DE102020201630A1

DE102020201630A1 - Tauchvorrichtung für Unterwasserfahrzeuge

Info

Publication number: DE102020201630A1
Application number: DE102020201630.5A
Authority: DE
Inventors: Amadeu Placido Neto; Gottfried Hendrix
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-02-11
Filing date: 2020-02-11
Publication date: 2021-08-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Tauchvorrichtung (100) für ein Unterwasserfahrzeug (1000), wobei die Tauchvorrichtung (100) Folgendes umfasst: eine Kammer (20), die eine im Wesentlichen feste Form aufweist; eine Pumpe (21), die konfiguriert ist, das Fluid in die Kammer (20) zu fördern und ein Ventil (23), das konfiguriert ist, einen Abfluss des Fluides aus der Kammer (20) zuzulassen. Wobei bei einer Tauchvorbereitung die Kammer (20) mit einer vorgegebenen Menge von druckbeaufschlagtem Gas vorbefüllt wird. Wobei im Tauchbetrieb das Fluid durch die Pumpe (21) in die Kammer (20) gefördert wird, oder das Fluid von der Kammer (20) durch das Ventil (23) entlassen wird, ohne dass Gas aus der Kammer (20) entweicht, um die Gesamtdichte der Kammer (20) und damit die Auftriebskraft der Tauchvorrichtung (100) zu beeinflussen. Darüber hinaus umfasst die vorliegende Erfindung eine Tauchvorrichtung für das oben beschriebene Verfahren.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Antriebstechnik und der Subsea Technologie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Tauchvorrichtung für Unterwasserfahrzeuge und ein Verfahren zur Steuerung der Tauchvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Unterwasserfahrzeuge besitzen heute Tauchkammern die mit Druckluft oder mit Wasser gefüllt werden um die Dichte der Boote zu beeinflussen, was zum Tauchen oder Auftauchen der Fahrzeuge führt (statisches tauchen). Weiterhin ist ein dynamisches Tauchen durch Antriebe möglich, die ihre Antriebsleistung entgegen der Tauchrichtung erbringen, wodurch das Unterwasserfahrzeug in die Tiefe gedrückt wird.
Beim dynamischen Tauchen wird ständig Energie benötigt, um das Unterwasserfahrzeug entgegen der Auftriebskraft auf Tauchtiefe zu halten.
Beim statischen Tauchen wird ein Gasvorrat benötigt, um die Ballastkammern mit Gas zu füllen, um die Dichte des U-Fahrzeuges zu beeinflussen, und somit die Tauchtiefe zu beeinflussen. Dieser Gasvorrat muss vor der Tauchfahrt erzeugt werden und in dem Unterwasserfahrzeug gespeichert werden.
Für größere Tauchtiefen sind die Ballastkammern aufgrund des Außendruckes statisch so massiv auszuführen, dass das Gewicht/Volumen Verhältnis ein statisches Tauchen nicht mehr mit vertretbarem Aufwand ermöglicht.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist deswegen ein statisches Tauchen von Unterwasserfahrzeugen ohne hohen Energieverbrauch zu ermöglichen.
Aus diesem Grund bietet diese Erfindung eine energieeffiziente Tauchvorrichtung für Unterwasserfahrzeuge um Energieversorgungen zu verkleinern und damit Tauchzeiten zu vergrößern.
