КОМПЕНСАТОР ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПОДВОДНОГО УСТРОЙСТВА
PRESSURE COMPENSATOR FOR UNDERWATER DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к компенсатору давления для подводного устройства, предназначенному для проведения компенсации давления между окружающей средой вокруг подводного устройства и жидкой средой, заполняющей объем подводного устройства. Изобретение также относится к подводному устройству, содержащему такой компенсатор давления.
Характеристика предшествующего уровня техники
Из-за растущих потребностей в энергии морская добыча нефти и газа перемещается в более глубокие воды. Для обеспечения эффективной и безопасной добычи технологическое оборудование устанавливают на дне океана. Такие подводные установки могут содержать совокупность компонентов, включающих в себя насосы, компрессоры и т.п., а также электроэнергетическую систему для приведения их в действие. Электроэнергетическая система может содержать, например, подводный трансформатор, подводное распределительное устройство и подводные приводы с регулируемым числом оборотов. Компоненты подводной установки нуждаются в защите от окружающей морской воды, имеющей давление, составляющее 30 МПа (300 бар) или более (на глубинах установки 3000 м или более).
Для преодоления указанных давлений предложены два решения. Можно использовать корпус, стойкий к давлению, который имеет внутреннее давление, близкое к атмосферному, гарантируя использование обычных электрических и механических компонентов. Такие корпуса должны иметь относительно толстые стенки и поэтому являются громоздкими и тяжеловесными, так как они должны выдерживать большие разности давлений.
Другим решением является использование герметизированных корпусов под избыточным давлением (или корпусов, компенсированных по давлению), которые содержат компенсатор объема и/или давления, который уравнивает давление в корпусе с давлением окружающей морской воды.
Герметизированный корпус под избыточным давлением обычно заполнен жидкостью, а приводимые в действие компоненты внутри герметизированного корпуса под избыточным давлением выполнены с возможностью работать при высоких давлениях. Компенсатор давления и/или объема компенсирует изменения в объеме жидкости, заполняющей корпус, которые могут возникнуть из-за изменений во внешнем давлении и/или температуре. Изменения температуры могут быть обусловлены и внутренним нагревом, например, из-за электрических потерь.
Компенсаторы давления могут включать в себя металлические сильфоны, резиновые сильфоны, поршни или аналогичные компоненты. Сильфоны могут иметь тот недостаток, что они либо являются дорогими в изготовлении или имеют такую конфигурацию, что длина рабочего хода сильфона ограничена. В последнем случае компенсатор давления для большого объема жидкости также требует большого объема. При некоторых типах сильфонов он должен иметь размеры, более чем втрое превышающие размеры компенсируемого объема. Это приводит к низкому коэффициенту использования объема компенсаторной системы. Кроме того, нужно компенсировать саму жидкость, заполняющую такой компенсатор давления. Следовательно, такие компенсаторные системы могут оказаться относительно большими и тяжелыми.
В документе WО 2010/034880A1 описан компенсатор давления, который имеет первую сильфонную камеру, которая окружена второй сильфонной камерой, образующей замкнутое промежуточное пространство вокруг первой сильфонной камеры. Таким образом, получается двойная защита от проникновения морской воды, но возможность компенсации давления оказывается такой же, как в случае использования только первой сильфонной камеры.
В документе WО 2011/088840A1 описана система, компенсирующая давление, которая обеспечивает двойную защиту от проникновения морской воды.
Желательно разработать компенсатор давления для использования с подводным устройством, который может быть изготовлен легко и экономично. Кроме того, желательно, чтобы компенсатор давления обеспечивал защиту во время эксплуатации и имел длительный срок службы. Желательно уменьшить размеры компенсатора давления и увеличить коэффициент его использования.
Краткое изложение существа изобретения
Соответственно, существует потребность в преодолении, по меньшей мере, некоторых из вышеупомянутых недостатков и разработке усовершенствованного компенсатора давления для подводного использования.
Эта потребность удовлетворяется посредством признаков независимых пунктов формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения описывают варианты осуществления изобретения.
В варианте осуществления изобретения предложен компенсатор давления для подводного устройства, предназначенный для проведения компенсации давления между окружающей средой вокруг подводного устройства и жидкой средой, заполняющей объем подводного устройства. Компенсатор давления содержит, по меньшей мере, один внешний сильфон, первую камеру, ограниченную внешним сильфоном, по меньшей мере, один внутренний сильфон, расположенный внутри первой камеры, и вторую камеру, ограниченную внутренним сильфоном. Между внешним сильфоном и внутренним сильфоном ограничен компенсационный объем. Компенсатор давления дополнительно содержит первое соединение между компенсационным объемом и объемом подводного устройства, обеспечивающее прохождение жидкой среды между компенсационным объемом и объемом подводного устройства, когда компенсатор давления смонтирован на подводном устройстве. Дополнительно предусмотрено второе соединение второй камеры с пространством снаружи компенсатора давления, обеспечивающее прохождение окружающей среды во вторую камеру и из нее, когда компенсатор давления смонтирован на подводном устройстве и погружен под воду.
