航深對(duì)水下航行體動(dòng)力性能的影響及改善方法

【裝備理論與裝備技術(shù)】

航深對(duì)水下航行體動(dòng)力性能的影響及改善方法

豐少偉，楊云生，劉佳

(海軍工程大學(xué)，武漢430033)

摘要：水下航行體的動(dòng)力系統(tǒng)由于直接向外界海水環(huán)境排出尾氣致使其動(dòng)力性能受到航行深度的制約，隨著航深的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低并且燃料消耗量增加。在現(xiàn)有動(dòng)力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了半閉式循環(huán)結(jié)構(gòu)，使發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓不直接受制于外界環(huán)境，從而改善了航深對(duì)動(dòng)力性能的影響，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。

關(guān)鍵詞：航深；發(fā)動(dòng)機(jī)效率；燃料消耗量；半閉式循環(huán)；功率

收稿日期：2014-10-29

作者簡(jiǎn)介：豐少偉(1975—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事艦船裝備綜合保障研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.06.002

中圖分類號(hào)：U661.1；TJ7

文章編號(hào)：1006-0707(2015)06-0007-04

收稿日期：2014-11-20

基金項(xiàng)目：第二炮兵工程大學(xué)基金“導(dǎo)彈作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)與作戰(zhàn)效能評(píng)估研究”(DXJY2012-C19)

本文引用格式：豐少偉，楊云生，劉佳.航深對(duì)水下航行體動(dòng)力性能的影響及改善方法[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(6):7-10.

Citation format:FENG Shao-wei, YANG Yun-sheng, LIU Jia.Research on Influence of Sailing Depth on Power of Underwater Body and Improving Method[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(6):7-10.

Research on Influence of Sailing Depth on Power of Underwater

Body and Improving Method

FENG Shao-wei, YANG Yun-sheng, LIU Jia

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract:The power performance of the power system in one type of underwater body is tied to its sailing depth because of exhausting its tail gas to the water environment around it directly. The engine efficiency decreases and fuel consumption increases along with the sailing depth increasing. The thesis put forward semi closed cycle structure based on the existing power system in order to make the engine exhaust backpressure not be affected directly by the environment and so as to improve the influence of sailing depth on power and the engine power.

Key words: sailing depth；engine efficiency；fuel consumption；semi closed cycle; power

水下航行體能夠在水中自動(dòng)航行，并且具有速度快、航程遠(yuǎn)、航深大等特點(diǎn)，其航行能力依賴于動(dòng)力系統(tǒng)的推進(jìn)作用。動(dòng)力系統(tǒng)占據(jù)了水下航行體體積和質(zhì)量的大部分，對(duì)于航行體的航程、航速、航深、可靠性、安靜性等多種性能具有重大影響[1]。水下航行體的動(dòng)力系統(tǒng)分為電動(dòng)力系統(tǒng)和熱動(dòng)力系統(tǒng)兩種，其中熱動(dòng)力系統(tǒng)采用燃?xì)饣蛘羝夹g(shù)，利用燃料的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱能推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作，熱動(dòng)力系統(tǒng)因?yàn)榫哂休^高的能量?jī)?chǔ)備而往往功率強(qiáng)大，所以航行體的航速高、航速遠(yuǎn)，機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)。在目前乃至將來很長一段時(shí)期，熱動(dòng)力系統(tǒng)依然具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[2]。

出于當(dāng)前迫切的實(shí)際需求，航行深度成為水下航行體性能的一個(gè)重量級(jí)指標(biāo)，而航行體能夠達(dá)到的航深與動(dòng)力系統(tǒng)的抗背壓能力十分相關(guān)。背壓是指發(fā)動(dòng)機(jī)排氣出口處的氣體壓力。目前很多國家很多型號(hào)的水下航行體都采用將發(fā)動(dòng)機(jī)做功后產(chǎn)生的尾氣直接排放到外界海水環(huán)境的動(dòng)力系統(tǒng)[3]。這種動(dòng)力系統(tǒng)可以稱為開式循環(huán)系統(tǒng)，其排氣路徑如圖1所示。

