CN116022318B - 两相凝结增压推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两相凝结增压推进装置，包括包括依次连接的进口段、混合增压段、喉管段和扩张段。其中，进口段远离混合增压段的一端具有冷水入口，进口段内设置有依次连通的第一气箱、第二气箱和第三气箱。其中，进口段的顶部具有开口，高压蒸汽管路的一端竖直通过开口与第一气箱相连通，高压蒸汽管路的另一端具有蒸汽入口，高压蒸汽管路中部开设有第一不凝气入口。第一气箱上开设有第一出气口，第二气箱上开设有第二不凝气入口和第二出气口，第三气箱上开设有第三不凝气入口和第三出气口。借此，本发明的两相凝结增压推进装置，可显著降低蒸汽‑水直接接触冷凝能质传递速率，增加了调控能力，提升了装置推进效率，且提升了装置安全可靠性。

Description

两相凝结增压推进装置

技术领域

本发明是关于海洋平台动力领域，特别是关于一种两相凝结增压推进装置。

背景技术

常见的海洋平台动力推进系统包含螺旋桨推进装置、发配电装置、电力变换装置等复杂的动力转换装置及辅助系统，存在体积占比达、振动噪声大、可靠性低等诸多问题，尤其是在高速航行工况，螺旋桨由于汽蚀等现象存在，效率显著下降，安全可靠性受到极大威胁，限制了海洋平台有效负载、机动性、噪声、可靠性等核心性能指标的提升。开发具有高功率密度、高可靠性、低噪声的新型动力系统，是研制新一代先进水下航行器的必然要求。

英国Pursuit Marine Drive Ltd.公司率先提出气液凝结增压推进器的概念设计，利用高压蒸汽引射低压过冷水，将蒸汽潜热转变为压力能以实现增压，达到推进的目的，实现了将蒸汽潜热直接转换为推进动能的新型水下推进方式。一方面摆脱了水下航行器对螺旋桨的依赖，减少大量的机械传动部件；另一方面，气液凝结增压推进的噪声频谱呈随机性，可以消除因螺旋桨空化而产生的特征线谱噪声对其隐身性的影响。相对于传统螺旋桨推进技术，新型气液凝结增压推进技术具有结构简单、功率密度高、噪声低可靠性高等诸多优点。

然而实际运行过程中，蒸汽与水直接接触冷凝过程过于剧烈，过快传热传质速率导致大量潜热未能及时转化为推进动能，另一方面也给调控预留时间带来极大挑战，导致该推进方式存在效率低、可控性差等缺陷，限制了其进一步推广应用。而现有不凝气掺混结构不凝气从环形空腔高速喷入混合腔室，严重阻隔了蒸汽与过冷水的接触冷凝，需携带不凝气含量大，造成混合腔室所需空间增大，蒸汽-过冷水接触不充分等问题。故如何通过合理的蒸汽-不凝气掺混、优化喷气结构成为提升装置紧凑性、推进效率、可控性的关键。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两相凝结增压推进装置，可显著降低蒸汽-水直接接触冷凝能质传递速率，增加了调控能力，提升了装置推进效率，且提升了装置安全可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种两相凝结增压推进装置，包括包括依次连接的进口段、混合增压段、喉管段和扩张段.其中，进口段远离混合增压段的一端具有冷水入口，进口段内设置有依次连通的第一气箱、第二气箱和第三气箱。其中，进口段的顶部具有开口，高压蒸汽管路的一端竖直通过开口与第一气箱相连通，高压蒸汽管路的另一端具有蒸汽入口，且高压蒸汽管路中部开设有第一不凝气入口。其中，第一气箱上开设有第一出气口，第二气箱上开设有第二不凝气入口和第二出气口，且第三气箱上开设有第三不凝气入口和第三出气口。其中，进口段内还设有第一环状进气机构、第二环状进气机构和第三环状进气机构，且第一环状进气机构的进气口与第一出气口相连接，第二环状进气机构的进气口与第二出气口相连接，第三环状进气机构的进气口与第三出气口相连接。其中，第一不凝气通过第一不凝气入口进入高压蒸汽管路与蒸汽进行预混，从而形成低含量不凝气的第一高压混合气体。其中，一部分高压混合气体通过第一气箱和第一环状进气机构进入混合增压段，且另一部高压混合气体通过第一气箱进入第二气箱和第三气箱。其中，第二不凝气通过第二不凝气入口进入第二气箱，并与第二气箱内的第一高压混合气体进行混合，从而形成第二高压混合气体，一部分第二高压混合气体通过第二环状进气机构进入混合增压段，且另一部分第二高压混合气体进入第三气箱。其中，第三不凝气通过第三不凝气入口进入第三气箱，并与第三气箱内的第二高压混合气体进行混合，从而形成第三高压混合气体，且第三高压混合气体通过第三环状进气机构进入混合增压段。其中，冷水入口用以供冷水进入混合增压段，且第一高压混合气体、第二高压混合气体及第三高压混合气体在混合增压段与冷水进行充分接触冷凝，从而产生推力，进而使接触冷凝后的流体进入喉管段进行整流，且整流后进入扩张段后流出。

