基于乏汽增壓的水下半閉式循環(huán)動力系統研究

郭 慶, 羅 凱, 黨建軍, 秦 侃, 陳 猛

基于乏汽增壓的水下半閉式循環(huán)動力系統研究

郭 慶, 羅 凱, 黨建軍, 秦 侃*, 陳 猛

(西北工業(yè)大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

為提升水下渦輪機動力系統的深度適應性, 提出2種半閉式循環(huán)動力系統構型方案,分別是基于乏氣摻混冷凝與氣液混合物分離后單相增壓排放的分離增壓方案以及基于乏氣摻混冷凝與氣液混合物直接增壓排放的混合增壓方案。建立了水下開式渦輪機動力系統與半閉式系統增壓排放的理論計算模型, 并通過計算流體力學方法加以驗證。多工況性能分析結果表明: 相比開式循環(huán)系統, 半閉式系統在大航深工況下的燃燒室壓力與燃氣耗量顯著降低, 其在600 m工況下的燃氣消耗量僅為開式動力系統的60%左右, 在1000 m工況下的運行參數僅相當于開式系統200～300 m航深的水平。通過對比2種半閉式系統構型方案可知, 壓縮效率可對系統運行產生直接影響, 較高的壓縮效率可有效提升動力系統深度適應性能。

水下渦輪機; 動力系統; 乏氣增壓; 半閉式循環(huán);深度適應性

0 引言

為了提高航速與大航深工況的適應性, 無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)的動力系統必須在功率和航深等關鍵指標上取得突破[1]。目前, 作為水下熱動力系統主機的渦輪機多以開式循環(huán)為主, 基本結構如圖1所示。其工作原理是: 燃料進入燃燒室燃燒, 生成的燃氣推動渦輪機運行, 海水泵引入海水用于燃料擠代、裝置冷卻等, 海水的流量由溢流閥進行調節(jié)。渦輪機產生的乏氣通過管道排出舷外, 使得環(huán)境壓力直接影響渦輪背壓, 導致其在大航深條件下性能迅速惡化, 難以滿足綜合戰(zhàn)技指標要求。

圖1 水下開式循環(huán)動力系統結構示意圖

為改善水下熱動力系統的深度適應性, 國內外學者提出了多種動力系統構型。一種思路是完全隔絕動力系統與外部環(huán)境的物質交換, 構成閉式循環(huán)動力系統。Li/SF6燃料由于反應產物體積小于反應物, 非常適于構造閉式系統[2], 美國MK50魚雷動力系統便采用了Li/SF6鍋爐+蒸汽輪機的閉式系統[3]。為提升Li/SF6系統的工況調節(jié)能力, 一種基于毛細抽吸效應的新型熱管反應器構型被提出[4-6], 這種構型更適用于長航時多工況的UUV動力系統。氫氧能源的反應產物為水, 其也可以與蒸汽輪機搭配形成閉式系統。美國ARL實驗室提出了基于氫氧能源的HYDROX動力系統[7], 將氫氧反應產生的水回收并用于制氫, 因此無需排放廢氣。閉式系統不存在深度適應性問題, 性能出色, 但燃料反應器的研制難度很高, 目前并未廣泛應用。

另一種思路是通過增壓排放裝置等措施盡可能減小環(huán)境對主機的影響, 此時動力系統仍與外界存在部分物質交換, 因此被稱為半閉式循環(huán)動力系統。瑞典TP2000魚雷采用了以凸輪式活塞機為主機的半閉式系統[8-9]; 美國ARL實驗室提出了一種基于摻混凝結和多級增壓的UUV半閉式系統[10]; Zhang等[11]提出了一種雙循環(huán)的水下動力系統。用于潛艇的閉式/半閉式柴油機[12]以及用于發(fā)電的半閉環(huán)燃氣輪機[13]亦運用了半閉式系統的思想。半閉式系統無需采用特型燃料或主機, 適于現有開式系統的改進工作。