開式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的缺陷在于，當(dāng)水下航行體的航行深度增大時(shí)，體外的海水壓強(qiáng)隨之增大，為使尾氣順利排出，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓也必然隨之上升。為保持必要的航速，就要使發(fā)動(dòng)機(jī)保持一定的輸出功率，那么當(dāng)排氣背壓增大時(shí)就需要使發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣壓強(qiáng)相應(yīng)的提高，這就會(huì)使進(jìn)入燃燒室的燃料消耗量增加。在水下航行體可攜帶的燃料一定的情況，這勢(shì)必減小了水下航行體的航程，并且航深越大，航程的損失也越大。而如果要在航深增大時(shí)使航行體保持必要的航程，那么航速就會(huì)很難達(dá)到要求。綜合上述分析，為保持動(dòng)力性能，航深不可能太大。所以當(dāng)前許多國家生產(chǎn)的熱動(dòng)力水下航行體所能達(dá)到的航深一直徘徊不前，無法很好地滿足現(xiàn)實(shí)需要。

圖1　開式循環(huán)的排氣路徑

如果能夠改善動(dòng)力系統(tǒng)的排氣背壓，讓排氣背壓不受航深的影響，使背壓保持在較低的水平，那么上述問題就可以很好地解決。較低的排氣背壓可以使發(fā)動(dòng)機(jī)在保持當(dāng)前進(jìn)氣壓強(qiáng)的情況下提高輸出功率，進(jìn)而提高水下航行體的航速；也可以在保持當(dāng)前輸出功率的情況下降低進(jìn)氣壓強(qiáng)，從而減少燃料消耗量，提高水下航行體的航程?？偠灾瑢?duì)于同樣一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，如果能設(shè)法使其在較低的排氣背壓下工作，就可以表現(xiàn)出更好的動(dòng)力性能，水下航行體的航行能力就會(huì)大為改善。

1航深對(duì)動(dòng)力性能的影響

1.1航深對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的影響

發(fā)動(dòng)機(jī)效率將直接受到水下航行體所處海水深度的影響?？赏ㄟ^發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的示功圖來計(jì)算這種關(guān)聯(lián)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際循環(huán)過程要比其理想循環(huán)過程復(fù)雜，在分析氣體工質(zhì)各熱力參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的影響上，使用理想循環(huán)更加簡(jiǎn)便直接。理想狀況下發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的示功如圖2所示[4]。

圖2　理想循環(huán)的示功圖

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的循環(huán)過程分為等壓進(jìn)氣過程(0-1)、絕熱等熵膨脹過程(1-2)、等壓排氣過程(2-3)、定容壓縮過程(3-0)4個(gè)部分。工質(zhì)以壓強(qiáng)p1等壓進(jìn)入氣缸，之后在膨脹過程中壓強(qiáng)不斷下降，等活塞移動(dòng)到后止點(diǎn)時(shí)工質(zhì)壓強(qiáng)恰好等于排氣的海水背壓。進(jìn)入排氣過程后工質(zhì)以壓強(qiáng)p2等壓的從氣缸內(nèi)排出，直到活塞到達(dá)前止點(diǎn)，這時(shí)候新一輪的工質(zhì)從配氣閥進(jìn)入氣缸，缸內(nèi)壓強(qiáng)瞬間增大到p1。

理想循環(huán)中工質(zhì)做的功Wt即等于示功圖中各個(gè)過程代表的線段所圍成的圖形的面積，經(jīng)過積分計(jì)算，可得

(6)

(7)

圖3　壓強(qiáng)比對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率的影響

當(dāng)水下航行體航深增大時(shí)，因外界環(huán)境壓強(qiáng)的提高與保證輸出功率的需要，排氣壓強(qiáng)p2和進(jìn)氣壓強(qiáng)p1將同時(shí)增大，故p2/p1增大，結(jié)合圖3，可知發(fā)動(dòng)機(jī)效率將下降。反之，在較小的航深下，p2/p1較小，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率是較高的。

1.2航深對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗量的影響

再從燃料消耗角度來看開式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的弊端。發(fā)動(dòng)機(jī)的效率如果從功的角度計(jì)算，就如式(7)的計(jì)算方法；如果從功率角度就算，效率就等于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與每秒所消耗的燃料所具有的熱能之比[6]，如下

(8)

式中：mp為燃料秒耗量；Q0為單位質(zhì)量的燃料燃燒所釋放的熱能。在發(fā)動(dòng)機(jī)功率P穩(wěn)定的情況下，mp與η呈明顯的反比例關(guān)系。所以，根據(jù)圖3，可知在航深增大時(shí)，mp必然在增加。

現(xiàn)在對(duì)航深對(duì)mp的影響進(jìn)行定量的計(jì)算。在海水環(huán)境中，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作所需要的排氣壓強(qiáng)p2滿足

p2=pb+Δp

(9)

