CN108825378A - 一种基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统 - Google Patents

Abstract

一种基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统，包括燃烧室、气固分离器、涡轮、换热器、冷凝器、气液分离器、2#压缩机、燃料电池、粉末供给装置、等离子体点火/助燃器、1#压缩机、泵。本发明以铝粉为燃料，一次过热水蒸气为氧化剂，利用等离子体点火/助燃装置启动并增强铝/水的燃烧反应。一方面，该系统利用铝/水反应释放出的巨大热量加热水成为蒸汽并驱动涡轮做功产生推力，另一方面，利用燃料电池将铝/水反应生成的氢气转化为驱动等离子体点火/助燃器的电能，实现了能量的高效利用，并合理解决了氢气在水下环境的处置问题。

Description

一种基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统

技术领域

本发明涉及一种用于水面舰船及水下航行器的推进系统，具体涉及一种适用于水下环境的热电混合动力系统。

背景技术

水下无人航行器(UUV)，是一种具有长时间续航能力，并且可回收的智能武器装备。其具有作战用途广、智能程度高、机动能力强、隐身性能好、使用方式灵活、外形和布放形式多样、可反复使用等诸多优点。

目前，UUV动力系统主要采用电池驱动方式，主要采用锌/银电池、锂离子电池等，但现有电池能量密度低，无法满足UUV长续航、远航程的要求。

而燃料电池的造价普遍较高、反应/启动性能差，难以适用于水下环境。表1为不同水下推进燃料的理论能量分布，从中可以发现锂-水(Li-H2O)反应具有最高比能(单位质量)，但是锂密度较低，所以它能量密度(单位体积)并不出众。铝-水(Al-H2O)反应的单位质量能量密度不是最高，但其体积能量密度最高，达到11374Wh/L，为锂-水反应的2.5倍。对于水下航行器，推进系统的单位体积能量密度越高，航行器整体体积就越小，所受阻力就越小。所以，铝/水反应推进系统，有望成为满足UUV长续航、远航程的理想推进系统。

表1：不同水下推进燃料理论能量值

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统。其具有体积能量密度高、工作稳定高效的特点，并且利用燃料电池将铝/水反应生成的氢气转化为电能，驱动等离子点火/助燃器工作，促进铝/水燃烧反应高效、持续地进行。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统，包括燃烧室、气固分离器、1#压缩机、涡轮、换热器、冷凝器、气液分离器、2#压缩机。

所述燃烧室上设置有铝粉进口，铝粉进口连接供应铝粉的粉末供给装置；铝粉由铝粉进口进入燃烧室内；所述燃烧室上设置有一次过热水蒸气进口；所述燃烧室的一端即燃烧室的头部设有等离子点火/助燃器，等离子点火/助燃器能够使燃烧室内的铝粉与一次过热水蒸气产生铝/水反应而产生固体氧化铝、氢气并释放出大量的热量。

所述燃烧室的另一端即燃烧室的尾端连接气固分离器。靠近燃烧室的尾端的燃烧室上设置有二次进水口，二次水从二次进水口进入燃烧室内部，利用铝/水反应释放出来的热量将二次水气化产生大量的水蒸气。本发明中，二次进水口设置有多个。

从燃烧室的尾端排出的携带有热量的固体氧化铝、氢气以及水蒸气进入气固分离器。气固分离器具有固体出口和两个气体出口，固体出口用于对经气固分离器气固分离后的氧化铝排出。两个气体出口用于对经气固分离器气固分离后的气体(是混合气体，主要包括水蒸气以及氢气)分流排出，两个气体出口分别为主流出口和副流出口，主流出口的排量比副流出口的排量大，即经气固分离器气固分离后的混合气体大部分经主流出口排出，另一小部分的混合气体经副流出口排出。副流出口连接1#压缩机，从副流出口排出的气体经1#压缩机增压后经一次过热水蒸气进口进入燃烧室。从副流出口排出的气体是混合气体，主要包括水蒸气以及氢气，其中的水蒸气进入燃烧室即为一次过热水蒸气。

