一种局部进气的水反应金属燃料高压涡轮装置的制作方法

1.本发明涉及水下航行器动力技术领域，特别涉及一种局部进气的水反应金属燃料高压涡轮装置。


背景技术：

2.随着各国服役的潜艇和水面舰船航程的不断提高和航速不断增大以及机动性的大幅提高，鱼雷以及其他的水中兵器必须有很大航速才能有效杀伤敌方目标。水下航行体航行时所需要的能量与速度的立方成正比，也就是说要使航行体的速度提高一倍，需要增加八倍的能量。为了提高水下航行体的速度、航程，需要对现有动力系统开展深入研究。
3.水下航行体的动力系统主要有热动力系统和电动力系统两种，与电动力系统相比，热动力系统具有高速度、远航程的优点。针对热动力系统，发展高能燃料及相关动力技术具有非常重要的现实意义。
4.水反应金属燃料具有很高的能量特性，可以大幅提高水下航行体的比功率，降低燃烧室的质量，提高水下航行体的航速以及增大航程，是一个具有光明前景的研究方向，已经有越来越多的科技人员投入到水反应金属燃料的研究之中。但目前，水反应金属燃料在水下动力领域的应用以直喷式推进为主，由此造成的能量损失较大，难以实现推进效率的有效提升。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种局部进气的水反应金属燃料高压涡轮装置，为了解决现有技术中能量损失较大，难以实现推进效率的有效提升的技术问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.一种局部进气水反应金属燃料高压涡轮装置，包括：超声速拉法尔喷管进气道1，耐气固两相流磨损缸体2，水反应金属燃料产物出口3，轴孔4，做功装置，其中，耐气固两相流磨损缸体2上设置有超声速拉法尔喷管进气道1；水反应金属燃料产物出口3开设在耐气固两相流磨损缸体2的下部，轴孔4开设在耐气固两相流磨损缸体2的侧面上；做功装置设置在耐气固两相流磨损缸体2内部与轴孔4连接。
8.可选地，耐气固两相流磨损缸体2的上部侧面分布有两个超声速拉法尔喷管进气道1。
9.可选地，超声速拉法尔喷管进气道1采用斜切形式与耐气固两相流磨损缸体2连接。
10.可选地，超声速拉法尔喷管进气道1与耐气固两相流磨损缸体2采用一体成型方式铸造。
11.可选地，做功装置依靠传动轴固定在耐气固两相流磨损缸体2内部。
12.可选地，做功装置包括高转速耐磨损叶轮5，高负荷冲动式动叶片6。
13.可选地，轴孔4开设在耐气固两相流磨损缸体2的侧面中心。
14.可选地，水反应金属燃料产物出口3作为做功工质出口。
15.可选地，超声速拉法尔喷管进气道1具有斜切式钻孔喷管。
16.可选地，耐气固两相流磨损缸体2为所述装置的主体结构。
17.本发明的有益效果为：本发明提供了一种局部进气水反应金属燃料高压涡轮装置，包括：超声速拉法尔喷管进气道1，耐气固两相流磨损缸体2，水反应金属燃料产物出口3，轴孔4，做功装置，其中，耐气固两相流磨损缸体2上设置有超声速拉法尔喷管进气道1；水反应金属燃料产物出口3开设在耐气固两相流磨损缸体2的下部，轴孔4开设在耐气固两相流磨损缸体2的侧面上；做功装置设置在耐气固两相流磨损缸体2内部与轴孔4连接，减小了能量损失，有效提升了推进效率。
附图说明
18.图1是局部进气的水反应金属燃料高压涡轮装置轴视图。
19.图2是局部进气的水反应金属燃料高压涡轮装置俯视图。
20.图3是局部进气的水反应金属燃料高压涡轮装置正视图。
21.图4是局部进气的水反应金属燃料高压涡轮装置侧视图。
22.图5是局部进气的水反应金属燃料高压涡轮装置a-a截面剖视图。
23.图6是局部进气的水反应金属燃料高压涡轮装置b-b截面剖视图。
24.图7是超声速拉法尔钻孔喷管进气道轴视图。
25.图8是超声速拉法尔钻孔喷管进气道俯视图。
26.图9是超声速拉法尔钻孔喷管进气道正视图。
27.图10是超声速拉法尔钻孔喷管进气道侧视图。
28.其中，1-超声速拉法尔喷管进气道，2-耐气固两相流磨损缸体，3-水反应金属燃料产物出口，4-轴孔，5-高转速耐磨损叶轮，6-高负荷冲动式动叶片
