一种脉动气泡破冰装置及方法

摘要

本发明属于破冰技术领域，具体涉及一种脉动气泡破冰装置及方法。本发明通过电磁铁和电磁阀控制高压气枪的喷口方式，生成两种不同状态的高压脉动气泡，生成的高压脉动气泡会在内外压差下产生膨胀‑收缩‑坍塌的过程，这个过程会形成水射流和冲击波等现象，所产生的巨大能量可应用于破冰领域或海底资源勘探。本发明生成高压脉动气泡通过两种发生方式，第一种方式为通过电磁铁实现高压气体从装置侧面以环状喷出，第二种方式为通过控制触发电磁球阀来实现高压气体顶部圆形喷口喷出。本发明可用于水下海底资源勘探和用于水下高压脉动气泡破冰等工况。本发明绿色环保，安全可靠，经济效应好可重复性使用。

说明书

技术领域

本发明属于破冰技术领域，具体涉及一种脉动气泡破冰装置及方法。

背景技术

随着中国的全球影响力日益增强，中国军舰远航的地理范围不断扩大，中国在南、北极开展科学考察，对于气候研究、海洋学研究，增加关于地球结构和其他领域的知识是非常有必要的。尤其是对极地地区资源的勘探和未知领域的研究，因此如何使我们的科研人员可以在极地破冰船上进行更深更远的领域的探索是一个难题，当前我国所采用的是中国“雪龙号”破冰船进行极地海底的勘测，并且已经完成多次极地地区勘探任务，其靠自身重力和动力来对冰层进行物理破坏，这就对船体的结构和动力提出较大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供可以产生高压脉动气泡对冰层进行破坏或破裂的一种脉动气泡破冰装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括高压储气室、密封活塞体、气室隔离环和定位连杆；所述的高压储气室内部上端设有阻挡盘，在高压储气室上部四周设有喷气口，高压储气室下端与定位盘、底座连接法兰和底座依次连接；所述的定位盘为镂空结构，底座连接法兰内部气体可通过定位盘上的镂空结构流向高压储气室内部空间；所述的密封活塞体设置在高压储气室内部，在密封活塞体底部四周开有由单向阀控制开合的通气孔，在密封活塞体内部设有夹紧定位盘；所述的夹紧定位盘为镂空结构，密封活塞体下方的气体可通过夹紧定位盘上的镂空结构流向密封活塞体上方；所述的密封活塞体顶面通过压缩弹簧与阻挡盘连接；所述的气室隔离环设置在底座连接法兰内部，气室隔离环顶面的外环段安装有高压油封，在气室隔离环的侧面上开有透气孔；在所述的底座连接法兰内部，在气室隔离环顶面上下两部分气体无法实现互通；所述的定位连杆的下部与气室隔离环的顶面固定连接，定位连杆上端依次穿过定位盘和夹紧定位盘，定位连杆顶端通过锁紧螺母与夹紧定位盘紧固，定位盘与定位连杆接触部位仅限制定位连杆的轴向转动；所述的底座上安装有电磁铁；所述的底座连接法兰的上部设有第一进气管、第一压力变送器和第一排气阀，在底座连接法兰的下部设有第二进气管、第二压力变送器和第二排气阀；

当电磁铁与定位连杆在电磁作用下紧密贴合时，第二进气管、第二压力变送器和第二排气阀位于气室隔离环顶面的下方，第一进气管、第一压力变送器和第一排气阀位于气室隔离环顶面的上方，密封活塞体挡住高压储气室上部所有喷气口，使高压储气室内部气体无法流通至外部。

本发明还可以包括：

还包括触发电磁球阀；所述的触发电磁球阀为单向电磁球阀，触发电磁球阀安装在高压储气室的顶面上。

本发明的目的还在于提供一种脉动气泡破冰方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：

步骤1：移动定位连杆至装置底部，打开电磁铁的开关，电磁铁与定位连杆在电磁作用下紧密贴合，使密封活塞体挡住高压储气室上部所有喷气口，此时，压缩弹簧处于压缩状态；

步骤2：打开第一进气管，控制空气压缩机将高压气从第一进气管流入装置内部；通过第一压力变送器实时监测装置内部气室隔离环顶面上方的气压，当装置内部气室隔离环顶面上方的气压达到目标压强P后，执行步骤3；

