CN115123508A - 一种以水力机械为动力的水下驱动系统及其优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种以水力机械为动力增压的水下驱动系统及其优化方法，属于水力机械领域与水下驱动工程领域。本发明包括水域、入水管、水力机械、高压水道、发射管和被驱动目标。本发明能够实现驱动过程中水力机械系统和驱动系统的一体化设计，能够提高对驱动过程的预测精度。采用快速启动的水力机械作为动力源，能够灵活调节系统内的压力与载荷，保证驱动过程可控、稳定，有效避免短时间驱动时最终速度波动和载荷过大等问题。启动连贯可控的水力机械适用性更强，可通过变更水力机械适应新的驱动任务。本发明能够应用于水力机械技术领域与水下驱动领域，用于水下探测器、载人运输艇、导弹和水下航行器等载荷的发射驱动。

Description

一种以水力机械为动力的水下驱动系统及其优化方法
技术领域
本发明涉及一种以水力机械为动力的水下驱动系统及其优化方法，属于水力机械领域与水下驱动工程领域。
背景技术
水下高端技术和先进装备是海洋开发利用的基础，而水下驱动装置则是水下探勘、水下开发和水下作战的重要支撑装备。传统的水下驱动装置多为化学能驱动、气液压弹射、燃气-蒸汽弹射和空气涡轮驱动等。能量储存方面，高温高压气体或化学燃料储存时间有限，无法随时待命，安全稳定性差；燃料使用方面，化学反应的不稳定使驱动性能的精确性大大降低，不清洁的能源还会带来相应的污染；结构规模角度方面，传统驱动系统复杂冗余、配件多，对灵敏度和响应程度造成较大影响，难以准确控制，从而满足现代高精度、小体积的驱动需求；对于安全隐蔽性而言，高压空气在气液缸中进行能量转换将发生大量噪声，气泡在水中压缩与溃灭也会带来较大振动；从军事需求角度考虑，驱动准备周期长、驱动时间长和无法连续驱动等问题已经成为制约水下武器进一步发展的重大障碍。
综上所述，体积小、功率大、速度高、噪声小、响应快、稳性高的驱动系统对于发展水下驱动装备至关重要。经过文献检索发现，目前暂无以水力机械为动力的水下驱动系统和水力机械-驱动系统一体化设计的相关专利。对于水下驱动装置的各种问题，发明一种以水力机械为动力的水下驱动系统装置，能根据不同的需求实现不同驱动效果，并提供该系统的设计方法。
发明内容
为解决传统水下驱动中系统复杂、储能困难、安全性低和准备时间长等问题，本发明的主要目的是提供一种以水力机械为动力增压的水下驱动系统及其优化方法，能够实现驱动过程中水力机械系统和驱动系统的一体化设计，能够提高对驱动过程的预测精度。采用快速启动的水力机械作为动力源，能够灵活调节系统内的压力与载荷，保证驱动过程可控、稳定，有效避免短时间驱动时最终速度波动和载荷过大等问题。本发明能够应用于水力机械技术领域与水下驱动领域，用于水下探测器、载人运输艇、导弹和水下航行器等载荷的发射驱动。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种以水力机械为动力的水下驱动系统，包括水域、入水管、水力机械、高压水道、发射管和被驱动目标。
所述水域是驱动系统所处的外部环境，为整个系统提供推进介质。水域与入水管与发射管相连，水深与压力处处相等。
所述入水管是系统水循环的入口，其从水域吸入低压流体引至水力机械入口。
所述水力机械是动力系统，采用叶片泵。所述水力机械是动力系统包括叶轮(动叶)、导叶(静叶)、轮毂和轮缘。水力机械的结构分为旋转部分与静止部分。旋转部分即水力机械的叶轮和叶轮相连的轮毂，该部分在电机的控制下旋转做功；静止部分即水力机械的导叶、导叶相连轮缘和轮毂，该部分起到整流、回收能量和结构支撑的作用。水力机械前段与入水管相连，后段与高压水道相连，将低压流体增压为高压流体，为后续目标的驱动提供动力。
叶片泵为离心泵或轴流泵。
所述高压水道是传输高压流体的管道，将水力机械后的高压流体运输至发射管中。高压水道的几何结构因系统所安装的载体而形状各异，同时也会产生不同程度的沿程流动损失。
所述发射管与高压水道和水域相连，其作用是支撑被驱动目标、进行驱动准备和实施驱动。
所述被驱动目标是系统将要驱动至目标水域的对象，其种类为导弹或水下探测器等。驱动开始时被驱动目标位于发射管尾部，后部与高压水道相连。被驱动目标在高压流体的作用下，因头尾的高低压差而产生加速度，在发射管内做加速运动，最终驱动至目标水域中。