在本发明的一实施方式中，第一出气口开设于第一气箱的底部上，第二不凝气入口开设于第二气箱的顶部上，并穿出进口段，且第二出气口开设于第二气箱的底部上。

在本发明的一实施方式中，第三不凝气入口开设于第三气箱的顶部上，并穿出进口段，且第三出气口开设于第三气箱的底部上。

在本发明的一实施方式中，第一气箱、第二气箱和第三气箱均固定设置在进口段的顶部上，且第一气箱、第二气箱和第三气箱是沿冷水流动方向依次设置的。

在本发明的一实施方式中，第三高压混合气体的不凝气含率大于第二高压混合气体的不凝气含率，第二高压混合气体的不凝气含率大于第一高压混合气体的不凝气含率，且不凝气含率为0.5％至15％。

在本发明的一实施方式中，第一气箱与第二气箱的连接处和第二气箱和第三气箱的连接处均设置有单向阀。

在本发明的一实施方式中，第一环状进气机构、第二环状进气机构和第三环状进气机构内均设置有超声速喷嘴，且超声速喷嘴用以将第一高压混合气体、第二高压混合气体和第三高压混合气体加速至超声状态，并喷入至混合增压段中与冷水进行充分接触冷凝。

在本发明的一实施方式中，第一环状进气机构、第二环状进气机构和第三环状进气机构上均开设有多个喷射孔，超声速喷嘴朝向多个喷射孔，多个喷射孔均朝向混合增压段，且多个喷射孔之间间隔大于等于4倍喷射孔的直径。

在本发明的一实施方式中，第一环状进气机构、第二环状进气机构和第三环状进气机构上的多个喷射孔布置呈上疏下密布置。

在本发明的一实施方式中，第一环状进气机构、第二环状进气机构和第三环状进气机构之间相隔大于等于喷射孔直径的25倍。

与现有技术相比，根据本发明的两相凝结增压推进装置，添加有限不凝气与蒸汽预混，可显著降低蒸汽-水直接接触冷凝能质传递速率，增加了调控能力，提升装置推进效率，同时避免了传统不凝气掺混方式引起的阻隔蒸汽-过冷水接触、不凝气消耗量大等问题；同时压力波动较小，提升了装置安全可靠性；采用多层环状进气结构可使高压混合气与环境水充分接触，充分释放蒸汽潜热转化为推力，提升了推进装置的推力与效率。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的两相凝结增压推进装置的主视结构示意图；

图2是根据本发明一实施方式的两相凝结增压推进装置的多层环状进气结构示意图；

图3是根据本发明一实施方式的两相凝结增压推进装置的喷射孔的截面结构示意图。

主要附图标记说明：

1-进口段，2-混合增压段，3-喉管段，4-扩张段，5-冷水入口，6-第一气箱，7-第二气箱，8-第三气箱，9-高压蒸汽管路，10-蒸汽入口，11-第一不凝气入口，12-第二不凝气入口，13-第三不凝气入口，14-第一环状进气机构，15-第二环状进气机构，16-第三环状进气机构，17-连接管路，18-喷射孔，19-缩放结构。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

图1是根据本发明一实施方式的两相凝结增压推进装置的主视结构示意图。图2是根据本发明一实施方式的两相凝结增压推进装置的多层环状进气结构示意图。图3是根据本发明一实施方式的两相凝结增压推进装置的喷射孔的截面结构示意图。

