固體推進劑渦輪噴水發動機工作性能研究

喬 宏, 韓新波, 伊進寶, 李洪偉

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固體推進劑渦輪噴水發動機工作性能研究

喬 宏, 韓新波, 伊進寶, 李洪偉

(中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西 西安, 710075)

研究了固體推進劑渦輪噴水發動機的工作原理和熱功轉換過程, 分析了軸流水泵的空化特性, 計算了發動機熱功轉換效率和推進效率, 獲得了典型工作條件下的發動機性能參數。結果表明, 軸流水泵抗空化性能明顯優于傳統推進器, 合理設計發動機工作參數, 可以實現燃氣渦輪與軸流水泵的匹配運行, 為開展固體推進劑渦輪噴水發動機研究提供參考。

固體推進劑; 渦輪噴水發動機; 推進效率; 空化

0 引言

固體推進劑渦輪噴水發動機是一種結構相對簡單的水下航行器動力推進裝置, 在空投魚雷和反魚雷魚雷方面具有廣闊的應用前景。這種發動機采用固體推進劑作為能源, 無需常規熱動力魚雷的能源供應、冷卻及潤滑系統; 采用沖動式渦輪機作為動力主機, 軸流水泵作為推進器, 把從雷外吸入的海水加速后排出形成反作用推力, 主機與推進器之間不配置減速機構, 系統構成相對簡單; 通過改變燃氣發生器工作噴嘴的數目調節燃氣流量, 可實現多速制[1]。

20世紀90年代, 前蘇聯在АЛР-2噴氣空投魚雷的基礎上研制出使用固體推進劑渦輪噴水發動機的АЛР-3Э魚雷, 如圖1所示。АЛР-3Э魚雷由飛機攜帶, 用于空投反潛, 由于使用噴水發動機代替噴氣發動機, 推進效率顯著提高, 航程3 400 m, 最高航速70 kn以上, 可用于攻擊航行深度小于800 m, 航速小于43 kn的潛艇。目前, АЛР-3Э空投反潛魚雷及其改進型已成為俄羅斯海軍武器庫中的主流空投魚雷[2]。

本文研究了固體推進劑渦輪噴水發動機的工作原理和熱功轉換過程, 分析計算了軸流水泵的空化特性和推進效率, 獲得了典型工作條件下的發動機主要性能參數, 證明了發動機的技術可行性。

圖1 АЛР-3Э空投反潛魚雷示意圖

1 發動機工作原理

固體推進劑渦輪噴水發動機主要由燃氣發生器、固體推進劑、數目可調噴嘴、單級沖動式渦輪、軸流水泵、排氣管、進水管和水噴管等組成, 如圖2所示。

圖2 固體推進劑渦輪噴水發動機工作原理圖

發動機工作時, 燃氣發生器點火, 固體推進劑燃燒形成高溫燃氣, 經過多個氣體噴嘴膨脹加速, 驅動燃氣渦輪旋轉, 乏氣經排氣管排至雷外, 燃氣渦輪則驅動軸流水泵, 把從雷外吸入的海水加速后排出, 形成反作用推力。

燃燒室壓強和燃氣流量為

可以看出, 燃氣流量取決于推進劑的性能參數和燃氣發生器的結構參數, 工作過程中要調節流量只能通過改變噴喉面積。

固體推進劑渦輪噴水發動機通過調節噴嘴的工作個數改變噴喉面積, 實現速制的轉換。在燃氣發生器和渦輪之間設置氣路關閉裝置, 通過電爆管動作實現氣路關閉, 從而改變工作噴嘴的個數, 原理示意圖見圖3所示。

圖3 氣路關閉裝置示意圖

假設燃氣發生器有4個相同的噴嘴, 工作時可打開2個、3個或4個, 則對應的燃氣發生器壓強和工質流量如表1。由此可見, 通過改變工作噴嘴的數目, 可在較大范圍內調節燃氣流量, 實現速制切換。

表1 工作噴嘴數目不同時的室壓和工質流量

受魚雷空間限制, 采用軸流式、單級、沖動式渦輪機, 渦輪機與推進器之間不配置減速機構, 因此渦輪轉速(即軸流水泵轉速)是發動機的一個重要設計參數, 必須兼顧渦輪機效率和軸流水泵效率, 并保證軸流水泵不會出現空化。這是固體推進劑渦輪噴水發動機的關鍵技術之一。

2 發動機熱功轉換分析

固體推進劑渦輪噴水發動機工作時, 熱功轉換可分為3個過程: 1) 固體推進劑燃燒, 推進劑化學能轉化為工質熱能; 2) 工質在噴嘴中絕熱膨脹, 工質熱能轉化為動能, 工質與渦輪葉片相互作用, 工質動能轉化為渦輪動能; 3) 渦輪驅動軸流水泵, 把從雷外吸入的海水加速后噴出, 使魚雷克服航行阻力做功。

圖4 內效率隨速度比變化曲線

除渦輪級損失外, 發動機熱功轉換過程中的損失還包括: 燃燒不完全損失、機械損失、水力損失, 相應的效率分別為燃燒效率、機械效率和推進效率。固體推進劑渦輪噴水發動機的一種典型能量平衡圖見圖5。

圖5 固體推進劑渦輪噴水發動機典型能量平衡圖

3 軸流水泵水動力分析

3.1 推進效率分析

軸流水泵推進效率指克服魚雷航行阻力所需的功與軸流水泵輸入功之比。軸流水泵輸入功一部分克服魚雷航行阻力做功, 一部分轉變為海水動能, 還有一部分由于水力損失耗散掉, 即

