ГАЗОВЫЙ КОМПЕНСАТОР ДЛЯ ГЛУБОКОВОДНЫХ ПРИБОРОВ
GAS COMPENSATOR FOR DEEP-WATER INSTRUMENTS

Изобретение относится к области глубоководных приборов, в частности, к низкочастотным гидроакустическим преобразователям и экранам гидроакустических антенн, где, для автоматического поддержания противодавления на различных глубинах используется замкнутая газовая компенсация.
Известен газовый компенсатор замкнутого типа с автоматическим поддержанием противодавления в газонаполненных полостях глубоководных приборов (см. а.с. №1840764).
Такой газовый компенсатор состоит из нескольких газонаполненных под разными давлениями жестких баллонов с диафрагмами, чувствительными к гидростатическому давлению среды.
В этом компенсаторе каждый баллон выполнен из металла, внутри баллона помещена одна эластичная диафрагма, с которой соединены 2 клапана. Клапаны срабатывают в 2-х крайних положениях диафрагмы.
Баллоны через клапаны соединены трубопроводами (гибкими шлангами) с компенсируемым объемом гидроакустического преобразователя. Клапаны размещены на баллоне и обеспечивают в каждом поддиапазоне г/с давления подключение того баллона, давление газа в котором равно наружному гидростатическому давлению.
Каждый баллон такого компенсатора выполняет 3 функции:
1. хранение сжатого газа;
2. перекачка сжатого газа в компенсируемый объем прибора;
3. отключение израсходованного баллона и подключение следующего, заполненного под большим давлением.
Однако такой компенсатор удовлетворителен для компенсации приборов с внутренним объемом до 50 л и на рабочих глубинах до 150 м.
При разработке компенсатора такой конструкции для приборов с большим внутренним объемом (до 400 л) и для больших рабочих глубин (250÷500 м) он будет иметь следующие недостатки:
1. Большой вес компенсатора.
Для компенсации прибора с внутренним объемом порядка 100 л и рабочей глубиной 200-250 м необходимый объем одного баллона около 100 л.
Для размещения клапанов и уплотнения диафрагмы большого диаметра баллон должен быть жестким, иметь разъем на довольно большом диаметре.
Кроме того, баллоны с более высоким давлением газа должны иметь большую толщину стенок.
В результате общий вес компенсатора с 6-ью такими баллонами и трубопроводами достигает 600 кг.
2. Малая надежность и долговечность компенсатора.
В баллонах объема порядка 100 л с размещенной в них эластичной диафрагмой для обеспечения полного вытеснения газа, ход диафрагмы должен быть очень большим, а отношение ,
где h - ход диафрагмы,
D - внутренний диаметр баллона.
Общеизвестно, что долговечность и надежность работы диафрагм падает с увеличением рабочего хода, так как увеличиваются механические напряжения в материале диафрагмы при ее перегибах под малыми радиусами. Поэтому долговечность и надежность работы баллона с такой диафрагмой невелика.
Попытка же создания конструкции баллона большого объема с отношением  приводит к увеличению диаметра, толщины стенок и к резкому увеличению веса баллона.
3. Недостаточная чувствительность и точность компенсации.
Ввиду больших размеров баллонов, значительная протяженность трубопроводов приводит к увеличению гидравлического сопротивления при движении газа от баллонов к компенсируемому объему. Вследствие этого уменьшается чувствительность компенсатора и точность компенсации.
Целью настоящего изобретения является создание газового компенсатора замкнутого типа, значительно меньшего веса, большей чувствительности и точности компенсации, повышенной долговечности и транспортабельности при сохранении всех остальных рабочих параметров.
Поставленная цель достигается тем, что функции подключения заполненных газом и отключения использованных баллонов при погружении компенсируемого прибора, а также возвращение системы в исходное состояние при всплытии выполняет автоматический клапанный регулятор (АКР), состоящий из газонаполненных под разным давлением камер, объем которых во много раз меньше объема баллонов (например, в 200÷300 раз), выполненных в едином жестком корпусе и сообщающихся между собой каналами, причем внутри камер размещены диафрагмы, управляющие клапанами, а функции хранения и вытеснения газа выполняют баллоны, выполненные из эластичного материала и соединенные непосредственно с соответствующей камерой АКР, т.е. заполненные газом под тем же давлением.
