CN115107968A - 一种低航速水下冲压发动机及其设计方法 - Google Patents

一种低航速水下冲压发动机及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低航速水下冲压发动机，包括航行器外壳、主进水道、流量控制系统、加压涡轮、一次进水道、二次进水道、金属燃料室、自持燃烧室、一次水反应燃烧室、二次水反应燃烧室、传动轴、燃烧室尾端涡轮、尾喷管；航行器由顶端向尾端依次设置主进水道、加压涡轮、金属燃料室、自持燃烧室、一次水反应燃烧室、二次水反应燃烧室、燃烧室尾端涡轮、尾喷管。本发明提供的一种低航速水下冲压发动机及其设计方法，能够克服低航速工况下水冲压发动机无法正常工作的问题；通过本发明，能有效的在水冲压发动机低速工作时增加进入燃烧室的海水压力保证发动机的正常工作。

Description

一种低航速水下冲压发动机及其设计方法
技术领域
本发明涉及水冲压发动机设计技术领域，具体涉及一种低航速水下冲压发动机设计方法。
背景技术
推进系统是实现水下航行器超高速运行的关键技术。
当前鱼雷的动力推进系统主要有热动力推进和电动力推进，其中采用传统热动力推进系统的鱼雷具有技术成熟，适配性好等优点，被广泛应用于各种型号鱼雷的动力系统中，但其需自带燃料与氧化剂，其自重对高航速高航程有着较大的制约；采用电动力推进系统的鱼雷具有噪声小，隐蔽性好，航速航程稳定，航行稳定性好等特点，缺点在于电能储藏技术等问题，仅适合小部分鱼雷的动力需求。因此，现阶段大航速的鱼雷依然采用热动力推进系统。
相比于传统的热动力推进宇电动力推进，国内外学者针对一种水冲压发动机开展了大量研究，水冲压发动机利用从航行器外部进入发动机的海水作为金属燃料燃烧的主氧化剂和发动机的主要工质，降低了燃料中的氧化剂含量，提高了燃料中金属含量，从而大幅提高了发动机的比冲，提高其航程航速，是水下超高速航行器推进系统的理想选择。然而，水冲压发动机在工作时需要外界海水作为氧化剂和推进剂，水下航行器工作时常常需要经历变速调节过程，存在低航速运行工况，该阶段由于速度较低，主流进水压力将低于燃烧室内部压力，从而阻碍进水系统的正常工作，导致海水无法持续有效的进入发动机燃烧室参与燃烧，进而影响发动机正常运行，因此，急需研发一种能够在低航速下正常工作的水冲压发动机。
发明内容
为解决水冲压发动机在低航速工况下无法正常工作的问题，本发明提出了一种低航速水下冲压发动机。
本发明通过如下技术方案实现。
一种低航速水下冲压发动机，包括航行器外壳、主进水道、流量控制系统、加压离心泵、一次进水道、二次进水道、金属燃料室、自持燃烧室、一次水反应燃烧室、二次水反应燃烧室、传动轴、燃烧室尾端涡轮、尾喷管；航行器由顶端向尾端依次设置主进水道、加压离心泵、金属燃料室、自持燃烧室、一次水反应燃烧室、二次水反应燃烧室、燃烧室尾端涡轮、尾喷管；所述主进水道设置在所述航行器外壳内，所述主进水道的进水口位于航行器的顶端，所述主进水道的出水口连通加压离心泵的进水口，所述加压离心泵的进水口位于加压离心泵的中心处，所述一次进水道的进水口和二次进水道的进水口通过流量控制系统与所述加压离心泵的出水口连通，所述一次进水道的出水口与一次水反应燃烧室连通，所述二次进水道的出水口与二次水反应燃烧室连通，所述传动轴连接加压离心泵与燃烧室尾端涡轮；航行器航行时，海水从航行器顶端主进水道的入口进入，从主进水道的出口流入加压离心泵，海水经流量控制系统分配流量给一次进水道和二次进水道，一次进水道和二次进水道分别为一次水反应燃烧室和二次水反应燃烧室提供燃烧反应使用的海水。
优选的，所述一次进水道、二次进水道各有四根管道。
优选的，所述金属燃料室用于存储水反应金属燃料。
优选的，所述金属燃料室和自持燃烧室的连接处设置有燃料喷注器，燃料喷注器将金属燃烧室内的水反应金属燃料输送到自持燃烧室内进行自持燃烧。
