CN113236390A - 一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统，包括燃气回路、朗肯循环回路；燃气回路包括依次通过燃气管道连接的燃烧室、燃气管路、相变热交换器、单向阀；朗肯循环回路包括通过工质管道首尾依次连接的相变热交换器、涡轮机、冷凝器、增压泵；本发明系统中燃气回路所产生的燃气仅作为热源参与动力系统运行，无需推动主机做功，更不用考虑乏气处理问题，因此该系统适合采用多种水下燃料；采用朗肯循环回路与外部环境无物质交换，涡轮机的运行效率基本与航深无关，使本动力系统具有良好的深度适应性。

Description

一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统
技术领域
本发明属于水下热动力系统技术领域，具体涉及一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统。
背景技术
近年来，随着深远海战略的进一步深化，对更深海域的探索需求逐步扩大，这对水下动力系统的性能提出了更高的要求。由于电动力系统在能量密度、输出功率等方面受到限制，水下热动力系统仍是多种水下装置的首选。
应用最为广泛的开式循环热动力系统由于燃烧废气直接排出舷外，因此动力主机受环境压力影响明显，只有当排气压力高于环境压力时开式系统才有可能正常工作。随着航行深度的增加，环境压力逐渐升高，此时开式系统的效率将大幅下降。为提升动力系统的深度适应性，半闭式循环热动力系统和闭式循环热动力系统的构想被相继提出。半闭式系统在主机后部增加了废气处理装置，将燃烧废气部分回收复用，部分增压排出，大幅减小了外部环境对动力主机的干扰。在闭式系统构型下，系统与外部环境没有物质交换，因此动力主机的运行完全不受环境压力的影响。目前，已经有相关的专利或产品应用了上述的系统构型思想。
专利申请号为CN201811649546.4，名称为基于闭式布雷顿循环的空间大功率核动力系统，其以核反应堆为热源，以氦氙混合气体为循环工质，利用闭式布雷顿循环系统构成了一套可为空间飞行器提供能源的动力系统。专利CN200610147653.8名称为水面水下运载器通用的汽油机动力系统，公开了一种利用特殊反应将汽油分解成氢气与碳纤维并采用氢氧燃烧模式的水面水下运载器通用的汽油机动力系统，其采用常规汽油机，当处于水下工况时，汽油进入反应釜分解产生氢气，并与运载器自身携带的氧气和氩气混合后形成近似空气的混合气体，将该气体通入汽油机正常燃烧，推动汽油机运行，废气经过冷凝分离后，氩气回收复用，水增压排出。专利CN201910964623.3，名称为一种基于铝粉燃烧的闭式斯特林机水下动力工艺及系统，公开了一种基于铝粉燃烧的闭式斯特林机水下动力系统，其利用惰性气体携带铝粉与水反应产生高温烟气，进而与氧化剂燃烧产生燃烧烟气，以其作为热源推动斯特林机运行，烟气通过冷凝与分离将惰性气体与水回收复用。美国MK50鱼雷动力系统采用了以Li和SF6为推进剂的闭式循环动力系统，由于Li和SF6的燃烧产物体积小于反应物，因此该系统将反应物装填于一个封闭锅炉内作为热源，外接一套蒸汽朗肯循环系统，使得整套动力系统完全与外界隔离。
上述专利和产品运用了半闭式或闭式的系统构型思想，尽可能减小了外部环境对动力系统运行的影响，提升了动力系统的适用范围。但上述系统方案通常需要复杂的燃料制备、调节装置或者乏气处理复用装置，这导致了所构建的动力系统结构复杂，通用性较差。在水下热动力系统运行时，受外部环境干扰最大的是动力主机，而燃料的燃烧通常对环境压力不敏感，因此可以考虑一种复合式动力系统，将燃料的燃烧与动力主机的运行相互隔离，动力主机运行于闭式循环状态，而燃料的燃烧处于开式循环状态，两者间仅有能量的交换。这样的动力系统可在保证深度适应性的同时，拥有较为简单的结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统，克服了现有的热动力系统在水下大深度的适应性差的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统，包括燃气回路、朗肯循环回路；
燃气回路包括依次通过燃气管道连接的燃烧室、燃气管路、相变热交换器、单向阀；
朗肯循环回路包括通过工质管道首尾依次连接的相变热交换器、涡轮机、冷凝器、增压泵。
本发明的特点还在于：
还包括具有两个流道的回热器，增压泵与相变热交换器之间通过工质管道连接回热器的一个流道两端，涡轮机与冷凝器之间通过工质管道连接回热器的另一个流道两端。
涡轮机还连接负载。
负载为推进器、发电机、螺旋桨中的一种。
燃烧室中燃料为水下推进剂。
相变热交换器为对流套管式换热器。
本发明一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统有益效果是：
1)本发明燃气回路所产生的燃气仅作为热源参与动力系统运行，无需推动主机做功，更不用考虑乏气处理问题，因此该系统适合采用多种水下燃料；
2)本发明中采用朗肯循环回路与外部环境无物质交换，涡轮机的运行效率基本与航深无关，使本动力系统具有良好的深度适应性；
3)朗肯循环回路加入了回热器，提升了能量利用效率；
4)负载根据需求采用推进器、发电机、螺旋桨中的一种，使本发明的系统能够灵活运用于水下航行器、水下能源站等多种水下装置。
附图说明
图1为本发明一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统的结构示意图；
图2为本发明中燃气回路结构示意图；
图3为本发明中朗肯循环回路结构示意图。
