一种水下无人平台的可更换式氢氧源储存装置及操作方法与流程

1.本发明涉及水下无人平台动力与保障技术领域，尤其是一种水下无人平台的可更换式氢氧源储存装置及操作方法。


背景技术：

2.目前，随着水下装备的快速发展和应用，其对续航力及探测作业能力有了更高的要求，在大力发展能量密度高、体积小、重量轻、安静性好的水下动力系统。燃料电池基于其能量密度高、工作噪声低、生成物只有水、无尾流特征等优点，使之在水下装备领域得到较为广泛的应用，由此可见，对水下装备燃料电池动力系统的研究已经从实验室阶段走到了工程化应用阶段，随着燃料电池技术的发展，其在水下应用将会更加广泛。
3.根据燃料电池是通过氢气和氧气发生电化学反应产生电能的工作原理，其要正常工作，氢源和氧源必不可少。传统的氢源一般采用高压储氢，这种储氢方案，需要使用较多的防爆高压电磁阀，又是高压氢气，难免会造成系统氢气的持续微漏，而且系统结构复杂，占用空间位置多；目前，现有技术中氢气的储存方式有高压储氢、金属储氢以及有机业储氢，金属储氢基于其较高的安全性和可控的放氢特性，使其成为水下无人平台储氢技术的优选方案。氧源一般都采用液氧存储技术，但其有较多的控制阀件和管路，由于阀门较多(阀门的种类有4-5种，阀门的数量高达20多个)，光这些阀门和管路所占的容积几乎是液氧罐的一般，相当于增加了漏点，不仅系统较为复杂，占用的空间位置也较多。此外，传统的无人平台能源补给，需要返回至固定码头进行补给，这样从指定区域来回至补给码头，不仅浪费了平台的作业时间还延长了补给保障和维护维修的时间。
4.另外，根据水下探测和安全保障等需求，目前水下无人平台的工作模式正由单点模式(只有一个水下无人平台)逐渐演变成水下集群和水下成组(类似现在的无人机成组成群工作)工作模式，由于集群涉及的水下无人平台数量多，且每次任务的不同，所需集群的平台数量也会不同，这就对多台的水下无人平台进行能源补给提出了更高的要求，如何灵活且快速的进行能源补给，提高每个无人平台的利用率将成为限制水下无人平台工作效能的重要因素。


技术实现要素：

5.本技术人针对上述现有技术中的缺点，提供一种水下无人平台的可更换式氢氧源储存装置及操作方法，从而采用模块化设计，简化了系统结构，将阀门和管路所占的容积全部用于放液氧罐，相当于储氧量比现有技术中增加了50％，提高了平台的能源密度；另外采用可更换结构，大大缩短了补给保障时间，提高工作可靠性。
6.本发明所采用的技术方案如下：
7.一种水下无人平台的可更换式氢氧源储存装置，包括氢氧源耐压密封舱，所述氢氧源耐压密封舱的内壁面焊接有间隔分布的内支撑鼓，所述内支撑鼓内部布置有液氧储罐和合金储氢罐组，所述液氧储罐上焊接有氧连接块，所述氧连接块的外端从上至下通过供
气排放金属软管、测满金属软管和供排液金属软管同时连接氧汇流块，所述氧汇流块的外端从上至下分别焊接有供气排放管穿舱密封块、测满管穿舱密封块和进出液穿舱密封块，供气排放管穿舱密封块、测满管穿舱密封块和进出液穿舱密封块同时压紧在密封隔离门上，密封隔离门上开有孔，所述供气排放管穿舱密封块上连接有供气排放穿舱管，测满管穿舱密封块连接测满穿舱管，进出液穿舱密封块连接进出液穿舱管，所述供气排放穿舱管、测满穿舱管和进出液穿舱管均穿过密封隔离门所开孔；合金储氢罐组上分别通过循环水出口金属软管、氢气进出口金属软管和循环水进口金属软管连接氢气循环水汇流块，氢气循环水汇流块的外端分别安装有循环水进口管、氢气进出口管和循环水出口管，循环水进口管、氢气进出口管和循环水出口管穿出密封隔离门；所述氢氧源耐压密封舱的端部设置有法兰盘，所述法兰盘通过紧固螺栓与密封隔离门锁紧，密封隔离门将氢氧源耐压密封舱与水下无人平台的其它舱室分隔开。
8.其进一步技术方案在于：
9.所述液氧储罐和合金储氢罐组通过支撑装置一同固定在氢氧源耐压密封舱的内部。
10.所述氧汇流块呈长条形结构。
11.所述氢气循环水汇流块呈折弯结构。
12.所述循环水进口管上安装循环水进口穿舱密封块，氢气进出口管上安装氢气进出口穿舱密封块，循环水出口管上安装循环水出口穿舱密封块。