При такой конфигурации внешний сильфон и внутренний сильфон расположены так, что расширение внешнего сильфона и сжатие внутреннего сильфона приводят к увеличению компенсационного объема. Таким образом, компенсатор давления может достигать больших изменений компенсационного объема по сравнению с компенсатором давления, имеющим лишь внешний сильфон тех же размеров. Кроме того, уменьшается мертвое пространство жидкой среды, поскольку вторую камеру можно заполнить окружающей средой, в частности морской водой, через второе соединение, так что коэффициент использования компенсатора давления можно увеличить. Поскольку сильфоны являются гибкими и могут расширяться и сжиматься, разности давлений между окружающей средой и жидкой средой можно компенсировать, т.е. давления окружающей среды и жидкой среды в компенсационном объеме можно уравнять.
В варианте осуществления второе соединение является соединением между второй камерой и пространством снаружи компенсатора давления.
В варианте осуществления внешний сильфон содержит внешнюю накрывающую плиту и участок сильфона, имеющий два отверстия. Участок сильфона уплотнен непроницаемым для жидкости образом к внешней накрывающей плите в одном отверстии и в установочной плите в другом отверстии. Установочная плита может быть частью внешнего сильфона или может быть частью подводного устройства. В качестве примера непроницаемое для жидкости уплотнение может быть обеспечено посредством сварки. Участок сильфона может иметь цилиндрическую форму с отверстиями вверху и внизу.
Внутренний сильфон может содержать внутреннюю накрывающую плиту и участок, имеющий два отверстия и уплотненный непроницаемым для жидкости образом к внутренней накрывающей плите в одном отверстии. В другом отверстии он может быть уплотнен к установочной плите или внешней накрывающей плите внешнего сильфона. Участок сильфона может быть цилиндрическим и может иметь отверстия вверху и внизу, а непроницаемое для жидкости уплотнение может быть достигнуто посредством сварки.
Конфигурация компенсатора давления может быть такой, что внешняя накрывающая плита и внутренняя накрывающая плита могут свободно перемещаться в осевом направлении соответствующих участков сильфона, причем перемещение внешней накрывающей плиты не зависит от перемещения внутренней накрывающей плиты. При такой конфигурации можно достичь больших изменений компенсационного объема и поддерживать абсолютные размеры компенсационного объема малыми.
В варианте осуществления участок внутреннего сильфона уплотнен к установочной плите, а второе соединение содержит одно или более отверстий в установочной плите, находящихся в области установочной плиты, которая окружена участком внутреннего сильфона. Одно или более отверстий могут содержать, например, единственное отверстие, имеющее диаметр, который лишь немного меньше, чем диаметр участка внутреннего сильфона. Таким образом, окружающая среда может беспрепятственно приходить во вторую камеру.
В дополнительном варианте осуществления внешний сильфон содержит внешнюю накрывающую плиту, а внутренний сильфон содержит участок, который уплотнен к внешней накрывающей плите, причем второе соединение содержит одно или более отверстий во внешней накрывающей плите, находящихся в области внешней накрывающей плиты, которая окружена участком внутреннего сильфона. При такой конфигурации обеспечивается прохождение окружающей среды во вторую камеру, даже если компенсатор давления установлен непосредственно на корпус подводного устройства, например, посредством установочной плиты.
Внешний сильфон может содержать участок, который уплотнен непроницаемым для жидкости образом к установочной плите, образующей часть внешнего сильфона или подводного устройства, при этом первое соединение содержит проход для текучей среды через установочную плиту. Таким образом можно облегчить поток жидкой среды между объемом подводного устройства и компенсационным объемом, например, когда установочная плита образует часть корпуса подводного устройства или непосредственно установлена на такой корпус.
Проход для текучей среды может представлять собой трубопровод, короб, канал, трубу, трубку или аналогичное средство либо состоять из упомянутых средств, он представляет собой проем через установочную плиту, обеспечивающий прохождение жидкости сквозь эту плиту.
В предпочтительном варианте, по меньшей мере, один внешний сильфон и/или, по меньшей мере, один внутренний сильфон представляет собой формованный металлический сильфон. Использование формованного металлического сильфона может сделать компенсатор давления устойчивым к внешним воздействиям, а также экономичным в изготовлении. За счет этой конфигурации компенсатора давления можно смягчить недостатки, которые могут быть результатом ограниченного рабочего хода формованного металлического сильфона, поскольку компенсатор давления достигает больших изменений компенсационного объема и высокого коэффициента использования даже в случае сильфона, имеющего ограниченный рабочий ход.
