铝基水反应金属燃料动力系统建模与仿真

路　骏，韩勇军，马为峰，高育科，郭兆元，李　鑫

（1.中国船舶重工集团公司 第705研究所，陕西 西安，710077；2.西北工业大学 航海学院，陕西 西安，710072）

铝基水反应金属燃料动力系统建模与仿真

路骏1，2，韩勇军1，马为峰1，高育科1，郭兆元1，李鑫1

（1.中国船舶重工集团公司 第705研究所，陕西 西安，710077；2.西北工业大学 航海学院，陕西 西安，710072）

铝基水反应金属燃料动力系统采用高能量密度燃料，可大幅提高无人水下航行器的航程，是极具潜力的新型水下能源动力系统。文中分析了铝基水反应金属燃料动力系统工作原理，建立了全系统的性能计算模型，提出了该模型的求解方法，利用模型计算了系统关键节点的热力工作参数，获得了关键节点的热力工作参数和设备性能参数对系统热效率的影响规律。仿真结果表明，铝基水反应金属燃料动力系统比锂电池等目前常用的水下能源动力系统具有显著优势，且通过优化其热力工作参数，可进一步提高铝基水反应金属燃料动力系统的热效率。

无人水下航行器；铝基水反应金属燃料；动力系统；建模与仿真

1　概述

我国属世界海洋大国，拥有近 300万平方公里的“海洋国土”。随着我国海洋战略的制定和实施，维护海洋权益的任务日益繁重，需要更多现代化的海洋装备。其中，无人水下航行器（UUV）作为一种海上力量倍增器，有着广泛而重要的军事用途，已成功用于执行扫雷、侦察、情报搜集及海洋探测等任务［1］。目前，美国、俄罗斯等海洋强国及欧洲都在加强相关研究，其技术发展的重点之一是新型水下能源动力系统，以求大幅提高无人水下航行器的航程、航深和隐蔽性［2］。

提升水下能源动力系统性能的关键在于寻求高能量密度的新型能源以及提高动力系统的能量利用效率。表1总结了一些典型燃料的能量密度［3］。目前，水下动力系统采用的能源形式主要为OTTO燃料和电池。从表1中可以看出，这两种能源的能量密度较低，例如美国海军MARV无人水下航行器所采用的锂离子电池，其能量密度约为180～315 Wh/L；而美国海军Mk48鱼雷所采用的OTTO-II燃料，其能量密度为895 Wh/L。另一方面，金属燃料具有较高的能量密度。需要指出的是，与飞行器关注质量能量密度不同，水下航行器的阻力与沾湿表面积有关，因此更为关注体积能量密度。由表 1可知，铝具有最高的体积能量密度，而且其氧化剂水可以直接从海水中获取而不用自身携带，因此最适合水下应用。

表1　典型水下能源的能量密度Table 1　Energy density of typical underwater power

无人水下航行器的航程除了取决于能源的能量密度，还受动力系统的能量利用效率影响。航程与燃料能量密度和动力系统能量利用效率的关系如图 1所示［4］。图中的虚线表示等航程线，即同一条虚线上的点具有相同的航程。图中的粗线叉和细线叉表示采用锂电池时航程的下限和上限。图中空心三角形表示铝基水反应金属燃料动力系统的能量利用效率为2.6%时，其航程与锂电池航程相等；实心三角形表示铝基水反应金属燃料动力系统的能量利用效率为 26%时，其航程为锂电池航程的10倍。这说明由于铝基水反应金属燃料具有极大的能量密度，因此动力系统的能量利用效率只要大于 2.6%即可获得比锂电池更远的航程。

图1　航程与能量密度和能量利用效率的关系Fig.1　Relationship of rang with energy density and energy efficiency

目前，针对铝基水反应金属燃料在水下能源动力领域的应用研究主要集中在水冲压发动机，与文中提出的动力系统结构原理差异较大。基于此，文中分析了铝基水反应金属燃料动力系统的工作原理，建立了全系统的性能计算模型，计算获得关键节点的热力工作参数和设备性能参数对系统热效率的影响规律。