13.所述合金储氢罐组设置有五个合金储氢罐。
14.所述合金储氢罐组的氢气出口处安装有截止阀。
15.所述密封隔离门上安装有气密门。
16.单个内支撑鼓呈圆环形结构。
17.一种所述的水下无人平台的可更换式氢氧源储存装置的操作方法，包括如下操作步骤：
18.第一步：准备好多个已补给好的可更换式的氢氧源储存装置；
19.第二步：将准备好的氢氧源储存装置放置在需要补给的地方或者母船上；
20.第三步：当需要补给的水下无人平台到达补给地点时，先用淡水对整个氢氧源储存装置进行冲洗，将表面的海水冲洗干净；
21.第四步：松开紧固螺栓，将整个氢氧源储存装置一同拆卸下来；
22.第五步：将第二步中准备的氢氧源储存装置与水下无人平台进行对接，对接好后用紧固螺栓拧紧，即完成了新的氢氧源储存装置与水下无人平台其他舱室的紧固连接；
23.第六步：采用第五步相同的方法，依次将所有氢氧源储存装置更换完毕即可。
24.本发明的有益效果如下：
25.1、本装置将氢气和氧气的储存作为一个可更换的氢氧源储存装置，即实现了通过管路接口向其进行氢氧的补给保障，也可以直接将标准化的氢氧源储存装置进行更换，不仅实现了装置的模块化、可更换，同时也缩短的补给保障时间。
26.2、本装置采用了氢气循环水汇流块，将合金储氢罐组出口的21根管路(每个合金储氢罐出来的三根管路)通过氢气循环水汇流块有效合并成3根管路然后进行穿舱，大大简化了管路布置与设计，降低了系统的复杂度。
27.3、本装置中除了合金储氢罐出口截止阀与氢气进出口金属软管采用螺纹连接外，其它所有管路均采用焊接形式，有效防止本舱内氢氧的泄漏，大大提高了系统的安全性。
28.4、本装置实现了氢氧源耐压密封舱同其它舱室的完全的电气隔离，即在氢氧源耐压密封舱无电气设备，这样就不需考虑电气设备的防爆设计，在提高安全性的同时，降低了相关电气设备的防爆等级，大大减少了电气设备的尺寸及重量。
29.5、本装置采用了氧连接块和氧汇流块，并且在这两者之间采用金属软管，简化了氧功能管路的同时有效缓冲热胀冷缩或耐压结构引起的变形。
30.6、本装置采用定制的液氧储罐，该液氧储罐的自蒸发量满足燃料电池电堆对氧气的需求，这样就大大降低了液氧汽化器的加热功率，简化了管路设计。
31.7、本装置采用了密封隔离门，在正常工作时可以防止氢氧泄漏至隔壁舱，在基地维修时便于舱内可维护设备的维修和更换。
32.8、本发明有效的保证了水下无人平台储氢用氢安全性、储氧用氧安全性、泄漏点少、能量密度高、维修保障方便、可更换性强等需求，
33.9、本发明主要用于水下无人平台安全储存使用氢气和氧气，并实现水下无人平台的高效维修保障和氢氧源储存装置的模块化、标准化和通用化。
附图说明
34.图1为本发明的结构示意图。
35.图2为本发明的爆炸图(一)。
36.图3为本发明的爆炸图(二)。
37.图4为图2的侧视图。
38.其中：1、液氧储罐；2、氧连接块；3、供气排放金属软管；4、测满金属软管；5、氧汇流块；6、供气排放管穿舱密封块；7、供气排放穿舱管；8、测满穿舱管；9、测满管穿舱密封块；10、进出液穿舱管；11、进出液穿舱密封块；12、循环水进口管；13、循环水进口穿舱密封块；14、氢气进出口管；15、氢气进出口穿舱密封块；16、循环水出口穿舱密封块；17、循环水出口管；18、氢气循环水汇流块；19、截止阀；20、供排液金属软管；21、循环水出口金属软管；22、氢气进出口金属软管；23、循环水进口金属软管；24、合金储氢罐组；25、氢氧源耐压密封舱；26、密封隔离门；27、紧固螺栓；28、气密门；29、内支撑鼓。
具体实施方式
39.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