Формованный металлический сильфон может содержать участок, который выполнен из листа металла, которому придана цилиндрическая форма и который снабжен гофрами. Гребни гофров могут проходить в окружном направлении цилиндрической формы, так что становятся возможными расширение и сжатие участка сильфона в его осевом направлении. Таким образом, сильфон можно назвать гофрированным сильфоном.
В варианте осуществления, по меньшей мере, один внешний сильфон содержит первый внешний сильфон и второй внешний сильфон, расположенный внутри первого внешнего сильфона. Первый внешний сильфон и второй внешний сильфон ограничивают первый промежуточный объем. Первый внешний сильфон обеспечивает непроницаемое для жидкости уплотнение между первым промежуточным объемом и окружающей средой, а второй внешний сильфон обеспечивает непроницаемое для жидкости уплотнение между первым промежуточным объемом и компенсационным объемом. При этой конфигурации во внешнем сильфоне обеспечивается двойная защита от окружающей среды. Каждый внешний сильфон может содержать участок сильфона и накрывающую плиту, причем оба участка сильфона установлены на одну и ту же установочную плиту. Накрывающие плиты могут иметь конфигурацию, обеспечивающую их беспрепятственное и независимое перемещение относительно друг друга. Таким образом, промежуточный объем можно заполнить жидкостью, компенсированной по давлению как применительно к окружающей среде, так и применительно к жидкой среде в компенсационном объеме.
Аналогично, по меньшей мере, один внутренний сильфон может содержать первый внутренний сильфон и второй внутренний сильфон, расположенный внутри первого внутреннего сильфона. Первый внутренний сильфон и второй внутренний сильфон могут ограничивать второй промежуточный объем. Первый внутренний сильфон может обеспечивать непроницаемое для жидкости уплотнение между вторым промежуточным объемом и компенсационным объемом, а второй внутренний сильфон может обеспечивать непроницаемое для жидкости уплотнение между вторым промежуточным объемом и окружающей средой. Каждый из первого и второго внутренних сильфонов может содержать накрывающую плиту и участок сильфона, причем оба участка сильфона установлены на одну и ту же установочную плиту внешнего сильфона или на накрывающую плиту внешнего сильфона (в частности, второго внешнего сильфона). Накрывающие плиты обоих внутренних сильфонов опять могут иметь конфигурацию, обеспечивающую их беспрепятственное перемещение независимо друг от друга. Таким образом, обеспечивается двойная защита от проникновения окружающей среды, которая может заполнить вторую камеру, когда компенсатор давления смонтирован под водой. Второй промежуточный объем можно наполнить жидкостью, которая компенсирована по давлению применительно к окружающей среде и применительно к жидкой среде в компенсационном объеме.
Путем воплощения обеих вышеупомянутых конфигураций можно достичь полного двойного защитного уплотнения компенсационного объема от окружающей среды. При отказе одного из сильфонов, находящегося в контакте с окружающей средой, окружающая среда будет проходить лишь в промежуточный объем.
В варианте осуществления компенсатор давления может содержать, по меньшей мере, два внутренних сильфона, расположенных внутри первой камеры, причем каждый из внутренних сильфонов ограничивает камеру и содержит соединение для прохождения окружающей среды в соответствующую камеру, при этом, по меньшей мере, два внутренних сильфона расположены рядом друг с другом. В некоторых применениях такая конфигурация может способствовать дополнительному увеличению коэффициента использования.
Компенсатор давления может содержать, по меньшей мере, третий сильфон, расположенный во второй камере и ограничивающий третью камеру. Между компенсационным объемом и третьей камерой может быть предусмотрено третье соединение, обеспечивающее прохождение жидкой среды между компенсационным объемом и третьей камерой. Изменения величины компенсационного объема, которых можно достичь с помощью компенсатора давления, при такой конфигурации можно сделать еще большими. Это выгодно, в частности, при использовании формованных металлических сильфонов, имеющих ограниченный рабочий ход.
Окружающая среда может быть морской водой, а внешний сильфон своей внешней стороной может находиться в контакте с морской водой, когда компенсатор давления смонтирован под водой. Второй проход для текучей среды может иметь конфигурацию, обеспечивающую прохождение морской воды во вторую камеру, вследствие чего вторая камера заполняется морской водой, когда компенсатор давления смонтирован под водой. Компенсационный объем может быть заполнен жидкостью, в частности диэлектрической жидкостью, такой как масло.