克服魚雷航行阻力所需的功

轉變為海水動能的功

水力損失耗散功

推進效率

根據動量定理, 推力

將上式帶入到推進效率計算公式中得到

可見, 當水力損失系數一定時, 推進效率是等效排水速度與航行速度之比()的單值函數, 關系見圖6。

軸流水泵的水力損失系數一般在0.3~0.6之間, 當速度比較小時, 需要的噴水質量流量很大,水力損失耗散功很大, 導致推進效率下降; 反之, 當速度比較大時, 轉變為海水動能的功很大, 同樣導致推進效率下降。由圖6看出, 在等效排水速度介于1倍和2倍航行速度時, 推進效率存在極大值, 可作為等效排水速度和軸流水泵水流量的設計依據。

3.2 空化分析

為了兼顧渦輪機和軸流水泵的效率, 固體推進劑渦輪噴水發動機的轉速很高。在高轉速下, 軸流水泵有空化的風險, 一旦空化, 水泵性能惡化, 推進效率嚴重下降, 同時空化對過流部件和葉片產生強烈的沖擊和剝蝕, 導致軸流水泵失效。

無空化條件軸流水泵轉子的轉速

臨界氣蝕余量

泵入口剩余壓力

因此, 無空化條件軸流水泵轉子的轉速隨泵入口剩余壓力的增大而增加, 隨海水流量的增大而減小。在軸流水泵轉速一定的條件下, 魚雷航深越大, 海水流量越小, 越不容易發生空化。

以某典型工作條件為例, 已知魚雷航速為70 kn, 軸流水泵流量為210 kg/s, 在航深50 m和航深400 m條件下泵入口剩余壓力和無空化條件的極限轉速見表2。

表2 航深不同時泵入口剩余壓力和無空化條件下的極限轉速

從計算結果看, 相對于傳統推進器, 軸流水泵的抗空化能力更強, 在大航深下一般不會發生空化。為降低淺航深下發生空化的風險, 使固體推進劑渦輪噴水發動機能在淺航深下正常工作, 軸流水泵設計中應采取抗空化措施: 1) 合理選擇葉輪進口直徑; 2) 在動葉之前加裝靜葉; 3) 魚雷進水口采取導流措施, 減小吸入損失; 4) 研究超空化葉片的應用可行性等。

4 算例

4.1 計算條件

魚雷口徑350 mm, 魚雷長度3 500 mm, 速度70 kn, 航程3 400 m, 航深400 m。

4.2 計算結果

在上述條件下, 對固體推進劑渦輪噴水發動機主要性能參數進行了計算, 結果見表3。

表3 一種典型工作條件下的發動機主要性能參數

5 結論

本文論述了固體推進劑渦輪噴水發動機的工作原理和熱功轉換過程, 對軸流水泵的推進效率和空化特性進行了分析, 對典型工作條件下的發動機主要性能參數進行了計算, 研究和計算結果表明:

1) 固體推進劑渦輪噴水發動機系統構成相對簡單, 總效率約0.16, 略低于傳統的魚雷活塞機和渦輪機, 但遠高于水下火箭發動機;

2) 軸流水泵推進效率在0.55~0.65之間, 雖然低于傳統推進器, 但抗空化性能明顯優于傳統推進器, 能在較高轉速下正常運行;

3) 合理設計固體推進劑渦輪噴水發動機的工作參數, 可以實現燃氣渦輪和軸流水泵的匹配運行, 發動機具有技術可行性。

[1] 王云, 呂浩福. 船舶噴射推進技術發展綜述[J]. 艦船科學技術, 2008, 30(3): 31-35.Wang Yun, Lü Hao-fu. Overview of Development of Ship Propjet Technique[J]. Ship Science and Technology, 2008, 30(3): 31-35.

[2] 楊應孚. 俄羅斯的魚雷武器[J]. 魚雷技術, 2001, 9(1): 6-9.

[3] 趙寅生. 魚雷渦輪機原理[M]. 西安: 西北工業大學出版社, 2001: 128-156.

[4] 楊友勝, 張俊, 黃國勤, 等. 水射流技術的應用研究[J]. 機床與液壓, 2007, 35(2): 106-108.Yang You-sheng, Zhang Jun, Huang Guo-qin, et al. Study on the Applications of Waterjet Technology[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2007, 35(2): 106-108.

[5] 景思睿, 張鳴遠. 流體力學[M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2001: 171-191.

[6] 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: 228-236.

[7] 李亞峰, 李清雪, 吳永強. 水泵及水泵站[M]. 北京: 機械工業出版社, 2009: 42-46, 98-110.

Investigation on Working Performance of Water-jet Gas Turbine Using Solid Propellant

QIAO Hong, HAN Xin-bo, YI Jin-bao, LI Hong-wei

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

The working principle and heat-to-power conversion of a water-jet gas turbine using solid propellant was investigated, the cavitation performance of the axial pump was analyzed, and the turbine′s heat-to-power conversion efficiency and propulsive efficiency were calculated. The results show that the anti-cavitation performance of the axial pump at high rotary speed is better than that of the conventional screw propeller, and matched operation of the gas turbine and the axial pump can be implemented by reasonable design of the working parameters of gas turbine.

solid propellant; water-jet gas turbine; propulsive efficiency; cavitation

TJ630.32

A

1673-1948(2012)02-0120-05

2011-08-12;

2011-09-06.

喬宏(1982-), 男, 工程師, 碩士, 主要從事魚雷熱動力技術方面的研究.

(責任編輯: 陳 曦)