CN111003123A

CN111003123A - 一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统

Info

Publication number: CN111003123A
Application number: CN201911312046.6A
Authority: CN
Inventors: 梅宁; 张智祥; 袁瀚; 李艳; 高鹏远; 赵健; 王济康; 孙永超
Original assignee: Ocean University of China
Current assignee: Ocean University of China
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2020-04-14
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: CN111003123B

Abstract

本发明公开了一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，属于深海动力输出领域。一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，包括潜水器机体；透平机，连接在所述的潜水器机体中，其中所述透平机上的输出轴穿过潜水器机体的壳体并连接有驱动叶轮；电热式超临界压力锅炉，连接在所述的潜水器机体中；本发明该系统利用电能获得高温热源，并利用深海冷水作为低温热源，同时利用透平机直接对外输出轴功，郎肯循环使用纯水或有机工质作为工作流体，运行在超临界工作条件下，透平机入口压力与深海水压达到平衡，以此解决透平机了动力输出轴的轴密封问题，本发明所提出的新技术避免了传统深海动力输出装置的应用缺陷。

Description

一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统

技术领域

本发明涉及深海动力输出技术领域，尤其涉及一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统。

背景技术

深水探测器是一种智能水中装备，一般通过水下潜器布放于水中几百至上千米范围内，它能感知远距离运动目标信号的强弱、航速、航向等特征，具有广泛的商业用途。

目前采用的深海动力输出装置主要为深海电机，为防止高压海水侵入电机内服，深海电机采用油浸式结构，并辅以压力反馈器，电机内部与压力反馈器充满液压油，电机内部与压力反馈器连接，压力反馈器受深海海水压力产生相应形变，最终达到反馈器内外压力平衡，深海电机内外压力得以平衡。

然而，深海电机的运行存在难以克服的缺陷，深海电机由岸基或海洋平台进行远程供电，由于输电线路通常较长，为降低沿程线路能耗，采用高压输电的方式；在实际操作中，输电采用高压直流和高压交流两种方式；输电过程中，会产生如下缺陷：一方面，采用高压直流输电的深海电机需要接入直流转换器，所需成本很高，且直流转换器需置于水下，可靠性较差；另一方面，采用高压交流输电的深海电机稳定性较差，电机的启动电流通常可达到正常工作电流的5-7倍，电机在快速变载过程中产生的行波还会导致输电线路电压过载；这些缺陷极大的限制了深海电机的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提出的一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，包括

潜水器机体；

透平机，连接在所述的潜水器机体中，

其中

所述透平机上的输出轴穿过潜水器机体的壳体并连接有驱动叶轮；

电热式超临界压力锅炉，连接在所述的潜水器机体中，

其中

所述电热式超临界压力锅炉出口通过管道与所述的透平机入口相连；

通过输电电线向所述的电热式超临界压力锅炉输电的远程电源；

第一输送泵，连接在所述的潜水器机体中，

其中

所述第一输送泵出口通过管道与所述的电热式超临界压力锅炉入口相连；

冷凝器，连接在所述的潜水器机体中，

其中

所述冷凝器的工作流体出口通过管道与第一输送泵入口相连，所述冷凝器的工作流体入口通过管道与透平机出口相连。

优选的，还包括海水换热器，所述海水换热器连接在所述的潜水器机体上，所述冷凝器的导热油出/入口通过循环管道与所述的海水换热器的导热油入/出口连接。

优选的，还包括第二输送泵和第三输送泵，所述第二输送泵设置在所述的海水换热器和冷凝器的循环管道上，所述第三输送泵设置在所述的海水换热器的海水入口管道上，所述海水换热器的海水出口管道直接与海水连通。

优选的，所述远程电源为设置在岸基或海洋平台上的电源。

优选的，所述电热式超临界压力锅炉从下至上依次为储液室、加热室和集气室，所述集气室中设置有沿竖直方向分布的电热管，所述电热管通过输电电线与所述的远程电源电性相连。

优选的，所述储液室下端连接有流体入口接头，所述流体入口接头用于连接电热式超临界压力锅炉和第一输送泵之间的连接管道。

优选的，所述集气室上端连接有超临界流体出口接头，所述超临界流体出口接头用于连接电热式超临界压力锅炉和透平机之间的连接管道。

优选的，所述加热室上连接有电线入口接头和电线出口接头。

优选的，所述电热管上下两端均设有电热管束密封端子。

优选的，还包括压力补偿密封装置，所述压力补充密封装置主要由液压密封端子和活塞式液压缸组成，所述液压密封端子套在所述的输出轴上，且位于所述的输出轴与潜水器机体之间，所述液压密封端子与活塞式液压缸通过管道连接，所述活塞式液压缸将受到海水水压反馈到所述的液压密封端子中使液压密封端子与海水水压保持一致。

