123铰接点；13传动装置；131端头柱；1311限位槽；132承力盘；1321凸条；1322连接槽；133舱帽；134外螺纹管；135中心套筒；14扣环；2线缆；3水上工作平台；4水下工作平台；41行走机构；42海底运输系统；421接收部；422传送带；423发射部；424控制箱；43水下工作平台浮力装置；44储料仓。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，下面结合附图对本发明的优选实施方案进行详细的说明。

参见图1-2，一种伸缩浮力舱1，包括外壳11、可伸缩骨架12、传动装置13、扣环14、高强密封膜(未示出)。在本实施例中，伸缩浮力舱1呈上下对称布置。所述外壳11由若干活动连接的板块111覆盖在可伸缩骨架12的表面形成。所述可伸缩骨架12包括支撑杆121、传力杆122。所述支撑杆121对板块111起到支撑作用。传力杆122设置在舱体内部。传力杆122的一端与传动装置13铰接，另一端与支撑杆121通过铰接点123铰接，铰接点123位于支撑杆上。伸缩浮力舱1的顶部和底部均设置有扣环14，便于与提升系统、矿物篮连接。

所述传动装置13包括端头柱131、承力盘132、舱帽133、外螺纹管134、中心套筒135。所述端头柱131、承力盘132、舱帽133、外螺纹管134均为两个，在中心套筒135上下对称设置。所述承力盘132为环状中空结构，其一侧固定设置有外螺纹管134；所述端头柱131一端设置有舱帽133，另一端为自由端，容纳于承力盘132的中空部分；所述中心套筒135设置有与外螺纹管134匹配的内螺纹。所述传力杆122铰接在承力盘132上；所述支撑杆121的一端与所述舱帽133铰接，另一端与相对部分的支撑杆121铰接。

参照图3-4，沿所述承力盘132周边开设有多个连接槽1322，所述传力杆122与所述承力盘132的铰接处位于连接槽1322内。所述承力盘132中空环状的内壁设置有多个凸条1321，所述端头柱131的外周设置有多个限位槽1311，凸条1321与限位槽1311相匹配，可以保证端头柱131在承力盘132内移动的稳定性。同时，限位槽具有一定的长度，可以限定端头柱131与承力盘132在一定的范围内相对移动。

参照图5-6，所述板块111与板块111之间角度可变地活动连接，根据整体结构的不同，在板块111的侧边或部分侧边处，设置有一定数量的连接套筒113，连接套筒113分布在侧边的不同位置上，相邻的板块111上的连接套筒113位置互补，通过支撑杆121或轴杆112穿过连接套筒113将相邻的板块活动连接。为了保证密封性，在整个伸缩浮力舱1外表面还覆盖有高强密封膜，高强密封膜与板块复合在一起。为了适应板块的活动连接，高强密封膜在板块接缝处留有余量。

工作时，中心套筒在动力源(未示出)带动下旋转，控制可伸缩骨架12的伸缩，进而带动板块111的折叠、开展，使得外壳11伸缩，伸缩浮力舱1的体积发生变化。

上述伸缩浮力舱1可用于海底矿物提升系统。参照附图7-8，所述海底矿物提升系统包括水面工作平台3、水下工作平台4、用于连接水上工作平台1和水下工作平台4的高强度线缆2以及用于装载和运输矿物的多个伸缩浮力舱1。所述水上工作平台3可以是固定工作平台，也可以是移动工作平台，例如货轮等。

所述水下工作平台4包括行走机构41、海底运输系统42、储料仓44。行走机构41可以是履带行走机构，用于带动水下工作平台4行驶到作业区域。储料仓44用于储存收集到的矿物。所述海底运输系统42包括：用于接收伸缩浮力舱1的接收部421、用于运输伸缩浮力舱1的传送带422、装载货物和发射伸缩浮力舱1的发射部423以及控制箱424。优选的，本实施例的水下工作平台4还包括配备在两端的水下工作平台浮力装置43，为水下工作平台4提供浮力，以减小水下工作平台对海底的压力，避免产生沉陷。

下面对海底矿物提升系统的工作方式进行详细描述，包括以下步骤：

A、对作业条件进行监测，包括天气、海流等；

B、符合作业条件时，连接好水上工作平台3和水下工作平台4，调试装置；

C、利用起重设备移动收缩的伸缩浮力舱1至水面，并利用扣环14固定在线缆2上，固定完成后，起重设备松开伸缩浮力舱1，伸缩浮力舱1由于自身的重力，沿着线缆2方向向下移动，根据浮力大小，为了使伸缩浮力舱1顺利下沉，必要时可在伸缩浮力舱1上加设配重；