本发明公开的一种以水力机械为动力的水下驱动系统的工作方法为：
开启电机，控制水力机械启动；水力机械启动后在入水管内形成低压区，由水域吸入低压流体；水力机械将电机提供的机械能转换为流体的动能和压能，将高压流体压至高压水道中；高压流体经由高压水道流动至发射管内，于被驱动目标的尾部形成流体高压区；被驱动目标在发射管内由于前后压差作用推进至水域，在发射管出口达到预定的驱动速度，实现目标的驱动。
本发明公开的一种以水力机械为动力的水下驱动系统的优化方法，包括以下步骤：
步骤一、确定被驱动目标与各项参数，确定驱动效果的需求。
确定所驱动目标的种类，根据被驱动目标的实践背景确定水域压力P0，并确定驱动效果需求包括：需求的目标最终速度V，被驱动目标最大负载，驱动许可最长时间，系统允许最大体积。采集被驱动目标的几何与物理参数包括：被驱动目标截面积S、被驱动目标质量m，被驱动目标长度l。确定系统的几何参数包括：采集入水管和高压水道的形状参数与长度，并任意给定发射管长度L。确定上述的驱动过程主要影响参数是步骤二中建立系统动力学模型的基础。
步骤二、创建驱动系统的动力学模型。
被驱动目标在直线型发射管中的驱动过程是一维直线运动，因此由牛顿第二定律得：
Figure BDA0003719419840000031
其中，F为被驱动目标受力，t为驱动时间，v为被驱动目标速度。被驱动目标因头尾两侧流体的压力差而受到正向的驱动力，又同时受流动阻力的影响，因此被驱动目标受力F又可以表示为：
F＝ΔPS-Rf＝(P-P0)S-Rf (2)
其中P为发射管入口压力，也能够等效为整个驱动过程中被驱动目标尾部的压力，Rf为目标驱动过程中受到的流动阻力，表示为：
Figure BDA0003719419840000032
其中Cw与Cf均为阻力系数，为ρ流体介质密度，Ω为被驱动目标的浸湿表面积，Re为雷诺数。
被驱动目标的周围存在环状缝隙。液体在环状缝隙中的流动受压差和壁面相对运动共同作用，因此间隙流量Qc由压差与相对运动作用下的流量相加后得到：
Qc＝Qp+Qv＝(vc+Cvv)Sc (4)
其中Qp为压差作用下的流量，Qv为相对运动作用下的流量，Cv为修正参数，当于湍流状态时Cv＝0.47，Sc为间隙面积，vc为平均间隙流速。整个间隙流动可简化为不可压缩的稳态流动，因此在压差作用下的平均间隙流速vc通过伯努利方程得到：
Figure BDA0003719419840000033
整个系统的流量Q表示为被驱动目标排出的水体积与间隙流动的流量之和：
Q＝vS+Qc (6)
被驱动目标尾部的压力P可以通过高压水道的水头计算得到：
P＝ρg(Hout-hf-hj) (7)
其中Hout为水力机械出口水头，该部分根据水力机械启动过程的外特性参数得到；hf与hj分别为水力机械后方至被驱动目标尾部的沿程阻力水头损失与局部阻力水头损失，该部分根据高压水道的几何形状确定。
对被驱动目标的运动进行积分运算，可以得到被驱动目标的速度与位移。
Figure BDA0003719419840000034
其中Lx为被驱动目标的位移，是积分后得到的随时间t变化的值。当t＝0时，Lx＝0；当Lx等于发射管长度L时，被驱动目标尾部离开发射管，目标驱动结束。
步骤三、选定水力机械的种类与型号，带入步骤二中计算方程组。初步选择水力机械的种类，确定该水力机械的外特性参数。基于水力机械的外特性参数与启动性能，得到在启动过程中水力机械后部水头(或扬程)与时间t的关系，即步骤二中的Hout。将Hout带入步骤二中的方程(7)中，实现方程组(1)-(8)的封闭。通过迭代积分计算可初步得到该驱动系统中目标的速度v与位移Lx随时间的变化曲线。
步骤四、匹配修正水力机械。基于步骤三种得到的Lx随时间的变化曲线，令Lx等于发射管长度L，即可得到驱动结束时的目标最终速度V0与驱动总时间t0。若V0大于需求的目标最终速度V，则步骤三中初步选定的该种类、型号的水力机械满足驱动系统要求；若V0小于需求速度V，则步骤三中初步选定的水力机械无法满足驱动需求，需要选择做功能力更强、扬程更高或流量更大的水力机械，重新进行步骤四直至V0大于V。