主流出口连接至涡轮，从主流出口排出的混合气体排出至涡轮，用于驱动涡轮，通过涡轮的运动进而带动与涡轮连接的动力装置，如为航行器提供动力的螺旋桨。

换热器内设有冷流管路和热流管路，冷流管路的入口连接水泵，水泵用于将海水抽入换热器内的冷流管路。混合气体在涡轮做功之后进入换热器的热流管路，用于给冷流管路中的海水进行加热。

换热器中热流管路的出口连接冷凝器，从换热器中热流管路的出口输出的含有氢气、水蒸气与冷却水的混合流经冷凝器将混合流中含有的水蒸气冷却成液态水。

冷凝器的出口连接气液分离器，从冷凝器排出的液态水和氢气在气液分离器中分离，其中气液分离器分离出的液态水进入水泵，同海水一起通过水泵抽入至换热器内的冷流管路进行加热，加热后的从换热器内冷流管路的出口输出的水作为二次水由二次水进口进入燃烧室，从而完成整个循环。

由气液分离器分离出的氢气有多种处理方式：

(1)由气液分离器分离出的氢气经过压缩机增压后，进入粉末供给装置，用作铝粉燃料的流化气。

(2)由气液分离器分离出的氢气经过压缩机增压后，作为燃料电池的燃料通过化学反应为等离子体点火/助燃器提供电能。

(3)由气液分离器分离出的氢气经过压缩机增压后直接排出。

可以选用其中的一种方式处理氢气，也可以选择其中的任意两种方式组合处理氢气，也可以选择上述三种结合的方式处理氢气。

本发明中：所述等离子点火/助燃器包括等离子体点火正极和等离子体点火负极。等离子点火/助燃器连接有燃料电池，由燃料电池为其提供工作电源。

本发明中：所述燃烧室包括燃烧室壳体，在燃烧室壳体上设置有联通燃烧室内部的二次水进口、铝粉进口以及一次过热水蒸气进口。所述燃烧室的横截面为圆形，燃烧室壳体上径向设置有多个铝粉进口(即铝粉进口相对于其所在的燃烧室壳体的圆形横截面是径向设置的)，所有铝粉进口均设置在靠近燃烧室头部的一端。所有铝粉进口可以分布设置在燃烧室壳体的不同的圆周上，也可以均匀等间距设置在燃烧室壳体的燃烧室壳体的同一圆周上，铝粉颗粒从各铝粉进口沿径向进入燃烧室内部。本发明中：燃烧室壳体上切向设置有多个一次过热水蒸气进口(即一次过热水蒸气进口相对于其所在的燃烧室壳体的圆形横截面是切向设置的)，所有一次过热水蒸气进口均设置在靠近燃烧室头部的一端。所有一次过热水蒸气进口可以分布设置在燃烧室壳体的不同的圆周上，也可以均匀等间距设置在燃烧室壳体的同一圆周上，一次过热水蒸气从各一次过热水蒸气进口沿切向进入燃烧室内部。

进一步地，靠近燃烧室的尾端的燃烧室外壳上切向设置有多个二次进水口(即二次进水口相对于其所在的燃烧室壳体的圆形横截面是切向设置的)。所有二次进水口可以分布设置在燃烧室壳体的不同的圆周上，也可以均匀等间距设置在燃烧室壳体的同一圆周上，二次水从各二次进水口沿切向进入燃烧室内部。

本发明的工作原理是：

以铝粉为燃料，一次过热水蒸气为氧化剂，利用等离子体点火/助燃装置启动并增强铝/水的燃烧反应。一方面，该系统利用铝/水反应释放出的巨大热量加热水成为蒸汽并驱动涡轮做功产生推力，另一方面，利用燃料电池将铝/水反应生成的氢气转化为驱动等离子体点火/助燃器的电能，实现了能量的高效利用，并合理解决了氢气在水下环境的处置问题。

相对于现有技术，本发明产生了以下有益技术效果：

1、本发明极大提高了UUV推进系统的能量密度。

本发明以铝/水燃烧作为推进系统的能量来源，极大提高了水下航行器的单位体积能量密度，从而能显著增强其续航能力；

2、本发明有效解决了水下环境中氢气的处置问题。

目前，水下航行器系统中对气体生成物一般采用直接排出或者加压存储的方法，但是两种方法都需要消耗一定能量从而使推进系统的能量密度降低。本发明将反应生成的氢气作为燃料电池的燃料，为等离子体点火/助燃器提供能量，使得推进系统的能量密度维持在较高水平。

