Устройство выравнивания давления в герметичном корпусе автономного устройства Российский патент 2022 года по МПК B63G8/14 

Изобретение относится к системам компенсации давления в герметичном корпусе автономного устройства, работающего при изменении давления окружающей среды.

Преимущественно, предлагаемое устройство выравнивания давления предназначено для компенсации давления между окружающей средой вокруг автономного подводного устройства и средой (жидкой или газообразной), заполняющей внутренний объем герметичного корпуса подводного устройства.

Из-за растущих потребностей в энергии морская добыча нефти и газа перемещается в более глубокие воды, технологическое оборудование для обеспечения эффективной и безопасной добычи устанавливают на дне океана. Подводные установки могут содержать совокупность компонентов, включающих в себя насосы, компрессоры, сосуды и емкости, работающие под давлением и т.п., а также электроэнергетическую систему для приведения их в действие.

При этом 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) и высокую коррозионную активность. Особенно актуальна такая защита для глубоководных плавающих и стационарных устройств различных типов (обитаемых и необитаемых), погружаемых до 10000-11000 метров, содержащих, кроме указанных выше компонентов, различные газовые системы и/или герметичные полости (отсеки).

Одним из вариантов решения задачи по защите компонентов подводных установок и устройств от изменений давления окружающей морской воды является использование устройств выравнивания давления, которые уравнивают давление в герметичном корпусе подводных установок с давлением окружающей морской воды.

Наиболее распространенными конструкциями устройств выравнивания давления являются устройства сильфонного, мембранного и поршневого типа.

Примеры таких устройств выравнивания давления сильфонного типа описаны в патентах RU №№ 2519106, 2506197,

Однако устройства выравнивания давления сильфонного типа являются достаточно дорогими в изготовлении и часто характеризуются большими размерами и высоким весом, а в случаях использования газов в качестве рабочей среды в автономном устройстве, в связи с их значительной сжимаемостью при росте давления, практически нереализуемыми.

Известные устройства выравнивания давления мембранного (диафрагменного) типа (Мембранные устройства гидроударов: принцип работы, монтаж, разновидности (silphon.ru) и поршневого типа (O300.pdf (gidrostanok.ru)) имеют сходные между собой конструктивные особенности и принципы работы.

Каждый из указанных типов устройств выравнивания давления содержит прочный корпус в виде баллона высокого давления с установленным в нем подвижным элементом, разделяющим внутренний объем баллона на рабочую полость, сообщаемую с внешней средой и компенсационную полость, сообщаемую с внутренней полостью герметичного корпуса автономного устройства.

При давлении окружающей среды, меньшем давления рабочей среды автономного устройства, рабочая среда автономного устройства занимает весь внутренний объём баллона и подвижный разделяющий элемент (мембрана или поршень) находится в крайнем прижатом положении к узлу (каналу), соединяющему внутренний объем баллона и окружающую среду.

При этом, при нахождении баллона под внутренним рабочим давлением рабочей среды автономного устройства Рраб, баллон устройства работает как баллон давления.

При погружении автономного подводного устройства и повышении давления окружающей среды Рнар>Рраб через канал в корпусе баллона окружающая среда проникает в рабочую (в данном случае гидравлическую) полость баллона, при этом разделяющий элемент (мембрана, поршень) приходит в движение, осуществляя сжатие рабочей среды в компенсационной (в данном случае, газовой) полости до текущего значения Рнар (осуществляется разгрузка систем подводного устройства от воздействия давления окружающей среды).

На практике, чаще всего окружающей средой является вода морская с температурой от минус 4 до плюс 35 °С и воздух с температурой от минус 40 до плюс 50 °С. Максимальное значение гидростатического давления морской окружающей среды - Рнар=112 МПа.

Примеры устройств выравнивания давления мембранного типа описаны в Мембранный компенсатор гидроударов: принцип работы, монтаж, разновидности (silphon.ru), Мембранный бак для отопления: виды, конструкция, плюсы и минусы, установка (odstroy.ru),

патенте RU № 2522763.

В частности, известное устройство выравнивания давления мембранного типа содержит прочный шарообразный или цилиндрический корпус в виде баллона высокого давления, мембрану, разделяющую внутренний объем баллона на рабочую и компенсационную полости для разных сред (газовых или гидравлических).