步骤五、校核其他过程参数，优化得到的水下驱动系统。校核被驱动目标加速度a以满足被驱动目标最大负载需求：若负载过高，降低步骤三中水力机械的做功能力并延长发射管长度L，重新进行步骤三和四，直至负载降低至许可负载以下。校核驱动总时间t0以满足驱动许可最长时间需求：若驱动时间过长，则需要减小发射管长度L或提高水力机械做功能力，重新进行步骤三和四，直至驱动总时间t0小于许可最长时间。校核发射管长度L以满足系统允许最大体积需求：发射管的长度决定整个发射系统的尺寸，若发射管长度过长，则需要减小L并提高水力机械做功能力，使被驱动目标在短路径内达到更高的速度，重新进行步骤三和四直至满足体积需求。
还包括步骤六：通过实验或数值计算进一步验证和优化步骤五得到的水下驱动系统，直至水下驱动系统满足预设指标要求。
有益效果：
1、本发明公开的一种以水力机械为动力增压的水下驱动系统及其优化方法，不同于一般的化学能和气动水下驱动装置，采用快速启动的水力机械作为动力源，可以灵活调节系统内的压力与载荷，保证驱动过程可控、稳定，有效避免短时间驱动时最终速度波动和载荷过大等问题，有效、可靠地完成了驱动需求。
2、本发明公开的一种以水力机械为动力增压的水下驱动系统及其优化方法，可实现任何流体内工作目标的驱动，适用范围广，灵活性高。启动连贯可控的水力机械相比于传统的罐装气动驱动和化学反应驱动适用性更强，可通过变更水力机械完成新的驱动任务，对不同型号的驱动目标适配性更好。系统具有体积小、效能高、成本低等优点，可以灵活安装在各种流体装置中，完成多种目标的驱动任务。
3、本发明公开的一种以水力机械为动力增压的水下驱动系统及其优化方法，其优化流程简便，优化过程中体现的内部机理可靠地阐述水力机械与被驱动目标之间的物理关系，有效地实现水力机械水下驱动系统的一体化设计，从而能够较为精准预测该系统的驱动过程与驱动结果。
附图说明
图1为本发明的一种以水力机械为动力增压的水下驱动系统的优化方法流程图；
图2为本发明的装置示意图；
其中，1—水域，2—入水管，3—水力机械，4—高压水道，5—被驱动目标，6—发射管。
图3为MATLAB下的Simulink模块对方程组(1)-(8)的编译程序；
图4为程序中输入的某水力机械启动过程后部水头变化曲线；
图5为程序输出的驱动过程中目标速度变化曲线；
图6为被驱动目标速度的软件试算、数值模拟和实验结果对比曲线。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例，结合附图对本发明的技术方案作进一步完整且详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
本实施例公开的一种以水力机械为动力的水下驱动系统，如图1所示。本实施例中被驱动目标为水下无人航行器(UUV)，具体实现步骤如下：
步骤一、确定被驱动目标与各项参数，确定驱动效果的需求。
水下无人航行器(UUV)是一种无人化、智能化的水下平台，通常被用于水下侦查监视、反潜排雷和导航通信等任务。美国海军在本世纪初提出水面和水下联合作战的需求，提高水面舰队、潜艇和UUV的协同作战能力。美国海军将UUV分为超大型、大型、中型和小型，本实施例选取的被驱动目标为中型UUV，其作用为海洋侦查和诱饵欺骗等，通常工作于近岸地区的浅海带(水深200m以内)。
综合以上背景，本实施例的一种以水力机械为动力的水下驱动系统将模拟装备在大型军用潜艇上，实现中型UUV在潜艇上的快速驱动、发射至目标水域，充分实现体积小、效能高和稳定性好的特点。UUV的工作水域范围为近海区，水深为10-200m。本发明的系统中入水管与发射管均在同一水域，水深不会对驱动过程造成影响，因此选取水力机械空化条件最苛刻的10m水深作为水域压力P0进行设计。本实施例中UUV在海域中将实现诱饵欺骗功能，因此需要在1s的时间内完成驱动，并以足够高的速度在10s左右靠近接战中的敌舰(100-200 m左右)，因此选取需求的最终速度V为16m/s。大型军用潜艇内部结构紧密，因此整个水下驱动系统的体积尽可能小。因此，高压水道采用紧凑的环形，发射管使用与UUV外形相同的圆柱形，发射管长度需控制在5m以内以保证整体尺寸较小。中型UUV的重量、体积适中，本实施例中认为其重100kg，长1.5m，截面积为0.05m2。总结来说，本实施例中水下驱动系统的示意图如图2所示，各项参数如表1所列。