如图1至图3所示，根据本发明优选实施方式的一种两相凝结增压推进装置，包括包括依次连接的进口段、混合增压段、喉管段和扩张段.其中，进口段远离混合增压段的一端具有冷水入口，进口段内设置有依次连通的第一气箱、第二气箱和第三气箱。其中，进口段的顶部具有开口，高压蒸汽管路的一端竖直通过开口与第一气箱相连通，高压蒸汽管路的另一端具有蒸汽入口，且高压蒸汽管路中部开设有第一不凝气入口。其中，第一气箱上开设有第一出气口，第二气箱上开设有第二不凝气入口和第二出气口，且第三气箱上开设有第三不凝气入口和第三出气口。其中，进口段内还设有第一环状进气机构、第二环状进气机构和第三环状进气机构，且第一环状进气机构的进气口与第一出气口相连接，第二环状进气机构的进气口与第二出气口相连接，第三环状进气机构的进气口与第三出气口相连接。其中，第一不凝气通过第一不凝气入口进入高压蒸汽管路与蒸汽进行预混，从而形成低含量不凝气的第一高压混合气体。其中，一部分高压混合气体通过第一气箱和第一环状进气机构进入混合增压段，且另一部高压混合气体通过第一气箱进入第二气箱和第三气箱。其中，第二不凝气通过第二不凝气入口进入第二气箱，并与第二气箱内的第一高压混合气体进行混合，从而形成第二高压混合气体，一部分第二高压混合气体通过第二环状进气机构进入混合增压段，且另一部分第二高压混合气体进入第三气箱。其中，第三不凝气通过第三不凝气入口进入第三气箱，并与第三气箱内的第二高压混合气体进行混合，从而形成第三高压混合气体，且第三高压混合气体通过第三环状进气机构进入混合增压段。其中，冷水入口用以供冷水进入混合增压段，且第一高压混合气体、第二高压混合气体及第三高压混合气体在混合增压段与冷水进行充分接触冷凝，从而产生推力，进而使接触冷凝后的流体进入喉管段进行整流，且整流后进入扩张段后流出。

在本发明的一实施方式中，第一出气口开设于第一气箱的底部上，第二不凝气入口开设于第二气箱的顶部上，并穿出进口段，且第二出气口开设于第二气箱的底部上。

在本发明的一实施方式中，第三不凝气入口开设于第三气箱的顶部上，并穿出进口段，且第三出气口开设于第三气箱的底部上。

在本发明的一实施方式中，第一气箱、第二气箱和第三气箱均固定设置在进口段的顶部上，且第一气箱、第二气箱和第三气箱是沿冷水流动方向依次设置的。

在本发明的一实施方式中，第三高压混合气体的不凝气含率大于第二高压混合气体的不凝气含率，第二高压混合气体的不凝气含率大于第一高压混合气体的不凝气含率，且不凝气含率为0.5％至15％。

在本发明的一实施方式中，第一气箱与第二气箱的连接处和第二气箱和第三气箱的连接处均设置有单向阀。

在本发明的一实施方式中，第一环状进气机构、第二环状进气机构和第三环状进气机构内均设置有超声速喷嘴，且超声速喷嘴用以将第一高压混合气体、第二高压混合气体和第三高压混合气体加速至超声状态，并喷入至混合增压段中与冷水进行充分接触冷凝。

在本发明的一实施方式中，第一环状进气机构、第二环状进气机构和第三环状进气机构上均开设有多个喷射孔，超声速喷嘴朝向多个喷射孔，多个喷射孔均朝向混合增压段，且多个喷射孔之间间隔大于等于4倍喷射孔的直径。

在本发明的一实施方式中，第一环状进气机构、第二环状进气机构和第三环状进气机构上的多个喷射孔布置呈上疏下密布置。

在本发明的一实施方式中，第一环状进气机构、第二环状进气机构和第三环状进气机构之间相隔大于等于喷射孔直径的25倍，且第一环状进气机构、第二环状进气机构和第三环状进气机构均为多层环状进气机构。

现有气液凝结增压推进器由于蒸汽-水直接接触过程传热传质系数大，过程过于剧烈迅速导致大量潜热未能及时转化为推进动能，调控能力十分微弱等缺点，而从环形空腔中注入不凝气的方法由于在蒸汽与水之间形成“气膜”，过度阻碍蒸汽与过冷水接触冷凝，造成混合腔室空间增大，蒸汽-过冷水接触不充分、调控依然困难等问题。同时采用该方式蒸汽与过冷水之间未能充分接触，其增压效果受到影响。而本发明的两相凝结增压推进装置提出通过蒸汽-不凝气不同比例的提前预混、分区多层射流的方式，能在有效降低纯蒸汽-水直接接触冷凝传热传质系统的同时，不影响蒸汽-水界面面积，从而使得蒸汽潜热充分释放；同时利用不同比例的蒸汽-不凝气预混气体在不同区分层射流的方式喷出，避免了不凝气壅塞，进一步提升两相凝结增压推进效率，实现其有效调控。详细来说，本发明的两相凝结增压推进装置包括依次连接的进口段、混合增压段、喉管段和扩张段等。海洋平台两相凝结增压推进装置当前面临两大难题：一是蒸汽-水直接接触冷凝速度过快，难以调控；二是蒸汽-水接触面积有限，汽化潜热难以充分转化，产生推力有限，效率较低；同时蒸汽-水直接接触冷凝由于气泡剧烈收缩破裂，产生剧烈压力波动，一方面对壁面损伤加剧，影响设备安全可靠性，另一方面加剧振动噪声，影响舒适性。

