Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Підводний населений апарат, що містить корпус і балони із стиснутим повітрям для дихання, а також дихальний автомат, встановлений усередині корпусу і сполучений з балонами, який відрізняється тим, що корпус виконаний герметичним і сполучений з довкіллям через компресорний агрегат для випуску повітря, що видихається, на вході в який встановлений фільтр, при цьому  нагнітальна лінія компресорного агрегата обладнана підпружиненим зворотним клапаном.

Текст

Реферат: Винахід стосується підводних населених апаратів, конкретно - малих населених апаратів для помірних глибин, призначених для робіт у буксируваному або автономному режимах. Пропонований винахід спрямований на поліпшення експлуатаційних властивостей підводного населеного апарата шляхом збільшення його автономності по повітрю для дихання. Вказаний технічний результат досягається тим, що в малому підводному апараті, що містить корпус, балони з повітрям для дихання і дихальний автомат, який розміщений усередині корпусу і сполучений з балонами, корпус апарата виконаний міцним та герметичним і сполучений з довкіллям через компресорний агрегат, обладнаний вхідним фільтром та зворотним клапаном, що підпружинений. UA 113997 C2 (12) UA 113997 C2 UA 113997 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується підводних населених апаратів, конкретно - малих підводних населених апаратів, призначених для робіт у буксируваному або автономному режимах на помірних глибинах. Однією з основних проблем при проектуванні підводного населеного апарата є створення надійної бортової системи життєзабезпечення, яка здатна забезпечити тривале перебування людини в замкнутому просторі. Людина при диханні споживає кисень і виділяє вуглекислий газ, отже, при диханні в замкнутому об'ємі концентрація кисню зменшуватиметься, а вуглекислого газу - зростатиме. Загальним підходом для підтримки концентрації компонентів дихальної суміші в усіх апаратах "сухого" типу є відновлення кисню, що витрачається при диханні, і одночасне видалення вуглекислого газу. Вже у батисфері "Повік прогресу" (рекордсменові по глибині серед прив'язних апаратів), спуски якого були розпочаті в 1932 році і продовжені після його переоснащення в 1934 році, для підтримки складу повітря в населеному відсіку були застосовані хімічні поглиначі вуглекислого газу та балони з киснем [6, стор. 120-123]. На початку 30-х років минулого століття промисловість СРСР також стала поставляти на флот роздільну систему регенерації, що складалася з балонів з киснем і регенераційних патронів з електричними пристроями для примусового прокачування повітря, а вже у кінці 1943 року на озброєння підводних човнів стали надходити менш шумні установки з регенераційними патронами, що виділяють кисень при поглинанні з навколишнього повітря вуглекислого газу і водяної пари [10]. До недоліків цього устаткування, що розміщується в житлових відсіках, можна віднести його значні габарити, здатність до самозаймання, шумність і при цьому недостатню ефективність, про що свідчать нормативи, що існували в ті роки, для підводних човнів на концентрацію вуглекислого газу у відсіках, яку допускалося збільшувати до 3 % [10]. Необхідно було також здійснювати безперервний приладовий контроль концентрації усіх компонентів повітря. Розробка регенеративних продуктів нового покоління (наприклад [4]), яка спрямована на поліпшення їх експлуатаційних властивостей, не позбавила регенеративні системи від необхідності безперервного приладового контролю за якістю повітря. При цьому вважається, що і нині задовільного рішення підтримки заданого газового складу на підводних човнах не існує, адже саме несправність газоаналізаторів по кисню на підводному човні "Комсомолець" (вважається, що концентрація кисню у відсіках перед аварією досягла 30 %) стала передумовою до аварійної