CN110758697A - 动力循环与推进系统及水下航行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动力循环与推进系统及水下航行器，动力循环与推进系统包括动力循环模块和与动力循环模块连接的推进模块；动力循环模块包括依次连接的冷却单元、压缩单元、热源发生单元和透平单元；冷却单元用于冷却进入压缩单元内的超临界二氧化碳；热源发生单元用于产生热量，以使进入热源发生单元内的超临界二氧化碳在预设时间内达到透平单元入口的温度，透平单元与推进模块连接，透平单元还与冷却单元连接，以使热源发生单元加热后的超临界二氧化碳经透平单元做功排至冷却单元。本发明提供的动力循环与推进系统，通过将循环介质设置为超临界二氧化碳，减小了循环功耗，提高了热效率。

Description

动力循环与推进系统及水下航行器

技术领域

本发明涉及能源动力与推进技术领域，尤其涉及一种动力循环与推进系统及水下航行器。

背景技术

水下航行器是一种航行于水下的航行体，包括载人水下航行器和无人水下航行器，它能够完成水下勘探、侦测甚至是军事上的进攻防守等任务。在海洋开发日益重要的现在，水下航行器越来越得到了各个国家的重视，无论是在民用还是在军用上，都扮演着重要的角色。出于军事和商业利益的考虑,世界各国都在努力探索和发展水下航行器，并且把无人水下航行器作为重要发展目标。

目前，一种以水蒸气为工质的闭式涡轮机动力系统已经在水下航行器上得到应用，其中，水下航行器中锅炉反应器内产生的过热蒸汽送入透平机内膨胀做功，使转子高速旋转，由减速器减速后带动水下航行器中的推进器工作，膨胀做功后的废气排入水下航行器的壳体冷凝器内，在冷凝器中，产生的废气经水下航行器外的海水冷却并凝结成水，然后由供水泵加压后再输入锅炉反应器内，重新加热工作，如此反复循环，便形成了全过程的闭式循环系统。因此，这种闭式涡轮机动力系统的水下航行器的反应物不需要排放，在航行时无航迹、无排气噪声、无污染，功率和航速不受背压影响，控制组件较少，整体性能优于传统的三组元系统，是比较理想的闭式循环系统。

但是，这种闭式涡轮系统在循环工作时，需要从外部引入两股海水，一股做功，一股冷却，系统复杂，且水工质在循环中存在多次相变，功耗大，热效率偏低。

发明内容

本发明提供一种动力循环与推进系统及水下航行器，通过将工作介质设置为超临界二氧化碳，减小了循环功耗，提高了热效率。

为了实现上述目的，本发明提供一种动力循环与推进系统，包括动力循环模块和与动力循环模块连接的推进模块；

动力循环模块包括依次连接的冷却单元、压缩单元、热源发生单元和透平单元；冷却单元用于冷却进入压缩单元内的超临界二氧化碳；热源发生单元用于产生热量，以使进入热源发生单元内的超临界二氧化碳在预设时间内达到透平单元入口的温度，透平单元与推进模块连接，透平单元还与冷却单元连接，以使热源发生单元加热后的超临界二氧化碳经透平单元做功排至冷却单元。

作为一种可选的方式，本发明提供的动力循环与推进系统，推进模块包括电力推进单元；

电力推进单元包括电动发电机、与电动发电机输出端连接的第一控制开关、电力负载装置和电力推进组件，第一控制开关可选择性的与电力负载组件连接，以使电动发电机为电力负载组件提供电能；和/或第一控制开关可选择性的与电力推进组件连接，以使电动发电机为电力推进组件提供电能而产生推力；

电动发电机的输入端与透平单元连接。

作为一种可选的方式，本发明提供的动力循环与推进系统，推进模块包括热力推进单元；

热力推进单元包括传动装置和执行装置，传动装置的输入端与透平单元连接，执行装置与传动装置的输出端连接，传动装置用于为执行装置传递动力。

作为一种可选的方式，本发明提供的动力循环与推进系统，推进模块还包括电动发电机和与电动发电机连接的电力负载组件；

电动发电机与传动装置连接，电动发电机用于为电力负载组件提供电能。

作为一种可选的方式，本发明提供的动力循环与推进系统，推进系统还包括控制单元和热力推进单元；

热力推进单元包括传动装置和执行装置，执行装置与传动装置的输出端连接，传动装置用于为执行装置传递动力。

控制单元的输入端与透平单元连接，控制单元的输出端可选择性的与电力推进单元连接或与热力推进单元连接。

作为一种可选的方式，本发明提供的动力循环与推进系统，动力循环模块还包括第二控制开关，第二控制开关连接在压缩单元和热源反应单元之间；

热源发生单元包括第一热源组件131和第二热源组件132，若第二控制开关与第一热源组件131连接，则控制单元与电力推进单元连接；若第二控制开关与第二热源组件132连接，则控制单元与热力推进单元连接。

