新型鋁水燃燒無人水下航行器混合動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

新型鋁水燃燒無人水下航行器混合動力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)陳顯河;夏智勛;黃利亞;那旭東;王德全【摘要】鋁水燃燒無人水下航行器混合動力系統(tǒng)利用鋁水燃燒產(chǎn)生的熱量來加熱水產(chǎn)生高溫氣流帶動渦輪做功從而產(chǎn)生動力,研究表明其具有較高的能量密度.在原混合動力系統(tǒng)基礎(chǔ)上,提出三種新的系統(tǒng)方案,分別對其建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行求解,得到并比較各個系統(tǒng)方案凈輸出功率、能量密度、系統(tǒng)效率等性能參數(shù).計(jì)算結(jié)果表明:采用直接返回的高溫氣流與鋁進(jìn)行反應(yīng),雖然提高了水蒸氣溫度,但系統(tǒng)性能有所下降;增加蒸發(fā)器和固體換熱器系統(tǒng)后充分利用固體氧化劑的熱量,使得系統(tǒng)性能提升;采用雙燃燒室加壁面冷卻換熱構(gòu)型,減少了高溫壓縮機(jī)組件且解決了燃燒室熱防護(hù)問題,同時系統(tǒng)性能有所提升.研究結(jié)果可為今后鋁水燃燒無人水下航行器混合動力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)提供參考.％Theunmannedunderwatervehiclehybridpropulsionsystemexploitstheexothermicreactionbetweenaluminumandwaterwhichwillproducehightemperature,pressuresteamandhydrogenmixturethatcanbeusedtodriveturbinetogeneratepower.Theresearchshowsthatthissystemhashighenergydensity.Threenewsystemconfigurationscorrespondingtodifferentworkingcycleswereinvestigatedrespectively,andtheirperformanceparametersintermsofnetpower,energydensityandglobalefficiencywerediscussed.Theresultsofthesimulationshowthatthereactionbetweenthedirectreturnofhightemperaturesteamandthealuminumenhancesthetemperatureofsteam,andthesystem'sperformanceisreduced.Anevaporatorcomponentandasolidheatexchangerareaddedintosysteminordertomakefulluseofthesolidproductheat,andsothesystemperformanceisimproved.Theadditionofdoublecombustionchamberandwallcoolingstructureavoidthedesignofthehightemperaturecompressorcomponentononehand,andsolvethethermalprotectionofthecombustionchamberontheotherhand,whichbringstheimprovementofthesystemperformance.Theresultscanprovideusefulinformationfortheoveralldesignoftheunmannedunderwatervehiclehybridpropulsionsystem.