航深對水下航行體動力性能的影響及改善方法

【裝備理論與裝備技術】

航深對水下航行體動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，武漢430033)

摘要：水下航行體的動力系統由于直接向外界海水環境排出尾氣致使其動力性能受到航行深度的制約，隨著航深的增大，發動機效率降低并且燃料消耗量增加。在現有動力系統的基礎上提出了半閉式循環結構，使發動機排氣背壓不直接受制于外界環境，從而改善了航深對動力性能的影響，提高了發動機的功率。

關鍵詞：航深；發動機效率；燃料消耗量；半閉式循環；功率

收稿日期：2014-10-29

作者簡介：豐少偉(1975—)，男，碩士，高級工程師，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：U661.1；TJ7

文章編號：1006-0707(2015)06-0007-04

收稿日期：2014-11-20

基金項目：第二炮兵工程大學基金“導彈作戰實驗與作戰效能評估研究”(DXJY2012-C19)

本文引用格式：豐少偉，楊云生，劉佳.航深對水下航行體動力性能的影響及改善方法[J].四川兵工學報，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航行，并且具有速度快、航程遠、航深大等特點，其航行能力依賴于動力系統的推進作用。動力系統占據了水下航行體體積和質量的大部分，對于航行體的航程、航速、航深、可靠性、安靜性等多種性能具有重大影響[1]。水下航行體的動力系統分為電動力系統和熱動力系統兩種，其中熱動力系統采用燃氣或蒸汽技術，利用燃料的化學反應產生的熱能推動發動機工作，熱動力系統因為具有較高的能量儲備而往往功率強大，所以航行體的航速高、航速遠，機動性很強。在目前乃至將來很長一段時期，熱動力系統依然具有不可替代的優勢[2]。

出于當前迫切的實際需求，航行深度成為水下航行體性能的一個重量級指標，而航行體能夠達到的航深與動力系統的抗背壓能力十分相關。背壓是指發動機排氣出口處的氣體壓力。目前很多國家很多型號的水下航行體都采用將發動機做功后產生的尾氣直接排放到外界海水環境的動力系統[3]。這種動力系統可以稱為開式循環系統，其排氣路徑如圖1所示。

開式循環動力系統的缺陷在于，當水下航行體的航行深度增大時，體外的海水壓強隨之增大，為使尾氣順利排出，發動機的排氣背壓也必然隨之上升。為保持必要的航速，就要使發動機保持一定的輸出功率，那么當排氣背壓增大時就需要使發動機的進氣壓強相應的提高，這就會使進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使航行體保持必要的航程，那么航速就會很難達到要求。綜合上述分析，為保持動力性能，航深不可能太大。所以當前許多國家生產的熱動力水下航行體所能達到的航深一直徘徊不前，無法很好地滿足現實需要。

圖1　開式循環的排氣路徑

如果能夠改善動力系統的排氣背壓，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動機在保持當前進氣壓強的情況下提高輸出功率，進而提高水下航行體的航速；也可以在保持當前輸出功率的情況下降低進氣壓強，從而減少燃料消耗量，提高水下航行體的航程。總而言之，對于同樣一臺發動機，如果能設法使其在較低的排氣背壓下工作，就可以表現出更好的動力性能，水下航行體的航行能力就會大為改善。

1航深對動力性能的影響

1.1航深對發動機效率的影響

發動機效率將直接受到水下航行體所處海水深度的影響。可通過發動機氣缸的示功圖來計算這種關聯。

發動機的實際循環過程要比其理想循環過程復雜，在分析氣體工質各熱力參數對發動機效率的影響上，使用理想循環更加簡便直接。理想狀況下發動機氣缸的示功如圖2所示[4]。

圖2　理想循環的示功圖

發動機缸內的循環過程分為等壓進氣過程(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個部分。工質以壓強p1等壓進入氣缸，之后在膨脹過程中壓強不斷下降，等活塞移動到后止點時工質壓強恰好等于排氣的海水背壓。進入排氣過程后工質以壓強p2等壓的從氣缸內排出，直到活塞到達前止點，這時候新一輪的工質從配氣閥進入氣缸，缸內壓強瞬間增大到p1。

理想循環中工質做的功Wt即等于示功圖中各個過程代表的線段所圍成的圖形的面積，經過積分計算，可得

(6)

(7)

圖3　壓強比對發動機效率的影響

當水下航行體航深增大時，因外界環境壓強的提高與保證輸出功率的需要，排氣壓強p2和進氣壓強p1將同時增大，故p2/p1增大，結合圖3，可知發動機效率將下降。反之，在較小的航深下，p2/p1較小，發動機的效率是較高的。

1.2航深對發動機燃料消耗量的影響

再從燃料消耗角度來看開式循環動力系統的弊端。發動機的效率如果從功的角度計算，就如式(7)的計算方法；如果從功率角度就算，效率就等于發動機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為單位質量的燃料燃燒所釋放的熱能。在發動機功率P穩定的情況下，mp與η呈明顯的反比例關系。所以，根據圖3，可知在航深增大時，mp必然在增加。

現在對航深對mp的影響進行定量的計算。在海水環境中，發動機正常工作所需要的排氣壓強p2滿足

p2=pb+Δp

(9)

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

pb=(0.1013+0.01H)·106

(10)

