Способ создания положительной плавучести в океанской и морской среде

 

Изобретение относится к области судостроения, а именно к способам создания положительной плавучести под водой. Сущность изобретения заключается в том, что поплавок плавучести с присоединенным к нему гибким трубопроводом опускают на заданную глубину и заполняют пресной водой, которую нагнетают под давлением P = P₀+(γ-γ₀)•H•10^-1, где Р - давление подачи пресной воды в трубопровод, кг/см²; Р₀ - давление на входе в поплавок плавучести, кг/см²; γ - плотность морской или океанской воды, т/м³; γ₀ - - плотность пресной воды, т/м³; Н - глубина погружения поплавка плавучести, м. Для ускорения всплытия в поплавок плавучести можно также подавать сжатый воздух под давлением, превышающим гидростатическое на глубине выпуска воздуха из баллонов. Гибкий трубопровод можно заполнить водой к моменту погружения поплавка на заданную глубину, для чего в трубопровод подают пресную воду в процессе погружения поплавка. Использование изобретения позволяет наиболее экономичным и экологически чистым способом получать подъемную силу порядка нескольких сотен или тысяч тонн на любых глубинах Мирового океана на базе существующего уровня техники. 2 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области судостроения, а именно к способам создания положительной плавучести под водой за счет использования легких наполнителей.

Одной из важнейших задач человечества является освоение минерально-сырьевой базы Мирового океана. Исключительная сложность этой задачи связана, в первую очередь, с тем, что основные минерально-сырьевые ресурсы находятся на больших глубинах. Например, залежи сульфидов открыты на глубинах порядка 3000 м, а железо-марганцевых конкреций - 5000-6000 м, что требует создания устройств, обеспечивающих подьем на поверхность со дна океана груза весом несколько сотен или тысяч тонн. Это необходимо также для подъема с больших глубин затонувших объектов, создания глубоководных подводных аппаратов большого водоизмещения и для многих других целей. Такие устройства, удовлетворяющие многочисленным требованиям, еще не созданы, а имеющиеся проекты и разработки имеют существенные недостатки.

Известны различные способы создания положительной плавучести за счет поддерживающей силы на тросе, например, на привязных подводных аппаратах, целиком за счет плавучести прочного корпуса с использованием поплавков плавучести или сил реактивной тяги, сознаваемой движителями (М.Н. Диомидов, А.Н. Дмитриев. Подводные аппараты, Л.: Судостроение, 1966 г., стр. 63 - [1]).

Известен принятый в качестве ближайшего аналога способ создания положительной плавучести батискафов с использованием поплавка плавучести, заключающийся в том, что поплавок плавучести в надводном положении заполняют более легким, чем вода, наполнителем, преимущественно бензином (при этом батискаф приобретает положительную плавучесть в надводном положении), затем приемом твердого балласта придают объекту отрицательную плавучесть и обеспечивают его погружение на заданную глубину, а после завершения работ или в аварийных ситуациях твердый балласт сбрасывают и создают положительную плавучесть в подводном положении, обеспечивающую всплытие батискафа ([1] стр.69, 70).

К недостаткам этого способа относится высокая пожароопасность работы с большими объемами бензина и других углеводородных легких наполнителей, необходимость безвозвратного расхода нескольких тонн твердого балласта и выпуска в водное пространство нескольких кубометров маневрового бензина при каждом погружении-всплытии. При этом положительная плавучесть батискафа дает возможность размещать на нем только небольшую гондолу с приборами и одним-двумя членами экипажа.

Предложенный способ отличается от противопоставленного тем, что поплавок плавучести с присоединенным к нему гибким трубопроводом опускают на заданную глубину, после чего заполняют его пресной водой, которую нагнетают под давлением P = P₀+(γ-γ_o)H•10^-1,, где Р - давление подачи пресной воды в трубопровод, кг/см²; Р₀ - давление на входе в поплавок плавучести, кг/см²; γ - плотность морской или океанской воды, т/м³; γ_o - плотность пресной воды, т/м³; Н - глубина погружения поплавка плавучести, м.

Способ отличается также тем, что в поплавок плавучести дополнительно подают сжатый воздух под давлением, превышающим давление внешней среды на глубине пoдaчи сжатого воздуха, а также тем, что в процессе погружения поплавка гибкий трубопровод заполняют пресной водой под давлением, не превышающим значения (γ-γ_o)•H. При указанной в формуле размерности γ, γ_o и Н и переводном коэффициенте 10^-1 давление Р будет выражено в кг/см².

Плотность соленой и пресной воды берут для одинаковых условий по температуре и глубине (давлению). Р₀ принимают преимущественно исходя из потребного времени заполнения поплавка. Поплавок плавучести и гибкий трубопровод выполняют из прочного герметичного материала, например из прорезиненной ткани. В качестве наполнителя может использоваться как вода, практически не имеющая солености (речная, озерная), так и морская вода таких водоемов, как Финский залив, Балтийское, Азовское моря, плотность которой в несколько раз меньше плотности воды океанов и многих морей.

Способ осуществляется следующим образом. Поплавок плавучести с присоединенным к нему гибким трубопроводом и с установленными на нем (при необходимости) баллонами сжатого воздуха, оборудованными какими-либо приборами срабатывания по заданной программе, опускают на заданную глубину под действием веса полезного груза, захватных устройств, емкостей для подъема минерального сырья и др. После этого в поплавок нагнетают пресную воду насосами, находящимися на обеспечивающем надводном плавучем техническом средстве. Вода может находиться на этом же плавсредстве или на находящемся рядом танкере.