与现有技术相比，本发明提供了一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，具备以下有益效果：

1、该基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，通过该系统利用电能获得高温热源，并利用深海冷水作为低温热源，同时利用透平机直接对外输出轴功，郎肯循环使用纯水或有机工质作为工作流体，运行在超临界工作条件下，透平机入口压力与深海水压达到平衡，以此解决透平机了动力输出轴的轴密封问题，本发明所提出的新技术避免了传统深海动力输出装置的应用缺陷。

2、该基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，通过电热式超临界压力锅炉的入口通过管道和第一输送泵的出口连通，电热式超临界压力锅炉的出口通过管道和透平机的入口连通，冷凝器的工作介质入口通过管道和透平机的出口连通，冷凝器的工作介质出口通过管道和第一输送泵连通，冷凝器的导热油入口通过管道和第二输送泵出口连接，冷凝器的导热油出口通过管道和海水换热器的导热油入口连接，海水换热器的海水入口通过管道和第三输送泵出口连接，海水换热器的海水出口通过管道直接和深海海水连通，海水换热器的导热油出口通过管道和第二输送泵入口连接，通过克服深海电机运行中存在的难以克服的缺陷，采用超临界郎肯循环作为动力输出的核心部件，使用透平机直接对外输出轴功，首先，电热式超临界压力锅炉可以使用高压交流输电方案，无需直流转换器，其次，郎肯循环在负荷快速变载的过程中不会产生深海电机常见的电流行波和电压过载问题，另外，郎肯循环的启动运行也不会存在深海电机的启动电流异常增大的问题。

3、该基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，通过采用电热式超临界压力锅炉驱动郎肯循环，透平机入口的气体压力和深海环境保持一致，旋转轴密封不存在压力差的问题，同时，使用压力补偿密封装置将透平机外端与深海环境分隔，压力补偿密封装置通过活塞式液压缸与深海环境保持压力平衡，可有效避免透平机密封端的工质与海水的相互渗透。

附图说明

图1为本发明提出的一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统的系统示意图；

图2为本发明提出的一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统的电热式超临界压力锅炉局部剖面结构示意图；

图3为本发明提出的一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统的电热管布置结构示意图。

图中：1、电热式超临界压力锅炉；2、透平机；201、输出轴；202、驱动叶轮；3、液压密封端子；4、压力补偿密封装置；5、活塞式液压缸；6、潜水器机体；7、冷凝器；8、第二输送泵；9、海水换热器；10、第三输送泵；11、第一输送泵；12、远程电源；13、超临界流体出口接头；14、加热室；15、流体入口接头；16、储液室；17、电线入口接头；18、电线出口接头；19、电热管束密封端子；20、集气室；21、电热管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1-3，一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，包括

潜水器机体6；

透平机2，连接在潜水器机体6中，

其中

透平机2上的输出轴201穿过潜水器机体6的壳体并连接有驱动叶轮202；

电热式超临界压力锅炉1，连接在潜水器机体6中，

其中

电热式超临界压力锅炉1出口通过管道与透平机2入口相连；

通过输电电线向电热式超临界压力锅炉1输电的远程电源12；

第一输送泵11，连接在潜水器机体6中，

其中

第一输送泵11出口通过管道与电热式超临界压力锅炉1入口相连；

冷凝器7，连接在潜水器机体6中，

其中

冷凝器7的工作流体出口通过管道与第一输送泵11入口相连，冷凝器7的工作流体入口通过管道与透平机2出口相连；

通过电热式超临界压力锅炉1的入口通过管道和第一输送泵11的出口连通，电热式超临界压力锅炉1的出口通过管道和透平机2的入口连通，冷凝器7的工作介质入口通过管道和透平机2的出口连通，冷凝器7的工作介质出口通过管道和第一输送泵11连通，冷凝器7的导热油入口通过管道和第二输送泵8出口连接，冷凝器7的导热油出口通过管道和海水换热器9的导热油入口连接，海水换热器9的海水入口通过管道和第三输送泵10出口连接，海水换热器9的海水出口通过管道直接和深海海水连通，海水换热器9的导热油出口通过管道和第二输送泵8入口连接，通过克服深海电机运行中存在的难以克服的缺陷，采用超临界郎肯循环作为动力输出的核心部件，使用透平机2直接对外输出轴功，首先，电热式超临界压力锅炉1可以使用高压交流输电方案，无需直流转换器，其次，郎肯循环在负荷快速变载的过程中不会产生深海电机常见的电流行波和电压过载问题，另外，郎肯循环的启动运行也不会存在深海电机的启动电流异常增大的问题；