文中以使用燃氣渦輪機的水下開式循環(huán)動力系統為原型, 提出了基于乏氣摻混冷凝+氣液混合物分離增壓排放以及基于乏氣摻混冷凝+氣液混合物直接增壓排放的水下半閉式循環(huán)系統構型方案; 建立了水下開式渦輪機的理論計算模型作為半閉式系統性能分析的輸入與對比, 并采用數值仿真對模型的正確性進行了驗證; 建立了半閉式系統的理論計算模型, 并對不同航深下系統的性能進行了預示分析, 評述了半閉式系統方案的可行性與適用性。文中提出的系統構型方案與計算模型可為水下航行器動力系統的改進提供參考。

1 水下開式渦輪機動力系統

1.1 理論計算模型

為給半閉式系統的性能分析提供輸入與對比參數, 建立水下開式渦輪機動力系統的計算模型。文中研究的渦輪機采用單級沖動式渦輪機構型, 其主要工作部件是噴管與渦輪葉片, 圖2為渦輪機的渦輪級剖面示意圖。

圖2 渦輪級剖面示意圖

渦輪機需要提供的內功率

內功率也可寫為如下形式[14]:

根據航行器的運行工況, 可以確定內功率、主機背壓等輸入參數, 再結合式、式和式, 可以建立水下開式渦輪機動力系統在各工況下的理論計算模型。

1.2 數值仿真模型

水下開式渦輪機理論計算模型的計算結果一方面可對比說明開式系統的深度適應性, 同時也可作為半閉式系統計算模型的輸入參數, 因此該模型是否能在多工況條件下準確預示渦輪機性能十分重要。由于水下渦輪機的相關研究較少, 難以獲得較為完善的試驗數據, 文中通過仿真驗證了理論計算模型的正確性。

文中采用部分進氣單級沖動式渦輪機, 其內部流場是非對稱、不均勻的, 采用三維整周葉輪幾何模型進行計算, 其幾何模型如圖3所示。

圖3 水下渦輪機幾何模型

渦輪機采用4組斜切鉆孔噴管作為工質入口, 部分進氣度約為0.3, 渦輪葉柵使用了超音速沖動式葉片, 在葉片出口設置圓筒形空腔以盡可能減小葉片后部氣流的影響, 空腔長度為1倍葉輪直徑。對于邊界條件, 將噴管入口設置為壓力入口條件, 并根據理論計算獲得的燃燒室參數賦予入口壓力與溫度。將筒形空腔出口設置為壓力出口條件, 并根據渦輪背壓與葉片出口溫度賦予出口壓力與回流溫度。模型使用六面體結構進行網格劃分, 網格節(jié)點數約為130萬, 在噴管、徑向間隙、渦輪葉片與筒形空腔之間采用interface進行數據交換。

仿真使用商業(yè)計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)軟件ANSYS Fluent v18.0[15]。采用SST-模型[16]作為湍流模型, 該模型結合了-湍流模型在近壁面區(qū)域以及-湍流模型在主流區(qū)域的優(yōu)點, 同時考慮了湍流剪切應力的傳輸, 具有良好的計算精度與穩(wěn)定性, 是流體機械計算的較好選擇。所選湍流模型采用壁面函數, SST-模型可根據計算時使用的網格間距自動從低雷諾數公式切換到對應的壁面函數, 以滿足不同Y-Plus條件下的計算要求?？紤]到計算中涉及高速與可壓縮流動, 為提升收斂性與穩(wěn)定性, 采用了隱式密度基求解器。計算中所用工質為燃氣, 通過理想氣體狀態(tài)方程描述其密度變化, 同時采用Sutherland定律描述其粘度的變化。為在穩(wěn)態(tài)條件下考慮渦輪葉片的轉動, 采用了多重參考系(multiple reference frames, MRF)模型, 該模型通過多重參考系的相對運動在定常計算中模擬流域的運動, 非常適于旋轉機械的定常計算。文獻[17]驗證了上述方法的可行性。

1.3 性能分析結果

所研究的水下渦輪機主要結構參數如表1所示。該渦輪機使用HAP三組元推進劑[18], 其燃氣組分如表2所示, 在計算工況下, 燃氣的燃燒溫度為1 373 K, 其氣體常數為369.8 J/(kg·K), 比熱比取為1.222。