优选的，所述尾喷管为拉瓦尔喷管，由两个锥形管构成，其中一个为收缩管，另一个为扩张管。
优选的，所述加压离心泵与尾端涡轮选取步骤如下：
步骤1：根据总体要求的航行深度H确定当地海水密度ρH；
步骤2：根据航行器外形确定其截面面积A，采用数值模拟阻力系数Cd；
步骤3：根据巡航速度v0，得到发动机需用推力Ft；
Figure RE-GDA0003819335630000021
步骤4：选择水冲压发动机燃烧室压强P，并根据推进剂类型，通过实验数据获得该压强下最佳比冲Isp及最佳水燃比f；
步骤5：根据发动机需用推力Ft及推进剂比冲得到燃气流量mf；
Figure RE-GDA0003819335630000031
步骤6：根据发动机尺寸及航程规划确定低速段许用装药量Mf；
步骤7：根据燃气流量mf及装药量Mf得到航行时间t及航程S；
Figure RE-GDA0003819335630000032
S＝v0t；
步骤8：判断所得航程是否满足设计要求，若不满足，重选燃烧室压强P，直至获得满足航行要求的最小需用燃烧室压强；
步骤9：根据最小需用燃烧室压强，选择一次进水道与二次进水道进水压强；根据一次进水道与二次进水道进水压强确定加压离心泵目标总压；根据航行器来流总压与加压离心泵目标总压得到压力差Δp；根据压力差得到加压离心泵的扬程h；
Figure RE-GDA0003819335630000033
根据扬程h和进水流量Q＝mf*f确定所需功率W；
W＝ρHghQ
步骤10：根据所需功率选用合适的离心泵并确定离心泵额定功率下的转速；根据功率与转速设计选用离心泵叶片及尾部涡轮叶片。
所述加压离心泵的进水口置于离心泵中心处，海水经过离心增压输送到流量控制系统中，加压离心泵的动力来源于发动机的燃烧室尾端涡轮的随动旋转。
所述自持燃烧室是金属燃料与燃料中的氧化剂、粘合剂经点火发生的燃烧的地方，并将燃烧后的汽相金属加速喷射至水反应燃烧室，提供一个高温高压环境使其达到能与海水发生反应的压力、温度环境。
所述一次水反应燃烧室是金属燃料与一次进水道进入的海水发生化学反应释放热能，其中海水为氧化剂。
所述二次水反应燃烧室主要作用是利用一次水反应燃烧室内产生的大量热能将二次进水道进入的海水汽化，将内能转化为动能，更好的利用能量，提高比冲。
所述传动轴连接加压离心泵与燃烧室尾端涡轮，由燃烧室尾端涡轮为加压离心泵提供动力；其中：传动轴与加压离心泵采用焊接连接；传动轴与燃烧室尾端涡轮采用花键连接；所述燃烧室尾端涡轮利用燃烧室废气的能量带动涡轮旋转，其通过传动轴带动加压离心泵来实现对进水的增压。
所述尾喷管由两个锥形管构成，其中一个为收缩管，另一个为扩张管，起到了流速增大器的作用。
与现有技术相比，本发明的优点是：
本发明提供的一种低航速水下冲压发动机设计方法，能够克服低航速工况下水冲压发动机无法正常工作的问题；
通过本发明，能有效的在水冲压发动机低速工作时增加进入燃烧室的海水压力保证发动机的正常工作；
本发明提供的低航速水下冲压发动机，在保证发动机工作稳定性的同时不需加入额外的能源系统，可兼顾低航速与高航速两种工况，借助发动机燃烧产生的动能，采用尾端涡轮带动加压离心泵对来流海水进行加压，使得低航速状态下海水有足够压力进入燃烧室。
附图说明
图1是一种低航速水下冲压发动机等轴测视图。
图2是一种低航速水下冲压发动机壳内等轴测视图。
图3是一种低航速水下冲压发动机俯视爆炸视图。
图4是一种低航速水下冲压发动机等轴测视线架图。
图5是一种低航速水下冲压发动机俯视线架图。
图6是流量控制系统和加压离心泵的等轴测视线架图。
图7是金属燃料室、燃料喷注器和自持燃烧室的等轴测视线架图。
图8是燃烧室尾端涡轮和尾喷管的等轴测视图。
其中，1-航行器外壳，2-主进水道，3-流量控制系统，4-加压离心泵，5-一次进水道，6-二次进水道，7-燃烧室外壳，8-金属燃料室，9-燃料喷注器，10-自持燃烧室，11-一次水反应燃烧室，12-二次水反应燃烧室，13-传动轴，14-燃烧室尾端涡轮，15-尾喷管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
