CN107891961A - 一种流体活塞及应用该流体活塞的热力压喷艇用推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体活塞及应用该流体活塞的热力压喷艇用推进系统，该热力压喷艇用推进系统包括工质气体发生器和热力压喷装置，工质气体发生器中所用的原始形态的工质为碳酸氢铵水溶液，工质气体发生器与一热源连接，所述流体活塞设于热力压喷装置中，热力压喷装置还包括海水喷嘴和冷凝器，流体活塞与工质气体发生器通过工质循环管道连接，冷凝器与气腔、工质气体发生器均通过工质循环管道连接且冷凝器与气腔间设有排气控制阀，海水喷嘴与所述喷水口连接。本发明改变了传统模式的动力转换路径，使推进动力不再依赖于螺旋桨或机械水泵，可有效降低核潜艇噪声。

Description

一种流体活塞及应用该流体活塞的热力压喷艇用推进系统

技术领域

本发明涉及一种流体动力装置及应用该装置的核动力潜艇推进、动力转换系统，更具体地说，它涉及一种流体活塞及应用该流体活塞的低噪声的热力压喷艇用推进系统。

背景技术

噪声控制是核动力潜艇战场生存能力的基本问题，为解决这个问题，业界作了很多努力，例如，以泵喷推进技术替代螺旋桨推进技术，增加反应堆冷却剂系统的自然循环能力，必要时可以停止冷却剂主循环泵，主汽轮发电机组采用柔性隔振支撑。但由于机械加工技术以及材料技术的局限，噪声的降低程度仍然难以满足用户需求。核动力潜艇噪声的主要来源，一是大型转动设备的机械振动，如主汽轮发电机组，螺旋桨及其减速齿轮系统，反应堆主冷却剂循环泵，二是推进螺旋桨的水力噪声。由于传统的推进技术依赖于反应堆的热能转换为汽轮机的机械能，再通过螺旋桨转换为水流的速度能这一路径，上述振动和噪声是难以避免的。而目前实际应用的核潜艇泵喷推进器本质上仍属于机械式有轴泵喷推进器，这一推进系统由于仍然依赖潜艇艇体内的驱动轴提供动力，因此并没有根本解决传统“螺旋桨-轴系-艇体”耦合振动引起的潜艇低谱噪声。公开号为CN105329428A的发明专利于2016年2月17日公开了一种喷射机与蒸汽射流泵推进高温气冷堆静音核潜艇，用高温气冷核反应堆提供950摄氏度进行温差发电，电能驱动喷射机的电动机，将吸水管置于艇首正中央，出水口置于艇尾接至单个或多水喷射管，水射流驱动潜艇行驶及调整方向及姿态，用核反应堆二回路的蒸汽驱动蒸汽射流水泵，再将发出噪音的设备及消音基础置于真空中，这样也可又可以阻止对流将温度导入人员的工作区域，泵的吸水管及出水管内部也经过消音处理，在潜艇中，只有电动喷射机是动设备，这些设备又是在真空中设备基础也经过消音处理。喷射机与喷射机可以共同工作，这样就可以使喷射机与蒸汽射流泵推进高温汽冷堆静音核潜安静高速地行驶。但该发明主要是通过优化发电方式取得降噪效果，而由于推进方式仍未摆脱蒸汽驱动有轴射流泵的模式，转动设备的机械振动仍会对静音效果产生较大影响。

发明内容

现有核潜艇采用螺旋桨推进或有轴泵喷推进方式，都依赖潜艇艇体内的驱动轴提供动力，难以消除机械振动引发的噪声，为克服这一缺陷，本发明提供了一种改变传统模式的动力转换路径，将热力工质的膨胀压力能转换为海水的动能的流体活塞，以及应用该流体活塞，使推进动力不再依赖于螺旋桨或机械水泵的热力压喷艇用推进系统。

一种流体活塞，包括活塞壳体，活塞壳体内设有柔性隔膜分隔而成的气腔和水腔，柔性隔膜的周缘固定在球形活塞壳体的腔壁上，气腔的腔壁上设有气压入口和排气口，水腔的腔壁上设有喷水口和进水口。柔性隔膜可以随压力大小改变凹凸方向，实现流体活塞上气腔和水腔容积比的变换，从而完成流体活塞进水和排水的反复循环。当流体活塞的气压入口封闭，同时排气口打开时，外部的水从进水口进入水腔，气腔中的气体则从排气口排出，当流体活塞的气压入口通入高压气体，同时排气口、进水口封闭时，高压气体挤压柔性隔膜，气腔扩大，水腔收缩，将水腔中的水从喷水口快速排挤而出，形成高速水流。本流体活塞可作为一种水-气压力转换式动力装置，在水下使用。

