一种水下无源舱段一体式冷却通气装置的制作方法

1.本发明涉及海洋环境观测技术领域，特别涉及一种半潜式航行体用冷却通气装置。


背景技术：

2.半潜式航行体兼备了水面无人艇和auv的优势，具有广阔的应用前景。其一般采用高速柴油机作为动力源，工作时潜入水下工作，通过伸出到水面的通气管吸气。因此，其阻力比水面无人艇大大减小，跟类似大小的水面艇相比，可达到更高的航速，更远的航行距离，受海浪影响更小，这样航行体更稳定，这种稳定性允许高质量的侧扫声呐在高海况高速下进行探测。通过在通气管上加设无线电通信设备和gps系统，其可以实时传输数据和精准导航定位，这又是rov和auv无法实现的功能。
3.但时，如何将柴油机的废气排出，是一个难题。若直接从水下排出，排气背压升高会导致涡轮膨胀比降低，进排气阻力增大，进气量减小，泵气损失增大，机械效率减小；同时，背压过高会导致柴油机废气倒灌，燃烧恶化，而且存在海水倒灌的风险。若经过冷却后从通气管排出，就需要在舱内布置换热器，用电动泵吸入海水来冷却柴油机废气，这又会占用舱内空间，增加航行体的功耗，同时需要定期人工将换热器内的柴油机废气冷却水排出。