一种低航速水下冲压发动机，包括顺次设置的航行器外壳、进水系统、发动机、尾喷管，航行器外壳将航行器内部紧密包裹，外壳主要由两部分呈现，即前部尖端与后部柱端，符合航行器的外形设计。
如图1所示，航行器外壳的前部尖端和后部柱端为一次成型的一体钣金件前部尖端开有一个进水口，为主进水道供水。
发动机的进水系统包括主进水道2、流量控制系统3、加压离心泵4、一次进水道5、二次进水道6；当航行器航行时，海水进入主进水道后流入加压离心泵，经过加压离心泵离心加压，高压海水由流量控制系统分配流量给一次和二次进水，整个流程构成了进水系统。
如图5所示，主进水道2在航行器前部尖端处，主进水道周围可以开发放置适合于不同航行器需求的装置。
如图6所示，加压离心泵4置于流量控制系统3内部，其加压后的海水输送到流量控制系统3，由流量控制系统3分配海水流量。
如图4图5所示，一次进水道5和二次进水道6各有四个，且相邻的一次进水道5与二次进水道6呈45°交替均匀的分布在一次燃烧室与二次燃烧室周围。
航行器的发动机包括燃烧室外壳7、金属燃料室8、燃料喷注器9、自持燃烧室10、一次水反应燃烧室11、二次水反应燃烧室12、传动轴13、燃烧室尾端涡轮14，发动机为航行器提供动力，首先金属燃料由燃料喷注器9输送至自持燃烧室10，经其自持燃烧，形成高温高压的气态燃料，经过自持燃烧室10到达一次水反应燃烧室11，高温高压的气态燃料与海水发生化学反应，释放大量热量，到达二次水反应燃烧室12，二次水反应燃烧室12发生的主要是水与高温高压的介质发生物理反应，生成水蒸气，将内能转化为动能，充分利用能量；燃烧后产生的高速运动的混合介质带动燃烧室尾端涡轮14转动，动能通过传动轴传递给加压离心泵4，为进水加压，剩下的混合介质经过尾喷管排出航行体。
如图5所示，传动轴13首起加压离心泵4，后至燃烧室尾端涡轮14，途经金属燃料室8、燃料喷注器9、自持燃烧室10、一次水反应燃烧室11、二次水反应燃烧室12；传动轴13需采用抗扭、抗高温高压材料，且与加压离心泵4连接处需根据加压压力采取合理的密封措施。
如图7所示，金属燃料室8、燃料喷注器9和自持燃烧室10紧密相连，其中：金属燃料室8可根据航行器的实际需求改变其设计长度，从而改变其容量，灵活的找到合适的燃料与总体的质量比；燃料喷注器9采用多孔结构，使得燃料自持燃烧的更加充分；自持燃烧室10采用类似拉瓦尔喷管结构，使得高温高压的金属气体快速与海水接触，充分的与海水进行反应。
航行器的尾喷管15是一种拉瓦尔喷管，是一种流速增大器，能够将排出气体的流速增大。
如图8所示，燃烧室尾端涡轮14与尾喷管15并没有连接，燃烧室尾端涡轮14是与传动轴13连接，为加压涡4轮提供动力；尾喷管15是一种拉瓦尔喷管，喷管的前半部是由大变小向中间收缩至一个窄喉，窄喉之后又由小变大向外扩张，是一体成型件，非焊接件。
一种低航速水下冲压发动机航行器，包括航行器外壳1、主进水道2、流量控制系统3、加压离心泵4、一次进水道5、二次进水道6、金属燃料室8、自持燃烧室10、一次水反应燃烧室11、二次水反应燃烧室12、传动轴13、燃烧室尾端涡轮14、尾喷管15；航行器由顶端向尾端依次设置主进水道2、加压离心泵4、金属燃料室8、自持燃烧室10、一次水反应燃烧室11、二次水反应燃烧室12、燃烧室尾端涡轮14、尾喷管15；所述主进水道2 设置在所述航行器外壳1内，所述主进水道2的进水口位于航行器的顶端，所述主进水道 2的出水口连通加压离心泵4的进水口，所述加压离心泵4的进水口位于加压离心泵4的中心处，所述一次进水道5的进水口和二次进水道6的进水口通过流量控制系统3与所述加压离心泵4的出水口连通，所述一次进水道5的出水口与一次水反应燃烧室11连通，所述二次进水道6的出水口与二次水反应燃烧室12连通，所述传动轴13连接加压离心泵 4与燃烧室尾端涡轮14；航行器航行时，海水从航行器顶端主进水道2的入口进入，从主进水道2的出口流入加压离心泵，海水经流量控制系统3分配流量给一次进水道5和二次进水道6，一次进水道5和二次进水道6分别为一次水反应燃烧室11和二次水反应燃烧室 12提供燃烧反应使用的海水。