ситуації, а також сприяла швидкому поширенню пожежі [11]. Але контроль і регулювання концентрацій кисню і вуглекислого газу не є єдиною проблемою в населених відсіках підводного апарата, в замкнутій атмосфері якого відбувається також швидке зростання концентрацій різних шкідливих для людини домішок. Джерелом виділення домішок є сама людина, неметалічні матеріали і діючі агрегати. Складність реалізації комплексного очищення і регенерації атмосфери у відсіках підводного апарата очевидна на прикладі технічного рішення, наведеного в [9]. Виходом з подібної ситуації могла б стати безперервна вентиляція населених відсіків очищеним атмосферним повітрям. Відоме облаштування для вентиляції відсіків аварійного підводного човна [8], що містить рукави для підведення свіжого повітря від зовнішнього джерела і шланги для відпрацьованого повітря, що приєднані до зовнішнього ресівера, який забезпечений інжектором для створювання розрідження. Недоліком цього аварійного пристрою, встановленого на надводному рятувальному судні, є неможливість його застосування для оновлення атмосфери підводного апарата в робочих режимах. Відомі підводні човни,які забезпечені бортовими пристроями, для роботи дизелів під водою (РДП) за допомогою подання в корпус човна повітря з поверхні. Ці пристрої виконані у вигляді висувних труб, які обладнані у верхній частині поплавцевими клапанами, що запобігають попаданню води при хвилюванні і які призначені для нагнітання у відсіки човна свіжого повітря і видалення відпрацьованих газів [13]. Недоліком цього пристрою є необхідність утримувати підводний човен, що рухається під РДП, на малому заглибленні, величина якого визначається розмірами висувних пристроїв. З наведеного аналізу виходить, що існуючі технічні засоби для очищення і регенерації повітря в герметичному об'ємі, що відносно успішно функціонують на великих підводних апаратах (де габарити цих технічних засобів, їх вимогливість до наявності складних приладів для контролю концентрації газових компонентів і навіть потенційна здатність до самозаймання не складають великих проблем із-за наявності достатнього об'єму приміщень і достатнього штату кваліфікованих фахівців) можуть далеко не так же успішно використовуватися в малих і особливо малих підводних апаратах з дефіцитом простору для установки необхідного 1 UA 113997 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 устаткування, з екіпажем із одного-двох чоловік, і без того навантажених завданнями спостереження і управління. Для таких апаратів було б набагато прийнятніше використати просту і абсолютно надійну систему, що поставляє заздалегідь підготовлене повітря, що не вимагає приладового контролю концентрації або поточного очищення в процесі дихання. Відомий підводний населений апарат "мокрого" типу, що містить проникний населений корпус і балони із стиснутим повітрям, яке надходить для дихання через редуктор першого ступеня та дихальний автомат, що подає повітря для вдиху під тиском довкілля, при цьому повітря, що видихається, надходить безпосередньо в затоплений внутрішній об'єм населеного корпуса і вільно покидає його через верхню перфорацію [1]. При використанні розімкненого контуру дихання немає необхідності в регенерації повітря, оскільки для кожного вдиху автоматично подається свіжа порція повітря. Вузли автоматичного подання повітря на вдих аналогічні відповідним вузлам аквалангів АВМ- 5 або АВМ- 7 [12, стор. 34-37], що характеризуються малим опором вдиху і видиху. Цей підводний населений апарат є найбільш близьким по технічній суті до пропонованого винаходу і прийнятий як прототип. Недоліком прототипу є його низькі експлуатаційні властивості, характерні для апаратів "мокрого" типу з розімкненим контуром дихання, які виражаються в підвищеній витраті дихальної суміші. Витрата повітря в таких апаратах зростає пропорційно абсолютному тиску середовища, а