本发明采用蒸汽-不凝气预混策略，不凝气掺混有效延缓了蒸汽-水直接接触冷凝，使得蒸汽潜热充分释放，另一方面由于不凝气的存在，提供一定的缓冲作用，阻止气泡瞬时破裂，防止压力剧烈波动，提升安全可靠性，降低振动噪声。采用布置在推进器中心位置的多层环状进气结构，使得高压气体与环境中的水介质充分接触，增大接触面积，提升装置推力。

其中不凝气通过第一不凝气进气口注入高压蒸汽管路，提前预混，形成低含量不凝气的高压混合气体，压力不低于2MPa，经过第一气箱后注入多层环状进气结构，通过超声速喷嘴加速至超声速状态，喷入环境水介质中，与水介质充分接触冷凝，产生推力。

其中第二不凝气进气口将不凝气注入第二气箱，第三不凝气进气口将不凝气注入第三气箱，第一气箱、第二气箱和第三气箱沿水介质流动方向布置，不凝气含率依次增加，不凝气含率为0.5％-15％。

其中沿水介质来流方向布置多个多层环状进气结构，多层环状结构直径依次增大，喷射孔朝向后方设置，喷射孔之间间隔不小于4倍喷射孔直径。

其中环状进气结构上喷射孔布置呈上疏下密布置，多个多层环状进气结构之间相隔不小于喷射孔16直径的25倍。

其中第一气箱、第二气箱、第三气箱之间设置有单向阀，防止气体回流。

其中多层环状进气结构可布置于进口段及混合增压段区域，被加速流体在经过混合增压段加速后进入喉管段区域整流，经过扩张段后流出推进器。

按照本发明提供的两相凝结增压推进装置，采用蒸汽-不凝气预混减缓蒸汽-水直接接触冷凝速率，调控冷凝过程，提升了推进效率，减少了压力振荡，提升了设备安全可靠性；同时通过多层环状进气结构实现气-水充分接触，提升推力，进一步提升了推进效率。

如图1所示，蒸汽从高压蒸汽管路进入两相凝结增压推进装置，其中在高压蒸汽管侧通过第一不凝气进气口将不凝气注入高压蒸汽管路，形成低不凝气含量混合气体，进入第一气箱，并通过连接管路注入多层环状进气结构，通过多层环状进气结构中的超声速喷嘴喷入水介质环境中，引射水流形成推力，同时蒸汽-水直接接触冷凝，部分蒸汽潜热释放转化为推力，其中沿环状结构上喷嘴成上疏下密布置(多个喷嘴与多个喷射孔相对应)，避免不凝气壅塞，同时喷射孔间距设置为不小于4倍喷射孔直径，防止射流之间干扰；多层环状进气结构之间间距不小于喷射孔直径25倍，防止射流之间干扰。被加速后流体依次经过混合增压段、喉管段和扩张段流出推进装置，产生推力。

如图2所示(图示中为三层)，喷射孔呈上疏下密布置，防止不凝气壅塞。图3显示了喷射孔截面示意图，其中喷射孔为一缩放结构。本发明采用多层环状进气结构，实现了混合气体与环境水充分接触，充分释放蒸汽潜热转化为推力的能力，提升了推进装置推力与效率；采用上疏下密的喷射孔布置方式，避免了下游不凝气壅塞；采用沿流动方向多层环状进气结构不凝气含率依次增大方式，避免前端不凝气壅塞，利用逐渐增大的流速实现不凝气快速夹带出去；采用不凝气-蒸汽提前预混方式，避免了不凝气隔膜带来的阻塞，减小不凝气供气量，同时便于调控。

总之，本发明的两相凝结增压推进装置，添加有限不凝气与蒸汽预混，可显著降低蒸汽-水直接接触冷凝能质传递速率，增加了调控能力，提升装置推进效率，同时避免了传统不凝气掺混方式引起的阻隔蒸汽-过冷水接触、不凝气消耗量大等问题；同时压力波动较小，提升了装置安全可靠性；采用多层环状进气结构可使高压混合气与环境水充分接触，充分释放蒸汽潜热转化为推力，提升了推进装置的推力与效率。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种两相凝结增压推进装置，其特征在于，包括依次连接的进口段、混合增压段、喉管段和扩张段；

