水动机替代电动机节能改造的应用

文章结合水动机替代电动机节能改造具体工程实例,系统阐述了水动机的工作原理和优点,并对水动机替代电机的可行性进行技术分析;同时,还介绍了改造后节能效果、改造费用和投资回收期等。

水动机械的新近发展

本文介绍了水动机械—这一古老的技术—的新近发展。

水冲压发动机多喷嘴雾化效果试验研究

良好的进水状态是保证水冲压发动机高效工作的关键,进水适度雾化既易于反应,又具有穿透力,保证与燃气充分掺混燃烧。在发动机燃烧室有限空间内,多喷嘴进水相互干扰,实际雾化效果与有效射程更加复杂。基于此,分别开展了单喷嘴雾化特性与多喷嘴雾化效果试验研究。结果表明,在距离喷嘴出口60 mm处,进水雾化粒径趋于稳定;多喷嘴同时工作时,雾化液滴在中心线附近再次相互融合,使得轴向喷射距离增加,穿透能力增强,空间上延长了进水与燃气的掺混路径,有利于充分进行化学反应,但喷嘴数量过多时,会形成实心水柱,弱化进水雾化效果,进水系统应当把握好“适度”原则。在内径180 mm的发动机中,喷嘴直径为3.2 mm,供水压差为3~4 MPa工况下,周向均布5个喷嘴时,轴向喷射距离约为17 cm,雾化效果较好,有利于促进燃烧。

水冲压发动机增压进水系统构型及性能研究

对高速水中兵器而言,水冲压发动机是最理想的动力推进装置,然而低速无法启动致使其难以广泛应用。为了解决水冲压发动机的低速启动问题,提出了微型涡轮机拖动微型混流泵的水冲压发动机增压进水系统构型方案,完善了微型涡轮机和微型混流泵设计方法,建立了涡轮机和混流泵工作性能仿真计算模型,通过数值仿真验证了设计结果的合理性,完成了涡轮机和混流泵的匹配设计,分析了增压进水系统的工作性能。结果表明:涡轮机及增压泵各项设计结果与目标值最大相对偏差小于3.2%,增压系统可将来流压力增加2.0 MPa,使得水冲压发动机的启动航速由90 m/s降低至63 m/s。研究成果对水冲压发动机技术的工程应用有参考价值。

铝/水两相自点火实验和理论研究

针对铝/水冲压发动机水蒸气氛围金属燃料点火燃烧机理不明、基础燃烧实验数据缺乏等问题,基于可视化高压激波管实验平台开展了铝/水两相自点火实验和理论研究,从发光强度及火焰图像、自点火温度和点火延迟3种角度表征了铝粉的温度效应、压力效应和尺度效应,揭示了铝/水和铝/氧点火机理的差异性,构建了铝/水自点火温度预示模型。实验结果表明:铝/水点火模式为小粒径颗粒优先着火,再引燃大粒径铝颗粒着火;临界自点火温度与铝颗粒粒径呈现反向依赖关系;点火延迟时间与温度关系符合Arrhenius关系式,颗粒越大,点火延迟的温度敏感性越高;纳米级铝粉点火延迟呈现较强的压力依赖行为,高压下火焰区域更为集中,铝粉颗粒之间竞争氧化剂更加剧烈;铝粉点火延迟的尺度效应明显,1500K下50.0μm粒径铝粉点火延迟时间约为100nm粒径铝粉的30倍。研究结果表明,铝/水自点火特性优于铝/氧,所构建的铝/水模型对微米颗粒自点火温度的预测值与文献实验值偏差较小。该研究的基础燃烧数据和点火机制理论分析可为铝/水冲压发动机的燃烧组织优化及燃烧室结构设计提供理论依据,为铝/水点火机理和模型的发展提供研究思路。

