固体推进剂涡轮喷水发动机工作性能研究

乔 宏, 韩新波, 伊进宝, 李洪伟



固体推进剂涡轮喷水发动机工作性能研究

乔 宏, 韩新波, 伊进宝, 李洪伟

(中国船舶重工集团公司第705研究所, 陕西 西安, 710075)

研究了固体推进剂涡轮喷水发动机的工作原理和热功转换过程, 分析了轴流水泵的空化特性, 计算了发动机热功转换效率和推进效率, 获得了典型工作条件下的发动机性能参数。结果表明, 轴流水泵抗空化性能明显优于传统推进器, 合理设计发动机工作参数, 可以实现燃气涡轮与轴流水泵的匹配运行, 为开展固体推进剂涡轮喷水发动机研究提供参考。

固体推进剂; 涡轮喷水发动机; 推进效率; 空化

0 引言

固体推进剂涡轮喷水发动机是一种结构相对简单的水下航行器动力推进装置, 在空投鱼雷和反鱼雷鱼雷方面具有广阔的应用前景。这种发动机采用固体推进剂作为能源, 无需常规热动力鱼雷的能源供应、冷却及润滑系统; 采用冲动式涡轮机作为动力主机, 轴流水泵作为推进器, 把从雷外吸入的海水加速后排出形成反作用推力, 主机与推进器之间不配置减速机构, 系统构成相对简单; 通过改变燃气发生器工作喷嘴的数目调节燃气流量, 可实现多速制[1]。

20世纪90年代, 前苏联在АЛР-2喷气空投鱼雷的基础上研制出使用固体推进剂涡轮喷水发动机的АЛР-3Э鱼雷, 如图1所示。АЛР-3Э鱼雷由飞机携带, 用于空投反潜, 由于使用喷水发动机代替喷气发动机, 推进效率显著提高, 航程3 400 m, 最高航速70 kn以上, 可用于攻击航行深度小于800 m, 航速小于43 kn的潜艇。目前, АЛР-3Э空投反潜鱼雷及其改进型已成为俄罗斯海军武器库中的主流空投鱼雷[2]。

本文研究了固体推进剂涡轮喷水发动机的工作原理和热功转换过程, 分析计算了轴流水泵的空化特性和推进效率, 获得了典型工作条件下的发动机主要性能参数, 证明了发动机的技术可行性。

图1 АЛР-3Э空投反潜鱼雷示意图

1 发动机工作原理

固体推进剂涡轮喷水发动机主要由燃气发生器、固体推进剂、数目可调喷嘴、单级冲动式涡轮、轴流水泵、排气管、进水管和水喷管等组成, 如图2所示。

图2 固体推进剂涡轮喷水发动机工作原理图

发动机工作时, 燃气发生器点火, 固体推进剂燃烧形成高温燃气, 经过多个气体喷嘴膨胀加速, 驱动燃气涡轮旋转, 乏气经排气管排至雷外, 燃气涡轮则驱动轴流水泵, 把从雷外吸入的海水加速后排出, 形成反作用推力。

燃烧室压强和燃气流量为

可以看出, 燃气流量取决于推进剂的性能参数和燃气发生器的结构参数, 工作过程中要调节流量只能通过改变喷喉面积。

固体推进剂涡轮喷水发动机通过调节喷嘴的工作个数改变喷喉面积, 实现速制的转换。在燃气发生器和涡轮之间设置气路关闭装置, 通过电爆管动作实现气路关闭, 从而改变工作喷嘴的个数, 原理示意图见图3所示。

图3 气路关闭装置示意图

假设燃气发生器有4个相同的喷嘴, 工作时可打开2个、3个或4个, 则对应的燃气发生器压强和工质流量如表1。由此可见, 通过改变工作喷嘴的数目, 可在较大范围内调节燃气流量, 实现速制切换。

表1 工作喷嘴数目不同时的室压和工质流量

受鱼雷空间限制, 采用轴流式、单级、冲动式涡轮机, 涡轮机与推进器之间不配置减速机构, 因此涡轮转速(即轴流水泵转速)是发动机的一个重要设计参数, 必须兼顾涡轮机效率和轴流水泵效率, 并保证轴流水泵不会出现空化。这是固体推进剂涡轮喷水发动机的关键技术之一。

2 发动机热功转换分析

固体推进剂涡轮喷水发动机工作时, 热功转换可分为3个过程: 1) 固体推进剂燃烧, 推进剂化学能转化为工质热能; 2) 工质在喷嘴中绝热膨胀, 工质热能转化为动能, 工质与涡轮叶片相互作用, 工质动能转化为涡轮动能; 3) 涡轮驱动轴流水泵, 把从雷外吸入的海水加速后喷出, 使鱼雷克服航行阻力做功。

