《全海深潛器浮力調節海水泵的基礎理論與實驗研究》是依託華中科技大學，由吳德發擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：全海深潛器浮力調節海水泵的基礎理論與實驗研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：吳德發
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
浮力調節海水泵是大深度潛器的關鍵元件，用於潛器浮力的精確調節。本項目面向全海深潛器對超高壓浮力調節海水泵的迫切需求，在現有研究基礎上，開展全海深浮力調節海水泵的理論與實驗研究。針對海水浮力調節系統的開式特徵及全海深極端高壓環境，重點研究高壓懸沙水介質潤滑條件下摩擦密封副在不同環境壓力、載荷、速度、表面形貌下的失效機理，從而確定全深度海水泵的關鍵摩擦副配對材料、工藝和結構，實現整機可靠性和壽命的提高。針對極限深度下浮力調節工況的複雜性，無額定工況的特殊性，考慮不同海深環境下水介質理化特性的差異性、高壓環境下結構的形變特徵、注排水工況的切換等，建立浮力調節海水泵在極端工況下多參數耦合的性能遷移模型。通過研究多參數之間的耦合關係，從理論上揭示工況對海水泵性能的影響規律並最佳化相關參數。項目的實施將為提高我國全海深裝備的自主設計能力奠定堅實的技術基礎，同時加速我國在此領域向國際前沿進發。
結題摘要
深海技術是各海洋強國爭相戰領高技術領域，大深度載人或無人潛器是海洋開發走向深海的重要載體。海水壓載調節系統是潛器重要的子系統，其工作原理是通過海水泵及控制閥實現壓載艙與環境的水介質轉移與交換，從而實現潛器重力和浮力的動態調節。大深度超高壓海水泵是海水壓載調節系統的核心。深海環境壓力巨大，萬米深淵下的壓力達113MPa，加之海水的腐蝕性、弱潤滑性及天然水中含有大量細小的石英懸沙，使得海水泵面臨系列國際難題：（1）元件精密運動間隙高外壓形變失調導致深度提升難； （2）超高壓海水動密封失效導致效率增加難；（3）懸砂沙海水潤滑摩擦副的腐蝕和重度磨粒磨損導致壽命延長難。針對這些難題，開展系統性研究並取得如下成果： (1) 通過大量不同材料配對副進行了摩擦學研究，發現了Si3N4/WC10Co4Cr配對副具有優異的摩擦性能，低至摩擦係數低至0.0023，相比現有水壓泵常用PEEK/不鏽鋼配對副，降低24倍。同時，摩擦副對不同水域的天然懸沙水均具有良好的適應性，不同介質下均表現出優異的減摩和耐磨特性，磨損率低於9×10-12cm-3/Nm，懸沙條件下相比現有配對副降低兩個數量級。 (2) 針對超高壓高效動密封動密封易失效的問題，發明了承載密封功能分離新型柱塞副結構，即大柱塞承載、小柱塞間隙密封，代替了現有高壓依賴填料密封（壽命短）的技術，從而解決超高壓動密封難題，工作壓力可達120MPa。 (3) 建立了海水泵多參數耦合模型，研究了深海超高環境壓力下，元件精密部件不等量形變而導致的海水泵宏微觀性能遷移規律，採用了補+讓+抗的方法解決了深海浮力調節海水泵的高壓形變和雙向承載的問題。 (4) 綜合以上技術，國際上首次研製成功可用於12000米的深海海水泵，在深度、工作壓力、效率和功率密度等核心參數均超過國際同類型產品。以本項目的研究成果為基礎，2018年成功研製出我國“蛟龍”號載人潛器的國產化海水泵和正在研製的萬米全深度載人潛器所需浮力調節海水泵，滿足了我國深海重大裝備的工程急需，同時也促進了綠色環保的水液壓技術發展。