40.如图1-图4所示，本实施例的水下无人平台的可更换式氢氧源储存装置，包括氢氧源耐压密封舱25，氢氧源耐压密封舱25的内壁面焊接有间隔分布的内支撑鼓29，内支撑鼓29内部布置有液氧储罐1和合金储氢罐组24，液氧储罐1上焊接有氧连接块2，氧连接块2的外端从上至下通过供气排放金属软管3、测满金属软管4和供排液金属软管20同时连接氧汇流块5，氧汇流块5的外端从上至下分别焊接有供气排放管穿舱密封块6、测满管穿舱密封块9和进出液穿舱密封块11，供气排放管穿舱密封块6、测满管穿舱密封块9和进出液穿舱密封块11同时压紧在密封隔离门26上，密封隔离门26上开有孔，供气排放管穿舱密封块6上连接有供气排放穿舱管7，测满管穿舱密封块9连接测满穿舱管8，进出液穿舱密封块11连接进出
液穿舱管10，供气排放穿舱管7、测满穿舱管8和进出液穿舱管10均穿过密封隔离门26所开孔；合金储氢罐组24上分别通过循环水出口金属软管21、氢气进出口金属软管22和循环水进口金属软管23连接氢气循环水汇流块18，氢气循环水汇流块18的外端分别安装有循环水进口管12、氢气进出口管14和循环水出口管17，循环水进口管12、氢气进出口管14和循环水出口管17穿出密封隔离门26；氢氧源耐压密封舱25的端部设置有法兰盘，法兰盘通过紧固螺栓27与密封隔离门26锁紧，密封隔离门26将氢氧源耐压密封舱25与水下无人平台的其它舱室分隔开。
41.液氧储罐1和合金储氢罐组24通过支撑装置一同固定在氢氧源耐压密封舱25的内部。
42.氧汇流块5呈长条形结构。
43.氢气循环水汇流块18呈折弯结构。
44.循环水进口管12上安装循环水进口穿舱密封块13，氢气进出口管14上安装氢气进出口穿舱密封块15，循环水出口管17上安装循环水出口穿舱密封块16。
45.合金储氢罐组24设置有五个合金储氢罐。
46.合金储氢罐组24的氢气出口处安装有截止阀19。
47.密封隔离门26上安装有气密门28。
48.单个内支撑鼓29呈圆环形结构。
49.本实施例的案子水下无人平台的可更换式氢氧源储存装置的操作方法，包括如下操作步骤：
50.第一步：准备好多个已补给好的可更换式的氢氧源储存装置；
51.第二步：将准备好的氢氧源储存装置放置在需要补给的地方或者母船上；
52.第三步：当需要补给的水下无人平台到达补给地点时，先用淡水对整个氢氧源储存装置进行冲洗，将表面的海水冲洗干净；
53.第四步：松开紧固螺栓27，将整个氢氧源储存装置一同拆卸下来；
54.第五步：将第二步中准备的氢氧源储存装置与水下无人平台进行对接，对接好后用紧固螺栓27拧紧，即完成了新的氢氧源储存装置与水下无人平台其他舱室的紧固连接；
55.第六步：采用第五步相同的方法，依次将所有氢氧源储存装置更换完毕即可。
56.本发明所述的水下无人平台的可更换式氢氧源储存装置的具体结构为：
57.主要包括液氧储罐1、合金储氢罐组24、氧连接块2、氢气循环水汇流块18、氢氧源耐压密封舱25、密封隔离门26、测满穿舱管8、进出液穿舱管10、氢气进出口金属软管22、排放金属软管、供排液金属软管20、循环水出口管17、循环水出口金属软管21、氢气进出口管14、气密门28、截止阀19等。
58.当水下无人平台正常航行或探测作业时，液氧储罐1中自蒸发的气氧通过氧连接块2、氧汇流块5及供氧排放穿舱管，将氧气供给其它舱室的燃料电池电堆使用；合金储氢罐组24中的氢气在循环水的加热下，将氢气从合金储氢罐组24、氢气进出口金属软管22、氢气循环水汇流块18及氢气进出穿舱管，将氢气供给其它舱室的燃料电池电堆使用。
59.当水下无人平台需要在基地或码头进行氢氧补给维护时，即可以通过外部补给管路直接连至氢氧补给口，也可以拆卸氢氧源耐压密封舱25、密封隔离门26同其它舱室之间的紧固螺栓27直接将已补给好的氢氧源储存装置进行模块化更换。
60.本发明所述的水下无人平台的可更换式氢氧源储存装置中各个部件的作用为：
61.液氧储罐1-水下无人平台上专门用于储存低温液氧的压力容器，其为双层高真空绝热容器，真空夹层通过抽真空及包覆绝热材料来实现液氧绝热。
62.氧连接块2-一种液氧储罐1进出液氧及氧气的集中通道，其内部开有流通液氧及气氧的孔，其一端与液氧储罐1焊接，另一端连接供气排放金属软管3、测满金属软管4和供排液金属软管20。