KURZFASSUNG
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, die Tauchvorrichtung des U-Fahrzeuges mit einer vorgespannten Ballastkammer auszurüsten, die mit einem Gas so weit vorgespannt ist, dass sie dem Wasserdruck widersteht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung einer Tauchvorrichtung für ein Unterwasserfahrzeug bereitgestellt, wobei die Tauchvorrichtung Folgendes umfasst: eine Kammer, die eine im Wesentlichen feste Form aufweist; eine Pumpe, die konfiguriert ist, das Fluid in die Kammer zu fördern; ein Ventil, das konfiguriert ist, einen Abfluss des Fluides aus der Kammer zuzulassen. Wobei bei einer Tauchvorbereitung die Kammer mit einer vorgegebenen Menge von druckbeaufschlagtem Gas vorbefüllt wird und wobei im Tauchbetrieb das Fluid durch die Pumpe in die Kammer gefördert wird, oder das Fluid von der Kammer durch das Ventil entlassen wird, ohne dass Gas aus der Kammer entweicht, um die Gesamtdichte der Kammer und damit die Auftriebskraft der Tauchvorrichtung zu beeinflussen. Diese Lösung ermöglicht es eine energiesparende Tauchvorrichtung herzustellen, da das Gewicht der Kammer tatsächlich durch die Vorbefüllung der Kammer verringert werden kann. Der Grund dafür ist, dass der Erfinder auf die Idee gekommen ist, dass ein Innendruck bei leichter Konstruktionsausführung gut realisierbar ist. Damit wird dann ein statisches Tauchen des U-Fahrzeuges ohne hohen Energieverbrauch ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, wobei ein Druck, der in der Tauchvorbereitung des obengenannten Schritts durch die vorgegebene Menge von druckbeaufschlagtem Gas erreicht wird, unter Berücksichtigung der gewünschten höchsten Tauchtiefe bestimmt wird. Diese Lösung erlaubt, dass der Druck innerhalb der Ballastkammer in jedem Betriebszustand höher als der Wasseraußendruck sein kann, damit das Auftauchen ohne zusätzliche Energie möglich ist, da der Innendruck in der Ballastkammer die Flüssigkeit (Wasser oder Öl) auch ohne Pumpen aus der Ballastkammer drückt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, wobei beim Abtauchen der Tauchvorrichtung ein Fluid in die Kammer durch die Pumpe eingeführt wird, damit die Dichte der Kammer zunimmt. Diese Lösung ermöglicht die Tauchtiefe mittels der Pumpe zu beeinflussen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, wobei die Kammer eine Speicherblase umfasst, die konfiguriert ist, das Fluid und das Gas in der Kammer voneinander zu trennen. Diese Lösung ist besonders vorteilhaft, da sie eine effektive Trennung des Gases von dem Fluid durch die Speicherblase 24 ermöglicht. Das ist in diesem Fall ein aus dem Stand der Technik bekanntes Trennmedium, vorzugsweise Mineralöl.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, wobei die Pumpe und das Ventil parallel zueinander angeordnet sind und mit einem Fluidbehälter, in dem das Fluid gelagert ist, kommunizieren, wobei der Fluidbehälter so konfiguriert ist, dass sich das Volumen des Fluidbehälters mit der Tauchtiefe der Tauchvorrichtung verkleinert. Diese Lösung ermöglich die Dichte des Fahrzeuges durch eine Änderung des Volumens der Kammer zu beeinflussen. Damit wird die Masse der Tauchvorrichtung konstant bleiben, da es wegen dem geschlossenen Kreislauf des Trennmediums keinen Stoffaustausch mit Außen gibt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, wobei beim Auftauchen der Tauchvorrichtung das Fluid aus der Kammer durch das Ventil entlassen wird, damit die Dichte der Kammer abnimmt, wobei das Ventil vorzugsweise geschlossen wird, wenn ein vorgegebener Druck in der Kammer erreicht wird. Diese Lösung ermöglich, dass die Verbindung zwischen der Ballastkammer und Außen geschlossen wird, nachdem das ganze Fluid aus der Ballastkammer entlassen wurde, damit die Menge von dem Gas in der Ballastkammer konstant bleibt und das Gas nicht entweicht.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Tauchvorrichtung für ein Unterwasserfahrzeug bereitgestellt. Die Tauchvorrichtung umfasst: eine Kammer, die eine im Wesentlichen feste Form aufweist und in der ein Gas und ein Fluid gespeichert werden können, um die Gesamtdichte und damit die Auftriebskraft eines Unterwasserfahrzeuges, in dem die Tauchvorrichtung angeordnet ist, zu beeinflussen; eine Pumpe, die konfiguriert ist, das Fluid in die Kammer zu fördern; ein Ventil, das konfiguriert ist, einen Abfluss des Fluides aus der Kammer zu steuern. Die Kammer ist mit einer vorgegebenen Menge von druckbeaufschlagtem Gas vorgefüllt und die Tauchvorrichtung ist so konfiguriert, dass wenn das Fluid in die Kammer gefördert wird, die Menge von dem Gas in der Kammer konstant bleibt und das Volumen des Gases sinkt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Tauchvorrichtung bereitgestellt, wobei die Kammer eine Speicherblase umfasst, die konfiguriert ist, das Fluid und das Gas in der Kammer voneinander zu trennen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Tauchvorrichtung bereitgestellt, wobei die Tauchvorrichtung weiterhin einen Fluidbehälter umfasst, in dem das Fluid gelagert werden kann und der Fluidbehälter so konfiguriert ist, dass sich dessen Volumen mit der Tauchtiefe der Tauchvorrichtung verkleinert, und wobei die Pumpe und das Ventil parallel zueinander angeordnet sind und eine Verbindung zwischen der Kammer und dem Fluidbehälter herstellen.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile und / oder auf ähnliche Teile und / oder auf entsprechende Teile des Systems beziehen. Zu den Figuren:

1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung einer Tauchvorrichtung für Unterwasserfahrzeuge gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung einer Tauchvorrichtung für Unterwasserfahrzeuge gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, wie sie in den beigefügten Figuren gezeigt sind. Nichtsdestotrotz ist die vorliegende Erfindung nicht auf die besonderen Ausführungsformen beschränkt, die in der folgenden detaillierten Beschreibung beschrieben und in den Figuren gezeigt sind, sondern die beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen lediglich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung, deren Schutzbereich durch die Ansprüche definiert ist.
