CN208699031U - 长隧洞水下观察型载人潜航器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种长隧洞水下观察型载人潜航器，包括：外壳、压载水箱；所述外壳内设有气舱以及用于平压或逃生的过渡舱，所述气舱与过渡舱之间设有舱门，所述气舱及过渡舱上均设有照明系统以及观察窗，所述过渡舱上设有出口，过渡舱底部设有高扬程排水泵；所述潜航器还包括：电力系统、通讯系统、导航定位系统、航行设备、供气系统、储气设备、有害气体去除设备、空调系统、推进器；所述供气系统通过供气管给气舱及过渡舱供气；所述潜航器的艏部设有机械手，所述推进器包括上下推进器以及前后推进器。本实用新型设计的潜航器，专为4km内长隧洞的情况使用，同时具备紧急情况下作业人员可出舱逃生的条件。

Description

长隧洞水下观察型载人潜航器

技术领域

本实用新型属于潜水器技术领域，具体涉及一种长隧洞水下观察型载人潜航器。

背景技术

对于水下长隧洞的检修，因为距离较长、潜水员潜水时间有限，要实现全隧洞的人工检修难度非常大。目前来说，一般情况下，长度在2km内的隧洞水下检查采用水下机器人的方式，可对隧洞内部衬砌结构的表面进行摄像，对于所拍摄的混凝土缺陷，能够确定位置。但这种方式只能发现问题，不能解决问题，所以不够完善。

如果放空检修，就会大量地耗时耗力耗资金，而且还可能对隧洞结构的受力状态产生不利影响。为此，我们提出载人潜航器的设计理念，可在不放空隧洞，流速低于0.5m/s的情况下，对其内部衬砌的混凝土结构进行检查。

实用新型内容

一种长隧洞水下观察型载人潜航器，包括：外壳、压载水箱；所述外壳内设有气舱以及用于平压或逃生的过渡舱，所述气舱与过渡舱之间设有舱门，所述气舱及过渡舱上均设有照明系统以及观察窗，所述过渡舱上设有出口，过渡舱底部设有高扬程排水泵；所述潜航器还包括：电力系统、通讯系统、导航定位系统、航行设备、供气系统、储气设备、有害气体去除设备、空调系统、推进器；所述供气系统通过供气管给气舱及过渡舱供气；所述潜航器的艏部设有机械手，所述推进器包括上下推进器以及前后推进器。

优选的，所述外壳的两端为椭圆球状，所述外壳的中部为圆柱状。

优选的，所述气舱及过渡舱上均设有供电接口、供气接口及通信接口。

优选的，所述潜航器外接零浮力集成脐带，所述零浮力集成脐带由电缆、供气管、通信缆、安全绳集成为一体。

优选的，所述气舱及过渡舱内设有应急气瓶。

优选的，所述航行设备包括深度仪、航向指示仪、速度仪、回声测深仪、姿态指示仪、声呐系统。

优选的，所述潜航器还包括起重系统、水面监控系统。

优选的，所述潜航器还包括一助推器，位于过渡舱内。

优选的，所述储气设备包括设置于潜航器顶部的2个备用储气罐，每个储气罐的供气管均独立通往气舱和过渡舱。

优选的，所述有害气体去除设备包括制氧设备和二氧化碳去除设备。

本实用新型相对于现有技术所具有的优点为：本实用新型的潜航器包括气舱及过渡舱。正常作业时，工作人员在常压气舱内操作。过渡舱通过空气压缩或者充水等方式，使得过渡舱内的压力与外界水压持平。过渡舱为平压用，同时兼做“应急逃生舱”。当发生紧急情况时，工作人员通过气舱和过渡舱之间的舱门进入过渡舱，过渡舱一般情况下与气舱相连，驾驶员和检修人员可通过内部平压门进出过渡舱。通过过渡舱的出口逃生，过渡舱一侧设有外部平压门，作为紧急出口。

目前市场上的小型载人潜航器，大部分为无缆式，一旦出现紧急情况只能通过上浮来自救，对于长隧洞这种情况，逃生非常不利。本发明设计的潜航器，专为4km内长隧洞的情况使用，同时具备紧急情况下作业人员可出舱逃生的条件。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为观察型潜航器外观侧视图；

图2为观察型潜航器纵剖面图；

图3为观察型潜航器横剖面图。

附图说明：A舱-气舱；B舱-过渡舱1-备用储气罐；2-出口；3- 安全绳接口；4-零浮力集成脐带；5-脐带转换接口；6-压载水箱；7- 底座；8-前后推进器；9-上下推进器；10-照明灯；11-观察窗；12- 机械手；13-操控台(供气、通讯、航行、机械手操作)；14-壳体； 15-小型助推器；16-舱门；17-舱门。