【期刊名稱】《國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)》年(卷),期】2018(040)002【總頁數(shù)】6頁(P7-12)【關(guān)鍵詞】鋁;水;燃燒;能量密度【作者】陳顯河;夏智勛;黃利亞;那旭東;王德全【作者單位】國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院,湖南長沙410073;國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院,湖南長沙410073;國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院,湖南長沙410073;國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院,湖南長沙410073;國防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院,湖南長沙410073【正文語種】中文【中圖分類】U664.13隨著世界各國對于海洋的日益重視，無人水下航行器(UnmannedUnderwaterVehicle，UUV)動力技術(shù)已經(jīng)成為科學(xué)研究的重要領(lǐng)域［1-2］?，F(xiàn)有的傳統(tǒng)動力電池、鋰電池在一定程度上已經(jīng)難以滿足未來對于動力系統(tǒng)的需求，而新興的燃料電池技術(shù)發(fā)展不夠成熟，尤其是氫氣運(yùn)輸和存儲是其動力系統(tǒng)的一大難題［3-6］，變形殼體可在一定程度上解決這種問題。一直以來，鋁作為一種綠色高能金屬燃料［7-9］成為研究的熱點(diǎn)，特別是近幾年學(xué)者們紛紛提出了基于鋁水反應(yīng)的動力系統(tǒng)方案［10-13］如鋁水混合動力系統(tǒng)并探討了鋁水在發(fā)電及制氫方面的應(yīng)用，該類系統(tǒng)主要目的在于采用水作為氧化劑，鋁作為燃料，利用反應(yīng)后產(chǎn)生的熱量來加熱水產(chǎn)生高溫高壓水蒸氣與氫氣推動渦輪做功及收集氫氣。根據(jù)相關(guān)的性能計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為系統(tǒng)具有高能量密度，可以在一定程度上滿足動力系統(tǒng)的需求。由于該類系統(tǒng)由燃料供應(yīng)組件、燃燒室組件、換熱器組件、分離器組件、渦輪、燃料儲箱及水泵等組成，因此可以通過增加其他組件或者改變系統(tǒng)組件布局來提高系統(tǒng)的性能。此外，在鋁水動力系統(tǒng)構(gòu)型性能優(yōu)化以及系統(tǒng)內(nèi)部燃燒室的熱防護(hù)方面均沒有相關(guān)研究報(bào)道。為了進(jìn)一步探討鋁水反應(yīng)動力系統(tǒng)在UUV中能達(dá)到的系統(tǒng)性能，文中通過采用直接返回高溫水蒸氣作為一次進(jìn)水，增加蒸發(fā)器和固體換熱器系統(tǒng)以及采用雙燃燒室加壁面冷卻換熱等方式，提出了幾種新的系統(tǒng)方案，并借鑒文獻(xiàn)［10］提出的數(shù)學(xué)模型及組件質(zhì)量、體積計(jì)算模型，建立各系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分別對各系統(tǒng)性能如系統(tǒng)凈輸出功率、能量密度、系統(tǒng)效率進(jìn)行了對比分析。系統(tǒng)說明四種方案分別命名為HAC-1、HAC-2、HAC-3和HAC-4。其中方案HAC-1為文獻(xiàn)［10］提出的系統(tǒng)配置，HAC-2、HAC-3和HAC-4為新的系統(tǒng)配置。方案HAC-1示意圖如圖1所示。由圖1可知，該類系統(tǒng)主要包括的組件有：燃燒室、燃料供給系統(tǒng)、壓縮機(jī)、渦輪、換熱器、冷凝器等，其中代表功率。系統(tǒng)工作過程可歸納為：燃料供給系統(tǒng)中，鋁顆粒在H2作為載氣的帶動下進(jìn)入燃燒室，與循環(huán)水蒸氣按接近化學(xué)當(dāng)量比反應(yīng)產(chǎn)生氧化鋁、氫氣及熱量，二次冷卻水用于降低產(chǎn)物溫度，產(chǎn)生大量的水蒸氣；高溫高壓燃燒產(chǎn)物進(jìn)入分離器，去掉固相氧化鋁等經(jīng)分離器出來的氣流分為兩股，小部分氣流與冷卻水混合后經(jīng)壓縮機(jī)進(jìn)入燃燒室形成循環(huán)溫水蒸氣，用來維持燃燒室持續(xù)反應(yīng)；余下大部分氣流用于驅(qū)動渦輪做功。