应用所述的流体活塞的热力压喷艇用推进系统，包括工质气体发生器和热力压喷装置，工质气体发生器中所用的原始形态的工质为碳酸氢铵水溶液，工质气体发生器与一热源连接，所述流体活塞设于热力压喷装置中，热力压喷装置还包括喷嘴和冷凝器，流体活塞与工质气体发生器通过工质循环管道连接，冷凝器与气腔、工质气体发生器均通过工质循环管道连接且冷凝器与气腔间设有排气控制阀，喷嘴与所述喷水口连接。本热力压喷艇用推进系统用于核潜艇。工质气体发生器的功能是利用艇上压水堆的能量输出加热循环流体工质碳酸氢铵水溶液，使其在高压力下分解成二氧化碳、氨气和水。流体活塞产生的高速水流从喷嘴处喷出艇外，将高压海水的压力能转变为动能。流体活塞的排气是靠海水的自然压力压出的，其排气压力基本就是海水的压力，例如海面下100米，压力约为1.0Mpa。如果用水蒸汽作工质，这个压力对应的冷凝温度是180摄氏度，这样效率极低。经过对比，选用碳酸氢铵的水溶液作为工质比较好。使用碳酸氢铵水溶液作为循环工质，可以使工质在吸热膨胀过程以及放热压缩过程中饱和温度/饱和压力的对应关系与环境更好地匹配，并可以通过调整水溶液的浓度，使这个对应关系具有灵活性。例如，在水面下100米处，海水压力大约1.0MPa，温度在20度左右，这要求工质放热压缩时，压力比1.0MPa略低一点，温度大约70度左右。一般别的物质很难做到这一点。冷凝器的功能是将气态循环工质在低压下转变为液体。

该系统的工作流程是：液态工质碳酸氢铵水溶液进入工质气体发生器吸收热量，在高压下分解成气体并膨胀，生成的气态工质经进入流体活塞的气腔，通过柔性隔膜压迫柔性隔膜另一侧的海水，使海水经喷嘴高速喷出。当流体活塞内海水排空后，停止气体输入，打开排气控制阀，气态工质流入冷凝器冷却，在低压下液化，同时流体活塞内压力降低，海水经进水口进入，并排出气体。当海水充满流体活塞后，再次关闭排气控制阀，重新输入高压气体，开始下一轮循环。气态工质经冷凝器冷却，并溶解于水中形成碳酸氢铵水溶液，再重新进入工质气体发生器，从而完成工质循环。

作为优选，流体活塞与工质气体发生器间的工质循环管道上设有气液分离器和进气控制阀，冷凝器与工质气体发生器间的工质循环管道上设有液体预热器，气液分离器与液体预热器通过管道连接。碳酸氢铵的水溶液吸热分解是不完全的，会留下浓度较低的液体。如果这些液体也进入流体活塞参与膨胀作功过程，会导致一些部件的磨损和系统效率降低，因此就需要在工质气体发生器出口加装气液分离器，用来分离工质气体发生器出口的工质，引导气态工质进入流体活塞。同时，为避免由此带来的系统效率降低，还需要再加装一个液体预热器作为换热装置以回收气液分离器分离出的高温液态工质的热量，使这部分流经液体预热器释放热量后，返回冷凝器。进气控制阀用于控制流体活塞的进气流量，避免流体活塞负载波动过大，确保流体活塞平稳工作。

作为优选，冷凝器与液体预热器间的工质循环管道上设有液体流量控制阀，冷凝器与工质气体发生器间的工质循环管道上还设有工质升压泵。工质升压泵为低压液态工质升压，为液态工质回流工质气体发生器提供动力。液体流量控制阀可控制液态工质流量，避免工质气体发生器负载波动过大，确保工质气体发生器平稳输出气态工质。

作为优选，热力压喷装置包括至少两个流体活塞串联组，各流体活塞串联组间并联，每个流体活塞串联组包括至少两个流体活塞，且组内的各流体活塞串联。单个流体活塞类似于活塞式发动机，是间歇式运行的，这会导致对反应堆冷却系统的扰动，也会导致推进动力的不平稳。这可以两个或多个流体活塞并联运行加以缓解。并联使用流体活塞能够提高推进力的连续性和平稳性，减小对热源系统蒸汽压力的扰动。同时，如果只有一级流体活塞，其排出的将是高温高压气体，导致整个系统热效率很低，因此用两级或更多流体活塞串联运行，这样可以提高一些热效率。

