无人水下航行器新型热电联合闭式循环动力系统研究

发布时间：2020-08-14 08:14

【摘要】：无人水下航行器(UUV)在军事及民用领域有着广泛的应用前景,一直以来备受各国重视。动力技术是制约其发展的关键技术,对于航行器有着重要的作用。目前UUV主要使用电动力推进,而现有电池的比能量无法满足航行器对长运行时间的需求,所以研究高密度燃料电池或热电混合动力系统,寻求新的动力系统解决途径,对提高UUV航程,增强整体性能有着重要意义。本文提出了一种以金属Li及SF_6为能源、水为工质的热电联合闭式循环动力系统方案。该系统具有低输出功率、高能量密度、产物无需排放等优点,是一种理想的UUV动力系统。论文论证了系统方案的可行性,研究了热管反应器中燃烧、流动、换热等问题,分析了蒸发器及冷凝器中的换热过程,讨论了微型涡轮机的流场特性,提出了稳态参数设计方法,进行了系统级的动态仿真研究,开展了子系统验证试验。全文主要工作如下:(1)提出了一种全新的应用于UUV的热电联合闭式循环系统方案。建立了系统的仿真计算模型,分析了工质参数对系统热效率的影响规律,得到了提高蒸发器进口温度、压力,减小冷凝器进口压力可以提高系统效率的结论,确立了系统热力参数的范围。(2)深入研究了一种新型热管反应器内的能量转换过程。建立了沿程表面蒸发的Li液在吸液芯内流动质能匹配方程,得出了吸液芯丝网目数对有效浸润高度的影响规律,以及吸液芯热流密度和有效浸润高度之间的制约关系。建立了含有不凝气体的Li蒸汽冷凝换热模型,获得了不凝气体及运行工况对冷凝换热的影响规律。研究揭示了热管反应器内流动、换热规律,可为吸液芯设计、运行工况选择提供指导。(3)建立了具有相变过程的蒸发器及冷凝器的管内一维流动、换热模型。对工质沿流动方向的温度、压力分布规律,以及蒸发、凝结过程中的热阻分配规律及换热性能进行了分析。在研究范围内,得到了换热器流量及结构尺寸对于换热过程影响最大,壁面温度影响次之,进口温度影响最小的结论。研究结果可以为换热器设计、样机性能预示提供依据。(4)建立了部分进气、冲动式微型涡轮机流场三维数值仿真计算模型,设计了微型喷管及涡轮叶片,通过数值仿真对蒸汽的流动及能量转换过程进行了分析。结果表明,斜喷管出口处存在膨胀不均匀性,气流发生偏转。在连接喷管及叶片的过渡区域,存在尾迹损失及掺混损失,涡轮机叶片进口马赫数沿周向分布不均,进气区域与非进气区域差异显著。提出了利用功率损失系数估算涡轮机内部损失的方法,利用该方法可以在同一软件环境进行系统级参数设计时,快速、合理地估算涡轮机的效率。(5)提出了热电联合闭式循环系统稳态参数设计方法,并给出设计参数。基于质量守恒、能量守恒方程,将蒸发器及冷凝器进行分区,建立了移动边界数学模型、涡轮机的稳态模型及集液器的动态模型。明确了各主要部件的接口关系,建立的系统动态模型,可采用直接求解的方法实现系统级的动态仿真计算,获得了系统在循环工质流量变化条件下的动态响应特性。研究结果可以为样机设计及试验提供依据。(6)开展了热管反应器系统及涡轮机系统地面原理样机单项试验,验证了设计方案的可实现性及理论研究的正确性,获得了子系统的运行特性,为进一步开展系统集成试验打下了基础。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.941;TJ6
【图文】：

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图 1-1“蛟龙号”深海潜航器器技术领域，我国科技工作者同样有着可喜的成绩滑翔机[15-17]成功通过测试，创造了中国水下滑翔径 0.3 米，重约 70 千克，最大工作深度 1500 米，间断工作 30 天左右；其负载能力 5 千克，可以搭探测。“海燕”水下滑翔机如图 1-2 所示。

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图 1-2“海燕”水下滑翔机在海洋探测、搜寻工作中具有很大的需求。在沉船打捞常可以看到水下航行器的身影。而最为引人注目的，当机失踪事件“蓝鳍金枪鱼-21”自主航行器在搜救工作中水下搜寻研发的设备，其下潜深度达水下 4500 米，搭水下物体。由于其擅长在较短距离内定点查找，而需要无果后，最终放弃任务。尽管没有找到客机黑匣子，但，代表了现阶段无人水下航行器的发展水平。“蓝鳍金枪示。

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