受限空间内水下爆轰燃气射流发展特性

为探索脉冲爆轰水冲压发动机水下工作时导水器内燃气射流发展特性,利用可燃气体的爆轰在水下受限空间内产生脉动气泡,对爆轰管在圆筒形受限空间内的水下爆轰燃气射流进行了数值仿真与实验验证。基于雷诺时均基本方程组与k-ε两方程模型耦合流体体积气液界面追踪方法的相输运方程建立受限空间中水下单次燃气射流流场流动模型,使用OpenFOAM中的Compressible Inter Foam求解器对受限空间中脉冲爆轰燃气射流进行数值求解。结果表明:受限空间对水下爆轰的前导激波的影响较小,前导激波幅值与自由空间相比变化不大,由爆轰燃气射流所引起的压力扰动大幅升高且持续时间明显增加,受限空间中各处压力显著高于受限空间之外;受限空间中燃气泡的脉动周期延长至60 ms左右,然而受限空间径向尺寸对燃气泡的脉动周期影响较小。可见,受限空间可提高水下爆轰管出口近场压力并延长燃气射流作用时间,研究结果对脉冲爆轰水冲压发动机推力性能提升方法研究具有重要指导作用。

发动机进水后二次启动的损伤分析与鉴定

车辆在涉水行驶条件下导致发动机进水熄火,可能会造成发动机损伤,熄火后二次启动发动机,也会造成发动机损伤。本文通过对受损的发动机进行拆解,检验各零部件的损伤痕迹,应用痕迹鉴定的方法,分析发动机进水后不同情况下的损伤特征,判断发动机进水熄火后是否存在继续运转现象,从而对车辆涉水熄火后是否进行过二次启动进行鉴别。

水冲压发动机原理性试验技术研究

从水冲压发动机的工作机理出发,提出了适合开展发动机原理性研究的燃气发生器式水冲压发动机的工作原理。结合铝镁贫氧推进剂、水冲压发动机试验测试系统设计等研究,完成了燃气发生器式水冲压原理性试验研究工作,获得了该工作形式下铝镁推进剂的燃烧性能,成功验证了水冲压发动机的工作原理可行性,为后续开展水冲压发动机的性能研究提供了丰富的试验数据。

金属/水反应冲压发动机三维内流场数值模拟

采用颗粒轨道模型进行了燃气发生器式金属/水反应冲压发动机补燃室两相流的数值模拟,建立了水冲压发动机补燃室反应流模型,并对某发动机进行了模拟,研究了一次进水时不同喷注位置和喷孔个数对铝颗粒燃烧效率和发动机性能的影响规律,得出了反应物和产物组分、温度等发动机参数的变化趋势。结果表明,存在使发动机性能达到较优的进水位置,一次进水以2孔对称分布为宜。模拟结果可为发动机设计提供参考。

镁基水反应金属燃料及水冲压发动机初步试验

通过热力学计算预估水冲压发动机的性能,确定了燃料配方,并研制出试验用镁基水反应金属燃料。成功进行了水冲压发动机原理样机热试车,对水冲压发动机及其燃料的性能进行了初步研究。

金属/水反应冲压发动机内流场数值模拟

基于燃气发生器式金属/水反应冲压发动机的构成形式,建立了发动机补燃室内流场两相反应计算模型,并在该模型下对给定的贫氧推进剂配方,及某模型发动机进行了模拟,得出了不同水喷射雾化角、铝颗粒燃烧模型、铝颗粒初始直径下反应物和产物组分、温度等发动机参数的变化趋势。结果表明,水喷射雾化角大有利于水滴蒸发及其与燃气的掺混;两种不同的铝颗粒燃烧模型结果差别不大;铝颗粒初始直径的大小对发动机性能有显著影响。

金属水反应水冲压发动机系统性能估算

使用金属 水反应燃料是推进水下超高速航行器的最佳途径,分析了单次注水和二次注水的铝 水反应燃料水冲压发动机系统,得出了燃料质量配比、燃烧室温度、燃烧室压强、系统有效推力、效率等关键技术性能指标。指出了二次注水系统的优越性并提出了一种二次注水系统的实施方案。分析结论与实际系统性能指标相吻合,证明了分析的正确性,可以为系统研究提供参考。

金属/水反应冲压发动机理论性能计算与分析

基于水与金属燃料反应的水冲压发动机是一种新型的水下动力装置。为了研究水下冲压发动机的基本性能,在简述热力计算原理的基础上,以含铝贫氧推进剂为例对燃气发生器式水冲压发动机、以铝金属燃料为例对漩流式水冲压发动机进行了不同工作状态下的热力计算,得出了发动机比冲与水燃比、工作压强等之间的定性关系。