Увеличение надежности и долговечности в предлагаемом компенсаторе достигается за счет уменьшения размеров диафрагм и использования диафрагм с отношением рабочего хода к диаметру, меньшим единицы ().
Увеличение чувствительности компенсатора и точности компенсации достигается тем, что камеры с диафрагмами и клапанами, образующие автоматический клапанный регулятор (АКР), выполнены в одном корпусе и соединены каналами малой длины и большого диаметра, что позволяет резко сократить гидравлическое сопротивление в каналах.
Замена трубопроводов каналами в корпусе сокращает число уплотняемых соединений, уменьшает возможность утечек газа и увеличивает надежность работы компенсатора.
Дополнительное уменьшение веса компенсатора достигается тем, что эластичные баллоны вставлены один в другой.
Это позволяет уменьшить механические напряжения в стенках баллонов при вытеснении из них газа наружным гидростатическим давлением, а также снизить перепад давления на стенках баллонов с высоким давлением и при той же толщине стенки баллона иметь в нем большее давление.
Лучшая транспортабельность компенсатора достигается за счет того, что мягкие эластичные баллоны большого объема складываются при отсутствии в них газа и при транспортировке занимают сравнительно малый объем.
Таким образом, применение предлагаемого газового компенсатора вместо известного позволяет значительно (в 7 и более раз) снизить вес, увеличить эксплуатационную надежность, долговечность, чувствительность компенсатора и точность компенсации при сохранении всех остальных рабочих параметров.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена принципиальная гидравлическая схема предлагаемого компенсатора.
В качестве примера рассмотрим газовый компенсатор, содержащий автоматический клапанный регулятора (АКР) с 3-мя камерами 1, 2, 3, клапанами 5, 6, 7 и 8, управляемыми диафрагмами, размещенными в этих камерах, и соединенные трубопроводами с камерами три эластичных баллона 9, 10, 11.
Газовый компенсатор компенсирует объем 4 преобразователя или экрана гидроакустической антенны.
Камеры 1, 2, 3, выполнены в едином жестком корпусе, например в поковке из нержавеющей стали.
Диафрагмы камер 1, 2, 3 клапаны 5, 6, 7, 8 вместе с уплотнительными элементами и пружинами также размещены в этом корпусе.
Камеры 1, 2, 3 соединены между собой просверленными каналами малой длины и по возможности большего диаметра для уменьшения гидравлических потерь и увеличения чувствительности компенсатора и точности компенсации.
Жесткость диафрагмы каждой камеры несколько превышает жесткость оболочки присоединенного к ней эластичного баллона.
Объемы камеры 1, 2, 3 в 200÷300 раз меньше, чем объемы баллонов 9, 10, 11.
Камеры 1, 2, 3 и баллоны 9, 10, 11 заполнены газом, например азотом, под давлениями таким образом, что
где
1
Р - начальное давление в камере 1, баллоне 9 и компенсируемом объеме 4,
2
P - начальное давление в камере 2 и баллоне 10,
3
Р - начальное давление в камере 3 и баллоне 11,
4
P - конечное давление в компенсируемом объеме 4,
б
V - суммарный объем камеры 1 и баллона 9,
ко
V - компенсируемый объем 4 прибора.
Камера 1 разделена на 2 части диафрагмой. Одна часть камеры сообщается каналом с внешней средой (морская вода), а другая - через клапан 6 подключена к компенсируемому объему 4 и заполнена газом под давлением.
В газовой части камеры 1 находится толкатель клапана 5, который открывается диафрагмой камеры в момент, когда израсходуется весь запас газа в баллоне 9, а наружное г/с давление вытеснит весь газ из камеры 1. Камера 2 также разделена диафрагмой на 2 части.
2
Одна часть камеры 2 сообщается каналом с внешней средой, кроме того, в нее входит толкатель клапана 6, а другая часть камеры 2 через клапаны 8 и 5 подключена к компенсируемому объему 4, заполнена газом под давлением Р, а внутри ее находится толкатель клапана 7.