具体实施方式
29.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
30.为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
31.参见图1-图10，本发明实施例提供一种局部进气水反应金属燃料高压涡轮装置，其包括：超声速拉法尔喷管进气道1，耐气固两相流磨损缸体2，水反应金属燃料产物出口3，轴孔4，做功装置，其中，耐气固两相流磨损缸体2上设置有超声速拉法尔喷管进气道1；水反应金属燃料产物出口3开设在耐气固两相流磨损缸体2的下部，轴孔4开设在耐气固两相流磨损缸体2的侧面上；做功装置设置在耐气固两相流磨损缸体2内部与轴孔4连接。
32.可选地，耐气固两相流磨损缸体2的上部侧面分布有两个超声速拉法尔喷管进气道1。
33.可选地，超声速拉法尔喷管进气道1采用斜切形式与耐气固两相流磨损缸体2连接。
34.可选地，超声速拉法尔喷管进气道1与耐气固两相流磨损缸体2采用一体成型方式铸造。
35.可选地，做功装置依靠传动轴固定在耐气固两相流磨损缸体2内部。
36.可选地，做功装置包括高转速耐磨损叶轮5，高负荷冲动式动叶片6。
37.可选地，轴孔4开设在耐气固两相流磨损缸体2的侧面中心。
38.可选地，水反应金属燃料产物出口3作为做功工质出口。
39.可选地，超声速拉法尔喷管进气道1具有斜切式钻孔喷管。
40.可选地，耐气固两相流磨损缸体2为所述装置的主体结构。
41.本发明装置的工作原理为：
42.高温高压水反应金属燃料气固两相流燃烧产物经超声速拉法尔喷管进气道1收缩段和扩张段两次膨胀，降压加速达到超声速并进入冲动式动叶片6流道。超声速气固两相流推动冲动式动叶片6，将自身可用焓及动能转化为冲动式动叶片6及高转速耐磨损叶轮5的动能，高转速耐磨损叶轮5高速转动后通过轴孔4将转速同等传递至转轴，进而输出轴功。超声速气固两相流做功完成后，在耐气固两相流磨损缸体2内进一步膨胀，并经由水反应金属燃料产物出口3排出涡轮。
43.本发明装置采用斜切式钻孔喷管，气流通道在运动方向上没有折转，一般不会出现流动分离；同时钻孔喷管具有较小的摩擦面积，没有棱角并且可以达到很高的尺寸精度和表面粗糙度。
44.本发明装置采用水反应金属燃料，能量密度大，质量流量小，而从进气道出口截面流出的气流速度很大，导致进入动叶流道的气流速度很大，因此进气道出口面积和对应的动叶流道入口面积都很小，采用局部进气方式保证进气道出口直径和叶片高度的可加工性，同时减少能量损失从而增加涡轮机的效率和功率。
45.在一应用场景中，本发明装置设计转速为55000r/min，局部进气率为0.22，反力度为0.03，进气绝对速度与叶轮圆周速度的比值为0.4634，拉法尔喷管扩张角8
°
，动叶出口绝对气流角为89.6216
°
，气流方向为轴向，对应的余速损失小。
46.本发明实施例具有如下有益效果：
47.本发明实施例提供的水反应金属燃料高压涡轮装置突破了传统直喷式推进的限制，可将水反应金属燃料高温高压气固两相燃烧产物携带的能量高效转变为轴功并输出至推进装置，从而实现水下航行器推进功率不低于400kw的高速长航时航行。
48.本发明实施例采用超声速拉法尔钻孔喷管与高负荷冲动式动叶片相结合的新型涡轮装置组成形式，辅以局部进气方式，使水反应金属燃料燃烧生成的高温高压气固两相产物在喷管流动和叶片做功中得到充分利用，极大地提高了系统整体做功效率，有效延长续航时间。
49.本发明实施例提供的高压涡轮装置在单级中消耗很大的焓降，此时喷管进出口压强比远小于临界压强比，喷管出口位置气流达到超音速，使用拉法尔斜切式钻孔喷管，使气流运动方向不产生折转，避免出现流动分离；同时钻孔喷管具有较小的摩擦面积，没有棱角并且可以达到很高的尺寸精度和表面粗糙度
50.水反应金属燃料能量密度极高，水下航行时需要的燃气流量相对传统能源更少，而从喷管出口截面流出的气流速度很大，导致进入动叶流道的气流速度很大，因此喷管出