表1水下渦輪機主要結構參數

Table 1 Structural parameters of underwater turbine

表2 燃氣組分構成表

在工況選取方面, 水下航行器存在高速(70 kn)、中速(50 kn)及低速(32 kn)3個速制, 各速制下渦輪機轉速成比例變化。根據經驗選取合適的航行器外形、輔機參數與機械損耗, 計算各工況下的航行器阻力和輔機功率, 最終得到各速制下渦輪機所需內功率分別為985 kW、386 kW及120 kW。航行器在不同航速下會進行變深運行, 考慮其實際運行模式, 取高速制下的航深范圍為30～100 m, 中速制下的航深范圍為30～600 m, 低速制下的航深范圍為30～600 m。

采用上述計算參數, 運用所建立的理論計算模型, 對水下開式渦輪機動力系統進行性能計算, 得到了開式工況下的燃燒室壓力和燃氣流量, 分別如圖4和圖5所示。

圖4 開式工況燃燒室壓力曲線

圖5 開式工況燃氣質量流量曲線

各速制下, 燃燒室壓力與燃氣質量流量均隨航深顯著增加。這是因為隨著航深的增加, 渦輪機背壓逐漸增加, 為使輸出功率基本保持不變, 在燃料燃燒溫度不變的情況下, 只能進一步提升燃燒室壓力。燃燒室壓力由燃氣質量流量決定, 根據式的描述, 燃氣質量流量亦隨燃燒室壓力的上升而增大。中速制工況下, 600 m航深時的燃燒室壓力相比30 m增加了約126%, 燃氣質量流量的增加幅度與之相仿。低速制下, 由于內功率更小, 相比30 m航深工況, 600 m航深工況時燃燒室壓力與燃氣質量流量均增長了170%。在600 m航深條件下, 中速制工況的燃燒室壓力超過26 MPa, 已接近現有燃燒室結構與材料的許用極限, 低速制燃氣質量流量則達到了0.83 kg/s, 工況經濟性急劇降低。

為進一步驗證理論計算工況的正確性, 采用表1所示的渦輪機參數與2.2節(jié)所述的數值計算方法建立渦輪機的數值模型, 并選取中速制工況進行仿真計算, 相應的輸入參數如表3所示。

表3 仿真計算輸入參數

各工況的仿真計算收斂后, 根據渦輪葉片轉速與所受力矩計算得到內功率, 并讀取噴管入口處的質量流量, 對比理論計算結果得到相對誤差, 如圖6所示。

圖6 理論與仿真計算結果相對誤差曲線

相對誤差

* MERGEFORMAT

在工質質量流量方面, 兩者最大相對誤差約為1.03%, 說明理論計算方法能較為合理地估算變工況條件下的噴嘴損失因數, 從而較好地預測噴管的工作特性, 保證了流量計算的準確性。

在內功率計算方面, 兩者最大誤差約為7.23%, 偏差相對較大。這是因為仿真計算模型采用MRF模型來仿真葉輪轉動, 同時在網格繪制時簡化了輪盤與葉頂間隙的特征, 使得仿真計算中無法考慮輪盤摩擦損失、斥氣損失與漏氣損失, 造成同樣工況下, 計算中讀取的葉輪力矩與真實情況存在偏差。

對比仿真計算結果, 理論計算對水下渦輪機相關性能指標的預測誤差可以接受, 證明所建立的理論計算方法可以較好地對水下開式渦輪機動力系統的性能進行預示。上述所得的性能計算結果一方面可以作為半閉式系統構型研究的輸入參數, 同時也可作為開式系統的性能參數與半閉式系統的性能進行對比。

2 半閉式渦輪機動力系統

2.1 系統構型方案

為減小航深對動力系統運行效率的影響, 改善水下渦輪機的深度適應性, 提出水下半閉式循環(huán)動力系統構型, 其結構如圖7所示。半閉式系統的核心思路是隔離主機排氣背壓與環(huán)境壓力, 采用乏氣增壓排放裝置將乏氣增壓至與環(huán)境壓力一致后再排放, 以乏氣增壓輔機的額外功率消耗為代價保證渦輪主機始終運行于較低的背壓條件下, 當輔機功耗足夠小時, 該系統能提升渦輪主機在大深度下運行的經濟性。