Диаметр трубопровода, как и давление Р₀ на входе в поплавок, выбирают исходя из потребного времени заполнения поплавка. Давление Р подачи пресной воды в трубопровод (напор насоса) равно сумме давления на входе в поплавок и давления вытеснения столба пресной воды более плотной океанской или морской водой. После заполнения поплавка пресной водой на нем создается положительная плавучесть величиной, равной произведению объема поплавка на разность плотностей океанской (морской) и пресной воды.

Для создания дополнительной положительной плавучести, главным образом, для ускорения всплытия объекта в поплавок плавучести могут подавать сжатый воздух.

Из-за сильной сжимаемости использование сжатого воздуха для создания положительной плавучести на больших глубинах неэффективно или даже невозможно. Известно, что при давлении около 600 атм плотность сжатого воздуха равна плотности воды. Поэтому сжатый воздух целесообразно подавать из баллонов после того, как в процессе всплытия объект выйдет на глубину, на которой выпуск воздуха уже создаст положительный эффект. В дальнейшем по мере всплытия дополнительная положительная плавучесть будет постоянно увеличиваться из-за снижения наружного давления и увеличения объема воздуха. Воздух можно подавать в объем поплавка, заполненный пресной водой, либо в отдельные секции поплавка, которые могут быть выполнены в том числе и в виде изолированных емкостей, соединенных с основной емкостью поплавка.

Для сокращения времени заполнения поплавка за счет времени заполнения трубопровода в последний в процессе погружения поплавка можно подавать пресную воду под давлением, не превышающим разности давлений соленой и пресной воды на глубине погружения поплавка. При этом к моменту достижения поплавком заданной глубины трубопровод будет уже заполнен полностью или частично.

Рассмотрим возможность реализации способа, например, для следующих условий: - потребная величина положительной плавучести F=100 т, - глубина создания положительной плавучести Н=6000 м,
- плотность океанской воды γ =1,0267 т/м³,
- плотность пресной воды γ_o =1,0000 т/м³,
- давление на входе в поплавок плавучести Р₀=4 кг/см².

Давление подачи пресной воды в трубопровод составит

Объем поплавка плавучести

Таким образом, для поднятия с глубины 6000 м груза весом (в воде) 100 тонн необходим поплавок плавучести, который можно представить в виде цилиндрической емкости длиной 30 м и диаметром около 13 м, что, очевидно, совершенно реально, как и потребный напор насоса (20 кг/см²). Для определения объема поплавка при реальном проектировании следует учесть плавучесть, создаваемую объемом трубопровoдa, нeoбxoдимocть компенсации веса (в воде) устройств, обеспечивающих погружение поплавка, и ряд других факторов. Для получения большей плавучести целесообразно выполнять поплавок модульным, из набора нескольких стандартных емкостей.

Согласно общепринятому подходу к выбору легких наполнителей, решающими факторами, определяющими целесообразность их применения, являются минимальный удельный вес, стоимость и пожарная безопасность при эксплуатации ([1] , стр. 190). Там же (стр. 195, 200) указано, что для того, чтобы остаточная плавучесть на любой глубине была постоянной без отдачи переменного балласта, необходимы заполнители со сжимаемостью, равной воде, которые не созданы и разработка которых представляет значительные трудности,
Пресная вода и является таким "идеальным" наполнителем несмотря на относительно большую плотность, которая, согласно приведенному выше общепринятому подходу, должна бы исключать использование ее для создания положительной плавучести. Пресная и соленая вода идентичны по всем существенным характеристикам (температурное расширение, повышение плотности с глубиной и пр. ), за исключением плотности, что дает возможность получать положительную плавучесть потребной на практике величины на любых глубинах океанов и морей с использованием постигнутого к настоящему времени уровня техники для создания соответствующих устройств и реализации данного способа.

Предложенный способ наиболее эффективен для больших глубин, характерных для океанов и глубоководных морей, например Средиземного, Охотского и других. Для относительно малых глубин могут использоваться и другие известные способы создания положительной плавучести. Применительно же к большим глубинам данный способ может быть наиболее простым, экономичным, экологически чистым способом создания положительной плавучести порядка нескольких сотен или тысяч тонн.

Формула изобретения

1. Способ создания положительной плавучести в океанской и морской среде с использованием поплавка плавучести, гидравлического насоса, гибкого трубопровода и легкого наполнителя, заключающийся в заполнении поплавка плавучести наполнителем с плотностью, меньшей плотности окружающей среды, отличающийся тем, что поплавок плавучести с присоединенным к нему гибким трубопроводом опускают на заданную глубину, после чего заполняют его пресной водой, которую нагнетают под давлением

Р=Р₀+(γ-γ₀)•Н·10^-1,

где Р - давление подачи пресной воды в гибкий трубопровод, кг/см²;

Р₀ - давление на входе в поплавок плавучести, кг/см²;

γ - плотность морской или океанской воды, т/м³;

γ₀ - плотность пресной воды, т/м;

Н - глубина погружения поплавка, м.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в поплавок плавучести дополнительно подают сжатый воздух под давлением, превышающим давление внешней среды на глубине подачи сжатого воздуха.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе погружения поплавка гибкий трубопровод заполняют пресной водой под давлением, не превышающим значения (γ-γ₀)•Н.