全海深潜器浮力调节海水泵的基础理论与实验研究

The seawater pump is the key component of a deep sea submersible, which can adjust the buoyancy of submersible precisely. Theoretical and experimental studies of the pump will be carried out in the face of the urgent needs of full ocean depth submersible. The pump is difficult to design due to the open-circle water hydraulic system of viriable buoyancy system and the ultra-high hydrostatic pressue environment. The failure mechanism of the friction, lubrication and sealing of the different couple-pairs lubricated by ultra-high hydrostatic pressue silt-laden water will be studied under different operating conditions,including different hydrostatic pressue, load, speed and various surface topography.Then, the proper materials, crafts and structures are determined to improving the reliability and lifespan of the pump. For the complexity of extreme depth conditions and the specificity of non-rated conditions, the mathematic model of the pump is seted up coupled with multi-parameters,including the water's physical and chemical properties in different depth sea, structure deformation under high pressure environment and injection or drainage working status. The performance of seawater pump in different conditions is revealed and optimized base on the multi-parameter coupling model by simulating.This study will favor the self-design capability and international frontier to our nation.

浮力调节海水泵是大深度潜器的关键元件，用于潜器浮力的精确调节。本项目面向全海深潜器对超高压浮力调节海水泵的迫切需求，在现有研究基础上，开展全海深浮力调节海水泵的理论与实验研究。针对海水浮力调节系统的开式特征及全海深极端高压环境，重点研究高压悬沙水介质润滑条件下摩擦密封副在不同环境压力、载荷、速度、表面形貌下的失效机理，从而确定全深度海水泵的关键摩擦副配对材料、工艺和结构，实现整机可靠性和寿命的提高。针对极限深度下浮力调节工况的复杂性，无额定工况的特殊性，考虑不同海深环境下水介质理化特性的差异性、高压环境下结构的形变特征、注排水工况的切换等，建立浮力调节海水泵在极端工况下多参数耦合的性能迁移模型。通过研究多参数之间的耦合关系，从理论上揭示工况对海水泵性能的影响规律并优化相关参数。项目的实施将为提高我国全海深装备的自主设计能力奠定坚实的技术基础，同时加速我国在此领域向国际前沿进发。

深海技术是各海洋强国争相战领高技术领域，大深度载人或无人潜器是海洋开发走向深海的重要载体。海水压载调节系统是潜器重要的子系统，其工作原理是通过海水泵及控制阀实现压载舱与环境的水介质转移与交换，从而实现潜器重力和浮力的动态调节。大深度超高压海水泵是海水压载调节系统的核心。. 深海环境压力巨大，万米深渊下的压力达113MPa，加之海水的腐蚀性、弱润滑性及天然水中含有大量细小的石英悬沙，使得海水泵面临系列国际难题：（1）元件精密运动间隙高外压形变失调导致深度提升难； （2）超高压海水动密封失效导致效率增加难；（3）悬砂沙海水润滑摩擦副的腐蚀和重度磨粒磨损导致寿命延长难。针对这些难题，开展系统性研究并取得如下成果：. 1) 通过大量不同材料配对副进行了摩擦学研究，发现了Si3N4/WC10Co4Cr配对副具有优异的摩擦性能，低至摩擦系数低至0.0023，相比现有水压泵常用PEEK/不锈钢配对副，降低24倍。同时，摩擦副对不同水域的天然悬沙水均具有良好的适应性，不同介质下均表现出优异的减摩和耐磨特性，磨损率低于9×10-12cm-3/Nm，悬沙条件下相比现有配对副降低两个数量级。. 2) 针对超高压高效动密封动密封易失效的问题，发明了承载密封功能分离新型柱塞副结构，即大柱塞承载、小柱塞间隙密封，代替了现有高压依赖填料密封（寿命短）的技术，从而解决超高压动密封难题，工作压力可达120MPa。. 3) 建立了海水泵多参数耦合模型，研究了深海超高环境压力下，元件精密部件不等量形变而导致的海水泵宏微观性能迁移规律，采用了补+让+抗的方法解决了深海浮力调节海水泵的高压形变和双向承载的问题。. 4) 综合以上技术，国际上首次研制成功可用于12000米的深海海水泵，在深度、工作压力、效率和功率密度等核心参数均超过国际同类型产品。. 以本项目的研究成果为基础，2018年成功研制出我国“蛟龙”号载人潜器的国产化海水泵和正在研制的万米全深度载人潜器所需浮力调节海水泵，满足了我国深海重大装备的工程急需，同时也促进了绿色环保的水液压技术发展。