新型閉式鋁粉燃燒斯特林機(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型分析

金旭東, 呂 田, 蘭 健

新型閉式鋁粉燃燒斯特林機(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型分析

金旭東, 呂 田, 蘭 健

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第711研究所, 上海, 201203)

針對(duì)現(xiàn)有的動(dòng)力電池、柴油-液氧型斯特林機(jī)等常規(guī)水下動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度多在300 W?h/kg以內(nèi)的問(wèn)題, 提出了一種以鋁粉燃燒為基礎(chǔ)的新型高能量密度斯特林水下動(dòng)力系統(tǒng)方案。通過(guò)數(shù)值仿真方法, 分別構(gòu)建了鋁水燃燒聯(lián)合燃?xì)渌固亓謾C(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)以及鋁水燃燒+氫氧燃燒聯(lián)合液鈉斯特林機(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng), 并與傳統(tǒng)柴油-液氧斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了能量密度以及燃料成本的比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 鋁水燃燒聯(lián)合燃?xì)渌固亓謾C(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度高達(dá)648 Wh/L, 為傳統(tǒng)柴油-液氧斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的2倍, 燃料成本為傳統(tǒng)柴油-液氧斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的2倍; 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯(lián)合液鈉斯特林機(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度為傳統(tǒng)柴油-液氧斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的1.7倍?？梢?jiàn), 新型閉式鋁粉燃燒斯特林水下動(dòng)力系統(tǒng)有著良好的發(fā)展?jié)摿? 可為未來(lái)水下動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論參考。

水下動(dòng)力系統(tǒng); 斯特林機(jī); 鋁粉燃燒; 數(shù)值仿真

0 引言

無(wú)人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)等水下航行器的未來(lái)主要發(fā)展方向之一就是提升續(xù)航力[1-3], 長(zhǎng)航程必然對(duì)應(yīng)高能量密度的動(dòng)力系統(tǒng), 目前動(dòng)力電池、柴油-液氧型斯特林機(jī)等可用于水下航行器的常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng), 能量密度多在300 Wh/kg 以內(nèi), 不太可能滿足水下航行器未來(lái)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)要求。因此, 研發(fā)具有長(zhǎng)運(yùn)行壽命、高比功率、高能量密度、高能量效率且無(wú)污染的動(dòng)力系統(tǒng)是水下航行器未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

2002年, 美國(guó)賓西法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室提出鋁粉-海水反應(yīng)作為動(dòng)力系統(tǒng)的水下沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)概念[4], 由于金屬鋁具有高能量密度的特點(diǎn), 以及可作為氧化劑的海水能夠源源不斷地提供, 因此水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為具有很好的水下應(yīng)用前景。Bergthorson等[5-6]結(jié)合該技術(shù)并借鑒生物質(zhì)燃燒和煤粉燃燒特點(diǎn)提出了金屬空氣燃燒器, 從而更充分地利用金屬燃燒的能量, 并提出了概念設(shè)計(jì)。為了滿足美國(guó)政府提出的長(zhǎng)航程UUV的目標(biāo)要求, Barone等[7]分析了鋁水反應(yīng)能源(water-aluminum reactor power, WARP)應(yīng)用于UUV時(shí)的能量密度。針對(duì)一個(gè)航程1 000 n mile, 航行時(shí)間90天的UUV, 分析鋁水動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度, 通過(guò)比較蒸汽輪機(jī)、斯特林機(jī)和熱電轉(zhuǎn)換3種熱能轉(zhuǎn)換動(dòng)力系統(tǒng)后, 發(fā)現(xiàn)鋁水反應(yīng)的斯特林機(jī)有著最高的能量密度, 能達(dá)到800 Wh/kg。Eagle等[8]通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算論證了金屬鋁顆粒在UUV中應(yīng)用的可行性并提出了理論可行方案。