步骤3：打开第二进气管，控制空气压缩机将高压气从第二进气管流入装置内部；通过第二压力变送器实时监测装置内部气室隔离环顶面下方的气压，当装置内部气室隔离环顶面下方的气压达到目标压强P2后，执行步骤4；

步骤4：关闭电磁铁使电磁铁与定位连杆之间的磁力消失，在气室隔离环底部的高压气作用于气室隔离环顶面，使与定位连杆相连的密封活塞体向上运动，密封活塞体运动到高压储气室顶端，密封活塞体底部的通气孔与高压储气室上部的喷气口位置重合，使装置内部的高压气通过单向阀瞬间释放，完成高压脉动气泡的释放；

步骤5：打开第一排气阀和第二排气阀，将装置内的高压气排出，密封活塞体、定位连杆和气室隔离环在压缩弹簧的作用下归位，即可进行下一组高压脉动气泡的准备工作。

本发明的目的还在于提供另一种脉动气泡破冰方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：

步骤1：关闭触发电磁球阀，移动定位连杆至装置底部，打开电磁铁的开关，电磁铁与定位连杆在电磁作用下紧密贴合，使密封活塞体挡住高压储气室上部所有喷气口，此时，压缩弹簧处于压缩状态；

步骤2：打开第一进气管，控制空气压缩机将高压气从第一进气管流入装置内部；通过第一压力变送器实时监测装置内部气室隔离环顶面上方的气压，当装置内部气室隔离环顶面上方的气压达到目标压强P后，执行步骤3；

步骤3：打开触发电磁球阀，装置内的高压气以球形脉动气泡的形式生成。

本发明的有益效果在于：

本发明通过电磁铁和电磁阀控制高压气枪的喷口方式，生成两种不同状态的高压脉动气泡，生成的高压脉动气泡会在内外压差下产生膨胀-收缩-坍塌的过程，这个过程会形成水射流和冲击波等现象，所产生的巨大能量可应用于破冰领域或海底资源勘探。本发明可用于水下海底资源勘探和用于水下高压脉动气泡破冰等工况。本发明绿色环保，安全可靠，经济效应好可重复性使用。

附图说明

图1是本发明的一种脉动气泡破冰装置的整体示意图。

图2(a)是本发明的一种脉动气泡破冰装置的侧视图。

图2(b)是图2(a)的A-A截面剖视图。

图3(a)是本发明中密封活塞体、定位盘、气室隔离环和定位连杆的连接示意图。

图3(b)是图3(a)的另一种观察角度示意图。

图3(c)是图3(b)的另一种观察角度示意图。

图4是本发明中定位连杆的示意图。

图5(a)是本发明中密封活塞体示意图。

图5(b)是图5(a)的A-A截面剖视图。

图5(c)是本发明中密封活塞体的俯视图。

图6(a)是本发明的一种脉动气泡破冰装置的主视图。

图6(b)是本发明的一种脉动气泡破冰装置的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明涉及一种脉动气泡破冰装备与方法，可以作为“雪龙号”破冰船的预破冰手段，方案是将本发明装置安装与下潜器或者破冰船前端，通过产生高压脉动气泡对冰层进行破坏或破裂，使破冰船的效率大幅度提升，并且可以减少破冰船的能源消耗，同时本发明绿色环保，无污染，对极地环境无破坏。所产生的高压脉动气泡作用原理为通过装置产生高压脉动气泡，气泡脉动可以携带巨大的能量。高压脉动气泡在内外水压差的作用在水中生成的内部压力高于水体压力的气泡。这种气泡将在内外压力差的作用下过度膨胀并随后收缩、坍塌，会产生水射流和冲击波等一系列连续的现象，对冰层进行冲击破坏，从而使破冰船的破冰效率更高。

