一种用于不依赖空气推进装置的动力循环系统的制作方法

本发明涉及动力循环系统技术领域，特别涉及到一种用于不依赖空气推进装置的动力循环系统。

背景技术：

常规潜艇通常由柴油发电机和蓄电池为推进电机提供电力，在水下航行时，因为没有空气，柴油机不能工作，要用蓄电池提供动力，由于蓄电量有限，潜艇需要经常浮出水面用柴油发动机给蓄电池充电，给隐蔽性带来不利影响。为了使潜艇能长期在水面下长期航行而不用浮出水面充电，“不依赖空气推进装置”被装备于常规潜艇，不依赖空气推进装置运行过程中使用艇上携带的氧气，不需要从空气中获得氧气。

目前，不依赖空气推进装置的动力系统主要分为四种，分别为斯特林发动机、燃料电池、闭式循环柴油机以及闭式循环汽轮机等，但是仍然面临潜伏更深、航速更快、更加静音等新的要求，研发高效的不依赖空气推进装置系统任重道远。

近年来，在发电领域出现了先进的超临界二氧化碳循环发电技术，热力循环效率大幅提升。超临界二氧化碳循环采用二氧化碳作为工质，二氧化碳化学性质不活泼，无色无味无毒、安全、价格便宜、易获得，是一种优良的天然工质。当运行于900℃以上温度时，超临界二氧化碳循环的热效率可达55％以上，可以与燃料电池相媲美。因此，将超临界二氧化碳循环用于不依赖空气推进装置的动力循环，对于常规潜艇的发展有重要意义。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明目的提供了一种设计合理、结构简单、燃烧室中燃料和氧气燃烧产生的热量被超临界二氧化碳工质吸收，可使其达到900℃以上的高温，能够将超临界二氧化碳循环的热效率提高至55％以上的用于不依赖空气推进装置的动力循环系统。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案来实现的：

一种用于不依赖空气推进装置的动力循环系统，包括

一用于存储燃料的燃料罐；

一用于对从燃料罐输出的燃料进行预热处理的燃料预热器，所述燃料预热器的燃料进口与燃料罐的燃料出口相连通；

一用于存储液氧的液氧罐；

一用于对从液氧罐内输出的液氧进行气化的液氧气化器，所述液氧气化器的氧气进口与液氧罐的氧气出口相连通，所述液氧气化器的二氧化碳出口与用于存储液体二氧化碳的液体二氧化碳罐的进口相连通；

一用于对从液氧气化器内输出的氧气进行预热处理的氧气预热器，所述氧气预热器的氧气进口与液氧气化器的氧气出口相连通；

一用于燃料和氧气在二氧化碳工质中燃烧的燃烧室，所述燃烧室的燃料进口与燃料预热器的燃料出口相连通，所述燃烧室的氧气进口与氧气预热器的氧气出口相连通；

一用于推动第一发电机产生电力来启动压缩机工作的高压透平，所述高压透平的进气口与燃烧室的出气口相连通，所述高压透平的第一排气口与燃料预热器的进气口相连通；

一用于回收高压透平排出的二氧化碳工质的热量的高温回热器，所述高温回热器的低压侧进口与燃料预热器的出气口相连通，所述高温回热器的高压侧出口与燃烧室的二氧化碳工质进口相连通，所述高温回热器的高压侧进口与压缩机出口相连通；

一用于回收高温回热器排出的二氧化碳工质的热量的低温回热器，所述低温回热器的低压侧进口与高温回热器的低压侧出口相连通，所述低温回热器的高压侧出口与高温回热器的高压侧进口相连通，所述低温回热器的高压侧进口与液氧气化器的二氧化碳出口相连通；

一用于对从低温回热器排出的二氧化碳工质中携带的水分进行分离的第一分离器，所述第一分离器的进口与低温回热器的低压侧出口相连通，所述第一分离器的出口与压缩机的进口相连通；

一用于对从第一分离器输出的部分二氧化碳工质进行冷却液化的冷凝器，所述冷凝器的进口与第一分离器的出口相连通，所述冷凝器的出口与低温回热器的高压侧进口相连通；

一用于推动第二发电机产生电力的低压透平，所述低压透平的进口与高压透平的第二排气口相连通，所述低压透平的出口与氧气预热器的二氧化碳进口相连通；

一用于对从氧气预热器输出的二氧化碳工质中携带的水分进行分离的第二分离器，所述第二分离器的进口与氧气预热器的二氧化碳出口相连通，所述第二分离器的出口与液氧气化器的二氧化碳进口相连通。

