[發明專利]一種深海蓄能式浮力調節裝置及其調節方法

在審

• 申請號: 202110879758.7
• 申請日: 2021-08-02
• 公開（公告）號: CN113562147A
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發明（設計）人: 陳俊;黃文健;辛永智;蔡篤思;楊文才
• 申請（專利權）人: 中國科學院深海科學與工程研究所
• 主分類號: B63G8/22
• 分類號: B63G8/22;B63G8/14;B63C11/52
• 代理公司: 深圳市科進知識產權代理事務所(普通合伙) 44316
• 代理人: 魏毅宏

1.一種深海蓄能式浮力調節裝置，其特征在于，包括：蓄能器(1)、外油囊(2)、雙向齒輪泵(3)、直流電機(4)、控制閥箱(5)、第一開關閥(6)、第二開關閥(7)、溢流閥(9)、第三開關閥(10)及調速閥(11)，所述雙向齒輪泵(3)與所述直流電機(4)固定連接，所述第一開關閥(6)、所述第二開關閥(7)、所述壓力傳感器(8)、所述溢流閥(9)、所述第三開關閥(10)及所述調速閥(11)均安裝在所述控制閥箱(5)的內部；其中：

所述蓄能器(1)的出油口經所述控制閥箱(5)內部油路分為兩路，其中一路油路連接至所述第一開關閥(6)的一端，所述第一開關閥(6)另一端連接至所述雙向齒輪泵(3)的一端，所述雙向齒輪泵(3)的另一端連接至所述外油囊(2)；另一路油路連接至所述第三開關閥(10)的一端，所述第三開關閥(10)的另一端連接至所述調速閥(11)的出口端，所述調速閥(11)的入口端與所述外油囊(2)連接；

所述雙向齒輪泵(3)的兩個端口分別與所述第二開關閥(7)的兩個端口及所述溢流閥(9)的兩個端口連接，以構成卸荷啟動回路。

2.如權利要求1所述的深海蓄能式浮力調節裝置，其特征在于，所述蓄能器(1)若干個并聯設置的皮囊式單元組成，任意一皮囊式單元采用碳纖維纏繞式殼體。

3.如權利要求2所述的深海蓄能式浮力調節裝置，其特征在于，還包括與所述皮囊式單元對應設置的手動截止閥(13)及所述轉接閥塊(12)，任意一所述皮囊式單元的出油口經對應的所述手動截止閥(13)后連接所述轉接閥塊(12)的一端，所述轉接閥塊(12)的另一端連接至所述控制閥箱(5)。

4.如權利要求1所述的深海蓄能式浮力調節裝置，其特征在于，所述外油囊(2)為可沿直線伸縮的波紋管式皮囊裝置，所述皮囊裝置暴露于海水中，內充液壓油，并采用彈簧預緊，使內部油壓始終略大于環境海水壓力。

5.如權利要求1所述的深海蓄能式浮力調節裝置，其特征在于，所述外油囊(2)還內置直線電位計(201)，所述直線電位計(201)引線通過穿艙接插件(19)、水密電纜(18)連接至所述控制閥箱(5)內部的所述控制電路板(22)上。

6.如權利要求1所述的深海蓄能式浮力調節裝置，其特征在于，所述直流電機(4)的引線通過走線管接頭(21)、油管(14)連接至所述控制閥箱(5)內部的控制電路板(22)上。

7.如權利要求1所述的深海蓄能式浮力調節裝置，其特征在于，所述控制閥箱(5)內部還包括壓力傳感器(8)，所述壓力傳感器(8)壓力檢測端口位于所述蓄能器(1)出油口與所述第一開關閥(6)之間的管路上，用于實時檢測所述蓄能器(1)內部的壓力。

8.如權利要求5或6或7所述的深海蓄能式浮力調節裝置，其特征在于，所述控制電路板(22)通過所述控制閥箱(5)左側的穿艙接插件(19)及水密電纜(18)與水下作業平臺連接，所述控制電路板(22)可控制上述各開關閥的開關動作、所述直流電機(4)的開關和調速，以及獲取所述壓力傳感器(8)和所述直線電位計201的測量數據，執行作業平臺的控制指令，實現深海環境下的浮力調節。

9.如權利要求1所述的深海蓄能式浮力調節裝置，其特征在于，所述控制閥箱(5)的側邊還設置有堵頭(20)及排氣閥(23)，所述堵頭(20)用于所述控制閥箱(5)閥體工藝孔的封堵；所述排氣閥(23)用于所述控制閥箱(5)封艙時內部氣體的排出。

10.如權利要求1所述的深海蓄能式浮力調節裝置，其特征在于，所述蓄能器(1)、所述外油囊(2)、所述雙向齒輪泵(3)、所述直流電機(4)及所述控制閥箱(5)均可獨立安裝于水下作業平臺上，并可通過卡套式管接頭(17)、液壓鋼管(15)與三通管接頭(16)進行任意組合，實現油路的連接。

11.一種如權利要求1所述的深海蓄能式浮力調節裝置的調節方法，其特征在于，包括：

所述蓄能器(1)內部允許最低油量為V_a，所述外油囊(2)允許最低油量為V_b，系統所需調節量為ΔV，則向所述蓄能器(1)中注入液壓油的量為V_I＝V_a+ΔV，向所述外油囊(2)中注入液壓油的量為V_E＝V_b；

根據系統海底作業的環境條件，計算所述蓄能器(1)的預充壓力為：其中，T₀為所述蓄能器(1)充氣時的室溫，P₁為系統海底作業時的環境壓力，T₁為系統海底作業時的環境溫度；

系統在海底作業期間，當需要調節浮力增加時，開啟所述雙向齒輪泵(3)、所述直流電機(4)和所述第一開關閥(6)，所述蓄能器(1)內部的液壓油流向所述外油囊(2)，系統排水體積增加；

通過所述外油囊(2)可得到系統的浮力調節量，進而通過控制所述直流電機(4)的開關和轉速、所述第一開關閥(6)的開關，實現浮力調節的閉環控制；

所述蓄能器(1)內部液壓油的排出，導致內部壓力逐漸減小，當完成系統的最大調節量時，所述蓄能器(1)內部壓力為：其中，V₁＝V_T-V_I，V₂＝V₁+ΔV，V_T為所述蓄能器(1)的有效容積；為浮力調節系統最大工作壓力；

系統在海底作業期間，當需要調節浮力減小時，開啟所述第三開關閥(10)，所述外油囊(2)中的液壓油經所述調速閥(11)以恒定流速回流至所述蓄能器(1)內部，系統排水體積減小；同時，所述蓄能器(1)內部壓力逐漸增加，實現了再次蓄能；

通過所述外油囊(2)的油量，可得到系統的浮力調節量，進而通過控制所述第三開關閥(10)實現浮力調節的閉環控制；

系統在水面時，打開所述雙向齒輪泵(3)、直流電機(4)和所述第一開關閥，將所述外油囊(2)中的液壓油注入所述蓄能器(1)中，所述雙向齒輪泵(3)兩端并聯所述第二開關閥(7)、所述溢流閥(9)構成的卸荷啟動回路用于系統工作壓力較大時的啟動；打開第二開關閥(7)，再通過控制第一開關閥(6)的開關，可將所述蓄能器(1)中的液壓油排入所述外油囊(2)中，實現對系統下潛浮力狀態的事先調節。