D、伸缩浮力舱1下沉到水下工作平台4后落入接收部421内，传送带422运行，伸缩浮力舱1移动至发射部423，将装载好矿物的矿物篮与扣环14连接；

E、控制伸缩浮力舱1伸展，根据提升矿物的数量，使伸缩浮力舱1增加到额定体积，使浮力大于伸缩浮力舱1和提升矿物的质量；

F、控制发射部423释放伸缩浮力舱1，伸缩浮力舱1带动下部的矿物篮在浮力作用下沿线缆2提升至水面；

G、卸除矿物后，重复步骤C-F。

本发明采用伸缩骨架控制浮力舱的体积，从而调节浮力大小，可以有效地用于矿物的提升，节省能源。同时，相比现有技术，本发明的伸缩骨架依靠螺纹旋转开合，咬合力大，可承载较强的压强，安全可靠。

采用本发明的伸缩浮力舱，若不考虑机械摩擦、浮力舱自重以及能量损耗等因素，由于靠浮力提升，理想状态下提升1吨矿物所需的能量为在海底撑开一个1m³空间所需的能量。

锰结核赋存海底深度为4000～6000m，此处以5000m为例，理论上，在5000m的海底撑开体积为1m³的球体所需的功，相当于将截面积为1m²、高5000m的水柱提升1m所需能量。

海底压强为50MPa，由以下公式可以计算出伸缩浮力舱在海底打开所需的能量：

W＝F·S

其中：W—提升舱打开1m³所需的能量(单位：J)；

F—水柱重力(单位：N)；

S—抬升位移(单位：m)。

海水密度按1000kg/m³，可得：F＝1000×10×5000＝5.0×10⁷J，即13.9度电。上述计算未考虑机械摩擦、浮力舱自重及能量损耗等，所以实际能耗要大于计算值，但是相较于化学反应，该方法具有显而易见的经济性、可靠性。

以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种伸缩浮力舱，包括外壳、可伸缩骨架、传动装置、扣环、高强密封膜，其特征在于：所述外壳由若干活动连接的板块覆盖在可伸缩骨架的表面形成，所述可伸缩骨架包括支撑杆、传力杆，所述支撑杆对板块起到支撑作用，传力杆设置在舱体内部，传力杆的一端与传动装置铰接，另一端与支撑杆通过铰接点铰接，铰接点位于支撑杆上；伸缩浮力舱呈上下对称布置；所述传动装置包括端头柱、承力盘、舱帽、外螺纹管、中心套筒；所述端头柱、承力盘、舱帽、外螺纹管均为两个，在中心套筒上下对称设置；所述承力盘为环状中空结构，其一侧固定设置有外螺纹管；所述端头柱一端设置有舱帽，另一端为自由端，容纳于承力盘的中空部分；所述中心套筒设置有与外螺纹管匹配的内螺纹；所述传力杆铰接在承力盘上；所述支撑杆的一端与所述舱帽铰接，另一端与相对部分的支撑杆铰接；

所述伸缩浮力舱的顶部和底部均设置有扣环；

整个伸缩浮力舱外表面覆盖有高强密封膜，高强密封膜在板块接缝处留有余量。

2.根据权利要求1所述的一种伸缩浮力舱，其特征在于，沿所述承力盘周边开设有多个连接槽，所述传力杆与所述承力盘的铰接处位于连接槽内。

3.根据权利要求1所述的一种伸缩浮力舱，其特征在于，所述承力盘中空环状的内壁设置有多个凸条，所述端头柱的外周设置有多个限位槽，凸条与限位槽相匹配。

4.根据权利要求1所述的一种伸缩浮力舱，其特征在于，所述板块与板块之间角度可变地活动连接，在板块的部分侧边处，设置有一定数量的连接套筒，连接套筒分布在侧边的不同位置上，相邻的板块上的连接套筒位置互补，通过支撑杆或轴杆穿过连接套筒将相邻的板块活动连接。

5.一种包含权利要求1-4任一项所述伸缩浮力舱的海底矿物提升系统，包括伸缩浮力舱、线缆、水上工作平台、水下工作平台，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的海底矿物提升系统，其特征在于，水下工作平台还包括水下工作平台浮力装置。

7.根据权利要求5所述的海底矿物提升系统，其特征在于，所述行走机构是履带行走机构。

8.根据权利要求5所述的海底矿物提升系统，其特征在于，水上工作平台是固定工作平台或移动工作平台。