该系统利用电能获得高温热源，并利用深海冷水作为低温热源，同时利用透平机2直接对外输出轴功，郎肯循环使用纯水或有机工质作为工作流体，运行在超临界工作条件下，透平机2入口压力与深海水压达到平衡，以此解决透平机2了动力输出轴201的轴密封问题，本发明所提出的新技术避免了传统深海动力输出装置的应用缺陷。

优选的，还包括海水换热器9，海水换热器9连接在潜水器机体6上，冷凝器7的导热油出/入口通过循环管道与海水换热器9的导热油入/出口连接。

优选的，还包括第二输送泵8和第三输送泵10，第二输送泵8设置在海水换热器9和冷凝器7的循环管道上，第三输送泵10设置在海水换热器9的海水入口管道上，海水换热器9的海水出口管道直接与海水连通。

优选的，远程电源12为设置在岸基或海洋平台上的电源。

优选的，电热式超临界压力锅炉1从下至上依次为储液室16、加热室14和集气室20，集气室20中设置有沿竖直方向分布的电热管21，电热管21通过输电电线与远程电源12电性相连。

优选的，储液室16下端连接有流体入口接头15，流体入口接头15用于连接电热式超临界压力锅炉1和第一输送泵11之间的连接管道。

优选的，集气室20上端连接有超临界流体出口接头13，超临界流体出口接头13用于连接电热式超临界压力锅炉1和透平机2之间的连接管道。

优选的，加热室14上连接有电线入口接头17和电线出口接头18。

优选的，电热管21上下两端均设有电热管束密封端子19。

优选的，还包括压力补偿密封装置4，压力补充密封装置4主要由液压密封端子3和活塞式液压缸5组成，液压密封端子3套在输出轴201上，且位于输出轴201与潜水器机体6之间，液压密封端子3与活塞式液压缸5通过管道连接，活塞式液压缸5将受到海水水压反馈到液压密封端子3中使液压密封端子3与海水水压保持一致；

通过采用电热式超临界压力锅炉1驱动郎肯循环，透平机2入口的气体压力和深海环境保持一致，旋转轴密封不存在压力差的问题，同时，使用压力补偿密封装置4将透平机2外端与深海环境分隔，压力补偿密封装置4通过活塞式液压缸5与深海环境保持压力平衡，可有效避免透平机2密封端的工质与海水的相互渗透。

本发明工作原理如下：

潜水器机体6外设置有抗压壳，以保护动力系统的运行不受深海环境影响，电热式超临界压力锅炉1的入口通过管道和第一输送泵11的出口连通，电热式超临界压力锅炉1的出口通过管道和透平机2的入口连通，纯水或有机工质作为循环工作流体，被第一输送泵11泵入电热式超临界压力锅炉1中，并被加热，产生的超临界流体进入透平机2，推动其对外输出轴功；做功后的乏汽进入冷凝器7进行冷凝，冷凝器7设置有导热油入口、出口，冷凝过程中释放的热量被中间介质导热油带出，导热油通过第二输送泵8循环流入海水换热器9，最终与深海环境中的冷海水进行换热并释放热量，冷凝后的工作流体流入第一输送泵11，并被泵回电热式超临界压力锅炉1完成循环。

压力补偿密封装置4由液压密封端子3和活塞式液压缸5组成，液压密封端子3被动力输出轴201从中穿过，其一端与透平机2外端接触，另一端与深海海水接触，液压密封端子3与活塞式液压缸5通过管道连接，内部充满循环所用的工作流体，深海海水的水压通过活塞式液压缸5反馈到液压密封端子3中并使其压力与深海环境压力保持一致；同时，透平机2的动力输出轴一端的内部压力与电热式超临界压力锅炉1的出口保持一致，系统运行过程中，通过对电压的控制，电热式超临界压力锅炉1的蒸发压力与深海水压保持一致，因此，透平机2的动力输出轴一端的内部压力与液压密封端子3的压力一致。压力补偿密封装置4避免了透平机2的动力输出轴一端与深海海水直接接触，防止因海水渗入造成的动力系统的失效。