氣流經(jīng)過渦輪后進(jìn)入換熱器，用來預(yù)熱海水。從換熱器出來的氣流通過冷凝器將水蒸氣完全冷卻成液態(tài)水，經(jīng)過氣液分離器后，液態(tài)水反饋回海水進(jìn)水系統(tǒng)，氫氣則經(jīng)過壓縮機(jī)進(jìn)入燃料供給系統(tǒng)，重新用作鋁粉的流化氣；過量的氫氣壓縮存儲或者排放出去。系統(tǒng)中壓縮機(jī)能源均由渦輪提供。圖1系統(tǒng)方案HAC-1Fig.1DiagramofsystemHAC-1方案HAC-2的示意圖如圖2所示，其是在HAC-1的基礎(chǔ)之上進(jìn)行修改的?？紤]鋁水燃燒較為困難，特別是鋁和液態(tài)水燃燒難以實(shí)現(xiàn)，因此所有的系統(tǒng)方案采用的均是高溫的水蒸氣。為了保證鋁水高效燃燒，在增加循環(huán)水蒸氣溫度的考慮下，將方案HAC-1進(jìn)行改進(jìn)，得到系統(tǒng)方案HAC-2。其主要改進(jìn)之處在于將從分離器內(nèi)引出的高溫氣流在壓縮機(jī)的帶動下直接作為一次高溫水蒸氣進(jìn)入燃燒室與鋁燃料發(fā)生反應(yīng)。圖2系統(tǒng)方案HAC-2Fig.2DiagramofsystemHAC-2根據(jù)文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果，從分離器返回燃燒室的氣流約20%，一方面降低了渦輪的輸出功率，另一方面需要消耗大量的能量將其壓縮回燃燒室，降低了系統(tǒng)性能，因此提出了改進(jìn)型系統(tǒng)方案HAC-3，如圖3所示。相比之前的系統(tǒng)方案，此種系統(tǒng)增加了一個蒸發(fā)器和一個固體換熱器組件，省去了高溫蒸氣壓縮機(jī)組件。蒸發(fā)器目的在于將冷卻水蒸發(fā)為輕微過熱水蒸氣；固體換熱器目的在于利用高溫固相產(chǎn)物的熱量，將輕微過熱水蒸氣加熱形成循環(huán)水蒸氣。但此種方案需要提高燃燒溫度。圖3系統(tǒng)方案HAC-3Fig.3DiagramofsystemHAC-3因?yàn)殇X顆粒可維持點(diǎn)火的溫度約2000K，且鋁顆粒與水完全燃燒的溫度為3000K以上，所以，長時間工作條件下，燃燒室的冷卻成了必須要解決的問題。為此，提出了雙燃燒室構(gòu)型加壁面冷卻換熱方案HAC-4，如圖4所示。HAC-4系統(tǒng)構(gòu)型采用經(jīng)過換熱器的高溫液態(tài)水的一部分，通過壁面冷卻換熱的方式形成高溫水蒸氣，一方面解決了燃燒室的冷卻問題，另一方面充分利用了系統(tǒng)的熱量，省去了高溫壓縮機(jī)等部件，提升了系統(tǒng)性能。圖4系統(tǒng)方案HAC-4Fig.4DiagramofsystemHAC-4數(shù)學(xué)模型當(dāng)前提出的六種系統(tǒng)方案的性能計(jì)算模型參見文獻(xiàn)［10］。每種系統(tǒng)方案的性能計(jì)算數(shù)學(xué)模型與控制參數(shù)如鋁粉流量、進(jìn)水溫度、進(jìn)水流量、燃燒室壓力、燃燒室溫度、組件效率等相關(guān)。模型計(jì)算中的氫氣及水蒸氣等組分的熱力學(xué)屬性來自于NIST［14］，而組分的相變則考慮了熱力參數(shù)隨壓力及溫度變化的影響。由于燃燒室溫度在1200K左右，通過熱力計(jì)算可知，反應(yīng)后的產(chǎn)物為氧化鋁及氫氣，其他組分均為微量，可忽略不計(jì)，因此本模型中不考慮化學(xué)湍動能及表面反應(yīng)的影響，熱量釋放計(jì)算僅為單步的鋁-水反應(yīng)［12-13］。2Al(s)+3H2O(g)fAI2O3(s)+2H2(g)+15152kJ/kg(T=298.15K;P=101.325kPa)(1)為了預(yù)估幾種系統(tǒng)方案的總體性能，輸出凈功率可表示為：(2)式中，表示系統(tǒng)凈輸出功率，為渦輪輸出功率，為壓縮機(jī)消耗功率，為泵消耗功率，由于氫氣排出航行器外，此處不考慮氫氣的利用。為與其他能量系統(tǒng)如鋰電池進(jìn)行對比分析，取能量密度作為系統(tǒng)性能表征。系統(tǒng)能量密度［10］EDV定義為：式中，pAI為鋁粉燃料密度，為鋁粉燃料質(zhì)量流量，VAI為鋁粉燃料總體積，Vsys為總的系統(tǒng)體積(系統(tǒng)體積取1000L［11］)，VAl二Vsys-VC-Vempty。