К секции компенсационной полости корпуса баллона смонтирован съемный фланец с приваренным к нему штуцером подачи рабочей среды к автономному подводному устройству. К рабочей сферической секции корпуса смонтирован съемный фланец со сквозными проходными каналами, через которые окружающая среда проникает в рабочую полость баллона-устройства. В конструкции такого фланца предусматривается центральное отверстие с установленным в нём подвижным штоком. Нижняя часть штока выполнена в виде круглой упорной пластины, предотвращающей разрушение мембраны при наличии в баллоне давления рабочей среды при одновременном отсутствии давления окружающей среды.

Мембранные (диафрагменные) устройства достаточно эффективны в работе, однако, имеют существенный недостаток – быстрый выход из строя резиновых мембран (диафрагм), вызванный усталостью материала от многократных деформаций. Поэтому такие устройства выравнивания давления используют в виде блоков из нескольких штук, что существенно увеличивает габариты таких установок.

При этом, в баллонах с размещенной в них эластичной мембраной /диафрагмой для обеспечения полного вытеснения газа, ход мембраны должен быть очень большим. Однако известно, что долговечность и надежность работы мембран (диафрагм) падает с увеличением рабочего хода, так как увеличиваются механические напряжения в материале мембраны при ее перегибах под малыми радиусами. Увеличение объема баллона, с целью уменьшения хода мембраны, приводит к увеличению диаметра, толщины стенок и к резкому увеличению веса баллона - устройства давления.

Кроме того, металлические элементы прочного корпуса устройства выравнивания давления подвергаются воздействию агрессивной внешней среды, в частности морской воды, поступающей внутрь корпуса баллона при повышении давлении окружающей среды, то есть при погружении устройства на морскую глубину, что существенно снижает долговечность такого устройства. При этом, замена мембраны, в случае ее выхода из строя, требует разборку всего устройства.

Устройства выравнивания давления поршневого типа описаны в https://www.ooo-monitoring.ru/products/proba/cylinder-cp/, https://probaoil.ru/ballony-postojannogo-davlenija-porshne. Принятое за прототип устройство выравнивания давления поршневого типа (Баллоны постоянного давления поршневого типа БП-ПД (ooo-monitoring.ru)) относится к устройствам баллонно - поршневого типа и содержит прочный цилиндрический корпус в виде баллона давления с крышками – фланцами по его торцам, подвижный цилиндрический поршень, установленный внутри баллона, разделяющий внутренний объем баллона на рабочую полость, сообщаемую с внешней средой и компенсационную полость, сообщаемую с внутренней полостью герметичного корпуса автономного устройства. Подвижный цилиндрический поршень имеет радиальное уплотнение с несколькими резиновыми кольцами. Для обеспечения установки и выемки поршня в центре его торцевой поверхности выполнено глухое резьбовое отверстие.

Одна из торцевых крышек имеет направляющий выступ и центральный сквозной канал, через который рабочая (гидравлическая) полость баллона соединяется с окружающей средой. Для предотвращения засорения канала снаружи на крышке устанавливают защитный диск с сеткой мелких отверстий. В противоположной торцевой крышке имеется сквозной канал, соединяющий полость баллона с полостью герметичного корпуса автономного устройства.

При соединении устройства выравнивания давления с герметичным корпусом автономного устройства полость баллона заполняют рабочей средой (например, газом) автономного подводного устройства давлением Рраб больше давления Рнар среды, окружающей подводное устройство. При этом, поршень будет находиться в крайнем, прижатом к крышке-фланцу положении, а компенсационная (газовая) полость будет занимает весь внутренний объём баллона давления. При повышении наружного давления, например гидростатического давления Рнар более Рраб (при погружении автономного устройства) поршень под действием проникающей окружающей среды (например, морской воды) в рабочую полость (в данном случае гидравлическую) будет перемещаться, сжимая рабочую среду в баллоне и в корпусе автономного подводного устройства до давления Рнар. В результате перепад давления на поршень становится равным 0 - происходит разгрузка баллона и систем автономного подводного устройства от воздействия наружного гидростатического давления.

Таким образом, устройство выравнивания давления баллонно - поршневого типа обеспечивает хранение необходимого запаса рабочей среды при рабочем давлении Рраб и разгрузку систем подводного автономного устройства от воздействия внешнего давления окружающей среды Рнар при увеличении давления окружающей среды свыше Рраб.

Необходимая прочность корпуса баллона давления обеспечивает его работу как баллона внутреннего давления (емкости для хранения запаса рабочей среды) при давлении Рраб. При превышении давления окружающей среды над давлением рабочей среды (Рнар > Рраб) давление рабочей среды в баллоне будет возрастать пропорционально изменению давления окружающей среды до максимального значения Рнар.