本发明可实现水下高压气泡的产生，并通过控制方式实现高压气泡的两种发生方式，环状喷口和圆形直喷喷口，通过双进气管分别向装置内注入高压气，通过压力差和电磁铁将装置密封储存高压气，第一种方式为通过电磁铁实现高压气体从装置侧面以环状喷出，第二种方式为通过控制触发电磁球阀来实现高压气体顶部圆形喷口喷出。本发明可用于水下海底资源勘探和用于水下高压脉动气泡破冰等工况。本发明绿色环保，安全可靠，经济效应好可重复性使用。

实施例1：

一种脉动气泡破冰装备，空气压缩机连接并单独控制进气管a和进气管b向装置内的进气，进气管a和进气管b与底座连接法兰连接，底座连接法兰另一端面分别连接有安全排气阀a、安全排气阀b、压力变送器a和压力变送器b，底座连接法兰下端与底座螺栓连接，底座连接法兰上端面与定位盘、高压储气室螺栓连接，高压储气室上端面与阻挡盘和触发电磁球阀螺栓连接。内部结构为电磁铁与底座螺栓连接，隔离气室环外环段安装有高压油封，隔离气室环套在底座连接法兰内部，隔离气室环上端面与定位连杆螺纹连接，定位连杆穿过定位盘，其顶端穿过两个夹紧定位盘，并通过锁紧螺母紧固，两个夹紧定位盘通过定位槽与密封活塞体定位连接，密封活塞体槽口安装有三个高压油封，四周开有螺栓孔与单向阀连接，顶部有压缩弹簧，压缩弹簧另一端顶在阻挡盘上。

密封活塞体四周开有四个平面台并开有螺纹孔，在平台面上端和下端均开有凹槽口，安装高压油封，在另一端也开有安装高压油封的凹槽口，在密封活塞体的内部有一凸环，凸环上有两个凸起定位块。定位连杆上下端均为螺纹段，与隔离气室环连接，另一端与锁紧螺母连接，其端面均开有平面台，用来与定位盘和密封活塞体连接的定位盘定位。隔离气室环下端面外径小于底座连接法兰内径，同时开有多个气孔。底座外圈有安装螺栓孔，内圈与底座连接法兰连接部分有沉头孔和密封槽口，底座中心有沉头孔。定位盘外圈为螺栓孔，内圈为镂空结构允许高压气，并且中间与定位连杆接触部位为特殊配套加工工艺，用来限制定位连杆的轴向转动。夹紧定位盘外圈有槽口用来定位，内圈为镂空结构允许高压气通过，且与定位连杆为特殊配套加工工艺，用来限制定位连杆的轴向转动。

实施例2：

本发明通过电磁铁和电磁阀控制高压气枪的喷口方式，生成两种不同状态的高压脉动气泡，生成的高压脉动气泡会在内外压差下产生膨胀-收缩-坍塌的过程，这个过程会形成水射流和冲击波等现象，所产生的巨大能量可应用于破冰领域或海底资源勘探。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种脉动气泡破冰装备，包括空气压缩机所连接的进气管，进气管有两根分别向底座连接法兰内输送高压气，底座连接法兰还还与两个压力变送器和两个泄压阀连接，所述的底座连接法兰与底座和定位盘连接，底座连接法兰内部安装有隔离气室环和电磁铁，电磁铁与底座固定，隔离气室与定位连杆固定，定位连杆通过定位盘定位口来进行周向定位，定位盘与高压储气室连接，定位连杆另一端通过两个夹紧定位盘与密封活塞体定位连接，密封活塞体圆柱段上开有四个通孔，通孔上连接有单向阀，密封活塞体上端安装压缩弹簧，压缩弹簧另一端安装于与高压储气室连接的阻挡盘和触发电磁球阀上。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述的一种脉动气泡破冰装备，其各个零部件连接之间均有O型密封圈和高压油封，用来装置密封和高压气密封等。