3、本发明实现水下环境中铝/水反应的高效、持续进行。

由于氧化铝膜的存在，铝/水反应一般难以稳定进行，本发明利用等离子体点火/助燃器，通过等离子体的高温效应、涡量效应与射流效应加速氧化铝膜的破裂，降低铝的点火延迟，提高燃烧效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是燃烧室的结构示意图；

图3是一实施例中采用的气固分离器的结构示意图；

图4是一实施例中采用的气固分离器中的旋风分离器的推荐尺寸示意图；

图5是一实施例中采用的气固分离器中的歧管结构示意图。

图中标号：

1、燃烧室；2、气固分离器；3、涡轮；4、换热器；5、冷凝器；6、气液分离器；7、压缩机；8、燃料电池；9、粉末供给装置；10、等离子体点火/助燃器；11、1#压缩机；12、泵；13、燃烧室壳体；14、二次水进口；15、铝粉进口；16、等离子体点火正极；17、等离子体点火负极；18、一次过热水蒸气进口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，做进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

参照图1，本实施例提供一种基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统，包括燃烧室1、气固分离器2、涡轮3、换热器4、冷凝器5、气液分离器6、2#压缩机7、燃料电池8、粉末供给装置9、等离子体点火/助燃器10、1#压缩机11、泵12。

参照图2，燃烧室1的一端即燃烧室1的头部设有等离子点火/助燃器10，等离子点火/助燃器10包括等离子体点火正极16和等离子体点火负极17。等离子点火/助燃器10连接有燃料电池8，由燃料电池8为其提供工作电源。所述燃烧室1包括燃烧室壳体13，在燃烧室壳体13上设置有二次水进口14、铝粉进口15以及一次过热水蒸气进口18。

参照图1和图2，所述燃烧室1的燃烧室壳体13上设置有铝粉进口15，铝粉进口15连接供应铝粉的粉末供给装置9；铝粉由铝粉进口15进入燃烧室1的内部。所述燃烧室1上设置有一次过热水蒸气进口18。所述燃烧室1的横截面为圆形，燃烧室壳体13上径向设置有多个铝粉进口15(即铝粉进口15相对于其所在的燃烧室壳体13的圆形横截面是径向设置的)，所有铝粉进口15均设置在靠近燃烧室头部的一端。所有铝粉进口均匀等间距设置在燃烧室壳体的同一圆周上，铝粉颗粒从各铝粉进15口沿径向进入燃烧室内部。燃烧室壳体13上切向设置有多个一次过热水蒸气进口18(即一次过热水蒸气进口18相对于其所在的燃烧室壳体的圆形横截面是切向设置的)，所有一次过热水蒸气进口18均设置在靠近燃烧室头部的一端。所有一次过热水蒸气进口18均匀等间距设置在燃烧室壳体的同一圆周上，一次过热水蒸气从各一次过热水蒸气进口18沿切向进入燃烧室1的内部。

所述燃烧室1的一端即燃烧室1的头部设有等离子点火/助燃器10，等离子点火/助燃器10包括等离子体点火正极16和等离子体点火负极17，通过等离子体点火正极16和等离子体点火负极17之间的放电，能够使燃烧室内的铝粉与一次过热水蒸气产生铝/水反应而产生固体氧化铝、氢气并释放出大量的热量。

所述燃烧室1的另一端即燃烧室1的尾端连接气固分离器2。靠近燃烧室1的尾端的燃烧室壳体13上设置有二次进水口14，二次水从二次进水口14进入燃烧室1的内部，利用铝/水反应释放出来的热量将二次水气化产生大量的水蒸气。参照图2，靠近燃烧室2的尾端的燃烧室外壳13上切向设置有多个二次进水口14(即二次进水口14相对于其所在的燃烧室壳体的圆形横截面是切向设置的)。所有二次进水口14均匀等间距设置在燃烧室壳体的同一圆周上，二次水从各二次进水口14沿切向进入燃烧室1的内部。