Устройства выравнивания давления поршневого типа имеют меньшие размеры, чем, например, устройства выравнивания давления сильфонного или мембранного типа.

Однако, описанные устройства выравнивания давления поршневого типа также характеризуются невысокой надежностью и сравнительно низкой долговечностью.

В частности, как в устройствах выравнивания давления мембранного типа, так и в устройствах поршневого типа, металлические элементы прочного корпуса баллона давления подвергаются воздействию агрессивной внешней среды, в частности морской воды, поступающей внутрь корпуса баллона при повышении давления окружающей среды, то есть при погружении устройства выравнивания давления на морскую глубину, что существенно снижает ресурс и надежность работы таких устройств.

При этом для замены поршня или мембраны требуется полная разборка устройства выравнивания давления.

Кроме того, в известных устройствах выравнивания давления баллонно-поршневого типа зазор между поршнем и цилиндром прочного корпуса на участке между уплотнительными кольцами на поршне находится без внутреннего давления. При действии наружного большого давления стенка цилиндра корпуса баллона давления может прогнуться внутрь и заклинить поршень, что снижает надежность работы таких устройств выравнивания давления.

В основу настоящего изобретения положена задача создать устройство выравнивания давления баллонного типа для герметичного корпуса автономного устройства, в котором исключается поступление наружной среды внутрь корпуса баллона давления в процессе его работы и отсутствуют незащищенные от повышенного давления участки стенки корпуса и тем самым повысить надежность работы и долговечность устройства выравнивания давления баллонного типа, а также упростить его сборку-разборку и замену, при необходимости, его составных частей.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве выравнивания давления в герметичном корпусе автономного устройства, работающего при изменении давления окружающей среды, содержащем прочный корпус в виде баллона давления, включающий цилиндрическую часть с крышками по ее торцам, поршень, установленный в полости прочного корпуса с возможностью его возвратно поступательного перемещения при изменении давления окружающей среды относительно давления в герметичном корпусе автономного устройства с образованием в полости прочного корпуса при перемещении поршня изолированных друг от друга с противоположных сторон от поршня рабочей зоны, увеличивающейся при повышении давления окружающей среды и компенсационной зоны, соединенной с полостью герметичного корпуса автономного устройства и увеличивающейся при снижении давления окружающей среды, согласно предлагаемому изобретению, вокруг цилиндрической части прочного корпуса на заданном расстоянии установлена цилиндрическая оболочка с образованием кольцевой полости, заполняемой демпфирующей жидкостью, по крайней мере, центральная часть герметичной цилиндрической оболочки выполнена из эластичного материала с возможностью изменения ее формы при изменении давления окружающей среды относительно давления в герметичном корпусе автономного устройства, при этом устройство выполнено с возможностью поступления в рабочую зону полости прочного корпуса демпфирующей жидкости из кольцевой полости и смещения поршня под ее действием при превышении давления окружающей среды относительно давления в герметичном корпусе автономного устройства и возврат демпфирующей жидкости в кольцевую полость под действием перемещения поршня при превышении давления в герметичном корпусе автономного устройства относительно давления окружающей среды.

В предлагаемом устройстве подвижными элементами, приводящимися в действие при изменении разницы давления между окружающей средой и давлением в герметичном корпусе автономного устройства являются герметичная цилиндрическая оболочка из эластичного материала (мембрана), установленная снаружи прочного корпуса, и поршень, установленный внутри полости прочного корпуса. При этом, под действием повышающегося давления окружающей среды над давлением внутри герметичного корпуса автономного устройства, герметичная цилиндрическая оболочка (мембрана) изменяет свою форму (изгибается) под действием давления окружающей среды, а средой, движущей поршень, является демпфирующая жидкость, которая вытесняется из кольцевого зазора в рабочую зону под действием изгиба мембраны.

В результате исключается попадание внешней, обычно агрессивной, среды внутрь устройства, что обеспечивает повышение надежности его работы и долговечности.

Кроме того, в предлагаемом устройстве цилиндрическая оболочка (мембрана) испытывает сравнительно незначительные перегибы, всего на несколько градусов только в местах ее закрепления (защемления) по окружности, что снижает вероятность ее повреждения.

При этом, менее прочное подвижное средство - цилиндрическая оболочка (мембрана) закреплена снаружи устройства, что позволяет осуществлять контроль за ее состоянием и замену, в случае необходимости, без полный разборки всего устройства выравнивания давления.