作为一种可选的方式，本发明提供的动力循环与推进系统，传动装置包括齿轮组，执行装置包括螺旋桨，齿轮组的输出端与螺旋桨连接。

作为一种可选的方式，本发明提供的动力循环与推进系统，动力循环模块还包括回热单元，回热单元具有相互独立的第一回热通道和第二回热通道，压缩单元和热源反应单元与第一回热通道连接，透平单元和冷却单元与第二回热通道连接。

作为一种可选的方式，本发明提供的动力循环与推进系统，电力推进组件包括依次连接的电动机控制与驱动结构、电动机和螺旋桨；第一控制开关可选择性的与电动机控制与驱动结构连接，以使电动机为螺旋桨提供电能而使螺旋桨产生推力。

本发明还提供一种水下航行器，包括上述动力循环与推进系统。

本发明提供一种动力循环与推进系统及水下航行器，动力循环与推进系统包括动力循环模块和与动力循环模块连接的推进模块；动力循环模块包括依次连接的冷却单元、压缩单元、热源发生单元和透平单元；冷却单元用于冷却进入压缩单元内的超临界二氧化碳；热源发生单元用于产生热量，以使进入热源发生单元内的超临界二氧化碳在预设时间内达到透平单元入口的温度，透平单元与推进模块连接，透平单元还与冷却单元连接，以使热源发生单元加热后的超临界二氧化碳经透平单元做功排至冷却单元。通过将循环介质设置为超临界二氧化碳，减小了循环功耗，提高了热效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的动力循环与推进系统的第一种结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的动力循环与推进系统的第二种结构示意图；

图3为本发明实施例一提供的动力循环与推进系统的第三种结构示意图；

图4为本发明实施例一提供的动力循环与推进系统的第四种结构示意图；

图5为本发明实施例二提供的动力循环与推进系统的结构示意图；

图6为本发明实施例三提供的动力循环与推进系统的结构示意图。

附图标记说明：

10-动力循环模块；11-冷却单元；12-压缩单元；13-热源发生单元；131-第一热源组件；132-第二热源组件；14-透平单元；15-回热单元；151-第一回热通道；152-第二回热通道；16-第二控制开关；20-推进模块；21-电力推进单元；211-电动发电机；212-第一控制开关；213-电力负载组件；214-电力推进组件；2141-电动机控制与驱动结构；2142-电动机；2143-螺旋桨；2144-电动发电机启动电池；22-热力推进单元；221-传动装置；222-执行装置；23-控制单元。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

超临界二氧化碳是指温度和压力分别高于临界温度31.1℃和临界压力7.38MPa的超临界二氧化碳流体。

超临界二氧化碳循环系统是一种以超临界二氧化碳为循环工质，一般经压缩、加热、膨胀后，将热能有效地转换为机械能，再经过发电机将机械能转化为电能的过程，或者通过机械装置转化为机械能的过程，除了可以应用于核能、太阳能、工业余热等相关领域以外，也可以应用于水下航行器的动力循环系统中，具有效率高、功率密度大、体积小等优势，具有良好的应用前景和价值，是水循环介质良好的替代品。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的动力循环与推进系统的第一种结构示意图；图2为本发明实施例一提供的动力循环与推进系统的第二种结构示意图；图3为本发明实施例一提供的动力循环与推进系统的第三种结构示意图；图4为本发明实施例一提供的动力循环与推进系统的第四种结构示意图。如图1至图4所示，本发明实施例提供一种动力循环与推进系统，包括动力循环模块10和与动力循环模块10连接的推进模块20；

动力循环模块10包括依次连接的冷却单元11、压缩单元12、热源发生单元13和透平单元14；冷却单元11用于冷却进入压缩单元12内的超临界二氧化碳；热源发生单元13用于产生热量，以使进入热源发生单元13内的超临界二氧化碳在预设时间内达到透平单元14入口的温度，透平单元14与推进模块20连接，透平单元14还与冷却单元11连接，以使热源发生单元13加热后的超临界二氧化碳经透平单元14做功排至冷却单元11；