Δp為排氣閥閥阻壓強(qiáng)，取Δp=0.50 MPa，從氣缸排出的尾氣在內(nèi)軸腔中的沿程損耗極小，可以忽略。pb為外界海水壓強(qiáng)，計(jì)算式為

pb=(0.1013+0.01H)·106

(10)

可以得到p2隨著航深H的變化規(guī)律如圖4所示。

假設(shè)水下航行體的基準(zhǔn)航深為200 m，由圖4可得在基準(zhǔn)航深下發(fā)動(dòng)機(jī)排氣壓強(qiáng)p2=2.50 MPa。

動(dòng)力系統(tǒng)的比功率決定了水下航行體的航速。為確保穩(wěn)定的航速，應(yīng)使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率P基本保持不變，所以任何一組進(jìn)氣壓強(qiáng)p1和排氣壓強(qiáng)p2的數(shù)值都需要滿足式(11)

P=ηmn0niηαVc(αp1-βp2)

(11)

式中：ηm為機(jī)械效率，可取0.9；ηα為豐滿系數(shù)，可取為0.8；α、β為發(fā)動(dòng)機(jī)常數(shù)，取α=0.8515，β=1.008 7；在200 m航深下，假設(shè)進(jìn)氣壓強(qiáng)p1=18.40 MPa，相應(yīng)的進(jìn)氣溫度T1=1 500K，背壓p2=2.50 MPa。代入式(11)，可求得穩(wěn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。再將穩(wěn)定的功率回代到(11)，即可得到p1和p2的確切關(guān)系，進(jìn)而得到不同的p2所對(duì)應(yīng)的p1的值。

聯(lián)立方程式(9)、式(10)、式(11)，可以得到氣缸內(nèi)工質(zhì)消耗量mp隨航深H的變化規(guī)律如圖5所示。

圖4　排氣壓強(qiáng)隨航深的變化

圖5　工質(zhì)消耗量隨航深的變化

在水下航行體攜帶燃料總量不變的情況下，mp的增加必將降低發(fā)動(dòng)機(jī)的做功時(shí)間，減少了航程。文獻(xiàn)[7]中關(guān)于有效燃料消耗率的數(shù)據(jù)也說明了這一點(diǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　不同排氣背壓下的有效燃料消耗率

由表1中數(shù)據(jù)可知，在水下航行體航深增加、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓增大的時(shí)候，有效燃料消耗率變大，即在放出相同的能量的情況下，在大航深下需要消耗更多的燃料。

綜合本節(jié)的內(nèi)容，可知航深增加將使發(fā)動(dòng)機(jī)效率下降、燃料消耗量增加，動(dòng)力系統(tǒng)的開式循環(huán)方式直接制約著水下航行體航行性能的提升。

2改善方法研究

為改善航深對(duì)水下航行體動(dòng)力性能的影響，本文提出半閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。半閉式循環(huán)是在開式循環(huán)的基礎(chǔ)上演變而來的。開式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)中，工質(zhì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸做功后形成的廢氣直接排向外界的海水環(huán)境；而在半閉式循環(huán)系統(tǒng)中，在水下航行體后段相應(yīng)的空間內(nèi)搭建了冷卻結(jié)構(gòu)，廢氣從發(fā)動(dòng)機(jī)出來后進(jìn)入該冷卻結(jié)構(gòu)，以殼體為導(dǎo)熱介質(zhì)被環(huán)境海水所冷卻，溫度的降低將使廢氣形成部分液態(tài)成分，其余氣態(tài)組分經(jīng)冷卻后體積也大為減小，之后將經(jīng)冷卻后的氣液產(chǎn)物用相應(yīng)的泵排到外界。被冷卻后的氣液組分相比不經(jīng)冷卻的尾氣，更能滿足泵的工作條件；并且由于尾氣被冷卻后密度變大，提高了泵的吸入效率，降低了泵的功率消耗。

在半閉式循環(huán)中，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣背壓等于泵的入口壓力與尾氣在冷卻腔中的壓力降之和，在水下航行體的航深較大時(shí)，該和值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外界的海水壓力；同時(shí)，將泵的功率消耗控制在一定范圍內(nèi)，就可以有效減弱航深對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)功率和效率的負(fù)面影響，可以讓動(dòng)力系統(tǒng)原本用于抵消航深影響的能力直接轉(zhuǎn)化為輸出有效功率的能力，從而在相同的航深下增大了水下航行體的航速和航程。