VC表示系統(tǒng)組件體積，Vempty表示空的體積。系統(tǒng)總效率［10］為：(4)式中,AHreac為鋁與水的反應(yīng)熱。結(jié)果與討論通過對文獻(xiàn)［10］中采用絕熱壓縮條件下的case1進(jìn)行算例驗(yàn)證，結(jié)果如圖5所示由此可知，渦輪輸出功率略大于文獻(xiàn)值，而絕熱壓縮條件下系統(tǒng)凈功率略小于文獻(xiàn)值，等溫壓縮條件下則大于文獻(xiàn)值；絕熱壓縮時，效率略低于文獻(xiàn)值，而等溫壓縮時，略高于文獻(xiàn)值；燃燒室溫度取自文獻(xiàn)值，因此溫度值基本一致；質(zhì)量流量結(jié)果略低于文獻(xiàn)值?？傮w來說，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果符合較好，證明了本模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。⑻功率(a)Power(b)效率(b)Efficiency(c)溫度(c)Temperature(d)質(zhì)量流量(d)Massflow-rate圖5計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證Fig.5Calculationresultsverification下面具體就四種不同系統(tǒng)方案進(jìn)行對比分析。根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)果可知，低的渦輪壓力比可以提高系統(tǒng)的能量密度，因此取渦輪壓力比為20。鋁水的不完全燃燒參照文獻(xiàn)中給定的燃燒效率95%作為表征［15-16］，其他系統(tǒng)參數(shù)均與文獻(xiàn)基本一致。表1為各系統(tǒng)方案的初始計(jì)算條件，圖6~11為四種方案在相同輸出功率15kW條件時得到的主要計(jì)算結(jié)果。表1初始計(jì)算條件Tab.1Systemoperatingcondition物理量值系統(tǒng)凈輸出功率/kW15燃燒室壓力/MPa2.76水壓/MPa4.0氫氣存儲壓力/MPa4.8—次進(jìn)水溫度/K755海水溫度/K298.15渦輪效率0.65絕熱壓縮效率0.7等溫壓縮效率0.7換熱效率0.5燃燒效率0.95渦輪壓力比20水深/m3圖6為相同輸出功率15kW條件下需要的鋁粉流量對比。首先，絕熱壓縮條件下需要的鋁粉流量大于等溫壓縮條件下的。這是因?yàn)榈葴貕嚎s消耗的功率較低，使得在相同輸出功率下，系統(tǒng)需要的鋁粉量降低。其次，各系統(tǒng)鋁粉流量分布為HAC-2>HAC-1>HAC-4>HAC-3。HAC-3系統(tǒng)利用了部分氧化鋁產(chǎn)物的熱量，因此該系統(tǒng)需要消耗的鋁粉最低；而相比HAC-1系統(tǒng)，HAC-2直接采用從分離器返回的高溫水蒸氣作為一次進(jìn)水，消耗的能量較大，因此鋁粉消耗量最大；HAC-4省去了氣流返回的壓縮機(jī)部分消耗功率，因此相比HAC-1系統(tǒng)，HAC-4系統(tǒng)鋁粉流量低于HAC-1系統(tǒng)。絕熱壓縮條件(a)Adiabaticcompressioncondition等溫壓縮條件(b)Isothermalcompressioncondition圖6鋁粉質(zhì)量流量Fig.6Massflow-rateofaluminumpowers圖7為絕熱壓縮條件下渦輪輸出功率對比。由于絕熱壓縮與等溫壓縮僅影響壓縮機(jī)而不影響渦輪的輸出功率，此處僅給出了絕熱壓縮條件下的渦輪輸出功率變化。由圖7可知，其分布趨勢與鋁粉流量分布趨勢完全一致：HAC-2>HAC-1>HAC-4>HAC-3。原因在于，當(dāng)渦輪入口氣流溫度一致且換熱器效率相同時，鋁粉流量越大渦輪輸出功率越大。圖7絕熱壓縮條件下渦輪輸出功率Fig.7Turbinepowerinadiabaticcompression圖8為絕熱壓縮時各系統(tǒng)鋁粉燃料體積對比。其分布趨勢為：HAC-4>HAC-1>HAC-3>HAC-2。該分布趨勢與鋁粉流量及渦輪輸出功率分布趨勢不同。