压缩单元12、透平单元14和推进模块20同轴连接。

具体的，冷却单元11可以是冷却器，例如间壁式冷却器、喷淋式冷却器、夹套式冷却器和蛇管式冷却器、板式冷却器、列管式冷却器等，或者是与水下航行器外壳制成一体的冷凝器等。

具体的，压缩单元12可以是压缩机，其中，压缩机是一种将低压工质提升为高压工质的从动的流体机械，在本发明实施中，压缩机可以是轴流式压缩，也可以是径流式压缩机，或者其他形式的压缩机，对此，本发明实施例不作限制。

具体的，透平单元14主要包括透平机，其中，透平机的工作原理为：透平机是将流体介质中蕴有的能力与机械能相互转换的机器，又称涡轮、涡轮机或透平机，透平中的最主要的部件是一个旋转元件，即转子或称为叶轮，它安装在透平轴上，具有沿圆周均匀排列的叶片。流体所具有的能量在流动中，经过喷嘴或蜗壳时转换成动能，流过叶轮时流体冲击叶片，推动叶轮转动，从而驱动透平轴旋转，透平轴直接或经传动机构带动其他机械转动，输出机械功。

其中，透平机可以是轴流式透平机，也可以是径流式透平机，或者其他形式的透平机，对此，本发明实施例不做限制。

具体的，热源发生单元13将超临界二氧化碳进行加热，以达到透平单元14入口处的温度，推动透平旋转，输出机械功。其中，在本实施例中，热源发生单元13包括第一热源组件131，第一热源组件131可以提供长时间的、相对较小的热量。

其中，热源的来源可以是航行器中的化石能源、金属燃料、化学燃料、余热等反应热，对此，本发明实施例不做限制。

在具体实现时，动力循环过程中，工作介质超临界二氧化碳始终处于超临界状态，启动时，推进系统中的电动发电机211为电动机2142模式，由电动发电机启动电池2144启动电动机2142转动，由于电动机2142与透平机和压缩机为同轴连接，因此，压缩机转动，经过第一热源组件131加热后的SCO₂再进入透平单元14中，进行等压膨胀并输出机械功，将机械功传递给推进系统，其中，在透平单元14膨胀过程中产生的废气和超临界二氧化碳进入冷却单元11中进入下一个循环做功过程中。

进一步的，推进模块20包括电力推进单元21，电力推进单元21包括电动发电机211、与电动发电机211输出端连接的第一控制开关212、电力负载组件213和电力推进组件214，第一控制开关212可选择性的与电力负载组件213连接，以使电动发电机211为电力负载组件213提供电能；或第一控制开关212可选择性的与电力推进组件214连接，以使电动发电机211为电力推进组件214提供电能而产生推力，电动发电机211的输入端与透平单元14连接。

可选的，电力推进组件214包括依次连接的电动机控制与驱动结构2141、电动机2142和螺旋桨2143，第一控制开关212可选择性的与电动机控制与驱动结构2141连接，以使电动机2142为螺旋桨2143提供电能而使螺旋桨2143产生推力。其中，螺旋桨2143可以是单转螺旋桨2143，也可以是双转螺旋桨2143。

具体的，当动力循环模块10输出功率达到一定数值时(比如大于循环的功耗时)，电动发电机211转换为发电机模式，电动发电机启动电池2144接通电动机控制与驱动结构2141，第一控制开关212接通其他电力负载，发电机产生的电能，一部分流经电动机2142驱动螺旋桨2143产生推力，一部分剩余电力传递给其他电力负载，用于启动电池充电、开关、电力控制和转换设备、照明等日常用电解决了水下航行器中其它负载的用电和充电需求，满足了水下航行器的远航程、长航时的使用要求，从而达到电力综合应用的目的。

需要说明的是，当螺旋桨2143为单转时，则发电机采用单转推进电动机2142，若螺旋桨2143为双转时，则发电机采用双转推进电动机2142，且双转螺旋桨2143的转动方向相反，以使水下航行器在航行时，能够保持平衡，提高了水下航行器行驶时的平衡可靠性。

进一步的，动力循环模块10还包括回热单元15，回热单元15具有相互独立的第一回热通道151和第二回热通道152，压缩单元12和热源反应单元与第一回热通道151连接，透平单元14和冷却单元11与第二回热通道152连接。