Кроме того, поскольку значительный перепад давления между рабочей и компенсационной зонами возможен только при Р раб более Р нар, а в этом случае поршень оказывается плотно прижатым к уплотнению, расположенному на крышке прочного корпуса, то возможна установка поршня внутри прочного цилиндрического корпуса с одним уплотнением, исключая образования изолированного участка с некомпенсируемым, постоянным давлением, что соответственно, исключает создание перепада давления между давлением окружающей среды и изолированным изнутри участком корпуса.

Целесообразно, чтобы объем кольцевой полости был не меньше объема полости прочного корпуса.

Выполнение указанного условия позволяет создать полный ход поршня в полости прочного корпуса между его двумя крайними положениями с тем, чтобы обеспечить в наибольшей степени компенсацию перепада давления между окружающей средой и средой внутри герметичного корпуса автономного устройства.

Для обеспечения оптимального выравнивания давлений между окружающей средой и рабочей средой в герметичном корпусе автономного устройства, целесообразно, объем полости прочного корпуса выбирать из условия, чтобы объем компенсационной зоны был не менее объема рабочей среды с учетом степени ее уменьшения (необходимой степени сжатия) в герметичном корпусе автономного устройства.

Целесообразно, в качестве демпфирующей жидкости использовать жидкость, обладающую хорошими смазочными и антикоррозионными свойствами с тем, чтобы облегчить перемещения поршня или цилиндрической оболочки и повысить долговечность устройства.

Целесообразно, чтобы цилиндрическая оболочка была снабжена цилиндрической металлической перфорированной обечайкой, установленной над цилиндрической частью оболочки.

Перфорированная обечайка защищает цилиндрическую оболочку (мембрану) от механических повреждений посторонними предметами из окружающей среды.

Целесообразно, чтобы в кольцевой полости на внешней поверхности цилиндрической части прочного корпуса была установлена полая трубка, выполненная с возможностью образования зазора между наружной цилиндрической поверхностью прочного корпуса и цилиндрической оболочкой при ее деформации.

Полая трубка создает зазор между цилиндрической поверхностью прочного корпуса и цилиндрической оболочкой при ее изгибе, обеспечивает свободное перемещение демпфирующей жидкости после касания эластичной оболочкой наружной поверхности цилиндра в результате ее прогиба под действием давления окружающей среды.

Целесообразно, чтобы поршень был снабжен, по крайней мере, одним компенсационным поршнем, установленным в его торцевой части с возможностью перемещения компенсационного поршня перпендикулярно поршню.

Наличие, по крайней мере, одного компенсационного поршня, предохраняет от разрушения уплотнение основного поршня в случае возникновения кратковременных перепадов давления между компенсационной и рабочей зонами прочного корпуса, а также при возникновения избыточного рабочего давления Рраб при крайнем положении поршня, когда прочный корпус работает как баллон давления (давление Рраб больше Рнар).

Наличие компенсационного поршня дает возможность устанавливать на основной поршень добавочное уплотнение (слева от компенсационного поршня). Это позволяет избежать перекосов и заклинивания основного поршня при его перемещении в цилиндрическом корпусе устройства для выравнивания давления. Компенсационный поршень позволит изменять давление в замке между двумя уплотнениями в зависимости от наружного давления Рнар.

В дальнейшем предпагаемое изобретение будет более подробно раскрыто на конкретных примерах его выполнения со ссылками на чертежи, на которых изображены:

Фиг.1 - общий вид устройства выравнивания давления для герметичного корпуса автономного устройства, продольный разрез при рабочем давлении Рраб в корпусе автономного устройства, превышающем давление окружающей среды;

Фиг.2 - общий вид устройства на Фиг. 1 при давлении окружающей среды, превышающей рабочее давление Рраб в автономном устройстве.

Показанное на Фиг.1 устройство выравнивания давления для герметичного корпуса автономного устройства (не показано), содержит прочный корпус 1, выполненный в виде баллона давления, включающий цилиндрическую часть 11 с внутренней полостью 2, первую и вторую крышки 12 и 13, условно называемые в тексте, согласно Фиг.1 и Фиг.2, правая крышка 12 и левая крышка 13, с эластичными уплотнениями 14, прижатыми к торцам цилиндрической части 11 с помощью шпилек 15. Крышки 12 и 13 могут быть выполнены в виде фланцевых крышек.

Устройство выравнивания давления выполнено с возможностью его соединения с корпусом автономного устройства, например через отверстие 16, выполненное в правой крышке 12. Наиболее распространенным случаем выполнения автономного устройства является автономное подводное устройство, внутренний объем герметичного корпуса которого заполнен рабочей средой (жидкой или газообразной).