國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了相應(yīng)的研究。陳顯河等[9]針對(duì)旋渦燃燒器進(jìn)行了數(shù)值仿真, 發(fā)現(xiàn)了合適的尺寸結(jié)構(gòu)以及各影響因素對(duì)鋁粉著火燃燒的影響。隨后他們[10-11]介紹了一種基于鋁水燃燒的UUV 混合動(dòng)力系統(tǒng)(hybrid aluminum/water combustion, HAC)概念, 并提出了3種新的閉式系統(tǒng)方案, 在給定燃燒室溫度及換熱器效率條件下, 結(jié)合系統(tǒng)組件建立性能計(jì)算模型。HAC系統(tǒng)的能量密度比現(xiàn)有鋰電池技術(shù)提升10倍, 比固體氧化物燃料電池提升近5倍。其中采用增加蒸發(fā)器和固體換熱器系統(tǒng)方案以及雙燃燒室加壁面冷卻換熱型系統(tǒng)方案的系統(tǒng)性能均有所提升。白杰等[12]為適應(yīng)UUV長(zhǎng)航時(shí)、遠(yuǎn)航程、大航深等應(yīng)用需求, 提出了一種以Li/SF6為能源的新型UUV熱電聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型方案。該系統(tǒng)采用朗肯循環(huán), 燃料能量密度可達(dá)600 Wh/kg, 是現(xiàn)有電池的3倍。

由此可見(jiàn), 目前國(guó)內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用的鋁水反應(yīng)多用于超空泡魚雷等開放式系統(tǒng), 而WARP以及斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)并沒(méi)有應(yīng)用于UUV等水下航行器的實(shí)例, 水下航行器的閉式鋁粉燃燒能源系統(tǒng)相關(guān)研究尚處于概念設(shè)計(jì)或方案論證階段, 但是結(jié)合現(xiàn)有斯特林機(jī)作為其他水下航行器動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用情況, 其高可靠性、少維護(hù)及長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)已經(jīng)得到了很好驗(yàn)證, 所以針對(duì)UUV, 該動(dòng)力系統(tǒng)可以重復(fù)啟動(dòng)以及回收后再次使用。因此, 論文針對(duì)未來(lái)長(zhǎng)航程的大型及超大型UUV需求, 提出一種基于鋁粉燃燒為基礎(chǔ)的新型高能量密度斯特林水下動(dòng)力系統(tǒng)解決方案, 研究不同的新型斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度, 為未來(lái)水下動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 模型介紹

構(gòu)建WARP系統(tǒng)計(jì)算模型時(shí)主要考慮以下3個(gè)方面[7]: 1) 設(shè)備效率; 2) 設(shè)備尺寸; 3) 設(shè)備質(zhì)量體積的優(yōu)化設(shè)計(jì), 是否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

1.1 設(shè)備效率

鋁粉燃燒斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的總效率為

式中:out為輸出功;in為輸入熱量;system為系統(tǒng)能量, 即系統(tǒng)發(fā)電量;fuel為燃料能量, 即鋁燃料燃燒熱值與氫燃料燃燒熱值。

1.2 設(shè)備尺寸

設(shè)備體積公式

設(shè)備質(zhì)量公式

式中:tank為設(shè)備外殼的體積;tank為設(shè)備外殼的密度。其中斯特林機(jī)的體積和材料密度是根據(jù)現(xiàn)有機(jī)型選取的參數(shù)。

通過(guò)對(duì)各設(shè)備尺寸及效率迭代求解后, 獲得合適的系統(tǒng)參數(shù), 最終獲得新型閉式鋁粉燃燒斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度等特征參數(shù)。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 傳統(tǒng)柴油-液氧型斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

傳統(tǒng)柴油-液氧型斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱方案1), 如圖1所示。其主要由動(dòng)力艙、氧艙、燃料艙和代換水艙等子系統(tǒng)組成, 各主要設(shè)備包括斯特林機(jī)、發(fā)電機(jī)、液氧罐、油罐、泵及冷卻器等。

圖1 柴油-液氧型斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)布置示意圖

2.2 鋁水燃燒聯(lián)合燃?xì)渌固亓謾C(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)

針對(duì)鋁粉顆粒的燃燒特點(diǎn), 其燃燒過(guò)程存在著大量固體顆粒的生成, 若直接作為斯特林機(jī)燃料, 在外燃系統(tǒng)中直接燃燒容易導(dǎo)致加熱器熱頭堵塞等問(wèn)題, 結(jié)合文獻(xiàn)[10]和[11]的思路以及斯特林機(jī)特性, 提出了以下2種可行方案。