В дополнительном варианте осуществления предложено подводное устройство, содержащее корпус, ограничивающий некоторый объем, заполненный жидкой средой, и компенсатор давления в любой из вышеописанных конфигураций. Первое соединение компенсатора давления обеспечивает прохождение жидкой среды между объемом, ограниченным корпусом и компенсационным объемом компенсатора давления. В частности, когда используют конфигурацию компенсатора давления, предусматривающую наличие формованных металлических сильфонов, компенсации давления в объеме подводного устройства можно достичь экономичным образом, а размеры мертвого пространства компенсатора давления при этом можно уменьшить.
Участок внешнего сильфона компенсатора давления может иметь цилиндрическую форму, имеющую диаметр в диапазоне между примерно 0,5 м и примерно 2,5 м. Кроме того, в несжатом или нерасширенном состоянии участок сильфона может иметь высоту между примерно 0,5 м и примерно 2,5 м. Внутреннему сильфону можно придать такие размеры, что отношение объема, ограниченного внутренним сильфоном, и объема, ограниченного внешним сильфоном, находится в диапазоне от примерно 0,3 до примерно 0,9.
Признаки вариантов осуществления изобретения, упомянутые выше, и признаки вариантов осуществления изобретения, поясняемые ниже, можно объединять друг с другом, если не указано обратное.
Краткое описание чертежей
Вышеизложенные и другие признаки и преимущества изобретения станут очевидными из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи. На чертежах сходные позиции обозначают сходные элементы.
На фиг. 1 представлен схематический вид, иллюстрирующий известный компенсатор давления, подсоединенный к объему подводного устройства.
На фиг. 2 представлен схематический вид, иллюстрирующий компенсатор давления в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 3 представлен схематический вид, иллюстрирующий компенсатор давления в соответствии с дополнительным вариантом осуществления изобретения.
На фиг. 4A и 4B представлены схематические виды, иллюстрирующие компенсатор давления в соответствии с вариантами осуществления изобретения, в которых предусмотрены два внутренних сильфона, расположенные рядом друг с другом.
На фиг. 5A и 5B представлены схематические виды, иллюстрирующие компенсатор давления в соответствии с вариантами осуществления изобретения, в которых внутри внутреннего сильфона расположен третий сильфон.
На фиг. 6 представлен схематический вид, иллюстрирующий компенсатор давления в соответствии с вариантом осуществления изобретения, снабженный двойной защитой от окружающей среды.
На фиг. 7A, 7B и 7С представлены схематические виды, иллюстрирующие разные состояния во время компенсации давления в соответствии с вариантом осуществления.
На фиг. 8A и 8B представлены схематические перспективные виды и сечение компенсатора давления в конкретном воплощении варианта осуществления согласно фиг. 2.
На фиг. 9A и 9B представлены схематические перспективные виды и сечение компенсатора давления в конкретном воплощении варианта осуществления согласно фиг. 3.
На фиг. 10 представлен схематический вид, иллюстрирующий подводное устройство, содержащее компенсатор давления в соответствии с вариантом осуществления изобретения.
Подробное описание
Ниже приводится более подробное описание вариантов осуществления, проиллюстрированных на прилагаемых чертежах. Должно быть ясно, что нижеследующее описание является лишь иллюстративным, а не ограничительным. Чертежи являются лишь схематическими изображениями, а элементы на чертежах не обязательно представлены в масштабе друг с другом.
На фиг. 1 изображена подводная система 100, содержащая известный компенсатор 101 давления. Известный компенсатор 101 давления состоит из единственного сильфона, ограничивающего компенсационный объем, который подсоединен посредством трубы 103 к внутреннему объему подводного корпуса 102. В частности, при использовании формованного металлического сильфона в компенсаторе 101 давления рабочий ход сильфона довольно ограничен, что приводит к большому абсолютному объему компенсатора 101 давления для заданного изменения объема, которое должно быть достигнуто компенсатором давления. Таким образом, компенсатор 101 давления требует много пространства и является относительно тяжелым из-за своих размеров. Он должен быть заполнен большим объемом жидкости, которая сама требует компенсации для изменения объема. В частности, для сильфона компенсатора 101 давления должны иметь размеры, более чем втрое превышающие компенсированный объем в корпусе 102, из-за низкого коэффициента использования компенсатора. Коэффициент использования для суммарного объема компенсатора давления можно определить как долю достижимого изменения объема.