作为优选，所述进水口上设有进水逆止阀，所述喷水口上设有排水逆止阀。进水逆止阀可控制流体活塞的充水，排水逆止阀可控制流体活塞的排水，进水逆止阀和排水逆止阀都具有单向导通功能，可提高气体活塞工作的可靠性及经济性。

作为优选，冷凝器输出口和回收口之间连有一吸收剂循环管道，吸收剂循环管道上设有一工质循环泵。工质循环泵驱动低温液态工质、水等吸收剂循环流过冷凝器以充分吸收二氧化碳气体和氨气。

作为优选，所述热源为蒸汽发生器，工质气体发生器与蒸汽发生器通过输热管道连接。核潜艇能量来自于其反应堆蒸汽发生器出口的饱和蒸汽，本发明以核潜艇上必有的水蒸汽透平的排气作为热源，以海水作为热阱，以热力压喷装置完成热能到动力的转换过程。热力热力压喷装置与艇上汽轮发电机系统共同使用这些蒸汽的能量，可直接、充分地利用艇内宝贵能源。

作为优选，蒸汽发生器与一汽轮发电机系统连接，所述热力压喷装置与汽轮发电机系统串联。由于艇上总是需要电力的，这包括堆芯冷却系统和其它辅助系统及物装系统，人员生存系统等等，就必然需要一个发电系统，而其能量来源只能是反应堆SG的出口蒸汽。因此必然要一个汽轮发电机系统，此处汽轮发电机系统与热力压喷装置串联，并且汽轮发电机系统在前，热力压喷装置在后，这样汽轮发电机系统排汽压力可以较高，因而其排汽比容很大，所需排汽口截面积很小，也即汽轮发电机系统中汽轮发电机的直径可以很小，所产生的噪声就很小。

作为另选，蒸汽发生器与一汽轮发电机系统连接，所述热力压喷装置与汽轮发电机系统并联。热力压喷装置也可以与汽轮发电机系统并联运行，即热力压喷装置和汽轮发电机系统同时引用蒸发器出口的蒸汽，使用后分别冷凝，再分别泵回至蒸发器。并联方式的优势是对汽轮机排气压力没有扰动。

本发明的有益效果是：

有效降低核潜艇噪声。本发明不再依靠主汽轮机提供推进动力，主汽轮机负荷及通流截面大幅度减小，其所产生噪声也相应减小，取消了螺旋桨，避免了由此产生的水力噪声，不再需要减速齿轮系统，避免了由其产生的噪声，通过合理配置热力工质膨胀作功过程的焓降利用顺序，以高温段焓降作为其它艇用动力的来源，低温段焓降作为压喷推进动力来源，可使主汽轮机的通流截面降低到很小，级数降低到1或2，使主汽轮机产生的噪声几乎可以忽略。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图；

图2为本发明中热力压喷装置与汽轮发电机系统并联配置的结构示意图；

图3为本发明中热力压喷装置与汽轮发电机系统串联配置的结构示意图。

图中，1-工质气体发生器，2-气液分离器，3-进气控制阀，4-流体活塞，5-进水逆止阀，6-排水逆止阀，7-排气控制阀，8-喷嘴，9-冷凝器，10-工质循环泵，11-工质升压泵，12-液体流量控制阀，13-液体预热器，21-蒸汽发生器，22-汽轮机进汽阀，23-汽轮机旁路阀，24-高压汽轮发电机组，25-蒸发器给水泵，26-热力压喷装置， 27-汽轮发电机系统。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种流体活塞4，包括活塞壳体，活塞壳体内设有柔性隔膜分隔而成的气腔和水腔，柔性隔膜的周缘固定在球形活塞壳体的腔壁上，气腔的腔壁上设有气压入口和排气口，水腔的腔壁上设有喷水口和进水口。

