水反应金属燃料在超高速鱼雷推进系统中的应用

对水反应金属燃料和其他燃料进行了比较和分析,阐述了用于超高速鱼雷的水反应金属燃料体系。通过热力学计算,分析了水反应金属燃料的能量特性及其影响因素,并对水反应金属燃料应用于超高速鱼雷推进系统的可能途径进行了探讨。通过分析得出,水反应金属燃料充分利用雷外海水作为能源,具有显著的高能量特性,可明显提高超高速鱼雷承载燃料的能力,是超高速鱼雷的最佳能源选择;水反应金属燃料能以液态或固态形式应用于发动机,发动机形式宜采用喷射式,但环境压力对发动机比冲影响较大,其使用效率随航行深度的增加而降低。

基于虚拟质量法的水下航行器燃料贮箱模态分析

为分析并解决水下航行器燃料贮箱结构共振问题,基于虚拟质量法建立了水下航行器燃料贮箱有限元模型,对燃料贮箱干状态、充液状态进行模态仿真计算,提取前4阶呼吸模态固有频率及振型,研究不同隔板位置对贮箱结构振动特性的影响,获得隔板位置与模型固有频率最大值的对应关系,为燃料贮箱结构设计、性能改进提供数值依据。

一种鱼雷涡轮机叶轮和叶片模态试验技术

鱼雷涡轮机叶轮体积小、质量轻、叶片短,常用的接触式加速度传感器的附件质量对叶轮模态的测试精度有直接影响,且无法在短叶片上布置。为了完全消除传感器的附加质量影响,增加测点数量,提高测试精度,将非接触式激光测振技术和聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜引入叶轮模态测试中,解决鱼雷涡轮机叶轮的模态测试难题,测量出叶轮前5阶固有频率和振型。将2种测振方法对比分析,结果表明,2种测振方法测量叶轮固有频率精度均较高,激光测振技术测量叶轮模态可布置多个测点、测量范围宽、振型结果显示清晰直观;PVDF压电薄膜在较高频率范围的测试精度和抗干扰性较好,但不适用于低频测量,且测量的叶轮模态振型难以辨识。

水下小型特种燃气轮机轮盘热-流耦合仿真分析

文中针对水下小型特种燃气轮机高温高速来流、涡轮盘高转速的情况下,流体域使用剪切压力传输(SST) k-ω湍流模型,固体域采用共轭传热的方法对轮盘及其流道温度场进行仿真,并将得到的温度场加载到强度分析中,对最恶劣工况下轮盘所受热应力、变形量进行仿真计算。计算结果表明:在采用3喷嘴数时涡轮盘温度达到极值,且反向排气可有效降低涡轮盘表面温度,但其做功能力将被限制。在不采取任何冷却措施的情况下,轮盘最高温度已超出材料最大耐受温度,在轮盘最高温度极值区域有较大的伸长率,且轮盘在高温高转速下最大应力值已超出材料的许用应力。应在涡轮盘温度较高的区域对轮盘采取一定的冷却措施。文中所做研究可为燃气轮机安全设计提供参考。

基于测点优化和加速度计的叶轮模态测试

鱼雷涡轮机叶轮体积小、质量轻,加速度传感器的数量对叶轮模态的测试精度和可测阶数有直接影响。为了尽可能减少测点数目以降低附加质量对叶轮固有频率的影响,将叶轮有限元网格模型及模态计算结果导入LMS Virtual.lab中进行模态置信度分析,优化出叶轮模态试验的响应测点数量和位置,以及激励点的位置和方向。以预试验分析结果为指导,采用加速度传感器测量出叶轮前3阶固有频率和振型。试验模态和计算模态的振型基本一致,固有频率最大相对误差为3.3%。研究表明,对传感器的位置和数量进行优化后可提高涡轮机叶轮模态测试效果,但无法完全消除附加质量对叶轮固有频率的影响,建议采用非接触激光测振技术来获取精确详细的叶轮模态参数。

燃气涡轮机在鱼雷动力系统中的应用与发展

回顾并展望了燃气涡轮机在鱼雷动力推进系统中的应用与发展,分析了燃气涡轮机在鱼雷动力推进系统中的发展需要,基于对鱼雷燃气涡轮机动力系统的组成、原理和特点的认识,指出满足鱼雷要求的涡轮机类型一般是轴流式或重入式部分进气单级或复级冲动涡轮机,与航空燃气涡轮机作比较,其在结构、驱动目的、能源、冷却介质以及废气排放等方面有较大区别,与液体火箭发动机燃气涡轮泵比较,其在使用燃料、使用环境和工作方式等方面也有很大区别,最后对开展鱼雷燃气涡轮机的研究提出了几点建议。