发动机水套中沸腾传热的试验与仿真研究

为了更加准确地研究发动机水套内冷却液流动传热问题,在Mixture多相流基础上建立了一套适用于发动机水套沸腾传热的气液两相流模型。以某直列4缸汽油机为研究对象,通过试验对汽油机第4缸火力面温度进行测量,两相流与传统单相流模拟结果对比表明两相流准确性更高。在两相流模拟结果基础上找出了汽油机水套壁面高温危险区,并基于发动机水套的设计要求提出了优化方案。模拟结果表明:优化后水套内冷却液的流动与冷却更加均匀,水套壁面温度明显降低,传热效果得到了提升。本研究可为以后的发动机沸腾传热研究和冷却水套设计提供参考。

水冲压发动机掺混燃烧数值分析

用三维两相湍流N-S方程及湍流燃烧PDF模型模拟水冲压发动机补燃室燃烧流场,并探讨了进水流量对冲压发动机补燃室流场的影响。通过与试验结果对比分析,结果表明,所采用的数值方法可用来模拟水冲压发动机补燃室掺混工作过程,其数值结果可用来指导水冲压发动机进一步的研究分析工作。

水冲压发动机用金属燃料的研究进展

介绍了用于超高速鱼雷的巡航动力推进系统——水冲压发动机的基本原理,阐述了水反应金属燃料的组成及特点,以金属镁与水在不同状态下的反应机理为例对水反应金属燃料的工作原理进行了分析,并提出燃料的组织形式、点火技术和燃烧性能调节技术等是水反应金属燃料研究中的关键技术。通过总结国内外水冲压发动机及水反应金属燃料的研究进展,指出国内相关领域研究的不足和发展方向。附参考文献22篇。

水燃比对水冲压发动机性能影响数值模拟与试验研究

为了研究水燃比对二次进水水冲压发动机比冲性能的影响规律,建立了发动机补燃室两相反应模型,对镁基水冲压发动机进行了数值模拟,获得了发动机比冲、喷管出口温度及出口速度随水燃比变化趋势,在此基础上进行了水冲压发动机地面直连式试验研究。结果表明,存在最佳水燃比使二次进水水冲压发动机比冲性能较优。

水冲压发动机的热力循环性能预示

针对采用二次进水机制的水冲压发动机,基于特殊的工作方式初步建立了相应的热力循环模型,进而在不同的发动机工况下分析了循环热效率性能。选定水反应金属燃料基础配方为Mg/AP/HTPB的混合物,在不同组分配方条件下,相应发动机热力循环效率随各影响参数的变化规律一致,均随燃烧室压强和水反应金属燃料中金属含量的增加而呈增加趋势,相反,水燃比的增加会引起热效率的降低。特别地,给定一合理水燃比3.0,保持燃烧室压强和航行器航深分别为2.5 MPa和10 m,50%和60%镁含量的水反应金属燃料对应发动机的循环热效率分别为37.78%和44.38%,初步验证了基于联合循环的水冲压发动机良好的循环性能。

水冲压发动机热力计算

简述了水冲压发动机化学平衡与非化学平衡热力计算方法及相应的适用条件,计算了试验发动机补燃室温度,并与试验数据进行了对比分析。分析结果表明,该热力计算方法适用于水冲压发动机。用热力计算方法可确定水冲压发动机最佳水燃比,进而指导水冲压发动机的设计和试验。

金属燃料/水冲压发动机一次进水试验

介绍了金属燃料/水冲压发动机试验系统,采用非壅塞式构型实现了镁基金属燃料发动机一次加水后稳定燃烧,试验中进水流量稳定,补燃室与燃烧室压强变化相同.试验研究了一次水燃比和燃料燃速对发动机燃烧性能的影响,试验结果表明:当一次水燃比在一定范围内变化时,发动机燃烧效率和喷射效率随水燃比增加而先增加后减少;增加燃料燃速可提高发动机燃烧效率和改善发动机工作性能,但燃速增加需满足发动机长时间工作需求.