从燃烧室1的尾端排出的携带有热量的固体氧化铝、氢气以及水蒸气进入气固分离器2。气固分离器2可以采用常规工业用气固分离器。如在本发明的一实施例中，采用T.F.Miller在2002年提出一种气固分离器方案，如图3、图4、图5所示，此类型气固分离器由一个旋风分离器和一个歧管组成，其中旋风分离器为常规工业用旋风分离器，图4给出了一个旋风分离器推荐尺寸示意图。为了提高旋风分离器内的压力，T.F.Miller在其底部出口处增加了一个进水歧管，如图5所示，经旋风分离器分离出的固体氧化铝颗粒在重力的作用下进入歧管，水流从进水口进入集水腔，再经导流孔与固体氧化铝颗粒混合形成泥浆，最后，泥浆通过限流孔减压后排出。

参照图1，气固分离器2具有固体出口和两个气体出口，固体出口用于对经气固分离器2气固分离后的氧化铝排出。两个气体出口用于对经气固分离器2气固分离后的气体(是混合气体，主要包括水蒸气以及氢气)分流排出，两个气体出口分别为主流出口和副流出口，主流出口的排量比副流出口的排量大，即经气固分离器2气固分离后的混合气体大部分经主流出口排出，另一小部分的混合气体经副流出口排出。副流出口连接1#压缩机11，从副流出口排出的气体经1#压缩机11增压后经一次过热水蒸气进口18进入燃烧室1的内部。从副流出口排出的气体是混合气体，主要包括水蒸气以及氢气，其中的水蒸气进入燃烧室即为一次过热水蒸气。

主流出口连接至涡轮3，从主流出口排出的混合气体排出至涡轮3，用于驱动涡轮3，通过涡轮的3运动进而带动与涡轮3连接的动力装置，如为航行器提供动力的螺旋桨。

换热器4内设有冷流管路和热流管路，冷流管路的入口连接水泵12，水泵12用于将海水抽入换热器4内的冷流管路。混合气体在涡轮3做功之后进入换热器4的热流管路，用于给换热器4内的冷流管路中的海水进行加热。

换热器4中热流管路的出口连接冷凝器5，从换热器4中热流管路的出口输出的含有氢气、水蒸气与冷却水的混合流经冷凝器5将混合流中含有的水蒸气冷却成液态水。

冷凝器5的出口连接气液分离器6，从冷凝器5排出的液态水和氢气在气液分离器6中分离，其中气液分离器6分离出的液态水进入水泵12，同海水一起通过水泵12抽入至换热器4内的冷流管路进行加热，加热后的从换热器4内冷流管路的出口输出的水作为二次水由二次水进口进入燃烧室1的内部，从而完成整个循环。

由气液分离器6分离出的氢气有多种处理方式：

(1)由气液分离器6分离出的氢气经过2#压缩机7增压后，进入粉末供给装置9，用作铝粉燃料的流化气。

(2)由气液分离器6分离出的氢气经过2#压缩机7增压后，作为燃料电池8的燃料通过化学反应为等离子体点火/助燃器10提供电能。

(3)由气液分离器6分离出的氢气经过2#压缩机7增压后直接排出。

可以选用其中的一种方式处理氢气，也可以选择其中的任意两种方式组合处理氢气，也可以选择上述三种结合的方式处理氢气。

本实施例中：由气液分离器6分离出的氢气经过2#压缩机7增压后，一部分进入燃料供给系统9，用作铝粉燃料的流化气，另一部分作为燃料电池8的燃料通过化学反应为等离子体点火/助燃器10提供电能。如有过量的氢气则可以通过2#压缩机7直接排出。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统，其特征在于：包括燃烧室、气固分离器、1#压缩机、涡轮、换热器、冷凝器、气液分离器、2#压缩机；

所述燃烧室上设置有铝粉进口，铝粉进口连接供应铝粉的粉末供给装置；铝粉由铝粉进口进入燃烧室内；所述燃烧室上设置有一次过热水蒸气进口；所述燃烧室的一端即燃烧室的头部设有等离子点火/助燃器，等离子点火/助燃器能够使燃烧室内的铝粉与一次过热水蒸气产生铝/水反应而产生固体氧化铝、氢气并释放出大量的热量；