具体实施方式

参考图1-3，本实用新型提出一种观察型载人潜航器。其包括潜航器外壳，气舱，用于平压或逃生的过渡舱以及压载水箱。下面对该潜航器的各组成部分进行进一步说明。

1.潜航器外壳

本潜航器外壳中部为圆柱形，两端为椭圆球形，以减少在航行过程中水的阻力，并使壳体结构处于最佳的受力状态。潜航器外壳采用高强度船体结构用钢制作，所用钢级可选择E、D32、D36、 D420级别。外壳由多个耐压壳组成，每一耐压壳的焊缝均要做常规试验，进行焊缝腐蚀、接头拉力、接头弯曲、冲击试验。耐压壳上的对接焊缝应100％进行射线检测。耐压壳上的全焊透角焊缝应100％进行超声波检测。焊缝的无损检测应在焊接后48小时以后进行。

2.气舱及过渡舱

载人潜航器分为气舱、过渡舱两部分；潜航器所载人员必须是经验丰富的潜水员，所载人数1人；潜航器的最大作业水深40m。

(1)气舱

气舱长度约为2m。正常情况下，驾驶员在气舱内操作，气舱内设有控制系统、监控及通讯系统、大容量电源、照明、制氧设备、二氧化碳吸收装置、测氧仪、测压仪、应急气瓶、潜水装具、水下摄像和监控设备等。

(2)过渡舱

过渡舱为平压用，同时兼做“应急逃生舱”，长度约为2m。过渡舱一般情况下与气舱相连，驾驶员和检修人员可通过舱门即内部平压门进出过渡舱。过渡舱一侧设有外部平压门，作为紧急出口。过渡舱的顶部设有测压仪、照明灯和来自于储气罐的供气管，舱内还设有应急逃生装置；过渡舱底部设有高扬程排水泵；过渡舱内也备有应急气瓶。

3.电源

潜航器设有主电源和应急电源。

主电源：潜航器正常工作时，由母船上的主配电板供电，也可由外部独立设置的电源供电。若通过母船供电，则发电机的容量应能同时向母船和潜航器上的重要设备连续供电。每个舱室均设置脐带转换接口5，其包含了供电、供气管以及通信接口。

应急电源为主蓄电池，该主蓄电池设置在气舱内，气舱内设置专用蓄电池箱体，并与其他所有舱室隔离。在紧急状况下，各舱室的供电接口均可通过气舱内的备用蓄电池供电。应急电源应能在短时间内向下列设备供电：内部应急照明、应急通信系统、航行系统、应急系统的控制装置。紧急情况下，潜航器将自动剪断脐带缆，完成自我续航逃生。经初步计算，当航速达到4节时，主推进器的推力为4kN；若续航程按4km计，则推进器纯做功16MJ，即相当于 4.4kWh电能；考虑电能与动能间的转换效率60％，需电源输出的电能为7.3kWh。

蓄电池一般采用常规蓄电池，如铅酸或银锌电池和镍镉电池。每个电池上部的接线头封装剂，应有良好的绝缘性能，应在压力下也不会吸收电解液、油或水。极板与绝缘外壳之间的绝缘电阻，用 500V直流高阻表测量时，干燥绝缘电阻值应不小于50MΩ。蓄电池压力补偿器的容积应有足够余量，并有可靠的安全排气装置。

4.照明系统

潜航器各舱室设有足够的正常照明和应急照明。正常照明的照度在65-80lx范围内，便于居住人员观察仪表和进行必要操作。内部的应急照明由独立的应急电源供电，不必依靠水面供电。应急照明在应急情况下应能自动开启。所有照明都需考虑防止在各种情况下灯泡发生爆炸的可能性。潜航器两侧和艏部设有照明灯和观察窗，便于工作人员随时观察外部情况。具体的，在气舱前部及两侧、过渡舱两侧设有观察窗。观察窗采用聚甲基丙烯酸甲酯(简称有机玻璃)作为窗玻璃材料。

5.电缆

潜航器外接电缆与供气软管、信号绳、安全绳等集成为零浮力脐带缆。外接电缆由于置于水环境中，因此需为耐压水密型电缆。脐带电缆应为柔性、不吸湿电缆，并具有足够的拉伸强度。脐带电缆与信号绳、供气管软等直接与耐压壳体连接，拖曳潜航器用钢丝绳则与耐压壳体的连接罩相连，从而保证脐带电缆和供气软管不受到拉伸荷载。耐压壳体内的电缆应该为滞燃和耐火型电缆，并应在燃烧时尽可能不会产生任何有毒气体。