表1驱动过程重要参数
Figure BDA0003719419840000061
步骤二，创建驱动系统的动力学模型。
基于设计方法中的步骤二，使用MATLAB下的Simulink模块对方程组(1)-(8)进行编译，搭建了积分方程计算程序，如图3所示。
步骤三、选定水力机械的种类与型号，带入步骤二中计算方程组。
初步选定该系统中的水力机械为某轴流泵，确定该轴流泵的外特性参数为：额定扬程30 m，额定流量1600kg/s。基于该轴流泵启动性能得到随时间变化曲线如图3所示，将其输入至步骤二中的MATLAB计算程序中。运行程序，得到UUV在驱动过程中每一时刻的速度v 与位移Lx数据。图5即为程序所得UUV速度v随时间变化曲线。
步骤四、匹配修正水力机械。
令Lx＝L＝5m，即可得到驱动结束时的UUV速度V0＝17.8m/s>V＝16m/s，因此步骤三中选择的水力机械的做功效果满足UUV的工作速度需求。
步骤五、校核其他过程参数，优化得到的驱动系统。
校核驱动总时间t0＝0.37s<驱动许可最长时间1s，因此驱动时间满足需求。校核发射管长度L以满足系统允许最大体积需求：可发现UUV最终速度相比于需求速度仍有较大余量，因此，适当缩小发射管长度L，从而减小整个系统的尺寸，使其更符合军事作战需求。将L 减小至4.2m，其UUV最终速度V0降至16.1m/s，满足驱动需求。发射管的长度决定了整个发射系统的尺寸，若发射管长度过长，则需要减小L并提高水力机械做功能力，使被驱动目标在短路径内达到更高的速度，重新进行步骤三和四直至满足体积需求。
步骤六，使用数值计算与实验验证设计结果。
数值计算中三维建模软件使用Solidworks，网格划分使用ANSYS ICEM与Turbogrid，计算处理使用ANSYS CFX。实验验证使用基于轴流泵的驱动试验台模拟驱动过程。软件试算、数值模拟和实验的目标速度结果如图6，三者之间结果误差不超过5％，因此认为本发明的一种以水力机械为动力的水下驱动系统是有效的，其设计过程是可靠的。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种以水力机械为动力的水下驱动系统，其特征在于：包括水域、入水管、水力机械、高压水道、发射管和被驱动目标；
所述水域是驱动系统所处的外部环境，为整个系统提供推进介质；水域与入水管与发射管相连，水深与压力处处相等；
所述入水管是系统水循环的入口，其从水域吸入低压流体引至水力机械入口；
所述水力机械是动力系统，采用叶片泵；所述水力机械是动力系统包括叶轮、导叶、轮毂和轮缘；水力机械的结构分为旋转部分与静止部分；旋转部分即水力机械的叶轮和叶轮相连的轮毂，该部分在电机的控制下旋转做功；静止部分即水力机械的导叶、导叶相连轮缘和轮毂，该部分起到整流、回收能量和结构支撑的作用；水力机械前段与入水管相连，后段与高压水道相连，将低压流体增压为高压流体，为后续目标的驱动提供动力；
所述高压水道是传输高压流体的管道，将水力机械后的高压流体运输至发射管中；高压水道的几何结构因系统所安装的载体而形状各异，同时也会产生不同程度的沿程流动损失；
所述发射管与高压水道和水域相连，其作用是支撑被驱动目标、进行驱动准备和实施驱动；
所述被驱动目标是系统将要驱动至目标水域的对象，其种类为导弹或水下探测器等；驱动开始时被驱动目标位于发射管尾部，后部与高压水道相连；被驱动目标在高压流体的作用下，因头尾的高低压差而产生加速度，在发射管内做加速运动，最终驱动至目标水域中。
2.如权利要求1所述的一种以水力机械为动力的水下驱动系统，其特征在于：叶片泵为离心泵或轴流泵。
3.如权利要求1所述的一种以水力机械为动力的水下驱动系统，其特征在于：开启电机，控制水力机械启动；水力机械启动后在入水管内形成低压区，由水域吸入低压流体；水力机械将电机提供的机械能转换为流体的动能和压能，将高压流体压至高压水道中；高压流体经由高压水道流动至发射管内，于被驱动目标的尾部形成流体高压区；被驱动目标在发射管内由于前后压差作用推进至水域，在发射管出口达到预定的驱动速度，实现目标的驱动。
4.如权利要求1、2或3所述的一种以水力机械为动力的水下驱动系统，其特征在于：优化方法包括以下步骤：
步骤一、确定被驱动目标与各项参数，确定驱动效果的需求；