技术实现要素：

4.本发明的目的是：为了解决当前通气管式柴油机排气换热器需占用艇体空间，消耗能源，且需要定期维护等问题，提出一种水下无源舱段一体式冷却通气装置。
5.本发明的技术方案是：一种水下无源舱段一体式冷却通气装置，包括：航行体外壳，位于航行体外壳内部的柴油机，以及一体式换热器。
6.一体式换热器包括：艏板、底壳以及艉板；艏板、底壳、艉板与航行体外壳的内壁焊接为一体，形成一个截面为半月形的空腔；在半月形的空腔内焊接有将空腔分割为艏部、中部、艉部三个空间的半月形的中前部隔板、中后部隔板，中前部隔板与中后部隔板之间安装有贯穿的热交换管；艏部空间焊接有海水入口法兰，中部空间的下方焊接有与柴油机废气管路相通的进气法兰，中部空间的上方焊接有排气法兰，艉部空间设有与热交换管连通的海水排出管。
7.航行体外壳设有通气管，通气管内预埋有与排气法兰连接的排气管，通气管与通气管的一端均伸出水面与大气相通；通气管底部迎流方向开孔并焊接海水引流管，海水引流管通过海水入口法兰与热交换管连通。
8.工作过程为：
9.工作时，航行体潜入到水面以下工作，通气管伸出水面。当柴油机启动后推动航行体前进。航行体前进的过程中，海水经海水引流管引流通过海水入口法兰流入热交换管。柴油机工作时从舱内吸气，舱内空间通过通气管与大气相连。柴油机的废气，通过进气法兰，进入一体式换热器中部；废气在流动的过程中，与热交换管接触，被管内流动的海水冷却，
同时，废气与航行体外壳接触，被航行体外壳外流动的海水冷却。海水从热交换管流出后，向上流入海水排出管，排出到航行体外壳外的海水中。
10.在上述方案的基础上，进一步的，航行体外壳上焊接有尾翼板，尾翼板用于增强航行体的航行稳定性。
11.在上述方案的基础上，进一步的，中部空间内设有横向的废气隔板，废气隔板将一体式换热器的中部空间隔为上下两个空间，废气进入一体式换热器中部空间后，在废气隔板、中前部隔板、底壳的阻挡下，流向中后部隔板，向上进入废气隔板以上，流至中前部隔板，向上进入排气法兰，通过排气管排至水面以上，增加废气流程。底壳下方敷有隔热层，减小热量向舱内传递。
12.在上述方案的基础上，进一步的，海水排出管的出口设置在尾翼板的顶部背流方向，此处因为海水的流动形成负压区；同时，海水排出管的出口位置高于海水引流管的入口位置，海水排出管出口的海水静压力也比海水引流管入口处海水静压力低；再者，海水引流管的入口为迎流方向，此处因为海水的流动形成正压区，在以上设置的共同作用下，海水引流管入口处的海水压力远大于海水排出管出口的海水压力，在压差的作用下，海水在一体式换热器内的流量和流速得到提高，与柴油机废气的换热量增大，提高了废气冷却效果。
13.在上述方案的基础上，进一步的，由于柴油机废气中含有水分，在冷却后形成冷凝水，聚集在一体式换热器中部，将进气法兰设计为双层中空结构，且内壁高于外壁，这样聚集在一体式换热器中部冷凝水会流入夹层中，不会倒流入柴油机内部。冷凝水夹层也可以起到隔热作用，减少柴油机废气的热量通过进气法兰朝舱内传递。冷凝水温度比柴油机废气低，这样通过内壁与柴油机废气进行热交换，冷凝水被加热至沸腾，变为水蒸汽从夹层中自动排出，无需人工定期维护。
14.在上述方案的基础上，进一步的，柴油机通过基座安装在航行体外壳内，通过齿轮箱、轴带动推进器转动，为航行体前进提供动能。
15.有益效果：
16.(1)本发明可用于半潜式航行体、潜艇等使用通气管方式进行换气的柴油动力推进系统，利用海水流动产生的正压区和负压区来将海水引入一体式换热器内部，将柴油机废气冷却后排出舱外，废气冷凝水也得到自动处理，提高了装备的经济型，维护性，且设备简便，可扩展，可制造使用。
17.(2)本发明通过在由将航行体外壳与底壳、艏板、艉板焊接形成一体式换热器，航行体外壳用作换热器的外壳，减轻了重量，节省了空间。
18.(3)本发明通过在由将航行体外壳用作换热器外壳，可同时利用航行体外的流动海水冷却柴油机废气，提高了冷却效果。
19.(4)本发明通过将海水引流管入口布置在通气管底部迎流面，开有喇叭开口。将海水排出管出口布置在尾翼板顶部背流面，且高度高于海水引流管入口处。利用现有外形形成了压力差，无需动力，将海水引入换热器内部冷却柴油机废气，减少了航行体的耗能。
20.(5)本发明通过将排气法兰设计为双层中空结构，且内壁高度高于外壁高度。可自动容纳回流的废气冷凝水，冷凝水隔绝废气热量的同时被加热至沸腾自动排出，无需定期人工将冷凝水放出，提高了维护性。
附图说明
21.图1为本发明总体结构示意图；
22.图2为本发明中一体式换热器的结构示意图；
23.图3为本发明中一体式换热器的截面结构示意图；
24.其中，1-航行体外壳，2-海水引流管，3-排气管，4-通气管，5-柴油机，6-一体式换热器，7-海水排出管，8-尾翼板，9-齿轮箱，10-轴，11-海水进口法兰，12-艏板，13-中前部隔板，14-进气法兰，15-排气法兰，16-热交换管，17废气隔板，18-底壳，19-隔热层，20-中后部挡板，21-艉板。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
26.实施例1：
27.参见附图1，一种水下无源舱段一体式冷却通气装置，包括：航行体外壳1，位于航行体外壳1内部的柴油机5，以及一体式换热器6。
28.柴油机5通过基座安装在航行体外壳1内，通过齿轮箱9、轴10带动推进器转动，为航行体前进提供动能。本例中，柴油机5的飞轮与齿轮箱9的输出轴通过高弹联轴器连接。
29.参见附图2，一体式换热器6包括：艏板7、底壳18以及艉板21；艏板7、底壳18、艉板21与航行体外壳1的内壁焊接为一体，形成一个截面为半月形的空腔；在半月形的空腔内焊接有将空腔分割为艏部、中部、艉部三个空间的半月形的中前部隔板13、中后部隔板20，中前部隔板13与中后部隔板20之间安装有贯穿的热交换管16；艏部空间焊接有海水入口法兰11，中部空间的下方焊接有与柴油机5废气管路相通的进气法兰14，中部空间的上方焊接有排气法兰15，艉部空间设有与热交换管16连通的海水排出管7。