Клапан 7 открывается диафрагмой камеры 2 в момент, когда израсходуется запас газа в баллоне 10, а наружное г/с давление вытеснит весь газ из камеры 2.
2
Клапан 6 удерживается в открытом положении пружиной, когда камера 2 полностью заполнена газом под давлением P.
3
Камера 3 также разделена своей диафрагмой на 2 части. Одна часть камеры 3 сообщается каналом с внешней средой и внутри ее находится толкатель клапана 8, другая заполнена газом под давлением Р и через клапан 7 подключена к компенсируемому объему 4.
3
Клапан 8 открыт, когда камера 3 полностью заполнена газом под давлением Р.
Баллоны 9, 10, 11 большого объема выполнены из эластичного, прочного материала, например из армированной стеклотканью резины малой газопроницаемости.
Камера 1 и баллон 9 соединены трубопроводам и через клапан 6 подключены к компенсируемому объему 4.
Камера 2 и баллон 10 также соединены трубопроводом и через клапаны 8 и 5 подключены к объему 4.
Камера 3 и баллон 11, соединенные трубопроводом, через клапан 7 подключены к объему 4.
На чертеже баллон 10 размещен внутри баллона 9, а баллон 11 - внутри баллона 10. Совершенно очевидно, что баллоны 9, 10, 11 могут быть выполнены при необходимости отдельно.
Автоматический клапанный регулятор (АКР) с эластичными баллонами 9, 10, 11 буксируется под водой вместе с прибором, внутренний объем которого компенсируется.
Предлагаемый компенсатор работает следующим образом.
1
2
3
При погружении компенсатора вместе с прибором возрастающее внешнее гидростатическое давление действует на диафрагмы всех трех камер 1, 2, 3, но первой из них начинает прогибаться диафрагма камеры 1, т.к. P<P<P.
Одновременно первой по той же причине прогибается и эластичная оболочка баллона 9. При этом газ из газовой полости камеры 1 и баллона 9 через открытый клапан 6 поступает в компенсируемый объем 4, поддерживая в нем в каждый момент времени давление, равное наружному гидростатическому.
2
2
Когда в первую очередь израсходуется объем газа в баллоне 9, т.к. жесткость оболочки баллона мала по сравнению с жесткостью диафрагмы камеры 1, и затем израсходуется объем газа камеры 1, а наружное гидростатическое давление достигнет величины Р, диафрагма камеры 1 откроет клапан 5 и одновременно диафрагма камеры 2, прогнувшись под действием наружного гидростатического давления Р, закроет клапан 6, тем самым отключив израсходованный баллон 9 и газовую полость камеры 1.
2
При увеличении гидростатического давления выше значения Р газ из баллона 10 и газовой полости камеры 2 через открытые клапаны 8 и 5 вытесняется в компенсируемый объем 4, поддерживая в каждый момент времени давление в нем, равное наружному гидростатическому.
3
Когда израсходуется объем газа в баллоне 10 и газовой полости камеры 2, а наружное гидростатическое давление достигнет величины Р, диафрагма камеры 2 откроет клапан 7 и одновременно с этим диафрагма камеры 3 закроет клапан 8, тем самым отключив израсходованный баллон 10 и газовую полость камеры 2.
3
При увеличении гидростатического давления Р газ из баллона 11 и газовой полости камеры 3 через открытый клапан 7 вытесняется в компенсируемый объем 4, создавая в нем давление, равное наружному гидростатическому до тех пор, пока весь газ из емкости 11 и газовой полости камеры 3 не будет вытеснен в компенсируемый объем 4, а прибор вместе с компенсатором не достигнет предельной рабочей глубины.
При всплытии прибора вместе с компенсатором процессы заполнения баллона и камер и срабатывание клапанов происходит в обратном порядке.
После всплытия вся система возвращается в исходное положение, а газовые полости камер 1, 2, 3 и баллоны 9, 10, 11 оказываются заполненными газом под тем же давлением, что и перед погружением прибора с компенсатором.