圖2給出了鋁水燃燒聯(lián)合燃?xì)渌固亓謾C(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱方案2)。由圖所示, 鋁顆粒和水在預(yù)燃燒室內(nèi)燃燒后放熱并生成氫氣。由于鋁顆粒燃燒溫度很高, 需通過(guò)水冷壁來(lái)冷卻燃燒室同時(shí)吸收熱量產(chǎn)生水蒸氣, 被加熱的水蒸氣進(jìn)入預(yù)燃燒室與鋁顆粒反應(yīng), 有助于加快鋁顆粒與水反應(yīng)速率。為了使得含固高溫?zé)煔饽軌蛑苯舆M(jìn)入斯特林機(jī)燃燒室, 且防止固體顆粒堵塞加熱器熱頭, 借鑒氣固分離器原理, 采用類似旋風(fēng)分離技術(shù), 使得氧化鋁固體顆粒產(chǎn)物自由下落并沉積到水冷式氧化鋁罐被冷卻, 同時(shí)采用蓄熱式換熱器原理, 利用氧化鋁固體顆粒產(chǎn)物的余熱預(yù)加熱水, 而鋁水燃燒后產(chǎn)生的氫氣經(jīng)過(guò)高溫金屬膜再一次過(guò)濾固體顆粒后進(jìn)入斯特林機(jī)燃燒室。斯特林機(jī)外燃系統(tǒng)中燃燒氫氣來(lái)加熱斯特林機(jī)加熱器, 推動(dòng)工質(zhì)作功來(lái)發(fā)電。斯特林機(jī)中燃?xì)浜螽a(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)入汽液換熱器中, 利用其預(yù)熱來(lái)氣化液氧。隨后尾氣通過(guò)冷凝器冷凝和分離器分離后, 用于攜帶鋁粉顆粒的氦氣重新進(jìn)入給粉系統(tǒng)進(jìn)行送粉, 由水泵進(jìn)行循環(huán)供水。這樣由預(yù)燃燒室、燃?xì)渌固亓謾C(jī)和其他輔助設(shè)備構(gòu)成了整個(gè)閉式系統(tǒng)。

圖2 鋁水燃燒聯(lián)合燃?xì)渌固亓謾C(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)布置示意圖

2.3 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯(lián)合液鈉斯特林機(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)

圖3給出了鋁水燃燒+氫氧燃燒聯(lián)合液鈉斯特林機(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱方案3)。方案2雖然充分利用了鋁粉顆粒燃燒過(guò)程中各個(gè)階段的熱量, 但是整個(gè)煙氣流動(dòng)過(guò)程中會(huì)存在固體顆粒物, 盡管已先后通過(guò)氣固分離裝置以及高溫金屬膜的過(guò)濾, 但超長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行一定會(huì)在斯特林機(jī)、換熱器等設(shè)備中積聚甚至產(chǎn)生堵塞, 有可能影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行, 因此在方案2的基礎(chǔ)上, 再一次進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn), 提出了方案3。鋁顆粒和水在預(yù)燃燒室內(nèi)燃燒后放熱并生成氫氣, 隨后通入氧氣與其燃燒放熱。之所以不是直接采用鋁顆粒與氧氣進(jìn)行燃燒, 一則是因?yàn)榍懊鎸?shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證實(shí)鋁顆粒與氧氣燃燒反應(yīng)十分劇烈, 燃燒后溫度很高, 這給預(yù)燃燒室設(shè)計(jì)帶來(lái)困難; 另一則是因?yàn)橄韧ㄟ^(guò)與水反應(yīng)再通入氧氣讓其與氫氣反應(yīng)容易控制燃燒溫度, 且能保證鋁顆粒燃盡, 其類似于煤粉鍋爐中分級(jí)燃燒的概念, 針對(duì)這一情況, 有外國(guó)學(xué)者采用循環(huán)流化床燃燒鋁顆粒, 使得反應(yīng)溫度相對(duì)均勻且燃盡率相對(duì)提高。預(yù)燃燒室中通過(guò)填充液鈉進(jìn)行冷卻壁面溫度, 同時(shí)進(jìn)行熱量吸收和傳遞。由于液鈉的導(dǎo)熱性能十分突出, 被加熱的液鈉進(jìn)入斯特林機(jī)直接和加熱器進(jìn)行換熱, 推動(dòng)工質(zhì)作功后發(fā)電。同樣, 采用上述氣固分離技術(shù)、余熱利用技術(shù)、氣液分離技術(shù)以及循環(huán)技術(shù)使得整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)由預(yù)燃燒室、液鈉型斯特林機(jī)和其他輔助設(shè)備組成的高效閉式水下動(dòng)力系統(tǒng)。

圖3 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯(lián)合液鈉斯特林機(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)布置示意圖