所述燃烧室的另一端即燃烧室的尾端连接气固分离器；靠近燃烧室的尾端的燃烧室上设置有二次进水口，二次水从二次进水口进入燃烧室内部，利用铝/水反应释放出来的热量将二次水气化产生大量的水蒸气；

从燃烧室的尾端排出的携带有热量的固体氧化铝、氢气以及水蒸气进入气固分离器；气固分离器具有固体出口和两个气体出口，固体出口用于对经气固分离器气固分离后的氧化铝排出；两个气体出口用于对经气固分离器气固分离后的气体分流排出，两个气体出口分别为主流出口和副流出口，副流出口连接1#压缩机，从副流出口排出的气体经1#压缩机增压后经一次过热水蒸气进口进入燃烧室；

主流出口连接至涡轮，从主流出口排出的混合气体排出至涡轮，用于驱动涡轮，通过涡轮的运动进而带动与涡轮连接的动力装置；

换热器内设有冷流管路和热流管路，冷流管路的入口连接水泵，水泵用于将海水抽入换热器内的冷流管路；混合气体在涡轮做功之后进入换热器的热流管路，用于给冷流管路中的海水进行加热；换热器中热流管路的出口连接冷凝器，从换热器中热流管路的出口输出的含有氢气、水蒸气与冷却水的混合流经冷凝器将混合流中含有的水蒸气冷却成液态水；

冷凝器的出口连接气液分离器，从冷凝器排出的液态水和氢气在气液分离器中分离，其中气液分离器分离出的液态水进入水泵，同海水一起通过水泵抽入至换热器内的冷流管路进行加热，加热后的从换热器内冷流管路的出口输出的水作为二次水由二次水进口进入燃烧室，从而完成整个循环。

2.根据权利要求1所述的基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统，其特征在于：气固分离器的主流出口的排量比副流出口的排量大，即经气固分离器气固分离后的混合气体大部分经主流出口排出，另一小部分的混合气体经副流出口排出。

3.根据权利要求1所述的基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统，其特征在于：从气液分离器分离出的氢气有以下几种处理方式：

(1)由气液分离器分离出的氢气经过压缩机增压后，进入粉末供给装置，用作铝粉燃料的流化气。

(2)由气液分离器分离出的氢气经过压缩机增压后，作为燃料电池的燃料通过化学反应为等离子体点火/助燃器提供电能。

(3)由气液分离器分离出的氢气经过压缩机增压后直接排出。

4.根据权利要求3所述的基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统，其特征在于：选用(1)、(2)、(3)中的任一种，或者任两种结合，或者三种结合的方式处理氢气。

5.根据权利要求1所述的基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统，其特征在于：所述等离子点火/助燃器包括等离子体点火正极和等离子体点火负极；等离子点火/助燃器连接有燃料电池，由燃料电池为其提供工作电源。

6.根据权利要求1所述的基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统，其特征在于：所述燃烧室包括燃烧室壳体，在燃烧室壳体上设置有联通燃烧室内部的二次水进口、铝粉进口以及一次过热水蒸气进口。

7.根据权利要求6所述的基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统，其特征在于：所述燃烧室的横截面为圆形，燃烧室壳体上径向设置有多个铝粉进口，铝粉颗粒从各铝粉进口沿径向进入燃烧室内部；所有铝粉进口均设置在靠近燃烧室头部的一端。

8.根据权利要求7所述的基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统，其特征在于：燃烧室壳体上切向设置有多个一次过热水蒸气进口，一次过热水蒸气从各一次过热水蒸气进口沿切向进入燃烧室内部；所有一次过热水蒸气进口均设置在靠近燃烧室头部的一端。

9.根据权利要求7或8所述的基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统，其特征在于：靠近燃烧室的尾端的燃烧室外壳上切向设置有多个二次进水口，二次水从各二次进水口沿切向进入燃烧室内部。

10.根据权利要求9所述的基于水蒸气等离子体的水下热电混合动力系统，其特征在于：所有铝粉进口均等间距设置在燃烧室壳体的不同或同一圆周上；所有一次过热水蒸气进口均等间距设置在燃烧室壳体的不同或同一圆周上；所有二次进水口均等间距设置在燃烧室壳体的不同或同一圆周上。