6.通信与航行系统

航行系统的控制室主要位于气舱内，主要包括通讯系统、导航定位系统、测深仪、测压仪、航行测速仪。

6.1通讯系统

潜航器与水面母船之间，配备有声通信系统、独立的应急通信系统以及无线通信设备。其中，应急通信系统应由应急电源供电；

配备无线通信设备保证在紧急状态下，潜航器挣脱脐带缆实现自由自航时，潜航器能发出遇险呼救频率。

潜航器内部的潜水通信系统，其控制站应与水中潜水员、母船吊放系统操作所、应急控制站设有直接双向通信系统。

6.2推进器

本实用新型的潜航器包括4套推进器，每套推进器包含1个上下推进器和2个前后推进器，并有专门的智能化程序控制，可灵活地进行前后、上下、左右三维运动。一般情况下，每类推进器考虑 2台协同工作，使潜航器可以灵活地进行前后、左右、上下三维运动。剩余的推进器应急备用。

在故障状态下，要求每类推进器剩余的2台能够承担全部工作，保证在主推进器故障时，潜航器仍能继续航行。

对于推进器的工作状态及协同联动，需有智能化程序控制，控制系统需满足上述要求。为了安全考虑，所有推进器的工作电压不超过36V。

推进器及其控制系统的设计、制造单位需取得船级社等相关部门的认证。

6.3航行设备

潜航器应至少配备下列航行设备：

(1)两套深度仪，其中最好有一套为压力传感型；

(2)航向指示仪；

(3)速度仪；

(4)回声测深仪；

(5)姿态指示仪；

(6)声呐系统，用于探测周围障碍物。

6.4定位装置

潜航器设有应急水下定位装置，使得在应急状态时，便于水面的救援。此外还应配备水面定位装置，以便水面控制站对紧急情况下上浮至水面上的潜航器进行准确定位。

6.5压载水箱

本实用新型的潜航器在水中的浮力约为8t，其自重控制在6t，使浮力略大于其总重量，为了可随时根据潜航器载重调整浮力，底部配备有左压载水箱及右压载水箱。压载水箱为独立的圆柱形水箱，主要用于对潜航器充水加载，调整潜航器在水中的浮力状态。压载水箱设有水阀和气阀两个阀门。减重时，可通过充气排水的方式使潜航器上浮。同时，压载水箱内的气体也可作为应急备用气源。

压载水箱设置在潜航器外部，与潜航器主体设置为活动连接。在紧急情况下，可通过解抛压载水箱来实现应急上浮。

压载水箱应能在气舱内启动解抛系统。启动解抛系统采用电动或者液压操作，同时应至少有两步可靠的手动操作装置作为备选。

7供气系统

正常状态下，气舱和过渡舱的供气由脐带连接的母船上的外部空压机组提供。供气系统应具有能在正常作业时及在应急生命支持时，对载人舱室提供合适的呼吸气。载人舱室的氧气消耗和供应量的确定，应不小于一个大气压下每人每小时25L氧气，供气系统应有相应的供气能力。

8.储气系统

设置在潜航器顶部，配备2个备用储气罐，每个储气罐的供气管均可独立通往气舱和过渡舱。每个备用储气罐可供1名潜水员呼吸2小时。(一名潜水员的用气量一般为每分钟18-40L，在设计中，均按每人每分钟用气量40L考虑。应急气罐可选用内压为4Mpa，容量为200L的储气罐)

气舱内设有2个应急气瓶，应急气瓶的数量需满足1人呼吸1 小时的需求。

过渡舱内设有应急气瓶，气瓶容积40L，内压20Mpa，用于潜水员紧急逃生。

供气系统的设计、设备和材料的质量、安装等全过程必须经过相关单位和部门的评估。

9.有害气体去除系统

潜航器载人舱室的二氧化碳分压不得超过0.5kPa。

气舱内还设有制氧设备和二氧化碳去除装置，并考虑温度、湿度、预定深度的二氧化碳密度、吸收效率、流量，以及预定正常作业下的二氧化碳产气率等。系统去除二氧化碳的能力应不低于相当于一个大气压下每个成员22L/h。二氧化碳去除系统的设计计算应提交相关单位审查。

10空调系统

为了保证工作人员在潜航器内有良好的工作环境，气舱内设置综合空调系统。空调系统率大，耗电量高，目前尚没有更加节能环保的做法。因此应该在外部电源充足的情况下使用空调。一旦外部电源切断，需要启用备用蓄电池时，严禁使用空调系统。

11.生活设施

如有必要，可考虑在潜航器气舱内提供厕所等必要的临时生活设施。

气舱内应备有应急条件下可供食用的干粮和淡水。配备标准可为：干粮0.7kg/(人.天)；淡水2.7kg/(人.天)。

12.应急逃生系统

12.1潜航器紧急撤离

对于处于动力瘫痪状态下的潜航器，其离开危险水域的方式有两种：

(1)强行拖拽

为了更好地保证安全，潜航器可以拖带脐带缆，脐带缆包含供气管、电缆、通信缆、安全钢丝绳等。各管线缆集成在一起，并经过特殊加工使之在水中处于零浮力状态。在紧急情况下，可利用牵引的脐带缆，通过洞外的卷扬机等设备将其拉出洞外。在供气条件允许的情况下，潜水员可一直待在潜航器内。

