潜艇高压空气瓶的极限设计

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1、潜艇高压空气瓶的极限设计潜艇高压空气瓶的极限设计潜艇高压空气瓶的极限设计潜艇高压空气瓶的极限设计潜艇高压空气瓶的极限设计2004年12月舰船工程研究2004年第4期(总第107期)潜艇高压空气瓶的极限设计王建惠(中国舰船研究设计中心,湖北武汉430064)摘要:介绍了潜艇高压空气瓶设计制造方面情况,提出了按塑性力学和极限设计理论进行潜艇高压空气瓶设计的思路.关键词:潜艇;高压空气瓶;压力容器;极限设计;塑性力学中图分类号:U661.41文献标识码:A文章编号:2019(2004)04—10—05Limitdes

2、ignofthehigh——pressureairbottlesforsubmarinesWangJian—-huiAbstract:Inthispapertheconditionsaboutthedesignandmanufactureofthesubmarinehigh—pressureairbottlesareintroduced,andadesignideabasedontheplasticityandlimitde—signtheoryisdiscussed.Keywords:submarine;hi

3、gh—pressureairbottle;pressurevessel;limitdesign;plasticityl引言潜艇高压空气瓶的主要用途是向压载水舱供气排水,使潜艇获得浮力,因而与潜艇的安全性和生命力密切相关.高压空气瓶作为高压空气系统的主要设备,其设计,制造,使用和维修历来倍受关注.潜艇高压空气瓶最基本的技术参数是压力和容积.气瓶(系统)的压力级越高,单位体积贮存的空气量越大,单位时间向压载水舱供气的量越大(即吹除速率越大),也就意味着潜艇的生存能力越强.但压力越高,技术难度和成本会急剧增大,将受到

4、工业水平和费用的制约.目前国际上应用最多的压力级是20MPa和25MPa,有一些国家采用3000psi(20.7MPa)和4500psi(31MPa)的压力级,俄罗斯K级常规潜艇高压空气系统的最大工作压力为40MPa,是目前已见报道的潜艇高压空气系统的最高压力级.在潜艇上,通常将大部分的高压空气瓶布置在上层建筑内,而仅将少部分气瓶布置在舱内,这不仅是为了节省舱内空间,也是为了获得较多的浮力以提高潜艇的水下稳性.在特殊情况下,也有布置在压载水舱内的,但会对维修带来一些困难.气瓶的形状一般为凸底长圆柱形,也有做成香

5、蕉形的,是为了尽量与潜艇耐压船体(横向)相贴合.气瓶布置在上层建筑时,其直径和长度都将受到上层建筑空间的限制,特别是横向布置的气瓶,为充分利用空间,应嵌在外肋骨的中间,外肋骨的间距一般为500～600mm,适当考虑基座和肋骨端部宽度的影响,所以气瓶的外径一般限制在470～480mm左右,气瓶的长度则限制在3～3.2m左右.在不超过最大尺寸的条件下,单个气瓶的容积应尽量大一些,以简化管系和提高有效容积.一个长3.2m,外径为470mm,压力级为25MPa的气瓶,其容积约为0.41m,重量约680kg.重容比(单位

6、气瓶容积的材料重量)是潜第4期王建惠:潜艇高压空气瓶的极限设计艇高压空气瓶的又一个技术参数,提出这个指标体现了潜艇对气瓶的特殊要求,反映了潜艇对装艇设备的重量和浮力的重视.重容比不是一个独立参数,在气瓶的设计压力,外形尺寸,所依据的设计计算公式和腐蚀裕度确定之后,其重容比实际上已经确定.如上面提到的气瓶,重容比约为I.7kg/L.我国海军高度重视潜艇应急上浮和动力抗沉能力.上个世纪80年代,根据当时国内的工业水平,将高压空气系统的压力级由以往的20MPa提高到25MPa,在提高压力级的道路上迈了一小步.从提高潜

7、艇抗沉能力和大潜深的要求考虑,我国潜艇采用40MPa的高压空气系统已是势在必行.通过预研课题较深入的研究表明,系统中的其他设备(压缩机及干燥过滤组件,各种阀件),管路及连接附件的关键技术均已解决,唯有40MPa的高压空气瓶尚未找到满意的解决途径.2弹性设计与极限设计弹性设计方法就是以弹性失效为破坏准则的设计方法.这种观点认为,容器壁上受力最大的点的应力强度达到材料的屈服极限or,之后,容器便失去了正常的工作能力.这是最早的一种设计方法,也是目前大多数国家仍然采用的设计方法.我国各型潜艇目前装备的高压空气瓶均为容

8、积410L,工作压力20MPa或25MPa的焊接气瓶,其圆筒形瓶体部分的设计公式几经演变,但都来自于薄膜应力理论,推导过程是相同的,只是在选取计算应力时有所差别.现将主要的计算公式列于表1.在安全系数的选用上,我国《气瓶安全监察规程》(1979)中对屈服限的安全系数n.的规定为,无缝气瓶不得小于1.67,焊接气瓶不得小于1.9.按照GJB20076—92,如果取水压试验压力为工作压力的