可以得到p2隨著航深H的變化規律如圖4所示。

假設水下航行體的基準航深為200 m，由圖4可得在基準航深下發動機排氣壓強p2=2.50 MPa。

動力系統的比功率決定了水下航行體的航速。為確保穩定的航速，應使發動機的功率P基本保持不變，所以任何一組進氣壓強p1和排氣壓強p2的數值都需要滿足式(11)

P=ηmn0niηαVc(αp1-βp2)

(11)

式中：ηm為機械效率，可取0.9；ηα為豐滿系數，可取為0.8；α、β為發動機常數，取α=0.8515，β=1.008 7；在200 m航深下，假設進氣壓強p1=18.40 MPa，相應的進氣溫度T1=1 500K，背壓p2=2.50 MPa。代入式(11)，可求得穩定的發動機功率。再將穩定的功率回代到(11)，即可得到p1和p2的確切關系，進而得到不同的p2所對應的p1的值。

聯立方程式(9)、式(10)、式(11)，可以得到氣缸內工質消耗量mp隨航深H的變化規律如圖5所示。

圖4　排氣壓強隨航深的變化

圖5　工質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的增加必將降低發動機的做功時間，減少了航程。文獻[7]中關于有效燃料消耗率的數據也說明了這一點，相關數據如表1所示。

表1　不同排氣背壓下的有效燃料消耗率

由表1中數據可知，在水下航行體航深增加、發動機排氣背壓增大的時候，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。

綜合本節的內容，可知航深增加將使發動機效率下降、燃料消耗量增加，動力系統的開式循環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

為改善航深對水下航行體動力性能的影響，本文提出半閉式循環動力系統的設計方法。半閉式循環是在開式循環的基礎上演變而來的。開式循環動力系統中，工質進入發動機氣缸做功后形成的廢氣直接排向外界的海水環境；而在半閉式循環系統中，在水下航行體后段相應的空間內搭建了冷卻結構，廢氣從發動機出來后進入該冷卻結構，以殼體為導熱介質被環境海水所冷卻，溫度的降低將使廢氣形成部分液態成分，其余氣態組分經冷卻后體積也大為減小，之后將經冷卻后的氣液產物用相應的泵排到外界。被冷卻后的氣液組分相比不經冷卻的尾氣，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。

在半閉式循環中，發動機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，該和值要遠遠小于外界的海水壓力；同時，將泵的功率消耗控制在一定范圍內，就可以有效減弱航深對動力系統功率和效率的負面影響，可以讓動力系統原本用于抵消航深影響的能力直接轉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。

瑞典某型先進的高速遠程水下航行體即采用了半閉式循環動力系統。該型水下航行體采用凸輪發動機，以柴油和過氧化氫作為燃料，航深最大到500 m，具有較為優越的航行性能[8]。該型水下航行體的動力系統主要由燃料箱、氧化劑/水箱、控制系統、氣體發生器、發動機、壓縮機、冷凝器等組成。做功后的廢氣流入冷凝器，形成的液態水被重復利用，二氧化碳氣體經壓縮機的兩級壓縮后被排入海水環境中。該系統降低了發動機排氣背壓，動力性能受航深的影響相比開式循環要小很多。該系統結構和工作原理如圖6所示。

圖6　瑞典某水下航行體的半閉式循環系統

當尾氣在不同的排氣壓強下進入冷卻冷凝結構后，產生的壓力降也會有所差異，需要針對每種排氣壓強分別分析和計算尾氣的溫度降和壓力降。可以確定的是，該冷卻冷凝機構能夠使尾氣產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，并且對于提高泵的效率、減小泵對發動機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，保持水下航行體發動機當前的進氣壓強不變，在暫時不計泵的功率消耗的情況下，經過半閉式循環改造的動力系統的輸出功率相比現有的輸出功率，是有較為明顯的提高的。相比目前的開式循環動力系統的輸出功率，半閉式循環動力系統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，半閉式循環動力系統具有的動力優勢越是明顯。而且，隨著排氣背壓的增大，發動機的輸出功率是在不斷降低的。即使計入泵的消耗功率，只要使其保持在一定限度內，發動機的功率依然能夠獲得一定提高的空間。

所以在今后泵的設計和選型中，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動機帶來的功率提升量，所以泵的入口壓力應該存在一個局部較優值，該值的正確計算十分重要。

3結束語

本研究定性和定量研究了航深對水下航行體動力性能的制約，指出航深越大，發動機效率越低并且燃料消耗量越大，并且針對此問題提出可以改善航深帶來影響的半閉式循環動力系統；進行了半閉式循環動力系統的結構設計并在理論上對發動機功率的改善進行了計算。

本研究著力推動開式循環向半閉式循環的過渡，為進一步完善半閉式循環系統的理論研究和工程應用提供了借鑒，為改善水下航行體的航行性能開辟了一個前進方向。

參考文獻：

[1]馬春燕．魚雷武器[J]．現代軍事，1995(11)：51-52.

[2]查志武，史小鋒，錢志博．魚雷熱動力技術[M]．北京：國防工業出版社，2006.

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

[4]馬世杰．魚雷熱動力裝置設計原理[M]．北京：兵器工業出版社，1992.

[5]王保國，劉淑艷，劉艷明，等．空氣動力學基礎[M]．北京：國防工業出版社，2009.

[6]趙寅生．魚雷渦輪機原理[M]．西安：西北工業大學出版社，2002.

[7]陳宜輝，王樹宗，昌放輝，等．活塞式魚雷凸輪發動機配氣參數優化研究[J]．艦船科學技術，2005，27(6)：61-62.

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

(責任編輯周江川)