63.供气排放金属软管3-一种用于氧气供给及排放的金属软管，其具有温度补偿和位移补偿功能，其一端焊接在氧连接块2上，另一端焊接在氧汇流块5上。
64.测满金属软管4-当水下无人平台在进行液氧补给时，通过此管连至远端安全处，此管为检测水下无人平台中的液氧罐是否充满的测满通道，当液氧储罐1内充满率达到一定值时，打开测满管路，就会从该管路流出液氧。
65.氧汇流块5-一种用于液氧和气氧集中流入流出的装置，其一端与供气排放金属软管3、测满金属软管4和供排液金属软管20焊接，另一端与供气排放管穿舱密封块6、测满管穿舱密封块9、进出液穿舱密封块11焊接。
66.供气排放管穿舱密封块6-一种具有氧气供给和排放通道的密封块，其一端与氧汇流块5焊接，另一端的端面有放置密封圈的槽，通过端面密封的方式压紧在密封隔离门26上。
67.供气排放穿舱管7-一种具有氧气供给和排放通道的穿舱管路，其穿过密封隔离门26后，在供气排放穿舱管7上有外螺纹，通过螺栓使供气排放管穿舱密封块6压紧在密封隔离门26上实现气密。
68.测满穿舱管8-一种具有液氧排放通道的穿舱管路，其穿过密封隔离门26后，在测满穿舱管8上有外螺纹，通过螺栓使测满管穿舱密封块9压紧在密封隔离门26上实现气密。
69.测满管穿舱密封块9-一种具有液氧排放通道的密封块，其一端与氧汇流块5焊接，另一端的端面有放置密封圈的槽，通过端面密封的方式压紧在密封隔离门26上。
70.进出液穿舱管10-一种具有进出液氧通道的穿舱管路，其穿过密封隔离门26后，在进出液穿舱管10上有外螺纹，通过螺栓使进出液穿舱密封块11压紧在密封隔离门26上实现气密。
71.进出液穿舱密封块11-一种具有进出液氧通道的密封块，其一端与氧汇流块5焊接，另一端的端面有放置密封圈的槽，通过端面密封的方式压紧在密封隔离门26上。
72.循环水进口管12-一种氢气循环水汇流块18与外部或其他舱室的循环水入口通路。
73.循环水进口穿舱密封块13-一种具有循环水进口的密封块，其一端与氢气循环水汇流块18焊接，另一端的端面有放置密封圈的槽，通过端面密封的方式压紧在密封隔离门26上。
74.氢气进出口管14-一种氢气循环水汇流块18与外部或其他舱室的氢气进出口通路。
75.氢气进出口穿舱密封块15-一种具有氢气进出口的密封块，其一端与氢气循环水汇流块18焊接，另一端的端面有放置密封圈的槽，通过端面密封的方式压紧在密封隔离门26上。
76.循环水出口穿舱密封块16-一种具有循环水出口的密封块，其一端与氢气循环水汇流块18焊接，另一端的端面有放置密封圈的槽，通过端面密封的方式压紧在密封隔离门26上。
77.循环水出口管17-一种氢气循环水汇流块18与外部或其他舱室的循环水出口通路。
78.氢气循环水汇流块18-一种用于氢气和循环水流出及流出汇流的装置，其一端与多根循环水出口金属软管21、氢气进出口金属软管22、循环水进口金属软管23焊接，另一端与循环水进口管12、氢气进出口管14、循环水出口管17焊接。
79.截止阀19-一种具有手动截止功能的阀门，用于合金储氢罐出口氢气的开启和关闭。
80.供排液金属软管20-一种用于液氧进出的金属软管，其具有温度补偿和位移补偿功能，其一端焊接在氧连接块2上，另一端焊接在氧汇流块5上。
81.循环水出口金属软管21-一种用于出循环水的金属软管，其具有温度补偿和位移补偿功能，其一端连接在合金储氢罐组24上，另一端焊接在氢气循环水汇流块18上。
82.氢气进出口金属软管22-一种用于氢气进出的金属软管，其具有温度补偿和位移补偿功能，其一端连接在合金储氢罐组24上，另一端焊接在氢气循环水汇流块18上。
83.循环水进口金属软管23-一种用于进循环水的金属软管，其具有温度补偿和位移补偿功能，其一端连接在合金储氢罐组24上，另一端焊接在氢气循环水汇流块18上。
84.合金储氢罐组24-一种安全的储氢装置，充氢时，氢气在合金表面分解为氢原子，然后氢原子经扩散进入合金内部与合金发生反应生成金属氢化物，当需要放氢气时，将外界的热量加给金属氢化物时，它就分解为氢化金属并释放出氢气。