у разі безпосереднього контакту екіпажа з холодною водою легенева вентиляція може зрости ще в 1,5-2 рази [12, стор. 109]. Пропонований винахід дозволяє реалізувати підводний населений апарат "сухого" типу з розімкненим контуром дихання, витрата повітря в якому не залежить від глибини занурення апарата і залишається рівною легеневій вентиляції на поверхні. В основу винаходу поставлена задача поліпшення експлуатаційних властивостей підводного населеного апарата шляхом збільшення його автономності по життєзабезпеченню при збереженні стабільного складу повітря для дихання. Вказана задача вирішується тим, що в підводному населеному апараті, що містить корпус і балони із запасом повітря, що призначено для дихання, а також розташований усередині корпусу і сполучений з балонами дихальний автомат, корпус виконаний міцним і герметичним і сполучений з довкіллям через компресорний агрегат, на всмоктувальній лінії якого встановлений фільтр, а в нагнітальній лінії - підпружинений зворотний клапан. Як приклад конкретного втілення передбачуваного винаходу запропонований підводний населений апарат з мінімальним об'ємом населеного відсіку, на прикладі якого найзручніше представити переваги пропонованого технічного рішення і показати можливість його використання в умовах обмеженого населеного об'єму. Прикладені графічні матеріали: Рис. - вузли і агрегати апарата "сухого" типу з розімкненим контуром дихання (схема). Приклад конкретного втілення пропонованого винаходу містить наступні позиції: 1 - корпус підводного апарата; 2 - теплоізолюючий шар; 3 - балон високого тиску; 4 балонний вентиль; 5 - трубопровід високого тиску; 6 - вентиль; 7 - редуктор; 8 - гнучкий шланг; 9 - дихальний автомат; 10 - фільтр; 11 - всмоктувальний патрубок; 12 - компресор; 13 - напірний патрубок; 14 - зворотний клапан; 15 - електродвигун; 16 - контейнер; 17 - шар звукоізоляції; 18 віброопора. Підводний населений апарат, що заявляється, влаштований і працює таким чином. На рисунку схематично показаний підводний населений апарат, що містить міцний герметичний корпус 1 з теплоізолюючим шаром 2 і повітряні балони 3 з балонними вентилями 4, які приєднані трубопроводом 5 високого тиску до вентиля 6, що розташований усередині корпусу 1. На вентилі 6 закріплений редуктор 7, до якого через гнучкий гумовотканинний шланг 8 підключений дихальний автомат 9, призначений для підключення пілота до системи дихання. Усередині корпусу 1 також встановлений сітчастий фільтр 10, який сполучений за допомогою всмоктувального патрубка 11 з компресором 12. Нагнітальний патрубок 13 компресора 12 сполучений з довкіллям через підпружинений зворотний клапан 14. Компресор 12 разом з електродвигуном 15 встановлений в герметичному контейнері 16, який забезпечений звукоізоляцією 17 та віброопорами 18. Подання повітря для дихання робиться відкриттям вентиля 6, який знаходиться усередині корпусу 1. Стиснуте повітря з балонів 3 через заздалегідь відкриті балонні вентилі 4 надходить по трубопроводу 5 високого тиску і відкритий вентиль 6 до редуктора 7. Після редуктора 7 повітря під постійним настановним тиском надходить по гнучкому гумовотканинному шлангу 8 2 UA 113997 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 до дихального автомата 9, що забезпечує подання повітря під тиском середовища в кількості, необхідній для кожного вдиху. Зробивши декілька пробних вдихів через дихальний автомат 9 і переконавшись в справності дихальної системи, пілот може задраїти вхідний люк (не показаний) і перейти на постійне дихання в апараті через дихальний автомат 9, який може бути забезпечений (по вибору пілота) або загубником, або маскою з гарнітурою голосового зв'язку. При диханні стиснутим у балонах повітрям, склад якого повинен строго відповідати вимогам, що пред'являються до повітря для дихання [12, стор. 84-85], на кожен вдих пілота буде надходити