Внутри полости 2 цилиндрической части 11 установлен поршень 3 с эластичным кольцевым уплотнением 31. Поршень 3 установлен с возможностью его возвратно поступательного перемещения с образованием в полости 2 прочного корпуса 1 при его перемещении изолированных друг от друга с противоположных сторон от поршня рабочей зоны 21 (Фиг.2) и компенсационной зоны 22, сообщающейся с автономным устройством через указанное отверстие 16 в крышке 12.

Объем полости 2 прочного корпуса 1 выбирают из условия, чтобы объем компенсационной зоны 22 был не менее объема рабочей среды с учетом степени ее уменьшения (необходимой степени сжатия) в герметичном корпусе автономного устройства.

Дополнительно поршень 3 снабжен кольцевым выступом для герметизации уплотнения 32, установленного на внутренней поверхности левой крышки 13.

К кольцевому уплотнению 32 расположенному на внутренней поверхности левой крышки 13, прижимается кольцевой выступ поршня при Рраб больше Рнар., что не позволяет рабочей среде автономного подводного устройства перетекать наружу в кольцевую полость 5, если кольцевое уплотнение 31 выйдет из строя. Одновременно, кольцевое уплотнение 32 не позволяет создать разницу давлений слева и справа от уплотнения 31 когда Рраб больше Рокр и поршень 3 находится в крайнем левом положении.

Материал и толщины стенок прочного корпуса 1 и крышек 12 и 13, а также прочность и количество шпилек 15 выбирают с учетом их безопасного нагружения максимальным внутренним давлением рабочей среды автономного устройства при полном отсутствии наружного давления окружающей среды, а также коррозионных свойств рабочей и окружающей сред.

Вокруг прочного цилиндрического корпуса 1 установлена герметичная цилиндрическая оболочка 4, цилиндрическая часть которой расположена над цилиндрической частью 11 прочного корпуса 1 на заданном расстоянии, образуя кольцевую полость 5. Торцы цилиндрической оболочки 4 приклеены (например, способом вулканизации) к кольцам 41, которые, в свою очередь, крепятся через эластичные уплотнения 42 к крышкам 12 и 13 прочного корпуса устройства, например, с помощью винтов (не показаны). Кольцевая полость 5 в рабочем положении устройства заполнена демпфирующей жидкостью 51. В качестве демпфирующей жидкости использована жидкость, обладающей хорошими смазочными и антикоррозионными свойствами с тем, чтобы облегчить перемещения поршня и цилиндрической оболочки и повысить долговечность устройства. Например, в качестве демпфирующей жидкости может быть использован водный раствор глицерина с необходимой температурой замерзания (например, до минус 41,5 °С для смеси 70% глицерина и 30% воды) и температурой кипения (до 168°С для смеси 95% глицерина и 5% воды) - https://www.highexpert.ru/content/liquids/glw_solutions.html.

По крайней мере, центральная часть герметичной цилиндрической оболочки 4 выполнена из эластичного материала с возможностью изменения ее формы (прогиба), при изменении давления окружающей среды относительно давления в герметичном корпусе автономного устройства. В предпочтительном варианте, показанном на Фиг. 1, вся цилиндрическая оболочка 4 выполнена из эластичного материала в виде полой тонкостенной трубы (рукава, чулка), например из резины, и представляет собой мембрану (диафрагму). Для исключения повреждения во время работы устройства герметичной цилиндрической оболочки 4 в местах изгибов, внутренние торцы колец 41 имеют радиальное скругление в месте контакта с указанной оболочкой 4.

В левой крышке 13 выполнено перепускное отверстие 17, состоящее из трех последовательно соединенных друг с другом каналов, соединяющих рабочую зону 21 (Фиг.2) полости 2 прочного корпуса 1 с кольцевой полостью 5, заполненной демпфирующей жидкостью 51. В результате, при превышении давления окружающей среды относительно давления в автономном устройстве обеспечивается поступление в рабочую зону 21 (Фиг.2) полости 2 прочного корпуса 1 демпфирующей жидкости 51 из кольцевой полости 5 и смещение поршня 3 вправо под ее действием и возврат демпфирующей жидкости 51 в кольцевую полость 5 под действием перемещения поршня 3 влево при превышении давления в автономном устройстве относительно давления окружающей среды.

В предпочтительном варианте объем кольцевой полости 5 не меньше, желательно больше, объема полости 2 прочного корпуса 1. Чем больше объем кольцевой полости 5 превосходит объем полости 2 прочного корпуса, тем меньше изгибается цилиндрическая оболочка (эластичная мембрана) 4. Если объем кольцевой полости 5 будет меньше объема полости 2 прочного корпуса 1, то это может привести к деформации и разрушению цилиндрической оболочки 4 и ее разрыву (при крайнем левом положении поршня 3) либо невозможностью полного использования компенсационного объема устройства при Рнар больше Рраб (поршень 3 не сможет достичь крайнего правого положения).