如图1所示，应用所述流体活塞4的热力压喷艇用推进系统，用于核潜艇上，该系统包括工质气体发生器1和热力压喷装置26，工质气体发生器1中所用的原始形态的工质为碳酸氢铵水溶液，工质气体发生器1与一热源连接，热源为艇内的蒸汽发生器。热力压喷装置26包括一个流体活塞4，还包括喷嘴8和冷凝器9，流体活塞4与工质气体发生器1通过工质循环管道连接，冷凝器9与气腔、工质气体发生器1均通过工质循环管道连接且冷凝器9与气腔间设有排气控制阀7，流体活塞4的排气口通过工质循环管道与排气控制阀7连接，排气控制阀7的出口通过工质循环管道与冷凝器9的气侧入口连接。所述进水口上设有进水逆止阀5，所述喷水口上设有排水逆止阀6。流体活塞4的喷水口通过管道、排水逆止阀6以及喷嘴8与环境海水相通，流体活塞4的进水口通过进水逆止阀5与环境海水相通。流体活塞4与工质气体发生器1间的工质循环管道上设有气液分离器2和进气控制阀3，冷凝器9与工质气体发生器1间的工质循环管道上设有液体预热器13。冷凝器9的海水侧向环境海水放出低温热量。冷凝器9输出口和回收口之间连有一吸收剂循环管道，吸收剂循环管道上设有一工质循环泵10。冷凝器9的气侧碳酸氢铵凝水喷淋入口通过吸收剂循环管道与工质循环泵10的出口连接，同时又通过工质循环管道与液体预热器13的低压侧出口连接。冷凝器9与液体预热器13间的工质循环管道上设有液体流量控制阀12，冷凝器9与工质气体发生器1间的工质循环管道上还设有工质升压泵11。冷凝器9的气侧碳酸氢铵水溶液出口通过吸收剂循环管道与工质循环泵10入口连接，同时又通过工质循环管道与工质升压泵11入口连接，工质升压泵11的出口通过工质循环管道与液体流量控制阀12的入口连接。液体流量控制阀12的出口通过工质循环管道与液体预热器13的高压侧入口连接，工质气体发生器1的碳酸氢铵侧入口通过工质循环管道与液体预热器13的高压侧出口相连，气液分离器2的液体出口通过工质循环管道与液体预热器13的低压侧入口相连，气液分离器2的气体侧出口通过工质循环管道与进气控制阀3连接，进气控制阀3出口通过工质循环管道与流体活塞4的气压入口连接。

该系统的工作流程是：液态工质碳酸氢铵水溶液进入工质气体发生器1吸收热量，在高压下分解成气体并膨胀，并经气液分离器2分离后，生成的气态工质经进气控制阀3进入流体活塞4的气腔，通过柔性隔膜压迫柔性隔膜另一侧的海水，使海水经喷嘴8高速喷出。而气液分离器2出口的液态工质则经液体预热器13冷却后返回冷凝器。当流体活塞内海水排空后，关闭进气控制阀3，停止气体输入，打开排气控制阀7，气态工质流入冷凝器9冷却，在低压下液化，同时流体活塞4内压力降低，海水经进水口、进水逆止阀5进入，并排出气体。当海水充满流体活塞4后，再次关闭排气控制阀7，打开进气控制阀3，重新输入气体，开始下一轮循环。气态工质经冷凝器9冷却，并溶解于水中形成碳酸氢铵水溶液，再经工质升压泵11升压重新进入工质气体发生器1，从而完成工质循环。

实施例2：

如图2所示，热力压喷装置26包括两个流体活塞串联组，各流体活塞串联组间并联，每个流体活塞串联组包括两个流体活塞4，且组内的各流体活塞串联。所述热源为蒸汽发生器21，工质气体发生器1与蒸汽发生器21通过输热管道连接，工质气体发生器1的蒸汽侧吸收蒸汽发生器21的热。蒸汽发生器21与一汽轮发电机系统27连接，所述热力压喷装置26与汽轮发电机系统27串联。汽轮发电机系统27包括高压汽轮发电机组24，高压汽轮发电机组24蒸汽输入端、蒸汽输出端分别与蒸汽发生器21、工质气体发生器1相连，高压汽轮发电机组24蒸汽输入端和蒸汽输出端间还跨接一高压汽轮发电机组旁路，高压汽轮发电机组24蒸汽输入端设有汽轮机进气阀22，高压汽轮发电机组旁路上设有汽轮机旁路阀23。其余同实施例1。

本实施例中，热力压喷装置使用了四个流体活塞，每两个为一组，串联工作，两组并联运行。两个流体活塞4串联工作，相比于一个单独工作，能够更充分地利用气态工质的压力能。而两组并联运行，能够有效减少由于流体活塞4进气和排气两个过程交替所导致的热力压喷装置对工质气体发生器1热源需求的交替扰动，以及推进动力的不平稳。