图4 内效率随速度比变化曲线

除涡轮级损失外, 发动机热功转换过程中的损失还包括: 燃烧不完全损失、机械损失、水力损失, 相应的效率分别为燃烧效率、机械效率和推进效率。固体推进剂涡轮喷水发动机的一种典型能量平衡图见图5。

图5 固体推进剂涡轮喷水发动机典型能量平衡图

3 轴流水泵水动力分析

3.1 推进效率分析

轴流水泵推进效率指克服鱼雷航行阻力所需的功与轴流水泵输入功之比。轴流水泵输入功一部分克服鱼雷航行阻力做功, 一部分转变为海水动能, 还有一部分由于水力损失耗散掉, 即

克服鱼雷航行阻力所需的功

转变为海水动能的功

水力损失耗散功

推进效率

根据动量定理, 推力

将上式带入到推进效率计算公式中得到

可见, 当水力损失系数一定时, 推进效率是等效排水速度与航行速度之比()的单值函数, 关系见图6。

轴流水泵的水力损失系数一般在0.3~0.6之间, 当速度比较小时, 需要的喷水质量流量很大,水力损失耗散功很大, 导致推进效率下降; 反之, 当速度比较大时, 转变为海水动能的功很大, 同样导致推进效率下降。由图6看出, 在等效排水速度介于1倍和2倍航行速度时, 推进效率存在极大值, 可作为等效排水速度和轴流水泵水流量的设计依据。

3.2 空化分析

为了兼顾涡轮机和轴流水泵的效率, 固体推进剂涡轮喷水发动机的转速很高。在高转速下, 轴流水泵有空化的风险, 一旦空化, 水泵性能恶化, 推进效率严重下降, 同时空化对过流部件和叶片产生强烈的冲击和剥蚀, 导致轴流水泵失效。

无空化条件轴流水泵转子的转速

临界气蚀余量

泵入口剩余压力

因此, 无空化条件轴流水泵转子的转速随泵入口剩余压力的增大而增加, 随海水流量的增大而减小。在轴流水泵转速一定的条件下, 鱼雷航深越大, 海水流量越小, 越不容易发生空化。

以某典型工作条件为例, 已知鱼雷航速为70 kn, 轴流水泵流量为210 kg/s, 在航深50 m和航深400 m条件下泵入口剩余压力和无空化条件的极限转速见表2。

表2 航深不同时泵入口剩余压力和无空化条件下的极限转速

从计算结果看, 相对于传统推进器, 轴流水泵的抗空化能力更强, 在大航深下一般不会发生空化。为降低浅航深下发生空化的风险, 使固体推进剂涡轮喷水发动机能在浅航深下正常工作, 轴流水泵设计中应采取抗空化措施: 1) 合理选择叶轮进口直径; 2) 在动叶之前加装静叶; 3) 鱼雷进水口采取导流措施, 减小吸入损失; 4) 研究超空化叶片的应用可行性等。

4 算例

4.1 计算条件

鱼雷口径350 mm, 鱼雷长度3 500 mm, 速度70 kn, 航程3 400 m, 航深400 m。

4.2 计算结果

在上述条件下, 对固体推进剂涡轮喷水发动机主要性能参数进行了计算, 结果见表3。

表3 一种典型工作条件下的发动机主要性能参数

5 结论

本文论述了固体推进剂涡轮喷水发动机的工作原理和热功转换过程, 对轴流水泵的推进效率和空化特性进行了分析, 对典型工作条件下的发动机主要性能参数进行了计算, 研究和计算结果表明:

1) 固体推进剂涡轮喷水发动机系统构成相对简单, 总效率约0.16, 略低于传统的鱼雷活塞机和涡轮机, 但远高于水下火箭发动机;

2) 轴流水泵推进效率在0.55~0.65之间, 虽然低于传统推进器, 但抗空化性能明显优于传统推进器, 能在较高转速下正常运行;

3) 合理设计固体推进剂涡轮喷水发动机的工作参数, 可以实现燃气涡轮和轴流水泵的匹配运行, 发动机具有技术可行性。

[1] 王云, 吕浩福. 船舶喷射推进技术发展综述[J]. 舰船科学技术, 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.

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[4] 杨友胜, 张俊, 黄国勤, 等. 水射流技术的应用研究[J]. 机床与液压, 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.

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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.

乔宏(1982-), 男, 工程师, 硕士, 主要从事鱼雷热动力技术方面的研究.

(责任编辑: 陈 曦)