优选的，所述一次进水道5、二次进水道6各有四根管道。
优选的，所述金属燃料室8用于存储水反应金属燃料。
优选的，所述金属燃料室8和自持燃烧室10的连接处设置有燃料喷注器9，燃料喷注器9将金属燃烧室8内的水反应金属燃料输送到自持燃烧室9内进行自持燃烧。
优选的，所述尾喷管15由两个锥形管构成，其中一个为收缩管，另一个为扩张管。
优选的，所述加压离心泵与尾端涡轮选取步骤如下：
步骤1：根据总体要求的航行深度H确定当地海水密度ρH；
步骤2：根据航行器外形确定其截面面积A，采用数值模拟阻力系数Cd；
步骤3：根据巡航速度v0，得到发动机需用推力Ft；
Figure RE-GDA0003819335630000071
步骤4：选择水冲压发动机燃烧室压强P，并根据推进剂类型，通过实验数据获得该压强下最佳比冲Isp及最佳水燃比f；
步骤5：根据发动机需用推力Ft及推进剂比冲得到燃气流量mf；
Figure RE-GDA0003819335630000072
步骤6：根据发动机尺寸及航程规划确定低速段许用装药量Mf；
步骤7：根据燃气流量mf及装药量Mf得到航行时间t及航程S；
Figure RE-GDA0003819335630000081
S＝v0t；
步骤8：判断所得航程是否满足设计要求，若不满足，重选燃烧室压强P，直至获得满足航行要求的最小需用燃烧室压强；
步骤9：根据最小需用燃烧室压强，选择一次进水道与二次进水道进水压强；根据一次进水道与二次进水道进水压强确定加压离心泵目标总压；根据航行器来流总压与加压离心泵目标总压得到压力差Δp；根据压力差得到加压离心泵的扬程h；
Figure RE-GDA0003819335630000082
根据扬程h和进水流量Q＝mf*f确定所需功率W；
W＝ρHghQ
步骤10：根据所需功率选用合适的离心泵并确定离心泵额定功率下的转速；根据功率与转速设计选用离心泵叶片及尾部涡轮叶片。
所述加压离心泵4的进水口置于离心泵中心处，海水经过离心增压输送到流量控制系统3中，加压离心泵4的动力来源于发动机的燃烧室尾端涡轮14的随动旋转。
所述自持燃烧室10是金属燃料与燃料中的氧化剂、粘合剂经点火发生的燃烧的地方，并将燃烧后的汽相金属加速喷射至水反应燃烧室，提供一个高温高压环境使其达到能与海水发生反应的压力、温度环境。
所述一次水反应燃烧室11是金属燃料与一次进水道5进入的海水发生化学反应释放热能，其中海水为氧化剂。
所述二次水反应燃烧室12主要作用是利用一次水反应燃烧室11内产生的大量热能将二次进水道6进入的海水汽化，将内能转化为动能，更好的利用能量，提高比冲。
所述传动轴13连接加压离心泵4与燃烧室尾端涡轮14，由燃烧室尾端涡轮14为加压离心泵4提供动力；其中：传动轴13与加压离心泵4采用焊接连接；传动轴13与燃烧室尾部涡14轮采用花键连接；所述燃烧室尾端涡轮14利用燃烧室废气的能量带动涡轮旋转，其通过传动轴带动加压离心泵4来实现对进水的增压。
所述尾喷管15由两个锥形管构成，其中一个为收缩管，另一个为扩张管，起到了流速增大器的作用。
工作原理：
本航行器在初启动时，由船舶水下弹射发射，低速航行时海水进入主进水道2流向加压离心泵4，海水经过未进入工作状态的加压离心泵4进入流量控制系统3，流量控制系统3分配后的海水给一次进水道5和二次进水道6，海水经一次进水道5和二次进水道6 进入一次水反应燃烧室11和二次水反应燃烧室12，燃烧室燃烧产生的高温高压废气向尾部喷出，带动燃烧室尾端涡轮14旋转，燃烧室尾端涡轮14旋转产生的动力经传动轴13 传递到加压离心泵4，加压离心泵4将持续进入主进水道2的海水进行加压，加压后的海水进入流量控制系统3再分配进入燃烧室，加大燃烧室的燃烧反应，从而形成闭环，如此循环直至达到燃烧室燃烧最佳状态；