确定所驱动目标的种类，根据被驱动目标的实践背景确定水域压力P0，并确定驱动效果需求包括：需求的目标最终速度V，被驱动目标最大负载，驱动许可最长时间，系统允许最大体积；采集被驱动目标的几何与物理参数包括：被驱动目标截面积S、被驱动目标质量m，被驱动目标长度l；确定系统的几何参数包括：采集入水管和高压水道的形状参数与长度，并任意给定发射管长度L；确定上述的驱动过程主要影响参数是步骤二中建立系统动力学模型的基础；
步骤二、创建驱动系统的动力学模型；
被驱动目标在直线型发射管中的驱动过程是一维直线运动，因此由牛顿第二定律得：
Figure FDA0003719419830000021
其中，F为被驱动目标受力，t为驱动时间，v为被驱动目标速度；被驱动目标因头尾两侧流体的压力差而受到正向的驱动力，又同时受流动阻力的影响，因此被驱动目标受力F又可以表示为：
F＝ΔPS-Rf＝(P-P0)S-Rf (2)
其中P为发射管入口压力，也能够等效为整个驱动过程中被驱动目标尾部的压力，Rf为目标驱动过程中受到的流动阻力，表示为：
Figure FDA0003719419830000022
其中Cw与Cf均为阻力系数，为ρ流体介质密度，Ω为被驱动目标的浸湿表面积，Re为雷诺数；
被驱动目标的周围存在环状缝隙；液体在环状缝隙中的流动受压差和壁面相对运动共同作用，因此间隙流量Qc由压差与相对运动作用下的流量相加后得到：
Qc＝Qp+Qv＝(vc+Cvv)Sc (4)
其中Qp为压差作用下的流量，Qv为相对运动作用下的流量，Cv为修正参数，Sc为间隙面积，vc为平均间隙流速；整个间隙流动可简化为不可压缩的稳态流动，因此在压差作用下的平均间隙流速vc通过伯努利方程得到：
Figure FDA0003719419830000023
整个系统的流量Q表示为被驱动目标排出的水体积与间隙流动的流量之和：
Q＝vS+Qc (6)
被驱动目标尾部的压力P可以通过高压水道的水头计算得到：
P＝ρg(Hout-hf-hj) (7)
其中Hout为水力机械出口水头，该部分根据水力机械启动过程的外特性参数得到；hf与hj分别为水力机械后方至被驱动目标尾部的沿程阻力水头损失与局部阻力水头损失，该部分根据高压水道的几何形状确定；
对被驱动目标的运动进行积分运算，可以得到被驱动目标的速度与位移；
Figure FDA0003719419830000024
其中Lx为被驱动目标的位移，是积分后得到的随时间t变化的值；当t＝0时，Lx＝0；当Lx等于发射管长度L时，被驱动目标尾部离开发射管，目标驱动结束；
步骤三、选定水力机械的种类与型号，带入步骤二中计算方程组；初步选择水力机械的种类，确定该水力机械的外特性参数；基于水力机械的外特性参数与启动性能，得到在启动过程中水力机械后部水头(或扬程)与时间t的关系，即步骤二中的Hout；将Hout带入步骤二中的方程(7)中，实现方程组(1)-(8)的封闭；通过迭代积分计算可初步得到该驱动系统中目标的速度v与位移Lx随时间的变化曲线；
步骤四、匹配修正水力机械；基于步骤三种得到的Lx随时间的变化曲线，令Lx等于发射管长度L，即可得到驱动结束时的目标最终速度V0与驱动总时间t0；若V0大于需求的目标最终速度V，则步骤三中初步选定的该种类、型号的水力机械满足驱动系统要求；若V0小于需求速度V，则步骤三中初步选定的水力机械无法满足驱动需求，需要选择做功能力更强、扬程更高或流量更大的水力机械，重新进行步骤四直至V0大于V；
步骤五、校核其他过程参数，优化得到的水下驱动系统；校核被驱动目标加速度a以满足被驱动目标最大负载需求：若负载过高，降低步骤三中水力机械的做功能力并延长发射管长度L，重新进行步骤三和四，直至负载降低至许可负载以下；校核驱动总时间t0以满足驱动许可最长时间需求：若驱动时间过长，则需要减小发射管长度L或提高水力机械做功能力，重新进行步骤三和四，直至驱动总时间t0小于许可最长时间；校核发射管长度L以满足系统允许最大体积需求：发射管的长度决定整个发射系统的尺寸，若发射管长度过长，则需要减小L并提高水力机械做功能力，使被驱动目标在短路径内达到更高的速度，重新进行步骤三和四直至满足体积需求。
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