半閉式系統構型方案包含乏氣冷凝以及增壓排放兩部分。乏氣冷凝部分如圖7的(a)部分所示。增壓排放部分又分為氣液分離增壓和混合增壓2種, 分別如圖7的(b)和(c)部分所示。

對于乏氣冷凝部分, 由于水下渦輪機乏氣溫度高, 且含有多種可凝可溶組分, 若不經冷凝直接壓縮, 其功耗將難以接受, 因此在壓縮排放前對乏氣進行冷凝很有必要。如圖7(a)部分所示, 乏氣冷凝構型基于乏氣與過量海水的摻混冷凝, 在渦輪室后部設置混合器, 將原海水管路冷卻通道與溢流通道的海水引入混合器以冷卻乏氣。初步計算表明, 系統現有的海水不足以將乏氣充分冷凝, 因此增加一個新的冷凝海水泵將過量海水引入系統內部并與乏氣充分摻混, 以達到降溫冷凝的效果。與原海水泵一致, 冷凝海水泵由渦輪機通過減速器驅動, 因此其轉速與理論泵送流量和渦輪機轉速成比例。在大航深工況下, 舷外壓力可能大于主機背壓, 此時該海水泵可工作于馬達工況。文中動力系統采用HAP三組元燃料, 其燃燒產物的可凝、可溶成分占比接近74%, 因此乏氣經過降溫冷凝后體積將極大地減小, 最終所形成的產物為氣液混合物。這種乏汽摻混冷凝方案省略了冷凝器或殼體冷卻水道, 體積小、結構簡單、冷凝效果較好。

圖7 半閉式系統構型示意圖

對于乏氣增壓排放部分, 為將乏氣冷凝得到的低溫低壓氣液混合物有效排出舷外, 需要設計一套增壓排放裝置, 將混合物首先增壓至環(huán)境壓力后再行排出。根據增壓排放思路的差異, 提出2種增壓裝置構型, 構型1結構如圖7(b)部分所示, 由1個氣液分離器與2個單相增壓泵組成。運行時, 氣液混合物首先通過氣液分離器分離為純氣相與純液相, 再將所得單相工質分別由單相增壓泵增壓排放。構型2結構如圖7(c)部分所示, 由一組氣液混合增壓泵組成。運行時, 氣液混合物不經分離直接通入混合增壓泵組, 經多級增壓后達到外部環(huán)境壓力并隨之排出。

上述的乏氣冷凝構型與任一種乏氣增壓構型進行組合, 便可形成一套完整的半閉式循環(huán)動力系統構型方案, 后文將乏氣摻混冷凝+氣液分離增壓的半閉式構型方案稱為方案1, 將乏氣摻混冷凝+氣液混合增壓的半閉式構型方案成為方案2。

2.2 計算模型

為了評估所提出半閉式系統方案的可行性, 分析不同方案的性能特點, 需要建立半閉式系統的理論計算模型。半閉式系統通過在水下渦輪機后部增加一套乏氣增壓排放裝置, 保證了渦輪機背壓的穩(wěn)定, 但增加了系統復雜性并產生附加耗功。

為盡可能簡化計算模型, 根據實際工況條件, 提出了以下基本假設:

1) 根據1.3節(jié)的計算結果與指標要求, 選取中速制1 000 m工況為半閉式系統設計工況, 此時渦輪機背壓為1 MPa, 混合溫度設定為390 K, 由此確定冷凝海水泵以及增壓排放裝置的等效排量(每渦輪機轉速下的理論流量);

2) 假設氣液工質在混合器經過充分摻混, 溫度達平衡;

3) 在變工況條件下乏氣流量根據渦輪機性能發(fā)生變化, 冷凝水流量受到冷凝海水泵排量與轉速的限制, 乏氣的處理能力則限制于增壓排放裝置的排量與轉速, 因此摻混凝結后氣液混合物的壓力與溫度將根據燃氣、冷凝海水泵及增壓排放裝置的流量而變化;

4) 對于乏氣冷凝部分所使用的海水泵, 其效率值按經驗選取為70%, 大深度工況下, 環(huán)境壓力大于舷內壓力, 該海水泵可視為馬達, 為系統提供正功率貢獻;