Weitere Änderungen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann klar. Die vorliegende Beschreibung umfasst somit alle Änderungen und / oder Variationen der vorliegenden Erfindung, deren Schutzbereich durch die Ansprüche definiert ist.
In den folgenden Paragraphen wird mit Bezug auf 1 ein erstes Ausführungsbeispiel besch rieben.
Das Unterwasserfahrzeug 1000 (ab nun einfach „Fahrzeug“ genannt) umfasst einen Antrieb, der beim dynamischen Tauchen benutzt wird, um das Fahrzeug entgegen der Auftriebskraft des Fahrzeuges 1000 auf Tauchtiefe zu halten und um eine vorgegebene Tauchtiefe zu erreichen.
Das Fahrzeug 1000 umfasst weiterhin eine Tauchvorrichtung 100, die für das Auftauchen und Abtauchen des Fahrzeuges 1000 benutzt wird.
Die Tauchvorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Ballastkammer 20, die eine im Wesentlichen feste Form aufweist. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Form der Ballastkammer 20 beschränkt. Wie im Verlauf der Beschreibung klarer wird, kann in der Ballastkammer 20 ein Gas und ein Fluid gespeichert werden, um die Gesamtdichte (Gewicht des Fahrzeuges 1000/ Volumen desselben) des Fahrzeuges 1000 zu ändern und damit die Auftriebskraft der Tauchvorrichtung zu beeinflussen.
Eine Pumpe 21, die konfiguriert ist das Fluid in die Ballastkammer 20 zu fördern, ist an die Ballastkammer 20 angeschlossen. In dieser Ausführungsform ist der Abfluss der Pumpe in die Ballastkammer 20 vorzugsweise an einer unteren Position der Ballastkammer 20 angeordnet. Die Pumpe 21 wird durch einen Motor 22 angetrieben. Die Pumpe 21 ist konfiguriert, um Seewasser in die Ballastkammer 20 zu fördern, damit die Gesamtdichte des Fahrzeuges erhöht wird, sodass eine Tauchtiefe geregelt werden kann. Erfindungsgemäß ist der Druck innerhalb der Ballastkammer 20 in jedem Betriebszustand höher als der Wasseraußendruck.
Ein Ventil 23, (z.B. ein 2/2Wege Ventil) das konfiguriert ist, einen Abfluss des Fluides aus der Ballastkammer 20 zu steuern, damit die Menge des Seewassers in der Ballastkammer 20 gesenkt werden kann und damit die Gesamtdichte des Fahrzeuges verringert wird.
In den folgenden Abschnitten wird das Verfahren zur Steuerung der Tauchvorrichtung 100 im Detail beschrieben.
Die Ballastkammer 20 wird zuerst mit einer vorgegebenen Menge von druckbeaufschlagtem Gas gefüllt, damit die Ballastkammer 20 mit einem vorbestimmten Druck vorgespannt wird. Der Druck, der durch die vorgegebene Menge von druckbeaufschlagtem Gas erreicht wird, wird unter Berücksichtigung der höchsten Tauchtiefe bestimmt.
Insbesondere wird es zuerst die höchste Tauchtiefe, die erreicht werden kann, entschieden. Danach wird der Wasserdruck des Wassers bei einer solchen Tauchtiefe bestimmt. Danach wird dieser Wert vom Druck in der Ballastkammer 20 durch das druckbeaufschlagte Gas erreicht. Damit wird sichergestellt, dass wenn das Fahrzeug die höchste Tauchtiefe erreicht, der Druck in der Ballastkammer 20 höher als der Wasserdruck ist. Dadurch kann die Ballastkammer 20 dem Wasserdruck beim Eintauchen wiederstehen.