В предпочтительном варианте поршень 3 снабжен двумя дополнительными компенсационными поршнями 33, установленными в его торцевых частях с возможностью перемещения каждого компенсационного поршня 33 перпендикулярно поршню 3. Однако, возможно выполнение устройства с одним компенсационным поршнем или без таких поршней.

Основная задача компенсационных поршней 33 состоит в защите уплотнения 31 поршня 3 от перепадов давления в случае превышения давления рабочей среды в герметичном корпусе автономного устройства над давлением окружающей среды, а также превышения давления демпфирующей жидкости 51 в замке между уплотнениями 32 и 31, образующемся при перемещении поршня 3 в крайнее левое положение, в соответствии с Фиг.1 и Фиг.2.

В конце перемещения поршня 3 с левой крышкой 13 сначала соприкасается кольцевое уплотнение 32, которое в процессе роста усилия прижима поршня давлением рабочей среды (в случае превышения давления рабочей среды над давлением окружающей среды вплоть до максимального) постепенно сжимает уплотнение 32 и вызывает тем самым рост давления в замке, которое может привести к выходу из строя уплотнений 31 или 32. На наружной поверхности цилиндрической части 11 прочного корпуса 1 установлена полая трубка 6 для перепуска демпфирующей жидкости 51 к левой крышке 13 с перепускным отверстием 17 в случае, когда герметичная цилиндрическая оболочка 4 при изгибе прижата по всему периметру (например, в центральной части) к наружной поверхности цилиндрической части 11 прочного корпуса 1.

Над герметичной цилиндрической оболочкой 4 установлена цилиндрическая металлическая перфорированная обечайка 7. Указанная обечайка может быть выполнена из коррозионностойкого материала (титанового, алюминиевого или аустенитного сплава), не вызывающего металлической коррозии в морской воде или из полимерного (композитного) материала. Металлическая перфорированная обечайка 7 надевается на герметичную цилиндрическую оболочку 4 с небольшим зазором, удобным для монтажа. Снаружи она ограничивается шпильками 15 для соединения левой 13 и правой 12 крышек. Перфорированная обечайка 7 и шпильки 15 защищают цилиндрическую оболочку (мембрану) 4 от механических повреждений посторонними предметами из окружающей среды.

В левой крышке 13 установлены индикатор 8 давления, индикатор 9 движения поршня 3 и предохранительный клапан 10. Индикатор 8 давления служит для определения давления демпфирующей жидкости при ее заправке и эксплуатации устройства выравнивания давления, а также для контроля герметичности уплотнений 31 и 32 поршня 3 в случае превышения давления рабочей среды над давлением окружающей среды. Так в случае, если уплотнения 31 и 32 поршня 3 по каким-либо причинам станут негерметичными, то рабочая среда герметичного корпуса автономного устройства будет поступать в рабочую зону 21 (Фиг.2), вызывая рост давления в ней. Таким образом, повышение давления в рабочей зоне 21 свыше допустимого (например, давления заправки демпфирующей жидкости) может свидетельствовать о негерметичности уплотнения 31 или 32 (Фиг.1) поршня 3. Предохранительный клапан 10 предназначен для защиты цилиндрической оболочки 4 от разрушения в случае роста давления в рабочей зоне 21 (Фиг.2) выше наружного давления.

Работа устройства выравнивания давления будет в дальнейшем показана на примере автономного подводного устройства.

Предлагаемое устройство может быть использовано с различными наземными герметичными устройствами, в которых необходимо поддерживать постоянное равенство внутреннего и наружного давлений. Наружное атмосферное давление постоянно меняется. Внутренне давление в устройстве тоже может меняться, например, из-за температуры.

При этом, работа устройства выравнивания давления для герметичного корпуса автономного устройства другого типа практически осуществляется аналогичным образом.

При подготовке устройства к работе, заполняют кольцевую полость 5 демпфирующей жидкостью. Для данной задачи может быть использовано отверстие (не показано), предназначенное для установки предохранительного клапана 10, который выворачивают, а вместо него вворачивают вентиль шланга заправочного устройства (не показан). В отверстие 16 соединения с герметичным корпусом автономного устройства, выполненное в правой крышке 12, вворачивается технологический трехходовой вентиль (не показан), через который можно либо выпускать рабочую среду из компенсационной зоны 22 устройства выравнивания давления, либо закачивать в нее под нужным давлением рабочую среду.