5) 假設構型1的物理過程本質是液相等容積壓縮及氣相定熵壓縮過程的結合, 同時認為氣液分離器不耗功, 構型1的壓縮效率設定為80%, 同時分析效率變化對系統性能的影響;

6) 假設構型2的物理過程本質是液相等容積壓縮及氣相定溫壓縮過程的結合, 構型2的壓縮效率設定為50%, 同時分析效率變化對系統性能的影響;

7) 考慮增壓過程所處的工況條件, 核算中認為CO2的溶解度為0。

增壓排放裝置的總功率

* MERGEFORMAT

根據上述計算, 可得新的主機內功率

* MERGEFORMAT

表示在添加了輔機之后, 為保證動力系統的輸出功率, 在不考慮其他變化的情況下, 主機內功率須做出相應調整。

流量為

2.3 計算結果與分析

圖8 各工況燃燒室壓力變化對比曲線

圖9 各工況燃氣質量流量變化對比曲線

當航深為30 m時, 由于環(huán)境壓力渦輪機出口的壓差很小, 半閉式系統基本不工作, 使得其各工況的燃氣質量流量和燃燒室壓力等工況參數與開式系統基本一致。因此, 在淺航深工況下, 半閉式系統相對開式系統不具有優(yōu)勢。而對大于30 m的工況, 半閉式系統燃氣流量明顯下降: 中速制600 m航深工況下, 2種方案的燃氣耗量僅有開式工況的60%左右; 低速制600 m航深工況下, 方案1與方案2燃氣耗量僅有開式系統的59%和58%。由于燃燒室壓力與燃氣質量流量成比例, 因此各工況下的燃燒室壓力亦存在上述的百分比關系。當航深為1000 m時, 半閉式系統的工況參數與開式系統在200～300 m航深時相一致, 極大地減小了燃燒室的壓力負荷, 提升了動力系統的運行經濟性。可見半閉式系統可有效改善渦輪機的深度適應性。

2種半閉式系統構型方案在小航深工況下性能一致, 隨航深增大, 方案1略有優(yōu)勢。2種方案在氣相工質的壓縮方式及兩相工質的壓縮效率有所區(qū)別: 方案1采用先氣液分離然后氣相與液相工質分別壓縮的方式, 單相壓縮的效率更高, 但氣相工質在壓縮時沒有冷卻, 理論壓縮功較大; 方案2采用氣液兩相工質直接壓縮的方式, 兩相混合壓縮機的效率較低[19], 但由于液相較大的比熱容, 使得氣相壓縮溫升大幅降低, 從而減小了工質的理論壓縮功。

增壓排放裝置的壓縮效率對系統的性能有較大影響。圖10和圖11分別表示中速制工況下, 當方案1的壓縮效率由90%降為50%, 方案2的壓縮效率由60%降為20%時, 系統燃燒室壓力和燃氣質量流量的變化。

圖10壓縮效率對燃燒室壓力的影響

由圖中可知, 2種半閉式方案下, 壓縮效率的下降均會導致對應工況下燃燒室壓力和燃氣質量流量的上升, 對系統運行造成負面影響。當方案1的壓縮效率下降至50%時, 半閉式系統相比開式系統仍具優(yōu)勢, 其在1000 m航深時的燃燒室壓力和燃氣耗量與開式系統在400 m航深時相仿。當方案2的壓縮效率下降至30%時, 其在1000 m航深時的性能仍略好于開式系統; 若效率繼續(xù)下降至20%, 其在700 m航深時的燃燒室壓力約26 MPa, 接近系統極限, 航深難以進一步增加。由于氣相工質等溫壓縮, 方案2在壓縮效率40%工況時的性能接近方案1在壓縮效率60%的工況, 因此同等效率條件下, 方案2的性能優(yōu)于方案1。

圖11 壓縮效率對燃氣質量流量的影響曲線

總的來說, 在文中的評價體系及工況條件下, 方案1由于具有較高的壓縮效率, 系統性能上略占優(yōu)勢, 但系統組成更為復雜。壓縮效率對半閉式系統的性能具有直接影響, 較高的壓縮效率有利于半閉式系統性能的提升。實際運用中, 2種方案的適用性還應根據動力系統工況范圍以及增壓排放部件的性能差異做進一步討論。