повітря, якість якого гарантована лабораторією компресорної станції. На відміну від дихання регенерованим повітрям, дихання по розімкненому контуру повністю виключає необхідність поточного приладового контролю якості повітря і дозволяє відмовитися від розміщення в малому апараті громіздких і ненадійних аналізаторів складу повітря. Недоліком стиснутого очищеного повітря є його висока сухість, але вирішення цієї проблеми відомо і полягає у використанні зволожувача дихальної суміші [7]. Відповідно до конструкції дихального автомата [12, стор. 42] повітря, що видихається пілотом, надходить через клапани видиху автомата 9 безпосередньо у внутрішній об'єм корпусу 1, що неминуче призводитиме до безперервного зростання тиску. Інтенсивність цього процесу можна оцінити. Легенева вентиляція плавця-підводника при малому фізичному навантаженні (подолання опору щільного середовища при плаванні під водою) складає 20 л/хв [12, стор. 108]. У повітряному середовищі величина легеневої вентиляції у чоловіків, що знаходяться в стані відносного спокою, не перевищує 6-8 л/хв. Цілком можна допустити, що легенева вентиляція пілота може бути із запасом прийнята рівною 10 л/хв, оскільки він випробовує дуже обмежені фізичні навантаження, захищений від охолодження одягом та ізоляцією корпусу і знаходиться у повітряному середовищі. Об'єм населеного корпусу приймемо рівним 1,5 м, що відповідає сфері з діаметром приблизно 1,42 м, хоча традиційним вважається міцний сферичний корпус з 3 діаметром 2,1 м [6, стор. 158], тобто з об'ємом більше 4,8 м . Проте довгастий корпус (така форма міцного корпусу цілком допустима для помірних глибин) раціональніший, так що 3 комфортні умови пілотові в такому корпусі можуть бути забезпечені і в об'ємі 1,5 м . При набутому значенні легеневої вентиляції і вибраній величині об'єму корпусу, тиск в населеному відсіку із-за повітря, що видихається, підвищиться на 10 % від свого початкового значення вже приблизно через 15 хвилин. Для відвертання підйому тиску в корпусі 1 із-за попадання в нього повітря, що видихається, служить компресор 12, забезпечений електродвигуном 15. Компресор 12, призначений для видалення надлишку повітря з населеного корпусу 1, включається або автоматично після досягнення в порожнині корпусу 1 заданого підйому тиску, або вручну, на підставі свідчень манометра анероїда (не показаний) на приладовій панелі апарата. Працюючий компресор 12 через фільтр 10 і всмоктувальний патрубок 11 засмоктує з порожнини корпусу 1 повітря, в якому понижений зміст кисню, збільшений зміст вуглекислого газу і пари води, а також є присутніми інші шкідливі випари, і стискає його. Коли тиск стиснутого повітря перевищить тиск середовища на величину, достатню для стискування пружини в зворотному клапані 14, клапан, що утримується на сідлі цією пружиною, відкриється і стиснуте компресором 12 повітря надійде в навколишній простір. При зниженні надмірного тиску повітря в нагнітальному патрубку 13 зворотний клапан 14 під впливом своєї пружини закриється раніше, ніж тиск стиснутого повітря на виході зменшиться до тиску середовища. Це повністю унеможливлює вступ в компресор забортної води у випадках зниження тиску в нагнітальному патрубку 13. При роботі компресора 12 усі механічні забруднення (частки ізоляції корпусу, волокна від одягу пілота і ін.) осаджуються на сітці всмоктувального фільтра 10, звідки їх необхідно видаляти відповідно до регламенту. Компресор 12 у зборі з електродвигуном 15 захищений від шкідливої дії середовища міцним герметичним контейнером 16. Для зниження шуму і вібрацій, що виникають при роботі компресорного агрегату, контейнер 16 містить звукоізоляцію 17 і встановлений на віброопорах 18, призначених для гасіння вібрації. Скидання відпрацьованого повітря безпосередньо в забортну воду може робитися при використанні мембранного компресора, який повністю виключає попадання олії в довкілля [2]. Відкачування повітря з корпусу апарата проти сил гідростатичного тиску технічно повністю можливо, оскільки цей процес абсолютно аналогічний відомому способу зменшення підйомної сили об'єктів легше за повітря (дирижаблів) за допомогою відкачування гелію з їх оболонки та закачування його у балони високого тиску [3]. 