CN115265294B - 一种带回热的水下蒸汽增压动力装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带回热的水下蒸汽增压动力装置，包括本体、增压泵、分流管以及热量回收机构，本体包括依次设置的燃料室、燃烧室以及喷管，热量回收机构包括嵌入式双螺旋换热器和蒸汽涡轮，嵌入式双螺旋换热器嵌设在燃烧室管壁内并包括增压水管、对称破缺止逆管以及水蒸汽管，水蒸气管与增压水管双螺旋设置，增压水管一端通过对称破缺止逆管与水蒸汽管一端相连接，水蒸汽管另一端与蒸汽涡轮相连接，蒸汽涡轮与增压泵相连接，增压泵通过分流管与增压水管的另一端相连接，分流管与燃烧室相连接。采用上述结构的一种带回热的水下蒸汽增压动力装置，利用燃烧室表面散热，提高进水压力，增强系统能效，达到增加动力装置比冲和能量利用率的目的。

Description

一种带回热的水下蒸汽增压动力装置
技术领域
本发明涉及水下高速航行器动力技术领域，尤其是涉及一种带回热的水下蒸汽增压动力装置。
背景技术
随着现代战争对水下航行器(鱼雷等)的航程和速度要求越来越高，有效研制大比冲的水下动力装置逐渐成为研究者们所关注的重点。目前已有大量研究表明，采用金属作为固体推进剂，并利用外部海水作为氧化剂，能够有效满足水下动力装置的大功率需求。然而，当前常规水下动力装置在航速不足、水压不够的情况下，存在着燃烧压力不足、动力比冲低、综合热效率不高等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种带回热的水下蒸汽增压动力装置，利用燃烧室表面散热，提高进水压力，增强系统能效，达到增加动力装置比冲和能量利用率的目的。
为实现上述目的，本发明提供了一种带回热的水下蒸汽增压动力装置，包括本体，所述本体包括依次设置的燃料室、燃烧室以及喷管，还包括增压泵、分流管以及热量回收机构，所述热量回收机构包括嵌入式双螺旋换热器和蒸汽涡轮，所述嵌入式双螺旋换热器嵌设在燃烧室管壁内并包括增压水管、对称破缺止逆管以及水蒸汽管，所述水蒸气管与所述增压水管双螺旋设置，所述增压水管一端通过对称破缺止逆管与所述水蒸汽管一端相连接，所述水蒸汽管另一端与所述蒸汽涡轮相连接，所述蒸汽涡轮与所述增压泵相连接，所述增压泵通过分流管与所述增压水管的另一端相连接，所述分流管与所述燃烧室相连接。
优选的，所述对称破缺止逆管包括主流管和若干交错分布在主流管外侧的止逆单元，所述主流管沿水流方向直径逐渐增大，所述止逆单元包括中心体和逆射流路，所述逆射流路设置在所述中心体的外侧并与所述主流管相连通，所述中心体倾斜设置且顶部为半圆顶，所述半圆顶的半径为主流管窄端直径的2-4倍，逆射流路的直径为主流管宽端直径的0.3-0.7倍。
优选的，所述水蒸气管与所述增压水管的外管径相同，所述水蒸气管与所述增压水管的间距为管径的1-2倍，所述水蒸气管与所述主流管的宽端相连接，所述增压水管与所述主流管的窄端相连接。
优选的，所述增压泵和所述蒸汽涡轮均安装在燃烧室的外侧。
因此，本发明采用上述结构的一种带回热的水下蒸汽增压动力装置，具有以下有益效果：
(1)增加了动力装置的燃烧效率和比冲，使用增压泵对海水进行增压后再引入燃烧室进行反应，能够有效增大海水焓值，增压后的氧化剂(即水)也可有效提高燃烧化学反应速率，提高燃烧效率，并且燃烧产物压力更高，在尾部喷管膨胀加速后使动力装置产生更大推力，以此增加比冲。
(2)提高了装置的能量利用率，经燃烧反应加热后，燃烧室内的蒸汽升至较高温度，并与燃烧室内壁发生对流换热，通过在燃烧室壁内嵌入的双螺旋设置的水蒸气管与增压水管，则可通过少部分高压水流来吸收壁面热量并带动蒸汽涡轮转化为机械功，避免该部分热量的散失问题。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种带回热的水下蒸汽增压动力装置的结构示意图；
图2为本发明一种带回热的水下蒸汽增压动力装置侧视图；
图3为本发明本体剖视图；
图4为本发明对称破缺止逆管顺向流动原理图；
图5为本发明对称破缺止逆管逆向流动原理图。
附图标记
1、本体；11、燃料室；12、燃烧室；13、喷管；2、增压泵；3、分流管；4、热量回收机构；41、嵌入式双螺旋换热器；411、增压水管；412、对称破缺止逆管；4121、主流管；4122、中心体；4123、逆射流路；413、水蒸汽管；42、蒸汽涡轮。
具体实施方式
实施例