2　铝基水反应金属燃料动力系统

铝基水反应金属燃料动力系统是以铝基金属燃料和水发生反应释放热量加热注入燃烧室内的冷却水形成过热蒸汽作为工质，驱动蒸汽轮机完成能量转换的一种水下能源动力系统。

系统的能量转换过程主要包括铝粉输送、铝水反应、水蒸汽膨胀做功等复杂的物理化学过程，其工作原理如图2所示［5］。

其具体工作过程如下: 铝粉在燃料添加器内与氢气流混合并由氢气流携带输送至燃烧室。在燃烧室内，铝粉和水发生反应生成固态产物三氧化二铝和气态氢气，并释放大量的热量加热注入燃烧室内的冷却水形成过热蒸汽。反应产物经气固分离器后，固态产物被分离，气态产物驱动汽轮机将热能转化为机械功输出。汽轮机排出的乏汽经回热冷凝后流入气液分离器，其中所含的氢

气被分离并由压气机加压后重新进入燃料添加器；而液态水由循环泵增压后重新进入燃烧室与铝粉发生反应，完成整个循环。

图2　铝基水反应金属燃料动力系统原理图Fig.2　Principle of underwater propulsion system using hydroreactive aluminum metal fuel

3　系统模型与求解方法

3.1系统模型

1） 燃料添加器

燃料添加器的作用是利用高压的氢气流化固态的铝基金属燃料，由氢气流携带燃料进入燃烧室。计算燃料添加器混合物的出口速度需要求解复杂的三维Navier-Stokes方程，对于系统性能计算来说并无必要，故文中采用铝粉携带系数kseed和压力损失系数dpseed描述燃料添加器性能

2） 铝水燃烧室

铝水燃烧室中的能量转换过程相对复杂，因为这里既有铝水反应过程，又有水/水蒸汽的掺混过程。通过点火器启动铝水反应，反应方程

铝水反应启动后剧烈放热，如果不及时冷却降温，则可能烧毁燃烧室。为确保燃烧室材料在安全热强度下工作，由循环泵将冷却水加压经回热器注入燃烧室中，这些冷却水吸收铝水反应释放的热量而蒸发生成水蒸气，进而驱动汽轮机做功。

根据基尔霍夫定律，铝水反应热

其中

式中: q.c为2 mol铝完全反应放出的热量为铝水反应的标准反应焓；Tc为铝水反应进行的温度；为反应物或者产物在温度 Tc下的摩尔焓；为反应物或者产物的标准摩尔焓，即 298.15 K时的摩尔焓。

考虑到反应不完全损失、散热损失及气体膨胀损失等因素，该部分对整个系统提供的热量

3） 分离器

假设进入分离器的工质中含有n种成分，则将其完全分离所消耗的功为［6］

式中: Ru为理想气体常数；T为温度；mi，MWi和xi分别为第i种成分的质量、摩尔质量和摩尔分数；小标1，2和3分别表示该种成分入口、出口和被分离的量。

分离效率定义为第i种成分的出口质量与入口质量之比，根据质量守恒定律

根据能量守恒定律，可得

式中: hi为第i种成分的比焓。

4） 汽轮机

燃烧室产生的蒸汽在汽轮机中膨胀做功。汽轮机的有效功率

式中: m.t为汽轮机入口蒸汽质量流量；htin为汽轮机入口水蒸汽比焓；htout为水蒸汽按实际曲线膨胀的出口比焓；ηti为汽轮机相对内效率；ηtm为汽轮机机械效率。