高压汽轮发电机组24使用反应堆蒸汽发生器出口的高温蒸汽。这些蒸汽在汽轮机内初步膨胀作功后，以较高的温度压力排出，进入热力压喷装置的工质气体发生器水蒸汽侧，在较高压力下凝结，通过传热管将凝结热传输给工质气体发生器1碳酸氢铵侧的碳酸氢铵，并使碳酸氢铵分解出气体膨胀，而凝结水经蒸发器给水泵25升压后返回反应堆蒸发器。一方面，由于汽轮发电机系统27只需要为潜艇辅助系统提供动力，而不再提供潜艇推进动力，因而其负荷可以很小。另一方面，汽轮机排气压力较高，使得其通流截面可以很小，叶片级数也很少。这两个优势，使得汽轮机的震动噪声可以得到大幅度降低。汽轮发电机使用反应堆热量的高温段，热力压喷装置使用这些热量的低温段。其优点是有效降低汽轮机的噪声，潜艇动力总成的热效率也比较高。缺点是汽轮机排气压力会受到热力压喷装置的扰动，不平稳，对汽轮机功率控制系统性能要求高。为减小这个扰动，可以适当增大工质气体发生器1的容量，以较大的热惯性，降低扰动幅度。

实施例3：

如图3所示，所述热力压喷装置26与汽轮发电机系统27并联。汽轮发电机系统27与热力压喷装置共同使用反应堆蒸发器出口蒸汽。蒸汽在汽轮机内绝热膨胀作功后，经汽轮发电机系统27的冷凝器冷凝，再泵回蒸发器。而流入热力压喷装置26的蒸汽，进入工质气体发生器1，加热碳酸氢铵溶液，自身被冷凝，之后被泵回蒸发器。与热力压喷装置26、汽轮发电机系统27的串联架构类似，并联架构也是用4个流体活塞，每两个串联为一组，两组并联运行。其余同实施例1。

相比于热力压喷装置26、汽轮发电机系统27的串联架构，并联架构的优势是没有对汽轮机排气压力的扰动，但对汽轮机进气压力有些扰动。同时，虽然汽轮机负荷很小，但其需要真空排气，不能象串联架构那样使用级数很少的汽轮机，通流截面也比串联架构的大很多。

实施例4：

每个热力压喷装置四个流体活塞串联组，各流体活塞串联组间并联，每个流体活塞串联组包括四个流体活塞4。其余同实施1。

Claims (10)

1.一种流体活塞，其特征是包括活塞壳体，活塞壳体内设有柔性隔膜分隔而成的气腔和水腔，柔性隔膜的周缘固定在球形活塞壳体的腔壁上，气腔的腔壁上设有气压入口和排气口，水腔的腔壁上设有喷水口和进水口。

2.应用权利要求1所述的流体活塞的热力压喷艇用推进系统，其特征是包括工质气体发生器（1）和热力压喷装置，工质气体发生器（1）中所用的原始形态的工质为碳酸氢铵水溶液，工质气体发生器（1）与一热源连接，所述流体活塞（4）设于热力压喷装置中，热力压喷装置还包括喷嘴（8）和冷凝器（9），流体活塞（4）与工质气体发生器（1）通过工质循环管道连接，冷凝器（9）与气腔、工质气体发生器（1）均通过工质循环管道连接且冷凝器（9）与气腔间设有排气控制阀（7），喷嘴（8）与所述喷水口连接。

3.根据权利要求2所述的热力压喷艇用推进系统，其特征是流体活塞（4）与工质气体发生器（1）间的工质循环管道上设有气液分离器（2）和进气控制阀（3），冷凝器（9）与工质气体发生器（1）间的工质循环管道上设有液体预热器（13），气液分离器（2）与液体预热器（13）通过管道连接。

4.根据权利要求3所述的热力压喷艇用推进系统，其特征是冷凝器（9）与液体预热器（13）间的工质循环管道上设有液体流量控制阀（12），冷凝器（9）与工质气体发生器（1）间的工质循环管道上还设有工质升压泵（11）。

5.根据权利要求2所述的热力压喷艇用推进系统，其特征是热力压喷装置包括至少两个流体活塞串联组，各流体活塞串联组间并联，每个流体活塞串联组包括至少两个流体活塞，且组内的各流体活塞串联。

6.根据权利要求2所述的热力压喷艇用推进系统，其特征是所述进水口上设有进水逆止阀（5），所述喷水口上设有排水逆止阀（6）。

7.根据权利要求2所述的热力压喷艇用推进系统，其特征是冷凝器（9）输出口和回收口之间连有一吸收剂循环管道，吸收剂循环管道上设有一工质循环泵（10）。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的热力压喷艇用推进系统，其特征是所述热源为蒸汽发生器（21），工质气体发生器（1）与蒸汽发生器（21）通过输热管道连接。

9.根据权利要求8所述的热力压喷艇用推进系统，其特征是蒸汽发生器（21）与一汽轮发电机系统连接，所述热力压喷装置与汽轮发电机系统串联。

10.根据权利要求8所述的热力压喷艇用推进系统，其特征是蒸汽发生器（21）与一汽轮发电机系统连接，所述热力压喷装置与汽轮发电机系统并联。