На фиг. 2 показано сечение на виде сбоку компенсатора 50 давления в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Компенсатор 50 давления содержит первый сильфон 10, включающий в себя участок 11 сильфона, верхняя часть которого уплотнена к накрывающей плите 12 и нижняя часть которого уплотнена к установочной плите 13. Непроницаемое для жидкости уплотнение может быть обеспечено посредством приваривания участка 11 сильфона к соответствующей плите. В установочной плите 13 предусмотрено первое соединение 15. Это соединение 15 обеспечивает сообщение между объемом, огражденным внешним сильфоном 10, и объемом, ограниченным корпусом подводного устройства, для которого компенсатор 50 давления обеспечивает компенсацию объема или давления. Первое соединение 15 может быть простым сквозным соединением, т.е. проемом через установочную плиту 13, или оно может содержать трубу, трубку, короб, канал, трубопровод или аналогичное средство.
Компенсатор 50 давления дополнительно содержит внутренний сильфон 20, который расположен в камере, ограниченной внешним сильфоном 10. Внутренний сильфон 20 содержит участок 21 сильфона, который уплотнен к внутренней накрывающей плите 22 внутреннего сильфона 20 и к внешней накрывающей плите 12 внешнего сильфона 10. Непроницаемое для жидкости уплотнение между участком 21 сильфона и соответствующей накрывающей плитой также может быть получено посредством сварки.
Между второй камерой 24, ограниченной внутренним сильфоном 20, и внешним пространством компенсатора 50 давления предусмотрено второе соединение 25. Второе соединение 25 обеспечивает прохождение окружающей среды вокруг компенсатора 50 давления, такой как морская вода, через второе соединение 25 во вторую камеру 24. Благодаря непроницаемым для жидкости уплотнениям, предусмотренным на периферии участка 21 сильфона, морская вода не может проходить в компенсационный объем 14, который ограничен между внутренним сильфоном 20 и внешним сильфоном 10.
Внешний сильфон 10 ограничивает первую камеру, в которой расположен внутренний сильфон 20. Благодаря непроницаемым для жидкости уплотнениям, предусмотренным на периферии участка 11 внешнего сильфона и участка 21 внутреннего сильфона, между соответствующими участками сильфона, внешней накрывающей плитой 12, внутренней накрывающей плитой 22 и установочной плитой 13 ограничен некоторый объем. Этот ограниченный компенсационный объем 14 доступен для компенсации давления, и его можно значительно изменять путем расширения и сжатия внешнего и внутреннего сильфонов. Компенсационный объем 14 заполнен жидкостью, в частности диэлектрической жидкостью, которая может проходить в компенсационный объем 14 и выходить из него через первое соединение 15. Окружающая среда, такая как морская вода, не может проходить в компенсационный объем 14.
Корпус подводного устройства ограничивает некоторый объем, в котором может быть расположен, например, электрический компонент. Этот объем может сообщаться с компенсационным объемом 14 через первое соединение 15. Если жидкость в этом объеме корпуса подводного устройства расширяется, например, из-за роста температуры, жидкость сможет проходить в компенсационный объем 14. За счет расширения внешнего сильфона 10 и/или сжатия внутреннего сильфона 20 компенсационный объем 14 увеличивается, так что компенсатор давления может отбирать дополнительную жидкость, не вызывая резкого увеличения давления. В еще одном примере, если давление окружающей среды вокруг компенсатора 50 давления увеличивается, например, при монтаже подводного устройства, на которое установлен компенсатор 50 давления, на больших глубинах воды, то объем жидкости будет увеличиваться из-за увеличивающегося давления и/или из-за увеличивающейся температуры. Увеличивающийся объем жидкости можно компенсировать посредством сжатия внешнего сильфона 10 и расширения внутреннего сильфона 20, что приводит к уменьшающемуся компенсационному объему 14. Посредством гибких участков 11, 21 сильфонов любые изменения давления в окружающей среде передаются непосредственно жидкости, заполняющей компенсационный объем 14, так что давление этой жидкости уравнивается с давлением окружающей среды. Отметим, что в компенсационном объеме 14 можно поддерживать небольшое избыточное давление, например путем смещения (предварительного нагружения) сильфонов или аналогичного воздействия. Смещение может происходить, например, за счет веса накрывающих плит, пружины, прикладывающей силу к сильфону, использования сильфона в качестве пружины или любых других средств. Небольшое избыточное давление предотвращает попадание окружающей среды в объем подводного устройства, поскольку небольшое избыточное давление жидкости предотвратит вытеснение жидкости при любой утечке. Это также облегчает обнаружение утечки.
В компоновке согласно фиг. 2 компенсатор 50 давления имеет компенсационную способность внутреннего сильфона и внешнего сильфона, не требуя пространства, большего, чем занимаемое самим внешним сильфоном 10. Кроме того, объем жидкости, необходимый в компенсационном объеме 14, является относительно малым, а изменения объема при этом обеспечиваются относительно большие. Таким образом, компенсатор 50 давления согласно фиг. 2 может использовать формованные металлические сильфоны, которые просты и экономичны в изготовлении, а габаритные размеры компенсатора давления, которые необходимы для конкретного объема подводного устройства, можно поддерживать сравнительно малыми.