30.航行体外壳1设有通气管4，通气管4可焊接在航行体外壳1上，如有拆卸需求，也可以通过法兰加密封垫的方式连接在航行体外壳1上；通气管4内预埋有与排气法兰15连接的排气管3，通气管4与通气管4的一端均伸出水面与大气相通；通气管4底部迎流方向开孔并焊接海水引流管2，海水引流管2通过海水入口法兰11与热交换管16连通。
31.优选的，航行体外壳1上焊接有一体的尾翼板8，尾翼板8用于增强航行体的航行稳定性。
32.参见附图3，优选的，中部空间内设有横向的废气隔板17，废气隔板17将一体式换热器6的中部空间隔为上下两个空间，增加废气流程。底壳18下方敷有隔热层19，减小热量向舱内传递。
33.优选的，海水排出管7的出口设置在尾翼板8的顶部背流方向，且海水排出管7的出口位置高于海水引流管2的入口位置。
34.优选的，进气法兰14设计为双层中空结构，且内壁高于外壁。
35.实施例2：
36.如实施例1所述的一种水下无源舱段一体式冷却通气装置的工作过程为：
37.工作时，航行体潜入到水面以下工作，通气管4伸出水面。当柴油机5启动后，其通过齿轮箱带动轴系及推进器转动，推动航行体前进。航行体外壳1上装有尾翼板8，用于增强航行体的航行稳定性；
38.柴油机5工作时从舱内吸气，舱内空气通过通气管4与大气相连。柴油机5的废气，通过进气法兰14，进入一体式换热器6中部，在废气隔板17、中前部隔板13、底壳18的阻挡下，流向中后部隔板20，向上进入废气隔板17以上，流至中前部隔板13，向上进入排气法兰15，通过排气管3排至水面。废气在一体式换热器6中部的流动方向见附图2空心箭头所示，废气在一体式换热器6中部流动的过程中，与热交换管16接触，被管内流动的海水冷却。废气也同时与航行体外壳1接触，被航行体外壳1外的流动海水冷却。底壳18敷有隔热层19，减小废气的热量通过底壳18传入舱内。
39.航行体前进的过程中，在通气管4底部迎着海流方向，设置有海水引流管2，海水引流管2有喇叭形开口，可将海水引流至海水入口法兰11，进入一体式换热器6艏部，然后沿着中前部隔板13上的孔洞，流入热交换管6，由于热交换管16外为不断流动的柴油机废气，废气温度高于海水，这样柴油机废气与海水通过热交换管16管壁进行热交换，柴油机废气温度降低，海水温度升高。海水从热交换管16流出后，沿着中后部隔板20上的孔洞进入一体式换热器6艉部，向上流入海水排出管7，沿着尾翼板8上的开口流出到航行体外壳1外的海水中。海水流动方向见附图2实心箭头所示。
40.海水排出管7的出口设置在尾翼板8的顶部背流方向，此处由于海水的流动形成负压区；同时，海水排出管7的出口高于海水引流管2的入口，这样海水排出管7的出口海水静压力也比海水引流管2入口处低；再者，海水引流管2的入口为迎流方向，此处由于海水的流动形成正压区。在以上设置的共同作用下，海水引流管2入口处的海水压力远大于海水排出管7出口处的海水压力，在压差的作用下，海水在换热器内的流量和流速得到提高，与柴油机废气的换热量增大，提高了废气冷却效果。
41.柴油机废气中含有水分，在冷却后形成冷凝水，聚集在一体式换热器6中部，因此将进气法兰14设计为双层结构，且内壁比外壁高，这样聚集在一体式换热器6中部冷凝水会流入夹层中，不会倒流入柴油机内部。冷凝水夹层也可以起到隔热作用，减少柴油机废气的热量通过进气法兰14朝舱内传递。冷凝水温度比柴油机废气低，这样通过内壁与柴油机废气进行热交换，冷凝水被加热至沸腾，变为水蒸汽从夹层中自动排出。
42.虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.一种水下无源舱段一体式冷却通气装置，包括：航行体外壳，位于所述航行体外壳内部的柴油机；其特征在于，还包括：一体式换热器；所述一体式换热器包括：艏板、底壳以及艉板；所述艏板、所述底壳、所述艉板与所述航行体外壳的内壁焊接为一体，形成一个截面为半月形的空腔；在半月形的空腔内焊接有将空腔分割为艏部、中部、艉部三个空间的半月形的中前部隔板、中后部隔板，所述中前部隔板与所述中后部隔板之间安装有贯穿的热交换管；所述艏部空间焊接有海水入口法兰，所述中部空间的下方焊接有与所述柴油机废气管路相通的进气法兰，所述中部空间的上方焊接有排气法兰，所述艉部空间设有与所述热交换管连通的海水排出管；所述航行体外壳设有通气管，所述通气管内预埋有与所述排气法兰连接的排气管，所述通气管与所述通气管的一端均伸出水面与大气相通；所述通气管底部迎流方向开孔并焊接海水引流管，所述海水引流管通过所述海水入口法兰与所述热交换管连通。2.如权利要求1所述的一种水下无源舱段一体式冷却通气装置，其特征在于，所述航行体外壳上焊接有尾翼板。3.如权利要求1所述的一种水下无源舱段一体式冷却通气装置，其特征在于，所述中部空间内设有横向的废气隔板，所述底壳下方敷有隔热层。4.如权利要求2所述的一种水下无源舱段一体式冷却通气装置，其特征在于，所述海水排出管的出口设置在所述尾翼板的顶部背流方向，且所述海水排出管的出口位置高于所述海水引流管的入口位置。5.如权利要求1所述的一种水下无源舱段一体式冷却通气装置，其特征在于，所述进气法兰为双层中空结构，且内壁高于外壁。6.如权利要求1-5任一项所述的一种水下无源舱段一体式冷却通气装置，其特征在于，所述柴油机通过基座安装在所述航行体外壳内，通过齿轮箱、轴带动推进器转动，为航行体前进提供动能。

技术总结
本发明涉及海洋环境观测技术领域，特别涉及一种半潜式航行体用冷却通气装置。一种水下无源舱段一体式冷却通气装置，其技术方案是：航行体前进的过程中，海水经海水引流管引流通过海水入口法兰流入热交换管。柴油机的废气通过进气法兰，进入一体式换热器中部；废气在流动的过程中，与热交换管接触，被管内流动的海水冷却，同时，废气与航行体外壳接触，被航行体外壳外流动的海水冷却。海水从热交换管流出后，向上流入海水排出管，排出到航行体外壳外的海水中。本发明利用海水流动产生的正压区和负压区来将海水引入换热器，柴油机废气冷却后排出舱外，废气冷凝水也得到自动处理，提高了装备的经济型，维护性。维护性。维护性。


技术研发人员：田振华 李志远 李弘华 陈孟君 裴仁俊
受保护的技术使用者：宜昌测试技术研究所
技术研发日：2022.11.01
技术公布日：2023/4/5