鱼雷对转涡轮动力系统研究

发布时间：2020-11-02 13:44

　　 为支撑口径533mm的重型鱼雷航速达到70节,动力主机的输出功率应达到1000kW,采用燃气涡轮发动机是今后一段时期内最具可行性的选择。为了获得更大的航程,鱼雷航速提高的同时就对动力系统的经济性提出了更为严苛的要求。对于自带氧化剂的鱼雷动力系统,鱼雷涡轮发动机均采用部分进气的超音速冲动式涡轮模式。该动力系统有如下特点:(1)受限于涡轮结构材料的性能,维持涡轮系统高效率最重要的速度比参数远未达到理想值,由此造成余速损失大、系统效率低;(2)传统系统单轴输出,主机除拖动推进器外,还需向系统辅机提供功率输出,辅机功率消耗占到推进器功率消耗的10%以上。鉴于此,本文提出了一种气动耦合双级对转涡轮动力系统的全新构想,其基本思想在于:主级、辅级对转双轴功率输出,辅级涡轮吸收前级的余速能量并独立为系统辅机输出功率,由此可使整个系统效率提高10%以上,该动力系统构成简捷、技术继承性好。围绕以上构想,本文针对新型动力系统的几个关键问题展开研究,主要工作及创新点如下:(1)气动耦合对转涡轮新构想在理论层面上的可行性论证。包括:传统和新型鱼雷涡轮发动机动力系统的数学建模和性能预测,以及对转涡轮稳态运行工况的确定。由此给出了辅级涡轮的具体结构形式和在多种工况下的运行速度,确认了辅级涡轮功率足以覆盖系统辅机需求的设想,并为新型系统的具体构型提供了理论依据。(2)新型涡轮发动机动力系统的构型方案及其深入讨论。相较于传统的单轴输出涡轮发动机系统,新型双级系统除需以推进剂流量调节为手段控制主级涡轮轴系转速以外,亦需对辅级涡轮轴系转速实施调节。提出的具体方案是,以调节辅机吸收功率为手段来控制辅级轴系的转速。针对MIMO系统综合了控制规律,数学仿真结果证明主级和辅级两个轴系在受控状态下可良好配合运行,满足鱼雷航行各种工况的需求。(3)新型涡轮发动机动力系统的启动策略及启动过程的仿真研究。由于涡轮发动机动力系统存在的局部正反馈特性,涡轮发动机动力系统的启动一直是关键技术之一。由于对转涡轮的运行强耦合且两个轴系的动态响应速度差别很大,能否可靠启动是新型系统是否可行的决定性因素之一。针对新型系统的开环响应特征,提出了主级轴系前期程控后期闭环、辅级轴系全程闭环的启动控制策略,数学仿真验证了启动策略的可行性。以上工作围绕动力系统的关键问题展开研究,论证了新型涡轮发动机动力系统的可行性。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TJ630.32
【部分图文】：

据实测转速和设定转速之差经电气调速器、伺服阀控制燃料泵斜盘倾角改流量以调节速度达要求值。改换速度设定电压即可实现换速，当鱼雷改变航深和向时，可自动减小转速控制航速以减小回转半径，这实际上是一种无级变速。另外，国外对涡轮发动机动力系统建模、仿真及控制方法的研究方面呈现出由的态势，建立了完善的涡轮发动机系统动力学模型并进行大规模仿真计算。国外对涡轮发动机动力系统特性的理论研究已达到相当高的水平，且早已经进入到实阶段，如图 1-1（a）和图 1-1（b）为鱼雷涡轮发动机主机和涡轮发动机轮盘[9]。的研究现状与发展趋势来看，鱼雷涡轮发动机动力系统一段时期内不仅继续是军争夺的重点领域，而且已由军事强国不断扩展到一些发展中国家，成为目前及今各国的研究热点和海军武器主要发展方向[10-12]。从上世纪60年代开始，国内就对鱼雷涡轮发动机动力装置技术进行研究，曾研轮发动机样机并进行了试验。随后又开展鱼雷闭式循环动力系统的研究工作，但针对的是蒸汽涡轮发动机，同时构建了演示验证系统，完成了地面试验。还开展鱼雷燃气涡轮发动机的研究工作，这些研究都为鱼雷燃气涡轮发动机动力系统的究奠定了基础。

图 1-2 对转涡轮述的航空对转涡轮相比水下涡轮发动大，多采用全周进气反力式涡轮叶片动式叶片；其次，航空对转涡轮技术2+N 对转涡轮，输出方式[32]有单轴、单轴输出，未有采用对转双轴输出的对转涡轮依然有值得借鉴的地方，比轮之中，由前级涡轮单独带动推进器著提高涡轮发动机效率。先进的对转涡轮技术已成为涡轮发动发挥的作用不尽相同，但是其凭借在世纪鱼雷动力主机的发展方向，成为机及其动力系统的具体特点，提出了

西北工业大学博士学位论文和有效输出转矩功制体：①截面 1-1 和 2-2 距叶片无限远，其上称的流线。对控制体的燃气应用动量定律，并在a方向的分量，可得燃气作用在工作叶片上1 1 2 2 1 1 ( cos cos ) ( cos uF = m c α + c α = m w β +w叶片上的轴向力为：1 1 2 2 1 2( sin sin ) ( )a a=F m c α c α+ A P = P1 1 2 2 1 2( sin sin ) ( )am w β w β+ A P P轴向面积。
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本文编号：2867122