В вариантах осуществления, описанных выше, внешний сильфон 10 и внутренний сильфон 20 представляют собой формованные металлические сильфоны, хотя следует понять, что описанные конфигурации можно также применять с сильфонами других типов.
Формованный металлический сильфон 10, 20 может быть изготовлен с использованием листа металла, периферийные края которого приварены друг к другу, образуя цилиндр. Соответствующий участок сильфона можно получить путем гидроформования листа металла или цилиндра, например, с помощью шаблонов желаемого профиля участка сильфона. Другой возможностью является использование метода прокатки, при осуществлении которого металлический цилиндр механически деформируют для образования гофров участка сильфона. То, что обеспечиваются гофры гидроформованием или прокаткой, может зависеть от диаметра металлического цилиндра. Для больших диаметров, например для диаметра свыше 1200 мм, гофры можно формировать путем прокатки, а если диаметр меньше этого, то их можно получать гидроформованием.
Таким образом, формованные сильфоны также могут быть гофрированными сильфонами. По сравнению со сварными сильфонами, в которых гофры образованы путем сварки, гофрированные сильфоны могут оказаться надежнее в подводных применениях, они менее подвержены коррозии и имеют больший предполагаемый срок службы при многократных циклах сжатия-расширения.
Формованный металлический сильфон может иметь длину рабочего хода в диапазоне между примерно 10% и примерно 20% своей длины в каждом случае, что дает суммарную длину рабочего хода в диапазоне между примерно 20% и примерно 40%. В качестве примера, исходя из рабочего сопротивления сильфона, его можно растягивать или сжимать каждый раз на 15%. Для создания вышеупомянутого небольшого избыточного давления внутри компенсационного объема 14 можно использовать собственную постоянную упругости формованного металлического сильфона.
Внешний сильфон компенсатора 50 давления может иметь, например, диаметр в диапазоне между примерно 0,5 м и примерно 2,5 м, однако можно предусмотреть компенсаторы давления, имеющие сильфоны других диаметров.
Остальные чертежи иллюстрируют модификации компенсатора 50 давления, которые подробнее поясняются ниже. Соответственно, вышеупомянутые пояснения применимы и к вариантам осуществления, описываемым ниже.
В варианте осуществления согласно фиг. 3 внутренний сильфон 20 уплотнен не к накрывающей плите 12, а к установочной плите 13. Соответственно, второе соединение 25 предусмотрено в установочной плите 13. Второе соединение 25 расположено на нижней стороне компенсатора 50 давления, что может иметь преимущества для некоторых конфигураций подводного устройства, к которому надлежит подсоединить компенсатор 50 давления.
На фиг. 4A и 4B показаны варианты осуществления компенсатора 50 давления, в которых предусмотрены два внутренних сильфона 20, 30, расположенные рядом друг с другом. На фиг. 4A оба внутренних сильфона 20, 30 уплотнены к внешней накрывающей плите 12 внешнего сильфона 10. Для каждого внутреннего сильфона 20, 30 предусмотрено второе соединение 25, 35. Каждый внутренний сильфон дополнительно содержит свою собственную внутреннюю накрывающую плиту 22, 32, которая может перемещаться независимо друг от друга. Следует уточнить, что в других конфигурациях можно предусмотреть больше двух внутренних сильфонов, например, три, четыре, пять и т.д.
На фиг. 4В показано, что оба внутренних сильфона 20, 30 уплотнены к установочной плите 13. Таким образом, конфигурация аналогична конфигурации согласно фиг. 3, но с двумя внутренними сильфонами. Следует уточнить, что эта конфигурация также может иметь более двух внутренних сильфонов, и конфигурации согласно фиг. 4А и 4В могут быть смешанными, например, за счет наличия одного или более сильфонов, уплотненных к накрывающей плите 12, и за счет наличия одного или более сильфонов, уплотненных к установочной плите 13.