3 UA 113997 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Проте, процес видалення повітря з корпусу апарата на великих глибинах може виявитися вузьким місцем через обмеженість енергетичних ресурсів, необхідних для забезпечення приводу компресорного агрегату, тому застосування пропонованого винаходу слід обмежити виключно зоною помірних глибин. При роботі апарата у буксируваному режимі можливе подання живлення по кабель-тросу, що усуває проблему дефіциту енергії, проте в цьому випадку чинником, що обмежує глибину, стане довжина кабель-троса. Вважається, що істотне збільшення автономності по енергії може бути отримане при заміні акумуляторів на паливні елементи, оптимістичні прогнози по використанню яких на підводних апаратах були зроблені ще півстоліття назад [5, стор. 274-282]. При підтримці в корпусі 1 тиску близького до атмосферного автономність по повітрю пропонованого апарата досить висока. За наявності на борту всього лише двох транспортних 40-літрових балонів, розрахованих на тиск 15 МПа і використовуваних на 80 %, повітря для дихання одній людині з легеневою вентиляцією 10 л/хв. досить на 16 годин, при цьому автономність не залежатиме від глибини занурення до тих пір, поки компресор 12 справляється зі своїм завданням. Аварійна зупинка компресора 12 хоча і порушить нормальний режим роботи апарата, але не приведе до трагічних наслідків для пілота. При відмові компресора 12 кількість повітря, що надходить з видихами в корпус 1, збільшуватиметься зростаючими темпами. Це пов'язано з тим, що витрата повітря через дихальний автомат дорівнює величині легеневої вентиляції при атмосферному тиску, помноженій на абсолютний тиск середовища [12, стор. 108]. Тому кожен наступний вдих в замкнутому об'ємі зажадає більшої витрати повітря, що відповідає новому тиску середовища, який зростає з кожним попереднім видихом. Дихання повітрям без ризику отруєння його компонентами допускається до глибини 40 метрів [12, стор. 194-200], тому слід такою ж величиною (0,4 МПа) обмежити граничну величину надмірного тиску в корпусі 1. Для 3 досягнення вказаного тиску в корпусі об'ємом 1,5 м в нього слід подати ще 6000 нормальних літрів повітря. Щоб спрощено оцінити час, за який така кількість повітря надійде через дихальний автомат в умовах тиску, що змінюється, досить визначити його при двох крайніх значеннях величин легеневої вентиляції в нормальних літрах: при атмосферному тиску (легенева вентиляція 10 л/хв.) і при гранично допустимому тиску в корпусі (легенева вентиляція 50 л/хв.). Легко визначити, що в першому випадку шуканий час складе 10 годин, а в другому - 2 години. Реальний час досягнення в корпусі гранично допустимого тиску знаходитиметься між цими крайніми значеннями, оскільки у разі зупинки компресора поточне значення легеневої вентиляції не залишається постійним, а монотонно зростає від мінімального (10 л/хв.) до максимального (50 л/хв.)значення. Таким чином, пілотові у будь-якому разі надається декілька годин, впродовж яких він може піднятися на поверхню без ризику отруєння в умовах тиску, що безперервно підвищується. Відомо, що тривале дихання повітрям в умовах підвищеного тиску може привести до перенасичення крові азотом і, як наслідок, до декомпресійному захворюванню після зниження навколишнього тиску [12, стор. 193]. Для усунення ризику такого захворювання підйом з глибини роблять з витримками відповідно до таблиць режимів декомпресії [12, стор. 236-251]. При неможливості здійснити такий режим підйому з глибини, допускається, після