电热式超临界压力锅炉1的结构如图2，图3所示；电热式超临界压力锅炉1沿竖直方向分布电热管21；工作流体进入锅炉下端的储液室16，随后在电热管21内进行管内加热，加热蒸发过程的温度压力较高，为超临界过程，被加热的超临界流体随后进入集气室20，并通过超临界流体出口接头13排出，电热式超临界压力锅炉1的电热管21管束两端各有一组电热管束密封端子19，用以密封工作流体；通过采用电热式超临界压力锅炉1，透平机2动力输出轴一端的内部压力与深海环境压力达到平衡；同时，其在动力输出端负荷快速变载的情况下不会产生电流行波和电压过载问题；另外，电热式超临界压力锅炉1的启动运行也不会存在启动电流异常增大的问题；本发明所提出的新技术克服了传统的深海电机在应用中的缺陷，可以为深海开采与勘测工程提供可靠的动力输出。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，其特征在于，包括

潜水器机体（6）；

透平机（2），连接在所述的潜水器机体（6）中，

其中

所述透平机（2）上的输出轴（201）穿过潜水器机体（6）的壳体并连接有驱动叶轮（202）；

电热式超临界压力锅炉（1），连接在所述的潜水器机体（6）中，

其中

所述电热式超临界压力锅炉（1）出口通过管道与所述的透平机（2）入口相连；

通过输电电线向所述的电热式超临界压力锅炉（1）输电的远程电源（12）；

第一输送泵（11），连接在所述的潜水器机体（6）中，

其中

所述第一输送泵（11）出口通过管道与所述的电热式超临界压力锅炉（1）入口相连；

冷凝器（7），连接在所述的潜水器机体（6）中，

其中

所述冷凝器（7）的工作流体出口通过管道与第一输送泵（11）入口相连，所述冷凝器（7）的工作流体入口通过管道与透平机（2）出口相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，其特征在于，还包括海水换热器（9），所述海水换热器（9）连接在所述的潜水器机体（6）上，所述冷凝器（7）的导热油出/入口通过循环管道与所述的海水换热器（9）的导热油入/出口连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，其特征在于，还包括第二输送泵（8）和第三输送泵（10），所述第二输送泵（8）设置在所述的海水换热器（9）和冷凝器（7）的循环管道上，所述第三输送泵（10）设置在所述的海水换热器（9）的海水入口管道上，所述海水换热器（9）的海水出口管道直接与海水连通。

4.根据权利要求1所述的一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，其特征在于，所述远程电源（12）为设置在岸基或海洋平台上的电源。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，其特征在于，所述电热式超临界压力锅炉（1）从下至上依次为储液室（16）、加热室（14）和集气室（20），所述集气室（20）中设置有沿竖直方向分布的电热管（21），所述电热管（21）通过输电电线与所述的远程电源（12）电性相连。

6.根据权利要求5所述的一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，其特征在于，所述储液室（16）下端连接有流体入口接头（15），所述流体入口接头（15）用于连接电热式超临界压力锅炉（1）和第一输送泵（11）之间的连接管道。

7.根据权利要求5所述的一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，其特征在于，所述集气室（20）上端连接有超临界流体出口接头（13），所述超临界流体出口接头（13）用于连接电热式超临界压力锅炉（1）和透平机（2）之间的连接管道。

8.根据权利要求5所述的一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，其特征在于，所述加热室（14）上连接有电线入口接头（17）和电线出口接头（18）。

9.根据权利要求8所述的一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，其特征在于，所述电热管（21）上下两端均设有电热管束密封端子（19）。

10.根据权利要求1所述的一种基于超临界郎肯循环的深海动力输出系统，其特征在于，还包括压力补偿密封装置（4），所述压力补充密封装置（4）主要由液压密封端子（3）和活塞式液压缸（5）组成，所述液压密封端子（3）套在所述的输出轴（201）上，且位于所述的输出轴（201）与潜水器机体（6）之间，所述液压密封端子（3）与活塞式液压缸（5）通过管道连接，所述活塞式液压缸（5）将受到海水水压反馈到所述的液压密封端子（3）中使液压密封端子（3）与海水水压保持一致。