В конфигурациях согласно фиг. 5А и 5В компенсатор 50 давления дополнительно содержит третий сильфон 40, который расположен внутри камеры 24, ограниченной внутренним сильфоном 20. Кроме того, между камерой 44, ограниченной третьим сильфоном 40 и компенсационным объемом 14, предусмотрено третье соединение 45. В обоих вариантах осуществления согласно фиг. 5А и 5В третий сильфон 40 уплотнен к внутренней накрывающей плите 22 внутреннего сильфона 20, причем третье соединение 45 выполнено в виде отверстия в накрывающей плите 22. Конфигурация согласно фиг. 5А соответствует конфигурации согласно фиг. 2, а конфигурация согласно фиг. 5В соответствует конфигурации согласно фиг. 3. В обеих конфигурациях третий сильфон 40 дополнительно увеличивает изменения объема, которые возможны посредством компенсатора 50 давления. Причина заключается в возможности сжимать или расширять третий сильфон 40, тем самым увеличивая или уменьшая объем камеры, ограниченной третьим сильфоном. Поскольку эта камера сообщается с компенсационным объемом 14, обеспечиваются большие изменения объема жидкости, заполняющей компенсационный объем 14 и объем подводного устройства.
На фиг. 6 показан вариант осуществления, конфигурация которого соответствует конфигурации согласно фиг. 3. В варианте осуществления согласно фиг. 6 воплощена конструкция с двойной защитой. Внешний сильфон 10 содержит первый внешний сильфон 61 и второй внешний сильфон 62, каждый из которых имеет участок сильфона и внешнюю накрывающую плиту. Между этими участками сильфона, внешними накрывающими плитами и установочной плитой 13 ограничен внешний промежуточный объем 63. Он герметизирован от компенсационного объема 14 и от окружающей среды вокруг компенсатора 50 давления. Аналогично, внутренний сильфон 20 содержит первый внутренний сильфон 71 и второй внутренний сильфон 72. Второй внутренний сильфон 72 расположен внутри первого внутреннего сильфона 71, причем каждый сильфон содержит внутреннюю накрывающую плиту. Между внутренними накрывающими плитами и участками первого и второго внутренних сильфонов 71, 72 и установочной плитой 13 ограничен внутренний промежуточный объем 73.
В этом случае жидкость в компенсационном объеме 14 защищена от окружающей среды вокруг компенсатора 50 давления или среды, которая может проходить во вторую камеру 24 внутреннего сильфона 20, двойной защитой. Таким образом, окружающая среда, проходящая через первый внешний сильфон 61 или второй внутренний сильфон 72, будет ограничена во внешнем промежуточном объеме 63 или внутреннем промежуточном объеме 73, соответственно, и не попадет в компенсационный объем 14. Следует уточнить, что такую конфигурацию с двойной защитой также можно предусмотреть в любом из других вариантов осуществления, которые описаны выше или будут дополнительно описаны ниже.
Фиг. 7А-7С иллюстрируют работу компенсатора 50 давления применительно к конфигурации согласно фиг. 3. На фиг. 7А показано рабочее состояние равновесия, которого можно достичь, например, когда подводное устройство, содержащее компенсатор давления, смонтировано под водой на номинальной рабочей глубине. Существует возможность сжатия или растяжения как внутреннего сильфона 20, так и внешнего сильфона 10, а жидкость в пределах компенсационного объема 14 может иметь небольшое избыточное давление по сравнению с морской водой, окружающей компенсатор 50 давления и попадающей во вторую камеру 24. Начиная с состояния, изображенного на фиг. 7А, ситуация теперь такова, как показано на фиг. 7В, где давление окружающей среды падает или температура увеличивается, приводя к увеличению объема жидкости в подводном устройстве. Благодаря расширению объема жидкость попадает в компенсационный объем 14 через первое соединение 15, что ведет к растяжению внешнего сильфона 10 и к сжатию внутреннего сильфона 20, как показано стрелками. Поскольку объем второй камеры 24 уменьшается, морская вода вытесняется через второе соединение 25.
Давление жидкости в пределах компенсационного объема 14 обуславливает приложение силы в направлении стрелок к внешней накрывающей плите и к внутренней накрывающей плите, и такая сила уравновешивается силой, прикладываемой к этим плитам за счет давления окружающей среды. Следовательно, компенсатор 50 давления обеспечивает равновесие между давлением окружающей среды и давлением в пределах компенсационного объема 14 (без учета вышеупомянутой нагрузки смещения, обуславливаемой давлением, если таковая предусматривается). Поскольку уравнивание давлений достигается посредством компенсации разностей объема жидкости, компенсатор 50 давления также можно назвать «компенсатором объема».
На фиг. 7С иллюстрируется ситуация, в которой объем жидкости в подводном устройстве уменьшается, например, благодаря увеличению давления окружающей среды или благодаря уменьшению температуры жидкости. Следовательно, жидкость проходит из компенсационного объема 14 через первое соединение 15 в объем подводного устройства. Компенсационный объем соответственно уменьшается за счет сжатия внешнего сильфона 10 и расширения внутреннего сильфона 20, как указано стрелками. Расширение внутреннего сильфона 20 приводит к попаданию морской воды во вторую камеру 24 через второе соединение 25. За счет изменения компенсационного объема 14 давление жидкости уравнивается с давлением окружающей среды.