一般來說，根據(jù)系統(tǒng)組件體積計(jì)算方法，系統(tǒng)內(nèi)部氣流流量越大，系統(tǒng)組件體積越大，由于總體積一定，從而得到的鋁粉燃料體積越小。但由于HAC-3系統(tǒng)增加了固體換熱器以及一個高溫蒸發(fā)器，使得整個系統(tǒng)組件體積增加，從而鋁粉燃料體積降低而HAC-2系統(tǒng)由于鋁粉流量最大，系統(tǒng)內(nèi)部氣流流量最大，系統(tǒng)組件體積最大，從而該系統(tǒng)鋁粉燃料體積最小。圖8各系統(tǒng)鋁粉體積Fig.8Aluminumfuelvolumeforeachsystem圖9為各系統(tǒng)的能量密度對比。根據(jù)式(3)，當(dāng)系統(tǒng)凈輸出功率一定時，其值與鋁粉燃料體積成正比，與鋁粉質(zhì)量流量成反比。由圖9可知，兩種壓縮條件下其分布趨勢均為：HAC-4>HAC-3>HAC-1>HAC-2。結(jié)合鋁粉質(zhì)量流量(圖6)及鋁燃料體積(圖8)。HAC-4系統(tǒng)鋁粉燃料體積最大且鋁粉質(zhì)量流量較小，因此該系統(tǒng)得到的能量密度最大，HAC-4系統(tǒng)相比原HAC-1系統(tǒng)能量密度增加約53.8Wh/L。同樣，HAC-2系統(tǒng)鋁粉燃料體積最小且鋁粉流量最大，因此該系統(tǒng)能量密度最小，但該系統(tǒng)提高了一次進(jìn)水溫度，使其達(dá)到1149K，可以在一定程度上促進(jìn)鋁水燃燒。燒。絕熱壓縮條件(a)Adiabaticcompressioncondition等溫壓縮條件(b)Isothermalcompressioncondition圖9各系統(tǒng)能量密度Fig.9Energydensityforeachsystem圖10為系統(tǒng)效率對比。由圖10可知，在相同輸出功率15kW條件下，絕熱壓縮系統(tǒng)效率在14%左右，等溫壓縮系統(tǒng)效率在17.5%左右。各系統(tǒng)總效率中，HAC-3系統(tǒng)最高，HAC-2系統(tǒng)效率較低，主要因?yàn)镠AC-3系統(tǒng)充分利用了氧化鋁的熱值。HAC-4相對HAC-1也有所提高，主要因?yàn)镠AC-4系統(tǒng)省去了高溫壓縮部分，使得系統(tǒng)消耗功率降低，總系統(tǒng)效率相對較高。絕熱壓縮條件(a)Adiabaticcompressioncondition等溫壓縮條件(b)Isothermalcompressioncondition圖10各系統(tǒng)效率對比Fig.10Totalefficiencyforeachsystem圖11為各個HAC系統(tǒng)在輸出功率為15kW條件下能量密度與目前主流的應(yīng)用于水下動力系統(tǒng)中的電池（固體燃料電池、鋰電池、堿性電池以及鉛酸電池）能量密度對比。在HAC系統(tǒng)中，深灰色與淺灰色分別代表絕熱壓縮與等溫壓縮得到的能量密度。由對比可知，新型系統(tǒng)能量密度值為固體燃料電池的3.5倍左右，為傳統(tǒng)鋰電池的9倍左右，由此可知，該類系統(tǒng)具有較高的能量密度特性，使得其在水下動力技術(shù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。圖11各系統(tǒng)能量密度對比Fig.11Comparisonofenergydensityforeachsystem4結(jié)論通過增加系統(tǒng)組件或改變系統(tǒng)組件布局，得到了幾種不同的系統(tǒng)方案，結(jié)論如下：1） 從分離器內(nèi)引出高溫氣流，在壓縮機(jī)的帶動下直接作為一次高溫水蒸氣進(jìn)入燃燒室與鋁發(fā)生反應(yīng)，得到的系統(tǒng)能量密度及系統(tǒng)總效率均小幅度下降，但可將一次進(jìn)水溫度提升至1149K，有利于鋁水燃燒。2） 增加蒸發(fā)器及固體氧化鋁換熱器組件，同時去除高溫蒸氣壓縮機(jī)組件后，充分利用剩余氧化鋁的熱量來獲得高溫水蒸氣，可以降低鋁粉質(zhì)量流量，提高鋁粉燃料體積以及系統(tǒng)能量密度與系統(tǒng)總效率。3） 提出雙燃燒室構(gòu)型加壁面再生冷卻換熱方案，通過壁面冷卻換熱的方式獲得高溫水蒸氣。一方面解決了燃燒室壁面的冷卻問題，另一方面充分利用的系統(tǒng)的熱量，省去了高溫壓縮機(jī)等部件。