海水经加压后由流量控制系统3分配进入燃烧室，即使航行器在低速状态下，依然能够保证海水持续进入发动机燃烧室，保证燃烧室能够有足够压力的海水进行燃烧推动航行器加速，随着加速时间推移，航行器能够逐渐进入超高速的巡航状态，而由于加压离心泵4与燃烧室尾端涡轮14同步，加压离心泵4也能够随燃烧室尾端涡轮14转速的提升而提升其转速，提高其对海水的加压能力，保证发动机的正常运行。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种低航速水下冲压发动机，其特征在于，包括航行器外壳(1)、主进水道(2)、流量控制系统(3)、加压离心泵(4)、一次进水道(5)、二次进水道(6)、金属燃料室(8)、自持燃烧室(10)、一次水反应燃烧室(11)、二次水反应燃烧室(12)、传动轴(13)、燃烧室尾端涡轮(14)、尾喷管(15)；航行器由顶端向尾端依次设置主进水道(2)、加压离心泵(4)、金属燃料室(8)、自持燃烧室(10)、一次水反应燃烧室(11)、二次水反应燃烧室(12)、燃烧室尾端涡轮(14)、尾喷管(15)；所述主进水道(2)设置在所述航行器外壳(1)内，所述主进水道(2)的进水口位于航行器的顶端，所述主进水道(2)的出水口连通加压离心泵(4)的进水口，所述加压离心泵(4)的进水口位于加压离心泵(4)的中心处，所述一次进水道(5)的进水口和二次进水道(6)的进水口通过流量控制系统(3)与所述加压离心泵(4)的出水口连通，所述一次进水道(5)的出水口与一次水反应燃烧室(11)连通，所述二次进水道(6)的出水口与二次水反应燃烧室(12)连通，所述传动轴(13)连接加压离心泵(4)与燃烧室尾端涡轮(14)；航行器航行时，海水从航行器顶端主进水道(2)的入口进入，从主进水道(2)的出口流入加压离心泵，海水经流量控制系统(3)分配流量给一次进水道(5)和二次进水道(6)，一次进水道(5)和二次进水道(6)分别为一次水反应燃烧室(11)和二次水反应燃烧室(12)提供燃烧反应使用的海水；
所述加压离心泵(4)与尾端涡轮(14)选取步骤如下：
步骤1：根据总体要求的航行深度H确定当地海水密度ρH；
步骤2：根据航行器外形确定其截面面积A，采用数值模拟阻力系数Cd；
步骤3：根据巡航速度v0，得到发动机需用推力Ft；
Figure FDA0003691326010000011
步骤4：选择水冲压发动机燃烧室压强P，并根据推进剂类型，通过实验数据获得该压强下最佳比冲Isp及最佳水燃比f；
步骤5：根据发动机需用推力Ft及推进剂比冲得到燃气流量mf；
Figure FDA0003691326010000021
步骤6：根据发动机尺寸及航程规划确定低速段许用装药量Mf；
步骤7：根据燃气流量mf及装药量Mf得到航行时间t及航程S；
Figure FDA0003691326010000022
S＝v0t；
步骤8：判断所得航程是否满足设计要求，若不满足，重选燃烧室压强P，直至获得满足航行要求的最小需用燃烧室压强；
步骤9：根据最小需用燃烧室压强，选择一次进水道与二次进水道进水压强；根据一次进水道与二次进水道进水压强确定加压离心泵目标总压；根据航行器来流总压与加压离心泵目标总压得到压力差Δp；根据压力差得到加压离心泵的扬程h；
Figure FDA0003691326010000023
根据扬程h和进水流量Q＝mf*f确定所需功率W；
W＝ρHghQ
步骤10：根据所需功率选用合适的离心泵并确定离心泵额定功率下的转速；根据功率与转速设计选用离心泵叶片及尾部涡轮叶片。
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