图中，1.燃烧室，2.增压泵，3.相变热交换器，4.单向阀，5.负载，6.涡轮机，7.回热器，8.冷凝器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统，如图1所示，包括燃气回路、朗肯循环回路；燃气回路的主要作用是为动力系统提供能源，燃料在燃烧室中被点燃形成燃气，然后以热交换的形式将自身的能量传递给朗肯循环回路。
如图2所示，燃气回路包括依次通过燃气管道连接的燃烧室1、燃气管路2、相变热交换器3、单向阀4；燃料在燃气回路中燃烧并产生燃气，作为热源为系统运行提供能量，并通过单向阀将乏气排出舷外；
如图3所示，朗肯循环回路包括通过工质管道首尾依次连接的相变热交换器3、涡轮机6、冷凝器8、增压泵2。相变工质在朗肯循环回路中流动，在相变热交换器中吸热气化并推动涡轮机做功，并在冷凝器中放热液化。
相变热交换器3有两个流道，一个流道连接在燃气回路，另一个流道连接在朗肯循环回路。
单向阀4一端连接相变热交换器3，另一端直接与外部环境连通，应保证在各工况下舷外海水均不会回流入燃气回路。
在系统运行时，燃气回路对航深的变化不敏感，而朗肯循环回路不受航深变化的影响，因此该水下热动力系统具有良好的深度适应性。
还包括具有两个流道的回热器7，两个流道内的工质相对流动，增压泵2与相变热交换器3之间通过工质管道连接回热器7的一个流道两端，涡轮机6与冷凝器8之间通过工质管道连接回热器7的另一个流道两端。
涡轮机6还连接负载5。
负载5为推进器、发电机、螺旋桨中的一种，为该动力系统的输出端。
燃烧室1中燃料为水下推进剂，如OTTO-II单组元推进剂、HAP三组元推进剂，HAP三组元推进剂由OTTO-II、HAP(高氯酸羟胺)和水组合而成。
燃烧室1中的气体压力可通过调节进入燃烧室的推进剂流量进行控制。
相变热交换器3为对流套管式换热器，具有体积小、热交换效率高的特点。
冷凝器8为螺旋管式换热器，冷凝器8的壳体亦与外部海水直接接触，其可安装于水下装置壳体，工质在冷凝器8内流动，海水与冷凝器8外表面直接接触并吸收热量。
增压泵2用于压缩液相工质，需具有较高的增压比，优选为齿轮泵或螺杆泵。
负载5可根据水下装置的不同采用推进器或发电机。
朗肯循环回路的工质优选为纯水或有机相变工质。
本发明一种基于喷水冷却的涡轮结构的工作过程为：
在系统运行时，燃料在燃烧室1中燃烧形成燃气，高温高压燃气经过燃气管路通入相变热交换器3，并于其中放热，将能量传递给朗肯循环回路。水下推进剂燃烧形成的燃气通常含有一定量的水蒸气等可凝可溶成分，为充分利用潜热，相变热交换器3的设计应保证燃气在其中产生相变。放热后形成的乏气流出相变换热器3后，通过单向阀4排出舷外。单向阀4的设计可保证舷外海水不会回流入燃气回路。当系统运行深度增加时，为保证乏气能正常排出舷外，燃烧室1的压力应随之提升，但由于燃气回路不存在做功部件，回路压力的变化不会对系统运行效率产生过大的影响。
朗肯循环回路中，高压低温液相工质经过相变换热器3吸热并气化成为高压高温气相工质。高压高温气相工质随之推动涡轮机6旋转做功，在这一过程中，工质压力大幅降低，温度有所下降。随后，工质流经回热器7放热，再流过冷凝器8冷凝成为低压低温液相工质。低压低温液相工质流出冷凝器8后，经过增压泵2增压形成高压低温液相工质，再流过回热器7借用废热进行预加热，最终又一次流入相变换热器3吸热气化，完成一次工作循环。涡轮机6能够拖动负载5运行。
由于燃气回路与朗肯循环回路仅存在热交换，朗肯循环回路与外部环境完全隔绝，因此涡轮机6的运行效率基本不受环境深度影响，这使得该系统具有良好的深度适应性。
通过上述方式，本发明一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统，将燃料的燃烧与动力主机的运行相互隔离，动力主机运行于闭式循环状态，而燃料的燃烧处于开式循环状态，两者间仅有能量的交换。这样的动力系统可在保证深度适应性的同时，拥有较为简单的结构。

Claims (6)

1.一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统，其特征在于，包括燃气回路、朗肯循环回路；
所述燃气回路包括依次通过燃气管道连接的燃烧室(1)、相变热交换器(3)、单向阀(4)；
所述朗肯循环回路包括通过工质管道首尾依次连接的相变热交换器(3)、涡轮机(6)、冷凝器(8)、增压泵(2)。
2.根据权利要求1所述一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统，其特征在于，还包括具有两个流道的回热器(7)，所述增压泵(2)与相变热交换器(3)之间通过工质管道连接回热器(7)的一个流道两端，所述涡轮机(6)与冷凝器(8)之间通过工质管道连接回热器(7)的另一个流道两端。
3.根据权利要求1所述一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统，其特征在于，所述涡轮机(6)还连接负载(5)。
4.根据权利要求3所述一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统，其特征在于，所述负载(5)为推进器、发电机、螺旋桨中的一种。
5.根据权利要求1所述一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统，其特征在于，所述燃烧室(1)中燃料为水下推进剂。
6.根据权利要求1所述一种适用于水下大深度航行装置的热动力系统，其特征在于，所述相变热交换器(3)为对流套管式换热器。
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