3 系統(tǒng)能量密度與性價(jià)比分析

假設(shè)某30 t級(jí)UUV功率要求5 kWh, 航程時(shí)間為504 h, 其需求的能量為2 520 kWh, 通過(guò)數(shù)值計(jì)算比較3種方案的能量密度與性價(jià)比。

3.1 傳統(tǒng)柴油-液氧型斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

根據(jù)傳統(tǒng)柴油-液氧型斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況, 斯特林機(jī)效率為32%, 則為滿足2520 kWh能量需求, 各設(shè)備預(yù)估質(zhì)量與體積如表1所示。計(jì)算可得, 傳統(tǒng)柴油-液氧型斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的比能為338 Wh/kg, 能量密度為285 Wh/L。

3.2 鋁水燃燒聯(lián)合燃?xì)渌固亓謾C(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)

針對(duì)方案2, 為簡(jiǎn)化計(jì)算, 假設(shè)鋁顆粒燃燒效率為85%, 沉積下來(lái)的氧化鋁固體顆粒攜帶走40%的熱量, 燃燒煙氣攜帶60%的熱量進(jìn)入斯特林機(jī), 水冷式氧化鋁罐換熱效率為40%。斯特林機(jī)能量效率為32%, 斯特林機(jī)尾氣與液氧換熱效率為40%。假設(shè)每小時(shí)發(fā)電量5 kWh時(shí), 需要鋁顆粒2.2 kg, 燃燒熱為10.4 kWh, 產(chǎn)生氫氣為0.24 kg, 熱量9.6 kWh。所以系統(tǒng)效率為

表1 柴油-液氧型斯特林機(jī)部件質(zhì)量與體積

若航程時(shí)間為504 h時(shí), 則各設(shè)備預(yù)估質(zhì)量與體積見(jiàn)表2。計(jì)算可得鋁水燃燒聯(lián)合燃?xì)渌固亓謾C(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)的比能為631 Wh/kg, 能量密度為648 Wh/L。

假設(shè)進(jìn)入燃燒室的水質(zhì)量為2.8 kg, 將其汽化成100℃水蒸氣需要消耗23%的燃燒熱, 此時(shí)的換熱系數(shù)為4 W/(m2?K–1), 由此可確定高0.5 m, 直徑0.31 m的圓筒型燃燒室就能滿足換熱要求。氧化鋁攜帶走40%的熱量, 利用水將其冷卻, 同時(shí)冷卻水被加熱后進(jìn)入預(yù)燃燒室中, 假設(shè)換熱效率為40%, 則1.6 kg水正好汽化成100℃水蒸氣, 因此利用余熱為16%, 由此煙氣共攜帶走69.6%的燃燒熱進(jìn)入斯特林機(jī)。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn), 冷卻系統(tǒng)的換熱系數(shù)需要6 W/(m2?K–1),可以確定系統(tǒng)由高0.5 m, 直徑0.57 m的圓筒型燃燒室就能滿足換熱需求。此外, 固廢浪費(fèi)熱量約為2.1kWh。

進(jìn)入斯特林機(jī)的熱量為6.1 kWh, 斯特林機(jī)氫氣燃燒熱為9.6 kWh, 汽化液氧帶來(lái)的熱量約0.3 kWh, 因此總熱量為16 kWh, 則發(fā)電量為5.07 kWh。其中尾氣余熱為1.9 kWh, 汽化1.96 kg氧氣需要0.3 kWh熱量, 除去換熱后的預(yù)熱利用, 浪費(fèi)能量約為1.3 kWh。

表2 鋁水燃燒聯(lián)合燃?xì)渌固亓謾C(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)部件質(zhì)量與體積

3.3 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯(lián)合液鈉斯特林機(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)

為簡(jiǎn)化計(jì)算, 假設(shè)鋁顆粒燃燒效率為85%, 沉積下來(lái)的氧化鋁固體顆粒攜帶走16%熱量, 煙氣攜帶24%熱量進(jìn)入斯特林機(jī), 水冷式氧化鋁罐換熱效率為40%。液鈉換熱效率為60%, 斯特林機(jī)外燃效率為80%, 能量轉(zhuǎn)換效率50%, 機(jī)械效率80%, 電機(jī)效率90%, 斯特林機(jī)尾氣與液氧換熱效率40%。則假設(shè)每小時(shí)發(fā)電量5 kWh時(shí), 鋁顆粒需要3.2 kg, 燃燒熱為15.1 kWh, 產(chǎn)生氫氣為0.36 kg, 熱量14.0 kWh。則總熱量為29.1 kWh, 所以系統(tǒng)總效率為