2.所述的高压储气室，其法兰端带有一个圆环定位槽口，其圆柱面四周开有通孔，其顶端在径向方向为带密封圈凹槽的凸台。

3.所述的密封活塞体，其圆柱段开有三个高压油封槽口，四周开有四个螺纹孔，螺纹孔处端面为平面，活塞体内部中间为定位凸台。

4.所述的隔离气室环，其一端面有螺纹孔，圆柱面有密封圈槽口，下端为小径的圆环，且圆环圆柱段开有多个透气圆孔。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用空气压缩，无污染，对海洋环境做到零污染，绿色环保，安全可靠，经济效应较好，并且可重复使用。通过高压气的注入可实现超高压气体的储存和释放，通过零部件之间和控制系统的配合，可以完成水下两种高压脉动气泡的生成，既可以生成环状高压脉动气泡，也可以生成球形脉动气泡；本发明通过电磁铁控制装置内部密封活塞体在高压储气室内的滑动，来进行装置环状高压脉动气泡的生成，通过触发电磁球阀控制装置内高压气由电磁阀喷出，装置为多功能使用，密封效果好，可水下重复性使用，对于海底资源勘探和极地破冰均有有效应用。

实施例3：

结合图1，图1是本发明专利的整体示意图。空气压缩机连接分别控制着进气管a15和进气管b16与底座连接法兰2连接，底座连接法兰2另一端面分别连接有安全排气阀a22、安全排气阀b23、压力变送器a24和压力变送器b25，底座连接法兰2下端与底座1螺栓连接，底座连接法兰2上端面与定位盘10、高压储气室4螺栓连接，高压储气室4上端面与阻挡盘12和触发电磁球阀14螺栓连接。

结合图2、图3、图4和图5，图2是本发明专利的剖视图结合、图3是本发明专利的内部连杆连接示意图、图4是本发明专利的定位连杆示意图、图5是本发明专利的密封活塞体示意图。电磁铁3与底座1螺栓连接，隔离气室环11外环段安装有高压油封20，隔离气室环11套在底座连接法兰2内部，隔离气室环11上端面与定为连杆7螺纹连接，定位连杆7穿过定位盘10，其顶端穿过两个夹紧定位盘6，并通过锁紧螺母9紧固，两个夹紧定位盘6通过定位槽与密封活塞体5定位连接，密封活塞体5槽口安装有三个高压油封18，四周开有螺栓孔与单向阀8连接，顶部有压缩弹簧13，压缩弹簧13另一端顶在阻挡盘12上。

起始状态通过底座1上的螺栓孔固定好后，内部连杆连接部分通过压缩弹簧13的弹力将密封活塞体5、定位连杆7和隔离气室环11压缩向装置底部，此时打开电磁铁3的开关，电磁铁3与定位连杆7在电磁作用下紧密贴合，通过空气压缩机控制高压气从进气管a15和进气管b向装置内部流入，在高压气流入过程中，高压气均为目标值压强P流向装置内部，在装置内部通过压力变送器a24和压力变送器b25实时监测装置内部高压气压强，并且在气室隔离环11上下两部分高压气无法实现互通，在气室隔离环11上部分压强达到目标压强P后，由进气管b16向气室隔离环11下部分继续输入高压气使其压强达到P2，此时触发电磁球阀14和电磁铁3都是工作状态。

在准备触发释放脉动气泡时，本发明有两种触发方式：

第一种生成脉动气泡为装置四周生成环状脉动气泡，当完成上述充压过程后，触发电磁球阀14是全程保持关闭状态，关闭电磁铁3使电磁铁3与定位连杆7之间的磁力消失，在隔离气室环11底部的高压气作用于隔离气室环11上表面，使整体的密封活塞体5相连的内部连杆结构向上运动，密封活塞体5运动到高压储气室4顶端，使密封活塞体5上的排气孔与高压储气室4上的排气孔位置重合，使装置内部的高压气通过单向阀8瞬间释放，完成高压脉动气泡的释放，完成后打开安全排气阀b23将装置内的高压气排出，随后密封活塞体5等内部连接装置会在压缩弹簧13的作用下归位，即可进行下一组高压脉动气泡的准备工作。

第二种生成球形脉动气泡的方法为，完成上述充压过程或者只向进气管a15内注入高压气，进气管b16不用注入高压气，电磁铁始终作用，使密封活塞体5所连接的内部连杆装置保持不动，打开触发电磁球阀14，使装置内的高压气以球形脉动气泡的形式生成，此电磁阀为单向电磁球阀。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。