Zum Beispiel, wenn eine Tauchtiefe von 3500 Metern erreicht werden muss, wird die Ballastkammer 20 mit einem Druck beaufschlagt, der beispielhaft bei circa 350 bar liegt, aber so hoch sein muss, das die Fluidfüllung bei der Tauchtiefe und die maximale Druckfestigkeit der Ballastkammer 20 von außen so gestaltet ist, dass die Ballastkammer 20 dem Druck widerstehen kann. (Beispielhaft werden die 350 bar erst beim Tauchgang in 3500 Meter Tiefe erreicht).
Beim Abtauchen wird das Fluid durch die Pumpe 21 in die Ballastkammer 20 gefördert, ohne dass Gas aus der Ballastkammer 20 entweicht, um die Gesamtdichte der Ballastkammer 20 und damit die Auftriebskraft der Tauchvorrichtung zu beeinflussen.
Durch das Fördern von Wasser in die Ballastkammer 20, wird das Volumen des Gases sinken und damit wird sich dessen Druck erhören. Deswegen, wenn die höchste Tauchtiefe erreicht wird, wird der Druck innerhalb der Ballastkammer 20 höher als der Wasserdruck sein.
Insbesondere, durch das Fördern von Wasser in die Ballastkammer 20, wird die Gesamtdichte der Ballastkammer 20 (und folglich die Gesamtdichte des Fahrzeuges 1000) steigen und dadurch die Auftriebskraft sinken, damit das Fahrzeug 1000 höhere Tauchtiefe erreichen kann.
Beim Auftauchen wird das Ventil 23 geöffnet, damit das Wasser aus der Ballastkammer 20 entlassen wird. Dieses Ziel ist durch den Druck der Ballastkammer 20, der höher als der Wasserdruck ist, gewährleistet. Das Auftauchen ist auch ohne zusätzliche Energie möglich, da der Innendruck in der Ballastkammer 20 die Flüssigkeit ohne Pumpen aus dem Ballastkammer 20 drückt. Dadurch ist die Sicherheit des Fahrzeuges tatsächlich erhört.
Durch die Entlassung des Wassers wird die Gesamtdichte des Fahrzeuges 1000 sinken und dadurch die Auftriebskraft steigen, damit das Fahrzeug 1000 niedrigere Tauchtiefe erreichen kann.
Das Ventil 23 kann dann effektiv benutzt werden, um die Auftriebskraft des Fahrzeuges 1000 und damit dessen Tauchtiefe zu steuern.
Aus Sicherheitsgründen ist es wichtig, dass das Ventil 23 stromlos öffnen kann, damit, bei Stromausfall oder Verlust des Fahrzeuges 1000, das Fahrzeug selbstständig auftaucht.
Das Ventil 23 wird dann geschlossen, wenn das ganze Wasser aus der Ballastkammer 20 entlassen wurde, damit die Menge von dem Gas in der Ballastkammer 20 konstant bleibt und das Gas nicht entweicht.
Dieser Vorgang ist beliebig wiederholbar solange Energie zum Pumpen vorhanden ist.
In der 2 ist eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Der Hauptunterschied zur der Ausführungsform von 1 ist, dass die Ballastkammer 20 eine Speicherblase 24 umfasst, die konfiguriert ist, das Fluid und das Gas in der Ballastkammer 20 voneinander zu trennen. In diesem Fall ist das Fluid ein Trennmedium, z.B. Mineralöl.
Die Tauchvorrichtung 100 weist weiterhin einen Fluidbehälter 25 auf, in dem das Trennmedium gelagert werden kann. Der Fluidbehälter 25 ist so konfiguriert, dass sich dessen Volumens mit einer höheren Tauchtiefe (wegen Wasserdruckänderungen) der Tauchvorrichtung 100 verkleinert (siehe die gestrichelte Linie 25a von 2).
In dieser Ausführungsform bleibt die Masse der Tauchvorrichtung 100 konstant, da wegen dem geschlossenen Kreislauf des Trennmediums keiner Stoffaustausch mit dem Außen gibt.
Da das Verfahren dieser Ausführungsform völlig ähnlich wie das beschriebene bezüglich der Ausführungsform vom 1, wird eine Wiederholung der Beschreibung vermieden.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann klar, dass es möglich ist, verschiedene Modifikationen, Variationen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung im Lichte der oben beschriebenen Lehre und innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche zu realisieren, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
Darüber hinaus wurden die Bereiche, auf denen Fachleute kundig sein dürften, hier nicht beschrieben, um die beschriebene Erfindung nicht unnötig zu verschleiern.