85.氢氧源耐压密封舱25-一种用于存放合金储氢罐组24和液氧储罐1等设备的耐压密封舱，其在水下能够承受海水背压，并且防止海水泄漏至舱内。
86.密封隔离门26-一种用于将氢氧源耐压密封舱25与水下无人平台的其它舱室分隔开的密封装置，该装置具有密封作用，防止氢氧源耐压密封舱25中的气体泄漏至其它舱室。
87.紧固螺栓27-用于将氢氧源耐压密封舱25、密封隔离门26及水下无人平台的其它舱室进行连接。
88.气密门28-一种用于人员在基地或码头对氢氧源耐压密封舱25中的设备进行维修的人员出入通道。
89.本发明所述的水下无人平台的可更换式氢氧源储存装置主要用于水下无人平台安全储存及使用氢气和氧气，并实现水下无人平台的高效维修保障和氢氧源储存装置的标准替换，不仅大大增加了水下无人平台在单位空间下的储能密度，还实现了水下无人平台氢氧源储存装置的模块化、标准化和通用化，有效提高了氢氧源储存装置在基地或码头的维修效率和补给效率，此外，通过本发明不仅简化了氢气和氧气的管路设计，还能够在氢氧源耐压密封舱25中减少氢源和氧源可能存在的泄漏点，避免电气设备在本区域的使用，大大降低了发生火灾或爆炸的可能，有效提高了系统的安全性。
90.实际工作过程中：
91.(一)正常工作时氢氧储存及使用：
92.当水下无人平台正常在水下航行或探测作业时，液氧储罐1中汽化后的氧气经过
氧连接块2、供气排放金属软管3、氧汇流块5、供气排放管穿舱密封块6、供气排放穿舱管7，穿过密封隔离门26，将氧气从氢氧源耐压密封舱25输送至其它舱室，供燃料电池使用；合金储氢罐组24中的氢气在循环水加热后，通过氢气进出口金属软管22、氢气循环水汇流块18、氢气进出口穿舱密封块15、氢气进出口管14，穿过密封隔离门26，将氢气从氢氧源耐压密封舱25输送至其它舱室，供燃料电池使用，循环水从循环水进口管12、循环水进口穿舱密封块13、氢气循环水汇流块18、循环水进口金属软管23进入合金储氢罐组24中，加热后从循环水出口金属软管21中流出，经过氢气循环水汇流块18、循环水出口穿舱密封块16、循环水出口管17最终流出。
93.(二)基地或码头氢氧补给或维修：
94.当水下无人平台需要在基地、码头或母船进行氢氧补给时，补给方式有两种：一种是无需拆卸氢氧源耐压密封舱25、密封隔离门26同其它舱室之间的紧固螺栓27，氢气补给时，直接将外部管路与氢氧源耐压密封舱25中的补氢管路接口氢气进出口管14连接，循环水分别与循环水进口管12及循环水出口管17连接；液氧补给时，直接将外部管路与氢氧源耐压密封舱25中的测满穿舱管8、进出液穿舱管10以及供气排放穿舱管7连接，实现液氧加注，此时需要检查或维护时，打开气密门28进行检查维护。另一种是拆卸氢氧源耐压密封舱25、密封隔离门26同其它舱室之间的紧固螺栓27，直接将已补给好的氢氧源耐压密封舱25直接与需要补给进行更换，然后用紧固螺栓27将氢氧源耐压密封舱25、密封隔离门26同其它舱室紧固连接。
95.本发明在操作时采用模块化的方式，以五台水下无人平台为一个集群编队为例，传统的补给方式需要到指定的补给码头，若一个一个的进行补给就会造成补给时间长(单个平台单次的氢氧补给时间大概是30h)，若想同时对五个平台进行补给，则在指定码头需要同时建设多套补给设备，这会使得建设和维护成本大大提高，采用本发明所述的操作方法后，可以方便的实现五个平台同时快速更换，大大缩短了补给时间；此外，在五个平台之间也可以快速替换和换装，避免了某个平台的故障或维修，导致整个平台都不可以使用的情况，大大提高了多个平台之间的利用率，实现了各个平台的模块化替换。
96.采用本发明所述的操作方法后，就无需返回到指定的码头进行补给了，只要有可更换式氢氧存储装置的地方或母船就可以进行操作，这样不仅提高了平台的作业时间和补给效率，无需返回固定码头进行补给，节省来回码头所需要的补给时间，几乎可以实现海上的指定区域的原位补给。
97.以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。