若航程時(shí)間為504 h, 熱量為2 520 kWh時(shí), 各設(shè)備預(yù)估質(zhì)量與體積見(jiàn)表3。計(jì)算可得, 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯(lián)合液鈉斯特林機(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)的比能為467 Wh/kg, 能量密度為490 Wh/L。

由此可見(jiàn), 方案2的比能是方案1的1.8倍, 能量密度是方案1的2.3倍, 方案3的比能是方案1的1.4倍, 能量密度則為方案1的1.7倍。不難發(fā)現(xiàn), 方案2的性能最優(yōu), 但是可能存在的固體顆粒物堵塞問(wèn)題仍需解決。而方案3盡管性能提升沒(méi)有方案2那樣大, 但是其系統(tǒng)更可靠, 同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的效率假設(shè)比較保守, 因此該系統(tǒng)同樣有著較好的應(yīng)用前景。

表3 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯(lián)合液鈉斯特林機(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)部件質(zhì)量及體積

3.4 3種系統(tǒng)燃料成本預(yù)估

由于各系統(tǒng)設(shè)備不同, 因此僅對(duì)成本進(jìn)行預(yù)估。其中燃油價(jià)格為1.45萬(wàn)元/噸, 液氧價(jià)格為0.1萬(wàn)元/噸, 鋁粉價(jià)格為2.8萬(wàn)元/噸。3種方案的燃料成本如表4所示。從燃料成本來(lái)看, 方案2是方案1的2倍, 方案3是方案1的3倍。

綜上所述, 從能量密度和燃料成本來(lái)看, 方案2的比能達(dá)631 Wh/kg, 能量密度為648 Wh/L, 其遠(yuǎn)高于方案1, 而其燃料成本價(jià)格為傳統(tǒng)的柴油液氧型斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的2倍。

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有的動(dòng)力電池、柴油/液氧型斯特林機(jī)等可用于水下航行器的常規(guī)動(dòng)力系統(tǒng)不能滿足未來(lái)的需求, 提出了一種以鋁粉燃燒為基礎(chǔ)的新型高能量密度水下斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)方案。通過(guò)數(shù)值仿真方法, 分析比較了傳統(tǒng)柴油-液氧型斯特林機(jī)系統(tǒng)、鋁水燃燒聯(lián)合燃?xì)渌固亓謾C(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)以及鋁水燃燒+氫氧燃燒聯(lián)合液鈉斯特林機(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度和成本。得出如下結(jié)論:

表4 各系統(tǒng)方案燃料成本預(yù)估

1) 鋁水燃燒聯(lián)合燃?xì)渌固亓謾C(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度達(dá)到648 Wh/L, 是傳統(tǒng)柴油液氧斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的2.3倍, 而燃料成本僅為傳統(tǒng)柴油液氧型斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的2倍;

2) 鋁水燃燒+氫氧燃燒聯(lián)合液鈉斯特林機(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度為490 Wh/L, 是傳統(tǒng)柴油液氧斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的1.7倍。

由此可見(jiàn), 新型閉式鋁粉燃燒斯特林機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)在未來(lái)水下動(dòng)力系統(tǒng)中有著良好的發(fā)展?jié)摿Α５捎阡X粉顆粒燃燒存在著顆粒著火困難、燃燒效率低下、固體顆粒物生成和脫除機(jī)理不明確、含固高溫?zé)煔鈧鲹Q熱機(jī)理不明等難點(diǎn)仍有待進(jìn)一步研究予以攻克。

[1] Heo J, Kim J, Kwon Y. Technology Development of Unmanned Underwater Vehicles(UUVs)[J]. Journal of Computer & Communications, 2017, 5(7): 28-35.

[2] 鐘宏偉. 國(guó)外無(wú)人水下航行器裝備與技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2017, 25(4): 215-225.Zhong Hong-wei. Review and Prospect of Equipment and Techniques for Unmanned Undersea Vehicle in Foreign Countries[J]. Journal of Unmanned Undersea System, 2017, 25(4): 215-225.