具体的，回热单元15可以是回热器，例如，可以是贴附式回热器、套管式回热器、管壳式回热器、印刷电路板式换热器等，对此，本发明实施例不作限制。

超临界二氧化碳经回热单元15吸收一部分热量使温度升高，再经过热源发生单元13进一步吸热达到透平单元14的正常工作温度。

进一步的，压缩单元12和热源反应单元与第一回热通道151连接，透平单元14和冷却单元11与第二回热通道152连接，由于等温压缩过程后超临界二氧化碳的温度较低，等温膨胀过后超临界二氧化碳废热温度较高，等压加热和等压放热全部在回热器中进行，循环只在等温压缩和等温膨胀中与外界有热量交换，消除了温差传热的不可逆因素，能够有效避免回热器的夹点问题。

实施例二

图5为本发明实施例二提供的动力循环与推进系统的结构示意图。如图5所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例提供的动力循环与推进系统中，可选的，推进模块20包括热力推进单元22，热力推进单元22包括传动装置221和执行装置222，传动装置221的输入端与透平单元14连接，执行装置222与传动装置221的输出端连接，传动装置221用于为执行装置222传递动力。

具体的，传动装置221可以是齿轮组，即传动装置221可以是由齿轮组组成的齿轮变速箱，执行装置222可以是螺旋桨2143，螺旋桨2143连接在齿轮变速箱的输出端，因此，可以通过齿轮变速箱来调节螺旋桨2143的转速。

进一步的，当透平单元14传递过来的机械功通过变速箱推动螺旋桨2143产生大功率的推力还有剩余时，还可以将电动发电机211与齿轮组中的任一齿轮同轴连接，以使电动发电机211转换为发电机，使剩余部分的机械功通过发电机发出少量电能以供应其他电力负载的用电，且电动发电机211可以与螺旋桨2143位于同侧，也可以位于不同侧，根据具体的结构需求和空间布置即可，对此，本实施例不做限制。

在本实施例中，热源发生单元13包括第二热源组件132，反应产生瞬时的热量比较大，输出功率比较大，可以实现大功率、高航速、远航程、大航深的使用需求。

其中，热源的来源可以是航行器中的化石能源、金属燃料、化学燃料、余热等反应热，对此，本发明实施例不做限制。在具体实现时，推进模块20在推进过程中，透平单元14的输出轴与齿轮变速箱直接连接，且齿轮变速箱中的各组齿轮处于啮合状态，其中，透平单元14输出的轴功大部分通过齿轮变速箱推动螺旋桨2143产生大功率的推力，而剩余的小部分机械功通过电动发电机211发出少量的电能以供应其他电力负载用电，可以实现水下航行器对大功率、高航速、远航程、大航深的综合需求，从而达到动力循环与推进系统中热力推进的目的。

实施例三

图6为本发明实施例三提供的动力循环与推进系统的结构示意图。如图6所示，在上述实施例一的基础上，可选的，推进系统还包括控制单元23和热力推进单元22，热力推进单元22包括传动装置221和执行装置222，执行装置222与传动装置221的输出端连接，传动装置221用于为执行装置222传递动力；

控制单元23的输入端与透平单元14连接，控制单元23的输出端可选择性的与电力推进单元21连接或与热力推进单元22连接。

进一步的，动力循环模块10还包括第二控制开关16，第二控制开关16连接在压缩单元12和热源反应单元之间，热源反应单元包括第一热源组件131和第二热源组件132，若第二控制开关16与第二热源组件132连接，则控制单元23与热力推进单元22连接。

需要说明的是，第二热源组件132反应产生瞬时的热量比较大，输出功率比较大，适合应用在短时间大功率的场合；而第一热源组件131在反应时产生的瞬时热量小，但燃烧的持续时间长，因此，适合应用在长时间低功率的应用场合。

在本实施例中，当水下航行器在低速巡航时，通过第二控制开关16将动力循环的热源切换为第一热源组件131模式，推进系统切换为电路推进模式，透平单元14先驱动电动发电机211产生电能，一部分电能又转化为机械功推动螺旋桨2143产生推力，一部分电能供应其他电力负载用电；而当水下航行器在高速巡航时，通过第二控制开关16将动力循环的热源切换为第二热源组件132模式，推进系统切换为热力推进模式，控制单元23驱动变速齿轮箱中的一级齿轮与二级齿轮啮合，二级齿轮与三级齿轮啮合等，此时，透平单元14直接驱动齿轮变速箱，将大部分机械功推动螺旋桨2143产生大功率的推力，将少量机械功转换为少部分电能，供应水下航行器巡航时所需的电力即可，如此，在大功率热力推进为主的动力系统中加入中小功率的电力推进，从而可实现热电混合推进模式。