3 結論

為提升水下渦輪機動力系統的深度適應性, 文中根據乏氣處理方式的不同提出了2種半閉式循環(huán)系統方案。為便于比較, 建立了水下開式渦輪機動力系統的理論與仿真計算模型, 仿真結果驗證了理論模型的正確性; 進行了半閉式系統的性能計算, 通過計算結果的對比分析對半閉式系統構型方案進行評述, 得出如下結論。

1) 水下渦輪機運行于開式工況時性能受到航深的影響, 在600 m工況下渦輪機的燃氣耗量與燃燒室壓力相比30 m工況均超過100%, 從而對動力系統的運行經濟性產生了負面影響, 嚴重制約了航行器航深指標的進一步提升。

2) 半閉式系統可以有效提升水下渦輪機的航深適應性, 由于乏氣增壓排放裝置的加入, 渦輪機的背壓不隨航深大幅增加, 有效降低了其在大航深工況下的負荷。計算可知, 半閉式系統在1000 m航深工況下的運行參數僅相當于開式系統200～300 m航深的水平。

3) 對比所提出的2種半閉式系統構型方案, 首先對乏氣冷凝所得的混合物進行氣液分離, 然后單相增壓排放的方案1, 相比直接對氣液混合物兩相增壓排放的方案2結構更為復雜, 但技術相對成熟, 且在設計條件下性能略占優(yōu)勢。然而, 壓縮效率將對系統性能產生直接影響, 更高的壓縮效率有利于動力系統深度適應性的提升。在文中的計算條件下, 2種方案均能有效提升動力系統的深度適應性, 但適用性還需根據實際運用工況以及增壓排放部件的性能差異具體討論。

文中的未盡之處在于: 增壓排放裝置對動力系統影響的討論還比較粗略。作為文中半閉式系統的關鍵部件, 增壓排放裝置的構型、效率等將直接影響半閉式系統的性能, 后續(xù)將結合仿真計算與試驗分析, 對增壓排放裝置開展深入研究, 以期獲得適用于水下半閉式循環(huán)動力系統增壓排放裝置的設計方法與構型方案。

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Architecture of Underwater Semi-closed Cycle Power System Based on Exhaust Booster

GUO QingLUO KaiDANG Jian-junQIN KanCHEN Meng

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Two semi-closed-cycle power system configuration schemes are presented in this paper to promote the depth adaptability of underwater turbine power systems. The exhaust gas is first condensed by mixing with the cooling water, and then the gas-liquid mixture is separated and pressurized using a single-phase pump; this is the first scheme (separation-pressurization scheme). In the second scheme(mixture pressurization scheme), the condensed gas-liquid mixture is pressurized directly by multiphase pumps. Theoretical models for an underwater turbine open-cycle power system and compression part of a semi-closed system are established, and the underwater turbine open-cycle power system model is verified using the computational fluid dynamics method. A performance analysis is conducted, and the results show a significant reduction in the combustion chamber pressure and gas consumption in the semi-closed systems under depth water conditions. At a depth of 600 m, the gas consumption in semi-closed systems is approximately 60% of that of the open system. The operating parameters of the semi-closed systems at a depth of 1 000 m are equivalent to those of the open system at a depth of 200～300 m. Compression efficiency has a direct impact on the system operation. A higher compression efficiency contributes to improving system performance. The proposed two semi-closed systems can effectively improve the depth adaptability of the power system, but their applicability needs to be further discussed according to the operating conditions and component performance.

underwater turbine; power system; exhaust booster; semi-closed cycle; depth adaptability

TJ630.32; TK14

A

2096-3920(2021)06-0680-10

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.006

郭慶, 羅凱, 黨建軍, 等. 基于乏汽增壓的水下半閉式循環(huán)動力系統研究[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(6): 680-689.

2021-09-10;

2021-10-28.

國家自然科學基金項目資助(51805435).

通信作者簡介:秦 侃(1988-), 男, 副教授, 主要研究方向為水下航行器動力推進技術.

(責任編輯: 楊力軍)