汽轮机相对内效率

1)“ξ ist ein Philosoph”是函数(概念)，其中自变量(对象)取值为“Sokrates”；

5） 回热器

回热器高温侧为汽轮机出口的乏汽，低温侧为循环泵出口的过冷水，其性能可由回热利用率描述

式中:hsin为汽侧入口比焓；hsout为汽侧出口比焓；为汽侧出口压力对应的饱和蒸汽比焓为水侧入口比焓为水侧出口比焓。

根据热平衡，可得回热器的能量关系式

回热器的传热量

式中:krh为总传热系数；Arh为回热器的有效换热面积；Δ trh为传热温差。

式中:krh，i，krh，w和krh，g分别为管壁换热系数、水侧对流换热系数和汽侧对流换热系数。

式中，ψ为温差修正系数，表征流动接近逆流的程度。

回热器汽侧和水侧的压损

6） 冷凝器

冷凝器功能是利用舱外海水对乏汽进行冷却。冷凝器的放热量

7） 循环泵和压气机

循环泵和压气机均是用于给工质加压，其性能可用压比描述

式中，pcpin和pcpout为进、出口工质的压力。

给工质升压消耗的功为

式中:hcpin和hcpout为进、出口工质的比焓；ηcp为循环泵或压气机的效率。

3.2求解方法

该模型的求解方法如图3所示。首先确定不变的参数，如汽轮机机械效率、水泵和压气机效率等，再选定可变参数，如汽轮机排汽压力等。接下来对汽轮机进行热力计算，得到汽轮机出口（即回热器汽侧入口）参数；这时假定一个回热器汽侧出口温度初值，再选取回热利用率值，各节点压力按照一定的压损分别计算得到，然后根据冷凝器和供水泵的特性就能得到供水泵出口（即回热器水侧入口）参数，这时由回热利用率定义式就能得到回热器水侧出口比焓，再利用回热器的热平衡关系，可求得一个回热器汽侧出口的新比焓，继而得到一个新的汽侧出口温度。把这个新的汽侧出口温度与假定的初始值进行比较，当二者差距较大时，将后一次计算得到的回热器汽侧出口温度替换前一次计算得到温度，反复迭代直至二者之差不大于0.001℃为止。接着进行燃烧室的计算，其中铝水反应的放热量计算所用到的相关反应物和生成物的热物性参数如表2所示，表中数据来自NIST数据库的拟合公式。在此基础上计算获得全系统性能参数。

图3　模型求解方法Fig.3　Solving method of the system model

表2　铝水反应的反应物和生成物热物性参数表Table 2　Thermophysical parameters of reactants and products of hydroreactive aluminum

4　计算结果与讨论

为了表征整个系统的能量利用效率，引入系统热效率ηsy，其意义为整个系统的输出功与投入系统的总能量的比值。根据系统各个单元设备之间的能量转换情况，系统热效率

式中:Ne为汽轮机有效功率；Wp为水泵消耗功率；为压气机消耗功率；Qsy投入系统的总热量。

利用上述模型研究系统关键节点的热力工作参数（包括汽轮机的入口工质温度和排汽压力）以及设备性能参数（回热器回热利用率）对系统热效率的影响规律，结果如图4～图6所示。

图4所示为回热利用率变化对系统热效率的影响。当回热利用率从0.1增加到1.0，系统热效率从12.6%增加到14.2%。这是因为回热利用率增加，回热器性能提高，工质的平均吸热温度升高，同时冷端损失减少，系统热效率提高。但考虑到循环泵前工质不能气化的约束，因而回热利用的能量是有限的，导致系统热效率提升幅度也有限。

图4　回热器回热利用率对系统热效率的影响Fig.4　Impact of regenerator efficiency on system heat efficiency

图5为汽轮机入口工质温度变化对系统热效率的影响规律。随着汽轮机入口工质温度从800 K增加到1 100 K，系统热效率从11.5%升到13.7%。这是因为汽轮机入口工质温度增加，循环吸热过程的平均温度提高，从而使系统热效率提高。但入口工质温度偏离设计工况太大也会导致汽轮机效率显著下降。此外，考虑到需确保汽轮机材料在安全的热强度下工作，入口工质温度也不宜过高。

图6为汽轮机排汽压力变化对系统热效率的影响规律。从图中可以看出，随着排汽压力从0.1 MPa升高到0.7 MPa，系统热效率从13.5%下降到9.5%，降幅十分显著。这是由于汽轮机排汽压力升高，汽轮机焓降减小，输出的功率减小，另一方面，排汽压力升高，意味着循环放热过程平均温度提高，从而使循环热效率减低。