計(jì)算結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以降低鋁粉質(zhì)量流量，提高鋁粉燃料體積，提升系統(tǒng)能量密度與系統(tǒng)總效率。參考文獻(xiàn)（References）USNaval.Thenavyunmannedunderseavehicle（UUV）masterplan[R].USA:DepartmentoftheNavy,2004.OfficeofNavalResearch.Longenduranceunderseavehiclepropulsion[R].Arlington,2011.ChalkSG,MillerJF.Keychallengesandrecentprogressinbatteries,fuelcells,andhydrogenstorageforcleanenergysystems[J].JournalofPowerSources,2006,159(1):73-80.VasilievLL,KanonchikLE,KulakovAG,etal.Newsorbentmaterialsforthehydrogenstorageandtransportation[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2007,32(18):5015-5025.KimJ,MoonI.Strategicdesignofhydrogeninfrastructureconsideringcostandsafetyusingmultiobjectiveoptimization[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2008,33(21):5887-5896.ZhengJY,LiuXX,XuP,etal.Developmentofhighpressuregaseoushydrogenstoragetechnologies[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2012,37(1):1048-1057.MillerTF,WalterJL,KielyDH.Anext-generationAUVenergysystembasedonaluminum-seawatercombustion[C]//ProceedingsofWorkshoponAutonomousUnderwaterVehicles,2002:111-119.張方方，張振山,王晉忠.水下制氫反應(yīng)室動態(tài)過程數(shù)值分析[J].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2015,37(6):155-161.ZHANGFangfang,ZHANGZhenshan,WANGJinzhong.Numericalanalysisondynamicprocessofunderwaterhydrogengenerationreactor[J].JournalofNationalUniversityofDefenseTechnology,2015,37(6):155-161.(inChinese)李芳,張為華，張煒，等.鋁基水反應(yīng)金屬燃料性能初步研究[J].國防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2005,27(4):4-7.LIFang,ZHANGWeihua,ZHANGWei,etal.Apreliminaryresearchontheperformanceofhydroreactivealuminummetalfuel[J].JournalofNationalUniversityofDefenseTechnology,2005,27(4):4-7.(inChinese)WatersDF,CadouCP.ModelingahybridRankine-cycle/fuel-cellunderwaterpropulsionsystembasedonaluminumwatercombustion[J].JournalofPowerSources,2013,221(1):272-283.WatersDF,CadouCP.Estimatingtheneutrallybu