прискореного підйому на поверхню, помістити підводника у барокамеру для проходження режиму лікувальної рекомпресії [12, стор. 229]. Неможливість скористатися барокамерою для невідкладної рекомпресії підводника зазвичай призводить до важких наслідків для нього. Додатковою перевагою пропонованого підводного апарата є те, що він сам може бути використаний в якості барокамери. У разі термінового спливання на поверхню з надмірним тиском в населеному відсіку, пілот вже на поверхні може імітувати підйом із зупинками заданої тривалості відповідно до таблиць декомпресії та вказівок лікаря, скидаючи відповідним чином надмірний тиск повітря в атмосферу через призначений для цього пристрій (не показано). Цей процес може відбуватися як при знаходженні апарата на плаву на поверхні води в очікуванні судна, що забезпечує, так і на палубі судна, куди в цьому випадку апарат піднімають разом з пілотом. Якщо запасу повітря, що залишився, не вистачає для завершення декомпресії, то можливе його поповнення шляхом почергової заміни балонів 3 на повні. Після завершення режиму декомпресії (якщо в такій була необхідність), пілот остаточно вирівнює тиск в корпусі 1 з атмосферою і може відкрити люк для виходу з апарата. Джерела інформації: 1. А. с. 1520800 СССР, МПК В63В 21/66. Подводный обитаемый аппарат/ Н.А. Тешин [и др.]. 2. Алтухов С.М. Мембранные компрессоры / С.М. Алтухов, В.А. Румянцев. - М.: Машиностроение, 1967. - 128 с. 4 UA 113997 C2 5 10 15 20 25 30 3. Арие М.Я. Дирижабль нового поколения/ М.Я. Арие, А.Г. Полянгер. - Киев: Наукова думка, 1983. - 120 с. 4. Гладышев Н.Ф. Разработка технологии и аппаратурного оформления производства регенеративных продуктов нового поколения / Н.Ф. Гладышев [и др.]. - М.: Машиностроение, 2007. - 85 с. 5. Диомидов М.Н. Подводные аппараты / М.Н. Диомидов, А.Н. Дмитриев. - Л.: Судостроение, 1966, - 364 с. 6. Диомидов М.Н. Покорение глубин / М.Н. Диомидов, А.Н. Дмитриев. - 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1974. - 325 с. 7. Пат. 2185196 Российская Федерация, МПК А61М 16/00. Устройство для искусственной вентиляции лёгких / И.В. Исаев [и др.]. 8. Пат. 2330783 Российская Федерация, МПК B63G 8/40. Устройство вентиляции отсеков аварийной подводной лодки, лежащей на грунте / С.Л. Ефремов [и др.]. 9. Пат. 2491109 Российская Федерация, МПК B63G 8/36. Устройство для очистки воздуха в обитаемых герметичных объектах от вредных примесей / С.А. Ермаков. 10. Платонов А.В. Энциклопедия советских подводных лодок. 1941-1945 /А.В. Платонов. М.: Издательство ACT; СПб.: Издательство "Полигон", 2004. - 592 с. 11. Романов Д.А. Трагедия подводной лодки "Комсомолец" /Д.А. Романов. - 2-е изд., доп. СПб.: Изд-во Рус. христианск. гуманит. ин-та, 1995. - 256 с. 12. Справочник пловца-подводника / под ред. Е.П. Шиканова. - 2-е изд.доп. - М.: Воениздат МО СССР, 1977. - 255 с. 13. Справочник по управлению кораблём / под ред. А.А. Александрова. - М.: Воениздат МО СССР, 1974. - 533 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Підводний населений апарат, що містить корпус і балони із стиснутим повітрям для дихання, а також дихальний автомат, встановлений усередині корпусу і сполучений з балонами, який відрізняється тим, що корпус виконаний герметичним і сполучений з довкіллям через компресорний агрегат для випуску повітря, що видихається, на вході в який встановлений фільтр, при цьому нагнітальна лінія компресорного агрегата обладнана підпружиненим зворотним клапаном. 5 UA 113997 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6

Дивитися

Додаткова інформація

МПК / Мітки

МПК: B63G 8/00, B63B 38/00, B64D 13/02, B63C 11/34

Мітки: населений, апарат, підводний

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/8-113997-pidvodnijj-naselenijj-aparat.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Підводний населений апарат</a>

Подібні патенти