Заправка кольцевой полости 5 демпфирующей жидкостью осуществляется путем перемещения поршня 3 из крайнего левого положения в крайнее правое под действием давления демпфирующей жидкости при открытом вентиле заправочного устройства, при этом трехходовой вентиль устанавливается в положение на выпуск газа из компенсационной зоны 22.

Затем закрывают вентиль заправочного устройства и переводят поршень 3 в крайнее левое положение, подав давление воздуха (рабочей среды) в компенсационную зону 22 через трехходовой вентиль, установленный в отверстие для выхода рабочей среды.

При этом вся демпфирующая жидкость 51 перетекает по перепускному отверстию 17 в кольцевую полость 5 между цилиндрической оболочкой 4 и наружной поверхностью цилиндрической части 11 прочного корпуса 1.

Давление в рабочей зоне 21 (Фиг.2) контролируют по индикатору 8 давления. Для удаления воздуха из кольцевой полости 5 и рабочей зоны 21 освобождают эластичные уплотнения 42 путем частичного выворачивания винтов крепления колец 41. Заправку демпфирующей жидкости 51 желательно производить в вертикальном положении устройства выравнивания давления для полного удаления воздуха из полости 2 и кольцевой полости 5. После заливки необходимого количества демпфирующей жидкости 51, вентиль заправочного устройства выворачивают и вворачивают на его место предохранительный клапан 10. Индикатор 9 движения поршня 3 указывает, что поршень 3 находится в крайнем левом положении. Если кольцевая полость 5 больше по объему, чем полость 2 прочного корпуса 1, заливку демпфирующей жидкости повторяют, отодвигая поршень 3 на нужное расстояние подачей дополнительного объема демпфирующей жидкости. По окончании заправки эластичное уплотнение 42 снова герметизируют затяжкой винтов крепления колец 41, а трехходовой вентиль вывинчивают.

Далее соединяют устройство выравнивания давления с герметичным корпусом автономного подводного устройства через отверстие 16 в правой крышке 12 и заполняют его компенсационную зону 22 и полость герметичного корпуса автономного устройства газообразной рабочей средой до необходимого рабочего давления Рраб (обычно это давление безопасного функционирования устройства выравнивания давления как баллона высокого давления).

До погружения автономного устройства рабочая среда автономного устройства заполнит полость 2 прочного корпуса 1 устройства выравнивания давления и поршень 3 будет находится в крайнем левом положении.

По мере погружения в глубину автономного подводного устройства с устройством выравнивания давления, давление окружающей среды будет расти (на Фиг. 2 стрелками показано направление давления окружающей среды на устройство выравнивания давления). При превышении давления окружающей среды Рнар. над давлением Рраб., под действием давления окружающей среды цилиндрическая оболочка (мембрана) 4 будет прогибаться внутрь, в направлении к поверхности 11 прочного корпуса 1 устройства выравнивания давления, как показано на Фиг.2.

При этом цилиндрическая оболочка (мембрана) 4 не будет испытывать чрезмерные деформации, поскольку ее движение ограничено, с одной стороны, стенкой 11 прочного корпуса 1 устройства выравнивания давления, а при обратном движении - перфорированной обечайкой 7.

Под действием изгиба цилиндрической оболочки (мембраны) 4 демпфирующая жидкость 51 из кольцевой полости 5 через перепускное отверстие 17 в левой крышке 13 вытесняется в рабочую зону 21 цилиндрической полости 2 прочного корпуса 1, сдвигая поршень 3 вправо. По мере увеличения давления окружающей среды рабочая зона 21 будет возрастать, а компенсационная зона 22 уменьшаться, сжимая рабочую среду. Поскольку объем кольцевой полости 5 несколько больше (или равен) объему полости 2 прочного корпуса 1 демпфирующей жидкости 51 будет достаточно для максимального перемещения поршня 3 вправо к правой крышке 12.

По мере всплытия автономного подводного устройства с устройством выравнивания давления, давление окружающей среды Рнар. будет снижаться, что вызовет перемещение поршня 3 устройства выравнивания давления в сторону уменьшения объема рабочей зоны 21 с вытеснением демпфирующей жидкости 51 в кольцевую полость 5. При этом увеличение компенсационной зоны 22 вызовет соответствующее понижение давления в герметичном корпусе автономного устройства до его уравнивания с Рнар и т.д. При снижении давления в герметичном корпусе автономного устройства до Рраб, поршень 3 упирается в левую крышку 13 и полностью вытесняет всю демпфирующую жидкость 51 в кольцевую полость 5. При этом цилиндрическая оболочка (мембрана) 4 принимает свое исходное, ровное положение. При дальнейшем снижении Рнар устройство выравнивания давления начинает работать как баллон (сосуд) давления (баллон высокого давления).