图1为本发明一种带回热的水下蒸汽增压动力装置的结构示意图，图2为本发明一种带回热的水下蒸汽增压动力装置侧视图，图3为本发明本体剖视图，如图1-3所示，一种带回热的水下蒸汽增压动力装置，包括本体1、增压泵2、分流管3以及热量回收机构4，本体1包括依次设置的燃料室11、燃烧室12以及喷管13，增压泵2安装在燃烧室12的外侧，本实施例增压泵2采用水轮机。热量回收机构4包括嵌入式双螺旋换热器41和蒸汽涡轮42，嵌入式双螺旋换热器41嵌设在燃烧室12的管壁内并包括增压水管411、对称破缺止逆管412以及水蒸汽管413，水蒸气管413与增压水管411成双螺旋设置，增压水管411一端通过对称破缺止逆管412与水蒸汽管413一端相连接。如图4-5所示，对称破缺止逆管412包括主流管4121和若干交错分布在主流管4121外侧的止逆单元，主流管4121沿水流方向直径逐渐增大，宽端直径为H，止逆单元包括中心体4122和逆射流路4123，逆射流路4123设置在中心体4122的外侧并与主流管4121相连通，中心体4122倾斜设置，中心体4122两侧的倾斜角度不同，使得逆向流动的水进入逆射流路4213内，对水流冲击，中心体4122的顶部为半圆顶，半圆顶的半径为主流管4121窄端直径的2-4倍，逆射流路的直径为主流管宽端直径的0.3-0.7倍。当水汽化后压力增大时，由对称破缺止逆管412阻止流体反向流动，从而确保整个蒸汽增压装置的稳定运行。水蒸气管413与增压水管411的外管径(d)相同，水蒸气管413与增压水管411的间距(l)为管径的1-2倍，水蒸气管413与主流管4121的宽端相连接，增压水管411与主流管4121的窄端相连接。
水蒸汽管413另一端与蒸汽涡轮42相连接，蒸汽涡轮42安装在燃烧室12外侧并与增压泵2相连接，本实施例蒸汽涡轮42为向心涡轮，为增压泵2提供动力。增压泵2通过分流管3与增压水管411的另一端相连接，分流管3与燃烧室12相连接，一开始，海水经过增压泵2一大部分进入燃烧室12与金属粉末进行反应，另一小部分进入增压水管411与燃烧室12内壁进行热交换，使得增压水管411内水温度增高，高温水通过对称破缺止逆管412进入水蒸汽管413进一步进行热交换，使得高温水汽化，高温蒸汽进入蒸汽涡轮42产生一定的轴功，蒸汽涡轮42驱动增压泵2转动，实现水的增压进入燃烧室12。对海水完成增压后再引入燃烧室12参与反应，能够有效增大海水焓值，增压后的氧化剂(即水)也可有效提高燃烧化学反应速率，提高燃烧效率，则可进一步提高燃烧室压力，增大动力装置比冲，同时能量得到综合利用，综合利用燃烧室12表面散热，提高进水压力，增强系统能效，并且燃烧产物压力更高，在尾部喷管膨胀加速后使动力装置产生更大推力，达到增加动力装置比冲和能量利用率的目的。
因此，本发明采用上述结构的一种带回热的水下蒸汽增压动力装置，利用燃烧室表面散热，提高进水压力，增强系统能效，达到增加动力装置比冲和能量利用率的目的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种带回热的水下蒸汽增压动力装置，包括本体，所述本体包括依次设置的燃料室、燃烧室以及喷管，其特征在于：还包括增压泵、分流管以及热量回收机构，所述热量回收机构包括嵌入式双螺旋换热器和蒸汽涡轮，所述嵌入式双螺旋换热器嵌设在燃烧室管壁内并包括增压水管、对称破缺止逆管以及水蒸气管，所述水蒸气管与所述增压水管双螺旋设置，所述增压水管一端通过对称破缺止逆管与所述水蒸气管一端相连接，所述水蒸气管另一端与所述蒸汽涡轮相连接，所述蒸汽涡轮与所述增压泵相连接，所述增压泵通过分流管与所述增压水管的另一端相连接，所述分流管与所述燃烧室相连接；
所述对称破缺止逆管包括主流管和若干交错分布在主流管外侧的止逆单元，所述主流管沿水流方向直径逐渐增大，所述止逆单元包括中心体和逆射流路，所述逆射流路设置在所述中心体的外侧并与所述主流管相连通，所述中心体倾斜设置且顶部为半圆顶，所述半圆顶的半径为主流管窄端直径的2-4倍，逆射流路的直径为主流管宽端直径的0.3-0.7倍。
2.根据权利要求1所述的一种带回热的水下蒸汽增压动力装置，其特征在于：所述水蒸气管与所述增压水管的外管径相同，所述水蒸气管与所述增压水管的间距为管径的1-2倍，所述水蒸气管与所述主流管的宽端相连接，所述增压水管与所述主流管的窄端相连接。
3.根据权利要求1所述的一种带回热的水下蒸汽增压动力装置，其特征在于：所述增压泵和所述蒸汽涡轮均安装在燃烧室的外侧。
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