瑞典某型先進(jìn)的高速遠(yuǎn)程水下航行體即采用了半閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)。該型水下航行體采用凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)，以柴油和過氧化氫作為燃料，航深最大到500 m，具有較為優(yōu)越的航行性能[8]。該型水下航行體的動(dòng)力系統(tǒng)主要由燃料箱、氧化劑/水箱、控制系統(tǒng)、氣體發(fā)生器、發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、冷凝器等組成。做功后的廢氣流入冷凝器，形成的液態(tài)水被重復(fù)利用，二氧化碳?xì)怏w經(jīng)壓縮機(jī)的兩級(jí)壓縮后被排入海水環(huán)境中。該系統(tǒng)降低了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓，動(dòng)力性能受航深的影響相比開式循環(huán)要小很多。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理如圖6所示。

圖6　瑞典某水下航行體的半閉式循環(huán)系統(tǒng)

當(dāng)尾氣在不同的排氣壓強(qiáng)下進(jìn)入冷卻冷凝結(jié)構(gòu)后，產(chǎn)生的壓力降也會(huì)有所差異，需要針對(duì)每種排氣壓強(qiáng)分別分析和計(jì)算尾氣的溫度降和壓力降?？梢源_定的是，該冷卻冷凝機(jī)構(gòu)能夠使尾氣產(chǎn)生較為明顯的溫度降和一定的壓力降。這樣，就為下一步用泵將冷卻冷凝后的氣液混合組分吸入泵中并排出體外提供了良好的工作條件。冷卻冷凝后的氣體更適合泵吸入，并且對(duì)于提高泵的效率、減小泵對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率消耗大有裨益。

圖7　不同航深下輸出功率隨排氣背壓的變化

可知，保持水下航行體發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)前的進(jìn)氣壓強(qiáng)不變，在暫時(shí)不計(jì)泵的功率消耗的情況下，經(jīng)過半閉式循環(huán)改造的動(dòng)力系統(tǒng)的輸出功率相比現(xiàn)有的輸出功率，是有較為明顯的提高的。相比目前的開式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的輸出功率，半閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的輸出功率所提高的百分比φ如圖8所示。

圖8　不同航深下輸出功率提高的百分比

可見，越是大航深，半閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)具有的動(dòng)力優(yōu)勢(shì)越是明顯。而且，隨著排氣背壓的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率是在不斷降低的。即使計(jì)入泵的消耗功率，只要使其保持在一定限度內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率依然能夠獲得一定提高的空間。

所以在今后泵的設(shè)計(jì)和選型中，要注意使其入口壓力盡可能小，但是還要保證泵的功率消耗量不能超過排氣背壓降低給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來的功率提升量，所以泵的入口壓力應(yīng)該存在一個(gè)局部較優(yōu)值，該值的正確計(jì)算十分重要。

3結(jié)束語

本研究定性和定量研究了航深對(duì)水下航行體動(dòng)力性能的制約，指出航深越大，發(fā)動(dòng)機(jī)效率越低并且燃料消耗量越大，并且針對(duì)此問題提出可以改善航深帶來影響的半閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)；進(jìn)行了半閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并在理論上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的改善進(jìn)行了計(jì)算。

本研究著力推動(dòng)開式循環(huán)向半閉式循環(huán)的過渡，為進(jìn)一步完善半閉式循環(huán)系統(tǒng)的理論研究和工程應(yīng)用提供了借鑒，為改善水下航行體的航行性能開辟了一個(gè)前進(jìn)方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬春燕．魚雷武器[J]．現(xiàn)代軍事，1995(11)：51-52.

[2]查志武，史小鋒，錢志博．魚雷熱動(dòng)力技術(shù)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[3]石秀華，王曉娟．水中兵器概論(魚雷分冊(cè))[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[4]馬世杰．魚雷熱動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)原理[M]．北京：兵器工業(yè)出版社，1992.

[5]王保國，劉淑艷，劉艷明，等．空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[6]趙寅生．魚雷渦輪機(jī)原理[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[7]陳宜輝，王樹宗，昌放輝，等．活塞式魚雷凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)配氣參數(shù)優(yōu)化研究[J]．艦船科學(xué)技術(shù)，2005，27(6)：61-62.

[8]崔緒生．國外魚雷技術(shù)進(jìn)展綜述[J]．魚雷技術(shù)，2003，11(1)：6-11.

(責(zé)任編輯周江川)