其中，控制单元23可以是离合器，例如：齿轮变速离合器、摩擦式离合器等，对此，本实施例不做限制。

实施例四

本实施例还提供一种水下航行器，包括上述实施例的动力循环与推进系统。

其中，动力循环与推进系统的结构和工作原理在上述各实施例中已进行了详细的阐述，在本实施例中不再赘述。

本发明实施例提供一种水下航行器，包括动力循环与推进系统，动力循环与推进系统包括动力循环模块和与动力循环模块连接的推进模块；动力循环模块包括依次连接的冷却单元、压缩单元、热源发生单元和透平单元；冷却单元用于冷却进入压缩单元内的超临界二氧化碳；热源发生单元用于产生热量，以使进入热源发生单元内的超临界二氧化碳在预设时间内达到透平单元入口的温度，透平单元与推进模块连接，透平单元还与冷却单元连接，以使热源发生单元加热后的超临界二氧化碳经透平单元做功排至冷却单元。通过将循环介质设置为超临界二氧化碳，减小了循环功耗，提高了热效率，且系统结构简单。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种动力循环与推进系统，其特征在于，包括动力循环模块和与所述动力循环模块连接的推进模块；

所述动力循环模块包括依次连接的冷却单元、压缩单元、热源发生单元和透平单元；所述冷却单元用于冷却进入所述压缩单元内的超临界二氧化碳；所述热源发生单元用于产生热量，以使进入所述热源发生单元内的所述超临界二氧化碳在预设时间内达到所述透平单元入口的温度，所述透平单元与所述推进模块连接，所述透平单元还与所述冷却单元连接，以使所述热源发生单元加热后的所述超临界二氧化碳经所述透平单元做功排至所述冷却单元。

2.根据权利要求1所述的动力循环与推进系统，其特征在于，所述推进模块包括电力推进单元；所述电力推进单元包括电动发电机、与所述电动发电机输出端连接的第一控制开关、电力负载组件和电力推进组件，所述第一控制开关可选择性的与所述电力负载组件连接，以使所述电动发电机为所述电力负载组件提供电能；和/或所述第一控制开关可选择性的与所述电力推进组件连接，以使所述电动发电机为所述电力推进组件提供电能而产生推力；

所述电动发电机的输入端与所述透平单元连接。

3.根据权利要求1所述的动力循环与推进系统，其特征在于，所述推进模块包括热力推进单元；

所述热力推进单元包括传动装置和执行装置，所述传动装置的输入端与所述透平单元连接，所述执行装置与所述传动装置的输出端连接，所述传动装置用于为所述执行装置传递动力。

4.根据权利要求3所述的动力循环与推进系统，其特征在于，所述推进模块还包括电动发电机和与所述电动发电机连接的电力负载组件；

所述电动发电机与所述传动装置连接，所述电动发电机用于发电以为所述电力负载组件提供电能。

5.根据权利要求2所述的动力循环与推进系统，其特征在于，所述推进模块还包括控制单元和热力推进单元；

所述热力推进单元包括传动装置和执行装置，所述执行装置与所述传动装置的输出端连接，所述传动装置用于为所述执行装置传递动力；

所述控制单元的输入端与所述透平单元连接，所述控制单元的输出端可选择性的与所述电力推进单元连接或与所述热力推进单元连接。

6.根据权利要求5所述的动力循环与推进系统，其特征在于，所述动力循环模块还包括第二控制开关，所述第二控制开关连接在所述压缩单元和所述热源反应单元之间；

所述热源发生单元包括第一热源组件131和第二热源组件132，若所述第二控制开关与所述第一热源组件131连接，则所述控制单元与所述电力推进单元连接；若所述第二控制开关与所述第二热源组件132连接，则所述控制单元与所述热力推进单元连接。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的动力循环与推进系统，其特征在于，所述传动装置包括齿轮组，所述执行装置包括螺旋桨，所述齿轮组的输出端与所述螺旋桨连接。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的动力循环与推进系统，其特征在于，所述动力循环模块还包括回热单元，所述回热单元具有相互独立的第一回热通道和第二回热通道，所述压缩单元和所述热源反应单元与所述第一回热通道连接，所述透平单元和所述冷却单元与所述第二回热通道连接。

9.根据权利要求2所述的动力循环与推进系统，其特征在于，所述电力推进组件包括依次连接的电动机控制与驱动结构、电动机和螺旋桨；所述第一控制开关可选择性的与所述电动机控制与驱动结构连接，以使所述电动机为所述螺旋桨提供电能而使所述螺旋桨产生推力。

10.一种水下航行器，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的动力循环与推进系统。

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