На фиг. 8А и 8В показано конкретное воплощение компенсатора 50 давления в конфигурации согласно фиг. 2. На перспективном виде согласно фиг. 8А показано, что второе соединение 25 содержит несколько отверстий во внешней накрывающей плите 12. Помимо этого, первое соединение 15 выполнено в виде трубы или шланга, проходящих от установочной плиты 13. Это также показано на фиг. 8В, где подробнее иллюстрируются участки 11 и 21 внешнего сильфона 10 и внутреннего сильфона 20, соответственно. Наличие нескольких отверстий в накрывающей плите 12 облегчает прохождение окружающей среды во вторую камеру 24 внутреннего сильфона 20.
На фиг. 9А и 9В показано конкретное воплощение компенсатора 50 давления в конфигурации согласно фиг. 3. Как показано на фиг. 9А, внешняя накрывающая плита 12 не снабжена отверстиями, которые могут, например, предотвратить попадание мусора из второй камеры 24. Как показано на фиг. 9В, установочная плита снабжена отверстием, обеспечивающим второе соединение 25. Это отверстие окружено участком 21 внутреннего сильфона 20 и имеет размер, который, по существу, соответствует диаметру участка 21 внутреннего сильфона. Таким образом, поток окружающей среды во вторую камеру, ограниченную вторым сильфоном 20, является, по существу, беспрепятственным. Первое соединение 15 проходит через установочную плиту 13, и в примере согласно фиг. 9 оно воплощено в виде трубы или шланга.
Отметим, что, хотя во всех вышеописанных конфигурациях первое соединение 15 выполнено посредством проема в установочной плите 13, оно может также быть расположено в другом месте, например, оно может проходить через накрывающую плиту 12. Поскольку накрывающая плита 12 перемещается во время компенсации давления, целесообразно предусмотреть первое соединение в установочной плите 13.
Фиг. 10 иллюстрирует подводное устройство 80 в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Подводное устройство 80 содержит корпус 81, ограничивающий объем 82, который заполнен жидкостью, в частности диэлектрической жидкостью. В жидкость, заполняющую объем 82, погружен электрический компонент 83. Подводное устройство 80 дополнительно содержит компенсатор 50 давления. Отметим, что хотя показанный на фиг. 10 компенсатор 50 давления имеет конфигурацию, проиллюстрированную на фиг. 2, в подводном устройстве 80 можно использовать любую из конфигураций компенсатора 50 давления, описанных здесь. Жидкость в объеме 82 может проходить в компенсационный объем 14 компенсатора 50 давления через первое соединение 15. Окружающая среда 90, которая находится вокруг подводного устройства 80, когда оно смонтировано под водой, в частности морская вода, может проходить во вторую камеру 24 внутреннего сильфона 20 через второе соединение 25.
Установочная плита 13 может быть металлической плитой, которая является частью компенсатора 50 давления, в частности частью внешнего сильфона 10. В других конфигурациях установочная плита 13 может быть частью корпуса 81 подводного устройства 80, в частности она может быть стенкой корпуса 81. Таким образом, в некоторых конфигурациях установочная плита 13 может быть установлена на стенку корпуса 81, например, путем прикручивания болтами или приваривания установочной плиты на эту стенку, а в других конфигурациях участок 11 сильфона может быть приварен непосредственно к стенке корпуса 81.
Первое соединение 15 может быть простым отверстием в установочной плите 13 и соответствующей стенке корпуса 81, т.е. проемом через слои материала, отделяющие компенсационный объем 14 от объема 82. Кроме того, как описано выше, в других вариантах осуществления возможно использование трубы или трубки для соединения компенсационного объема 14 с объемом 82.
Во время работы установочная плита 13 обычно неподвижна, так как она установлена на корпус подводного устройства, а накрывающая плита перемещается во время компенсации объема. Внешняя накрывающая плита 12 и внутренняя накрывающая плита 22 перемещаются независимо друг от друга во время эксплуатации, обычно в противоположных направлениях, что применительно к фиг. 7А-7С.
Вышеуказанные варианты осуществления обеспечивают компенсатор давления, который экономичен в производстве, при этом обеспечивает высокий коэффициент использования и имеет лишь ограниченные размеры и вес. Коэффициент использования компенсатора давления можно увеличить примерно до 60% или даже выше. При этом объем неиспользуемой жидкости можно уменьшить. Поскольку в компенсаторе давления возможно использование формованных металлических сильфонов, можно достичь дополнительных преимуществ в виде стойкости к коррозии и продленного срока службы.