(2)应急上浮

脐带与潜航器连接部位设置独立接头，遇到紧急情况时，脐带可自动与潜航器脱开，便于潜航器逃生。压载水箱设置在潜航器外部，与潜航器主体设置为活动连接。在紧急情况下，可通过解抛压载水箱来实现应急上浮。此种逃生方式适合开阔水域。在供气条件允许的情况下，潜水员可一直待在潜航器内。

12.2人员紧急逃生

如果潜航器的动力系统全部出现了故障，潜航器处于瘫痪状态，工作人员可弃船。逃生时，潜水员穿戴自携式潜水装具，通过过渡舱逃生，取出过渡舱内逃生用的小型助推器，开动助推器，向隧洞外逃生；助推器一次只能携带一名潜水员，航行速度不得低于4节，续航能力不低于5km。

13任务执行系统

主要是潜水员出水作业需要用的各种材料、工具、液压动力站。可根据不同的任务，携带不同设备和工具。任务执行系统所用电力必须通过电缆由水面连续电源提供。紧急状态下，不得使用蓄电池为任务执行系统提供电力。

潜航器艏部可根据需要配置两个机械手，一个机械手用于固定潜航器主体，另一个机械手用于外部任务操作。

14潜航器水面支持系统

水面支持系统应包括电力系统、起重系统、供气系统、水面监控系统、通讯系统、水下定位系统、绞盘系统、减压舱等等。

电力系统包含母船上的外接电源和备用200kW发电机。

供气系统为产气量4m³/h的空压机组，直接为潜航器提供连续气源。

水面监控系统可同时监控气舱、过渡舱的实时状态，随时关注工作人员在潜航器内的状况。各舱室均设置通讯系统，保证任何时间任何地点均可与母船联络。

水下声呐定位系统主要用于实时监控潜航器的航行位置，便于紧急情况下实施搜救。

起重系统分别设有起重力20t的潜航器起重机和起重力5t的脐带缆绞盘起重机。由于潜航器续航距离长，脐带缆需在水面和水下各设置一个脐带绞盘。绞盘应为一个独立系统，可单独运输，并可实现自动收放脐带缆。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述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；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种长隧洞水下观察型载人潜航器，其特征在于，包括：外壳、压载水箱；所述外壳内设有气舱以及用于平压或逃生的过渡舱，所述气舱与过渡舱之间设有舱门，所述气舱及过渡舱上均设有照明系统以及观察窗，所述过渡舱上设有出口，过渡舱底部设有高扬程排水泵；所述潜航器还包括：电力系统、通讯系统、导航定位系统、航行设备、供气系统、储气设备、有害气体去除设备、空调系统、推进器；所述供气系统通过供气管给气舱及过渡舱供气；所述潜航器的艏部设有机械手，所述推进器包括上下推进器以及前后推进器。

2.根据权利要求1所述的一种长隧洞水下观察型载人潜航器，其特征在于，所述外壳的两端为椭圆球状，所述外壳的中部为圆柱状。

3.根据权利要求2所述的一种长隧洞水下观察型载人潜航器，其特征在于，所述气舱及过渡舱上均设有供电接口、供气接口及通信接口。

4.根据权利要求3所述的一种长隧洞水下观察型载人潜航器，其特征在于，所述潜航器外接零浮力集成脐带，所述零浮力集成脐带由电缆、供气管、通信缆、安全绳集成为一体。

5.根据权利要求4所述的一种长隧洞水下观察型载人潜航器，其特征在于，所述气舱及过渡舱内设有应急气瓶。

6.根据权利要求5所述的一种长隧洞水下观察型载人潜航器，其特征在于，所述航行设备包括深度仪、航向指示仪、速度仪、回声测深仪、姿态指示仪、声呐系统。

7.根据权利要求6所述的一种长隧洞水下观察型载人潜航器，其特征在于，所述潜航器还包括起重系统、水面监控系统。

8.根据权利要求7所述的一种长隧洞水下观察型载人潜航器，其特征在于，所述潜航器还包括一助推器，位于过渡舱内。

9.根据权利要求8所述的一种长隧洞水下观察型载人潜航器，其特征在于，所述储气设备包括设置于潜航器顶部的2个备用储气罐，每个储气罐的供气管均独立通往气舱和过渡舱。

10.根据权利要求9所述的一种长隧洞水下观察型载人潜航器，其特征在于，所述有害气体去除设备包括制氧设备和二氧化碳去除设备。