Dementsprechend soll die Erfindung nicht durch die spezifischen veranschaulichenden Ausführungsformen beschränkt sein, sondern nur durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche.
Bezugszeichenliste

1000: Unterwasserfahrzeug;
100: Tauchvorrichtung;
10: Antrieb;
20: Ballastkammer (Kammer);
21: Pumpe;
22: Motor;
23: Ventil;
24: Speicherblase;
25: Fluidbehälter;

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Tauchvorrichtung (100) für ein Unterwasserfahrzeug (1000), wobei die Tauchvorrichtung (100) Folgendes umfasst: eine Kammer (20), die eine im Wesentlichen feste Form aufweist; eine Pumpe (21), die konfiguriert ist, das Fluid in die Kammer (20) zu fördern; ein Ventil (23), das konfiguriert ist, einen Abfluss des Fluides aus der Kammer (20) zuzulassen; dadurch gekennzeichnet, dass: a) bei einer Tauchvorbereitung die Kammer (20) mit einer vorgegebenen Menge von druckbeaufschlagtem Gas vorbefüllt wird; und b) im Tauchbetrieb das Fluid durch die Pumpe (21) in die Kammer (20) gefördert wird, oder das Fluid von der Kammer (20) durch das Ventil (23) entlassen wird, ohne dass Gas aus der Kammer (20) entweicht, um die Gesamtdichte der Kammer (20) und damit die Auftriebskraft der Tauchvorrichtung (100) zu beeinflussen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Druck, der in der Tauchvorbereitung des Schritts a) durch die vorgegebene Menge von druckbeaufschlagtem Gas erreicht wird, unter Berücksichtigung der gewünschten höchsten Tauchtiefe bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei beim Abtauchen der Tauchvorrichtung (100) ein Fluid in die Kammer (20) durch die Pumpe eingeführt wird, damit die Dichte der Kammer (20) zunimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kammer (20) eine Speicherblase (24) umfasst, die konfiguriert ist, das Fluid und das Gas in der Kammer (20) voneinander zu trennen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Pumpe (21) und das Ventil (23) parallel zueinander angeordnet sind und mit einem Fluidbehälter (25), in dem das Fluid gelagert ist, kommunizieren, wobei der Fluidbehälter (25) so konfiguriert ist, dass sich das Volumen des Fluidbehälters mit der Tauchtiefe der Tauchvorrichtung (100) verkleinert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei beim Auftauchen der Tauchvorrichtung (100) das Fluid aus der Kammer (20) durch das Ventil entlassen wird, damit die Dichte der Kammer (20) abnimmt, wobei das Ventil (23) vorzugsweise geschlossen wird, wenn ein vorgegebener Druck in der Kammer (20) erreicht wird.
Tauchvorrichtung (100) für ein Unterwasserfahrzeug (1000), umfassend: eine Kammer (20), die eine im Wesentlichen feste Form aufweist und in der ein Gas und ein Fluid gespeichert werden können, um die Gesamtdichte und damit die Auftriebskraft eines Unterwasserfahrzeuges, in dem die Tauchvorrichtung (100) angeordnet ist, zu beeinflussen; eine Pumpe (21), die konfiguriert ist, das Fluid in die Kammer (20) zu fördern; ein Ventil (23), das konfiguriert ist, einen Abfluss des Fluides aus der Kammer (20) zu steuern; dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (20) mit einer vorgegebenen Menge von druckbeaufschlagtem Gas vorgefüllt ist, und dass die Tauchvorrichtung (100) so konfiguriert ist, dass wenn das Fluid in die Kammer (20) gefördert wird, die Menge von dem Gas in der Kammer (20) konstant bleibt und das Volumen des Gases sinkt.
Tauchvorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei die Kammer (20) eine Speicherblase (24) umfasst, die konfiguriert ist, das Fluid und das Gas in der Kammer (20) voneinander zu trennen.
Tauchvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Tauchvorrichtung (100) weiterhin einen Fluidbehälter (25) umfasst, in dem das Fluid gelagert werden kann und der Fluidbehälter (25) so konfiguriert ist, dass sich dessen Volumens mit der Tauchtiefe der Tauchvorrichtung (100) verkleinert, und wobei die Pumpe (21) und das Ventil (23) parallel zueinander angeordnet sind und eine Verbindung zwischen der Kammer (20) und dem Fluidbehälter (25) herstellen.