水下航行器小通道内蒸汽冷凝换热计算分析

针对水下航行器用冷凝器的结构特性和使用环境,建立冷凝器中小通道内蒸汽冷凝换热过程的焓值模型,对流换热系数模型和压力模型。根据4种不同的换热系数计算式,求解对应关系式下的焓值、温度、压力和干度仿真值,并结合实验数据进行对比分析,得到在单相区采用D-B关联式,在两相区采用A-R关联式,计算的结果误差最小。并以此为基础,对小通道的截面尺寸进行计算分析,计算结果表明:当通道截面宽度为6 mm时,小通道具有较好的流动换热能力,为水下航行器的工程设计提供重要参考。

水下航行器小通道内蒸汽换热实验研究

为研究水下航行器小通道内的蒸汽换热特性,对采用矩形通道设计的冷凝通道进行实验研究,分析不同蒸汽入口温度对通道换热特性的影响。实验结果表明:矩形小通道具有较好的冷凝换热效果,通道总平均换热量、热流密度以及通道出口冷凝液温度均随通道入口蒸汽温度升高而升高。但总传热系数和蒸汽侧换热系数随通道入口蒸汽温度升高而降低。最后在实验数据基础上,将实验值与仿真值进行对比分析,修正仿真模型,确定过热蒸汽冷凝成水的过程中相变点位置,为后续闭式循环动力系统壳体冷凝器的设计提供依据和参考。

熔融铝水蒸气浸没射流反应数值仿真

熔融铝水蒸气浸没射流反应可作为氢氧闭式循环动力系统的新型制氢方法,能够提高制氢速率和氢气发生器的稳定可控性,但反应具有高温、不透明和局部流动状态复杂等特点,难以通过常规方法对其流场进行观测。为探究其流场特性,文中使用Fluent非预混燃烧模型对该反应进行了数值仿真。通过理想混合物密度计算方法对概率密度函数查询表的精度进行了提升,使数值模型能更准确地模拟气液反应,得到了熔融铝水蒸气浸没射流反应流场的参数分布以及不同水蒸气入口速度条件下流场温度分布和水蒸气核心区的变化规律。研究结果表明,文中数值模型能够较合理地模拟射流燃烧反应;熔融铝水蒸气反应射流流场由水蒸气核心区和混合产物区组成,其中水蒸气核心区在射流区域中占据的空间远小于混合产物区;当水蒸气入口速度增加时,高温区最高温度增高且体积增大、水蒸气核心区长度增长。研究结果将为进一步研究熔融铝水蒸气浸没射流反应和设计氢气发生器提供参考。

水反应金属燃料发动机一次进水雾化锥角数值仿真

为了研究雾化锥角对水反应金属燃料发动机一次进水反应的影响,对水反应发动机一次进水燃烧情况进行了建模,仿真了水反应特性和流场特性,通过改变镁粒径、喷嘴位置和雾化锥角大小,进行了对比分析。仿真结果表明,水反应剧烈的位置液滴挥发作用也强烈;温度场的分布与镁液滴分布有很大关联,镁液滴多的位置流场温度低,镁液滴少的位置流场温度高;增大镁粒径,水反应强烈的区域向后移动;雾化锥角影响流场特性;不同镁粒径条件下喷嘴最合适雾化锥角和位置不同。

HAP三组元推进剂泵供系统流动特性仿真

文中针对燃烧试验出现的燃烧振荡,开展水下航行器HAP三组元推进剂泵供系统流动特性研究。使用3D仿真软件Pump Linx模拟出燃料泵的流动状态,使用1D软件AMESim模拟出泵供系统流动特性,通过三组元燃烧动态测试试验,测得泵供系统各组部件流体压力脉动情况,以验证仿真模型。结果表明,仿真获取的泵供系统流动特性与试验所测脉动规律基本吻合,证明了仿真获取的各组部件脉动频率等参数的准确性,这些参数可为设计和优化液压元器件提供技术支撑。