Изобретение относится к системам компенсации давления, преимущественно, для компенсации давления между окружающей средой вокруг автономного подводного устройства и средой (жидкой или газообразной), заполняющей внутренний объем герметичного корпуса подводного устройства. Устройство выравнивания давления в герметичном корпусе автономного устройства, работающего при изменении давления окружающей среды, содержит прочный корпус в виде баллона высокого давления, включающий цилиндрическую часть с крышками по ее торцам, поршень, установленный в полости прочного корпуса с возможностью его возвратно-поступательного перемещения при изменении давления окружающей среды относительно давления в герметичном корпусе автономного устройства с образованием в полости прочного корпуса при перемещении поршня изолированных друг от друга с противоположных сторон от поршня рабочей зоны, увеличивающейся при повышении давления окружающей среды, и компенсационной зоны, соединенной с полостью герметичного корпуса автономного устройства и увеличивающейся при снижении давления окружающей среды. Вокруг цилиндрической части прочного корпуса на заданном расстоянии установлена цилиндрическая оболочка с образованием кольцевой полости, заполняемой демпфирующей жидкостью. Центральная часть герметичной цилиндрической оболочки выполнена из эластичного материала с возможностью изменения ее формы при изменении давления окружающей среды относительно давления в герметичном корпусе автономного устройства. Устройство выравнивания давления выполнено с возможностью поступления в рабочую зону полости прочного корпуса демпфирующей жидкости и смещения поршня под ее действием при превышении давления окружающей среды относительно давления в герметичном корпусе автономного устройства и возврат демпфирующей жидкости в кольцевую полость под действием перемещения поршня при превышении давления в герметичном корпусе автономного устройства относительно давления окружающей среды. Достигается повышение надежности работы и долговечности устройства выравнивания давления. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство выравнивания давления в герметичном корпусе автономного устройства, работающего при изменении давления окружающей среды, содержащее прочный корпус в виде баллона высокого давления, включающий цилиндрическую часть с крышками по ее торцам, поршень, установленный в полости прочного корпуса с возможностью его возвратно-поступательного перемещения при изменении давления окружающей среды относительно давления в герметичном корпусе автономного устройства с образованием в полости прочного корпуса при перемещении поршня изолированных друг от друга с противоположных сторон от поршня рабочей зоны, увеличивающейся при повышении давления окружающей среды, и компенсационной зоны, соединенной с полостью герметичного корпуса автономного устройства и увеличивающейся при снижении давления окружающей среды, отличающееся тем, что вокруг цилиндрической части прочного корпуса на заданном расстоянии установлена цилиндрическая оболочка с образованием кольцевой полости, заполняемой демпфирующей жидкостью, по крайней мере, центральная часть герметичной цилиндрической оболочки выполнена из эластичного материала с возможностью изменения ее формы при изменении давления окружающей среды относительно давления в герметичном корпусе автономного устройства, при этом устройство выполнено с возможностью поступления в рабочую зону полости прочного корпуса демпфирующей жидкости и смещения поршня под ее действием при превышении давления окружающей среды относительно давления в герметичном корпусе автономного устройства и возврат демпфирующей жидкости в кольцевую полость под действием перемещения поршня при превышении давления в герметичном корпусе автономного устройства относительно давления окружающей среды.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объем кольцевой полости не меньше объема полости прочного корпуса.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве демпфирующей жидкости использована жидкость, обладающая хорошими смазочными и антикоррозионными свойствами.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цилиндрическая оболочка снабжена цилиндрической металлической перфорированной обечайкой, установленной над цилиндрической оболочкой.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в кольцевой полости на внешней поверхности цилиндрической части прочного корпуса установлена полая труба, выполненная с возможностью образования зазора между цилиндрической поверхностью прочного корпуса и цилиндрической оболочкой при ее деформации.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объем полости прочного корпуса выбирают из условия, чтобы объем компенсационной зоны был не менее объема рабочей среды с учетом заданной степени ее сжатия в герметичном корпусе автономного устройства.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поршень снабжен, по крайней мере, одним компенсационным поршнем, установленным в его торцевой части с возможностью перемещения компенсационного поршня перпендикулярно поршню.