[3] 蔡年生. UUV動(dòng)力電池現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 魚雷技術(shù), 2010, 18(2): 81-87．Cai Nian-sheng. Review of Power Battery for UUV with Development Trends[J]. Torpedo Technoloy, 2010, 18(2): 81-87．

[4] Timothy F M, Jeremy L W, Daniel H K. A Next-Generation AUV Energy System Based on Aluminum-Seawater Combustion[C]//Proceedings of the 2002 Workshop on Autonomous Underwater Vehicles. San Antonio, USA: IEEE, 2002．

[5] Bergthorson J M, Goroshin S, Soo M J, et al. Direct Combustion of Recyclable Metal Fuels for Zero-Carbon Heat and Power[J]. Applied Energy, 2015, 160: 368-382.

[6] Bergthorson J M, Yavor Y, Palecka J, et al. Metal-water Combustion for Clean Propulsion and Power Generation[J]. Applied Energy, 2017, 186: 13-27.

[7] Barone D, Loth E, Weiss P, et al. Feasibility of Water-Aluminum Reactor Power(WARP) for Long Endurance UUVs[C]//9th Annual International Energy Conversion Engineering Conference. San Diego, California: IEEE, 2011.

[8] Ethan Eagle W. System Modeling of a Novel Aluminum Fueled UUV Power System[C]//50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Nashville Tennessee: AIAA, 2012.

[9] Chen X H, Xia Z X, Huang L Y, et al. Numerical Simulation of a Vortex Combustor Based on Aluminum and Steam[J]. Energies, 2016, 9(12): 1072-1087.

[10] 陳顯河, 夏智勛, 胡建新, 等. 鋁水燃燒UUV混合動(dòng)力系統(tǒng)性能計(jì)算[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2015, 37(9): 149-155.Chen Xian-he, Xia Zhi-xun, Hu Jian-xin, et al. Performance Research of the UUV Hybrid Propulsion System Based on Aluminum-Water Combustion[J]. Ship Science and Technology, 2015, 37(9): 149-155.

[11] 陳顯河, 夏智勛, 黃利亞, 等. 新型鋁水燃燒無(wú)人水下航行器混合動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 40(2): 7-12.Chen Xian-he, Xia Zhi-xun, Huang Li-ya, et al. Optimization Design of New Unmanned Underwater Vehicle Hybrid Propulsion System Based on Aluminum-Water Combustion[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2018, 40(2): 7-12.

[12] 白杰, 黨建軍, 曹蕾蕾. 基于Li/SF6能源的新型UUV動(dòng)力系統(tǒng)熱力性能分析[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(2): 212-216.Bai Jie, Dang Jian-jun, Cao Lei-lei. Thermodynamic Performance Analysis of a New Type of UUV Power System Based on Li/SF6 Energy[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2019, 27(2): 212-216.

Conformational Analysis of a New Type of Closed Aluminum Powder Combustion Stirling Underwater Power System

JIN Xu-dong, Lü Tian, LAN Jian

(The 711 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Shanghai 201203, China)

To increase the energy density of conventional underwater power systems, a new type of high energy density Stirling underwater power system based on aluminum powder combustion was proposed. An aluminum-water combustion plus hydrogen combustion Stirling underwater power system and an aluminum-water combustion plus hydrogen-oxygen combustion combined with liquid sodium Stirling underwater power system were built by numerical simulation. The energy density and fuel cost of the two new systems were compared with those of conventional diesel-liquid oxygen Stirling power system. Numerical simulation results show that the energy density of the aluminum-water combustion plus hydrogen combustion Stirling underwater power system is 648 Wh/L, which is two times that of the conventional diesel-liquid oxygen Stirling underwater power system, and the fuel cost of the former system is also two times that of the latter one; the energy density of the aluminum-water combustion plus hydrogen-oxygen combustion combined with liquid sodium Stirling underwater power system is 1.7 times that of the conventional diesel-liquid oxygen Stirling underwater power system. As a result, the new type of closed aluminum powder combustion Stirling underwater power system has good application potential in the future underwater power system.

underwater power system; Stirling engine; aluminum powder combustion; numerical simulation

TJ630.32; TM911.4

A

2096-3920(2020)02-0214-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.015

2019-09-15;

2019-10-24.

金旭東(1986-), 博士, 高級(jí)工程師, 研究方向?yàn)樘胤N發(fā)動(dòng)機(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng).

金旭東, 呂田, 蘭健, 等. 新型閉式鋁粉燃燒斯特林機(jī)水下動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型分析[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2020, 28(2): 214-219.

(責(zé)任編輯: 許 妍)