口面积和对应的动叶流道入口面积都很小，增加了设计难度的同时也导致更大的能量损失。本发明采用局部进气的方式降低喷管出口直径和叶片高度的设计难度并提高涡轮机的效率和功率。
51.本发明实施例提供的局部进气水反应金属燃料高压涡轮装置结构上主要包括钻孔喷管、动叶叶栅转子、叶轮，采用专门设计的环形体连接，空间布置上合理安排，实现了小空间、高负荷、高效率的最优化设计，可完成大功率航行下的长续航要求，可极大改善水下高效打击武器系统的战斗性能。
52.在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
53.当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种局部进气水反应金属燃料高压涡轮装置，其特征在于，包括：超声速拉法尔喷管进气道(1)，耐气固两相流磨损缸体(2)，水反应金属燃料产物出口(3)，轴孔(4)，以及做功装置，其中，耐气固两相流磨损缸体(2)上设置有超声速拉法尔喷管进气道(1)；水反应金属燃料产物出口(3)开设在耐气固两相流磨损缸体(2)的下部，轴孔(4)开设在耐气固两相流磨损缸体(2)的侧面上；做功装置设置在耐气固两相流磨损缸体(2)内部，与轴孔(4)连接。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，耐气固两相流磨损缸体(2)的上部侧面分布有两个超声速拉法尔喷管进气道(1)。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，超声速拉法尔喷管进气道(1)采用斜切形式与耐气固两相流磨损缸体(2)连接。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，超声速拉法尔喷管进气道(1)与耐气固两相流磨损缸体(2)采用一体成型方式铸造。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，做功装置依靠传动轴固定在耐气固两相流磨损缸体(2)内部。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，做功装置包括高转速耐磨损叶轮(5)，高负荷冲动式动叶片(6)。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，轴孔(4)开设在耐气固两相流磨损缸体(2)的侧面中心。8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，水反应金属燃料产物出口(3)作为做功工质出口。9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，超声速拉法尔喷管进气道(1)具有斜切式钻孔喷管。10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，耐气固两相流磨损缸体(2)为所述装置的主体结构。

技术总结
本发明提供了一种局部进气水反应金属燃料高压涡轮装置，其包括：超声速拉法尔喷管进气道(1)，耐气固两相流磨损缸体(2)，水反应金属燃料产物出口(3)，轴孔(4)，以及做功装置，其中，耐气固两相流磨损缸体(2)上设置有超声速拉法尔喷管进气道(1)；水反应金属燃料产物出口(3)开设在耐气固两相流磨损缸体(2)的下部，轴孔(4)开设在耐气固两相流磨损缸体(2)的侧面上；做功装置设置在耐气固两相流磨损缸体(2)内部，与轴孔(4)连接，减小了能量损失，有效提升了推进效率。提升了推进效率。提升了推进效率。


技术研发人员：樊玮鹏 郝拥军 洪军伟 张赫 李红烨 张亚龙
受保护的技术使用者：中国舰船研究院（中国船舶集团有限公司第七研究院）
技术研发日：2022.12.23
技术公布日：2023/6/3