综上所述，铝基水反应金属燃料动力系统的能量利用效率远高于2.6%，因此其航程比锂电池具有显著优势，且通过优化关键热力工作参数，可以进一步提高系统效率。

图5　汽轮机入口温度对系统热效率的影响Fig.5　Impact of turbine inlet temperature on system heat efficiency

图6　汽轮机排汽压力对循环热效率的影响Fig.6　Impact of turbine exhaust steam pressure on circle heat efficiency

5　结束语

文中分析了铝基水反应金属燃料动力系统的工作原理，建立了系统的性能计算模型，提出了该模型的求解方法，并利用模型计算了系统关键节点的热力工作参数，以获得关键节点的热力工作参数和设备性能参数对系统热效率的影响规律。模型计算结果表明，增加汽轮机入口温度和降低汽轮机排汽压力都能在一定程度上提高系统的循环热效率。而实际中，汽轮机入口温度受限于材料，汽轮机排汽压力受限于冷凝器性能，在后续研究中应考虑上述因素进一步优化汽轮机工作参数。另一方面，回热器的回热利用率越高，系统热效率越高，同时回热器的面积越大。考虑到无人水下航行器的特殊应用环境，回热器的尺寸和重量有严格限制，故回热利用率不宜太高。

［1］ 兰志林，周家波.无人水下航行器发展综述［J］.国防科技，2008，29（2）: 11-15.

［2］王晓武，林志民，崔立军.无人潜水器及其动力系统技术发展现状及趋势分析［J］.舰船科学技术，2009，31（8）: 31-34.Wang Xiao-wu，Lin Zhi-min，Cui Li-jun.Analysis of Technology Status and Development Trend for Unmanned Underwater Venicle and Its Propulsion System［J］.Ship Science and Technology，2009，31（8）: 31-34.

［3］ Waters D F，Cadou C P.Modeling a Hybrid Rakine-cycle/ fuel-cell Underwater Propulsion System Based on Aluminum-water Combustion［J］.Journal of Power Sources，2013，221: 272-283.

［4］ Waters D F.Modeling of Water-breathing Propulsion System Utilizing the Aluminum-seawater Reaction and Solid-oxide Fuel Cells［D］.Master Thesis: University of Maryland，2011.

［5］ Eagle W E，Waters D F，Cadou C P.System Modeling of a Novel Aluminum Fueled UUV Power System［C］//Proceedings of 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting.Nashville，Tennessee: AIAA，2012.

［6］ Cengel Y，Boles M.Thermodynamics: An Engineering Approach［M］.4th ed.New York: McGraw Hill，2002.

（责任编辑: 陈曦）

Modeling and Simulation of Underwater Propulsion System Based on Hydroreactive Aluminum Metal Fuel

LU Jun1，2，HAN Yong-jun1，MA Wei-feng1，GAO Yu-ke1，GUO Zhao-yuan1，LI Xin1
（1.The 705 Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Xi′an 710077，China；2.School of Marine Science and Technology，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China）

Hydroreactive aluminum metal fuel can greatly increase the range of an unmanned underwater vehicle due to its high energy density.In this paper，the working principle of the propulsion system is introduced.The system is modeled based on the thermodynamics analysis.An iteration method is proposed for the solution of the model.Using the model，the key thermal parameters of the system are calculated，and their impacts on system performance are analyzed.Simulation results indicate that the proposed system is superior to the existing system powered by lithium battery.In addition，the system heat efficiency can be further improved by optimizing its key thermal parameters.

unmanned underwater vehicle；hydroreactive aluminum metal fuel；propulsion system；modeling and simulation

TJ630.32；V512

A

1673-1948（2016）03-0211-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.03.0010

2016-02-21；

2016-03-16.

国家自然科学基金（61403306）；中国博士后科学基金特别资助（2015T81062）；中国博士后科学基金（2014M552503）.

路骏（1986-），男，在站博士后，主要研究方向为水下能源动力技术.