其中，所述进口段远离所述混合增压段的一端具有冷水入口，所述进口段内设置有依次连通的第一气箱、第二气箱和第三气箱；

其中，所述进口段的顶部具有开口，高压蒸汽管路的一端竖直通过所述开口与所述第一气箱相连通，所述高压蒸汽管路的另一端具有蒸汽入口，且所述高压蒸汽管路中部开设有第一不凝气入口；

其中，所述第一气箱上开设有第一出气口，所述第二气箱上开设有第二不凝气入口和第二出气口，且所述第三气箱上开设有第三不凝气入口和第三出气口；

其中，所述进口段内还设有第一环状进气机构、第二环状进气机构和第三环状进气机构，且所述第一环状进气机构的进气口与所述第一出气口相连接，所述第二环状进气机构的进气口与所述第二出气口相连接，所述第三环状进气机构的进气口与所述第三出气口相连接；

其中，第一不凝气通过所述第一不凝气入口进入所述高压蒸汽管路与蒸汽进行预混，从而形成低含量不凝气的第一高压混合气体；

其中，一部分所述高压混合气体通过所述第一气箱和所述第一环状进气机构进入所述混合增压段，且另一部所述高压混合气体通过所述第一气箱进入所述第二气箱和第三气箱；

其中，第二不凝气通过所述第二不凝气入口进入所述第二气箱，并与所述第二气箱内的所述第一高压混合气体进行混合，从而形成第二高压混合气体，一部分所述第二高压混合气体通过所述第二环状进气机构进入所述混合增压段，且另一部分所述第二高压混合气体进入所述第三气箱；

其中，第三不凝气通过所述第三不凝气入口进入所述第三气箱，并与所述第三气箱内的所述第二高压混合气体进行混合，从而形成第三高压混合气体，且所述第三高压混合气体通过所述第三环状进气机构进入所述混合增压段；

其中，所述冷水入口用以供冷水进入所述混合增压段，且所述第一高压混合气体、所述第二高压混合气体及所述第三高压混合气体在所述混合增压段与所述冷水进行充分接触冷凝，从而产生推力，进而使接触冷凝后的流体进入所述喉管段进行整流，且整流后进入所述扩张段后流出。

2.如权利要求1所述的两相凝结增压推进装置，其特征在于，所述第一出气口开设于所述第一气箱的底部上，所述第二不凝气入口开设于所述第二气箱的顶部上，并穿出所述进口段，且所述第二出气口开设于所述第二气箱的底部上。

3.如权利要求2所述的两相凝结增压推进装置，其特征在于，所述第三不凝气入口开设于所述第三气箱的顶部上，并穿出所述进口段，且所述第三出气口开设于所述第三气箱的底部上。

4.如权利要求3所述的两相凝结增压推进装置，其特征在于，所述第一气箱、所述第二气箱和所述第三气箱均固定设置在所述进口段的顶部上，且所述第一气箱、所述第二气箱和所述第三气箱是沿冷水流动方向依次设置的。

5.如权利要求1所述的两相凝结增压推进装置，其特征在于，所述第三高压混合气体的不凝气含率大于所述第二高压混合气体的不凝气含率，所述第二高压混合气体的不凝气含率大于所述第一高压混合气体的不凝气含率，且不凝气含率为0.5%至15%。

6.如权利要求1所述的两相凝结增压推进装置，其特征在于，所述第一气箱与所述第二气箱的连接处和所述第二气箱和所述第三气箱的连接处均设置有单向阀。

7.如权利要求1所述的两相凝结增压推进装置，其特征在于，所述第一环状进气机构、所述第二环状进气机构和所述第三环状进气机构内均设置有超声速喷嘴，且所述超声速喷嘴用以将所述第一高压混合气体、所述第二高压混合气体和所述第三高压混合气体加速至超声状态，并喷入至所述混合增压段中与所述冷水进行充分接触冷凝。

8.如权利要求7所述的两相凝结增压推进装置，其特征在于，所述第一环状进气机构、所述第二环状进气机构和所述第三环状进气机构上均开设有多个喷射孔，所述超声速喷嘴朝向所述多个喷射孔，所述多个喷射孔均朝向所述混合增压段，且所述多个喷射孔之间间隔大于等于4倍所述喷射孔的直径。

9.如权利要求8所述的两相凝结增压推进装置，其特征在于，所述第一环状进气机构、所述第二环状进气机构和所述第三环状进气机构上的多个喷射孔布置呈上疏下密布置。

10.如权利要求9所述的两相凝结增压推进装置，其特征在于，所述第一环状进气机构、所述第二环状进气机构和所述第三环状进气机构之间相隔大于等于所述喷射孔直径的25倍。