基于PumpLinx的变量燃料泵流动特性仿真研究

为了研究鱼雷变量燃料泵的流动特性,文中提出了一种使用标准模版实现静缸式柱塞泵的研究方法,通过3D建模软件UG与计算流体力学(CFD)仿真软件Pump Linx完成对柱塞泵的仿真。在此基础上,进一步对泵的流量、压力和空化进行了仿真和分析。仿真结果表明,变量泵不会产生空化现象,但流量脉动较大且高低压过渡不平稳,这些结论对变量泵的改进设计有一定的参考价值。

鱼雷发动机三组元比例控制器数值模拟

利用计算流体力学软件Pumplinx模拟鱼雷发动机中三组元比例控制器的内部流场,分析计算中不同压差情况下对比例控制器性能的影响,以及叶片与定子间间隙大小对于比例控制器性能的影响,同时对不同叶片数目下性能进行对比。计算结果表明:由于比例控制器为被动旋转马达结构,其转速和流量均随时间呈周期性脉动变化,随着工作压差增大,转速脉动幅度基本保持不变,而流量和扭矩脉动幅值增加;随着间隙增大,泄漏量增大,但流量、扭矩、转速脉动幅值大幅降低,出口流量较为平稳;叶片数目增多后比例控制器转速降低、排量降低。由计算结果推断出目前比例控制器的最优叶片数目为4。本文可为进一步研究比例控制器精度问题提供参考。

固体火箭发动机水下应用时的燃速特性分析

火箭发动机内真实的推进剂燃速往往由于高温高压难以测量。为探讨燃速对于工况的依赖性,对水下应用的固体火箭发动机试验器的试验结果用最小二乘法进行了辨识。引用三种燃速公式进行辨识,得到了一种新型推进剂稳态燃速模型参数的最优辨识值。结果表明:指数式的辨识结果得到的残差最小,指数式是描述该新型推进剂燃速规律的合理格式。

弹性环-鱼雷涡轮转子动力学特性分析

针对燃气涡轮机弹性支承中的弹性环径向刚度问题,开展弹性环刚度分析方法的研究,研究弹性环的凸台数目、凸台宽度以及凸台厚度对其刚度的影响规律。利用Riccati传递矩阵法计算得到某悬臂转子系统的临界转速,分析了该转子系统的临界转速随弹性支承刚度的变化规律,进而得到弹性环参数变化对临界转速的影响规律,可以为弹性环的动力学设计提供一定的依据和参考价值。

变参数PID方法在涡轮机闭环控制上的应用研究

由于涡轮机对于变工况的敏感程度远远超过活塞机,随着工况的不同,特别是工况变动范围较大时,发动机表现出非线性特征,为发动机功率控制带来困难,因此,有必要采用数字电子控制器对涡轮机动力系统综合控制进行研究。利用发动机转速测量信号解除了转速对被控推进剂流量的耦合作用,利用航深信号补偿了发动机转速增益的变化,合理配置控制参数,采用变参数PID算法实现了系统的无静差控制,同时使控制对象不发生超调。仿真结果表明,该方法能够很快完成发动机的换速且整个过程流量及转速没有超调。

比例控制器用2阶椭圆齿轮设计与仿真

三组元比例控制器是水下热动力能源供应系统的关键组件,如何保证推进剂组元的精确比例配比,是比例控制器研制需要解决的主要问题。文中提出了一种采用2阶椭圆齿轮结构的比例控制器,其弥补了叶片式比例控制器的不足。依据2阶椭圆齿轮的啮合原理以及齿形折算原理,得到了齿轮在节曲线上的分布特点。利用CAXA/UG计算机辅助设计技术,设计了2阶椭圆齿轮的齿形并进行了比例控制器用椭圆齿轮的建模及齿轮运动副的运动仿真。仿真结果可为新型2阶椭圆齿轮结构的三组元比例控制器设计及加工提供参考。

转子各参数对鱼雷涡轮机启动过程响应特性的影响

为了研究转子各参数对启动过程响应特性的影响,建立了鱼雷涡轮机转子系统简化单盘悬臂转子模型,并利用Riccati传递矩阵法推导出该模型的瞬态运动微分方程,引入Newmark-β法对其进行求解,完成启动过程响应分析,重点讨论了角加速度、阻尼系数等参数对转子启动过程响应的影响规律,得出角加速度增大,共振幅值减小,共振转速略有增大;阻尼系数增大,共振幅值减小,共振转速略有减小。分析结果对转子瞬态动平衡的研究和弹性环的合理设计有一定的参考价值。