在本发明的一个优选实施例中，该用于不依赖空气推进装置的动力循环系统还包括一用于将燃料罐内的燃料输送至燃料预热器内进行预热的燃料泵，所述燃料泵的燃料进口与燃料罐的燃料出口相连通，所述燃料泵的燃料出口与燃料预热器的燃料进口相连通。

在本发明的一个优选实施例中，该用于不依赖空气推进装置的动力循环系统还包括一用于将液氧罐内的液氧输送至液氧气化器内进行气化的液氧泵，所述液氧泵的氧气进口与液氧罐的氧气出口相连通，所述液氧泵的氧气出口与液氧气化器的氧气进口相连通。

在本发明的一个优选实施例中，该用于不依赖空气推进装置的动力循环系统还包括一用于将通过冷凝器冷却液化后的液体输送至低温回热器进行低温加热的第一二氧化碳泵，所述第一二氧化碳泵的进液口与冷凝器的出液口相连通，所述第一二氧化碳泵的出液口与低温回热器的高压侧进口相连通；

在所述液氧气化器的二氧化碳出口与第一二氧化碳泵的进液口之间设有一第二二氧化碳泵，所述第二二氧化碳泵的进口与液氧气化器的二氧化碳出口相连通，所述第二二氧化碳泵的出口与第一二氧化碳泵的进液口相连通。

与现有技术相比，本发明的燃烧室中燃料和氧气燃烧产生的热量被超临界二氧化碳工质吸收，可使其达到900℃以上的高温，超临界二氧化碳循环的热效率可达55％以上，同时还能够使燃烧产生的水和二氧化碳均被收集，采用该系统不需要重新开发关键设备，可针对潜艇服役要求进行设备选型和系统布置，包括选用紧凑型的换热器设备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的控制原理图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参照图1所示，图中给出了一种用于不依赖空气推进装置的动力循环系统，包括燃料罐100、燃料预热器200、液氧罐300、液氧气化器400、氧气预热器500、燃烧室600、高压透平700、高温回热器800、低温回热器900、第一分离器1000、冷凝器1100、低压透平1200和第二分离器1300、第一发电机1400、第二发电机1500、燃料泵1600、压缩机1700、液氧泵1800、液体二氧化碳罐1900、第二二氧化碳泵2000、第一二氧化碳泵2100。

燃料罐100用于存储燃料，燃料预热器200用于对从燃料罐100输出的燃料进行预热处理，燃料预热器200的燃料进口与燃料罐100的燃料出口相连通，液氧罐300用于存储液氧。

燃料泵1600用于将燃料罐100内的燃料输送至燃料预热器200内进行预热，燃料泵1600的燃料进口与燃料罐100的燃料出口相连通，燃料泵1600的燃料出口与燃料预热器200的燃料进口相连通。

液氧气化器300用于对从液氧罐300内输出的液氧进行气化，液氧气化器400的氧气进口与液氧罐300的氧气出口相连通，液氧气化器300的二氧化碳出口与用于存储液体二氧化碳的液体二氧化碳罐1900的进口相连通。

液氧泵1800用于将液氧罐300内的液氧输送至液氧气化器400内进行气化，液氧泵1800的氧气进口与液氧罐300的氧气出口相连通，液氧泵1800的氧气出口与液氧气化器400的氧气进口相连通。

氧气预热器500用于对从液氧气化器400内输出的氧气进行预热处理，氧气预热器500的氧气进口与液氧气化器400的氧气出口相连通，燃烧室600用于燃料和氧气在二氧化碳工质中燃烧，燃烧室600的燃料进口与燃料预热器500的燃料出口相连通，燃烧室600的氧气进口与氧气预热器500的氧气出口相连通。

高压透平700用于推动第一发电机1400产生电力来启动压缩机1700工作，高压透平1400的进气口与燃烧室600的出气口相连通，高压透平1400的第一排气口与燃料预热器200的进气口相连通。

高温回热器800用于回收高压透平700排出的二氧化碳工质的热量，高温回热器800的低压侧进口与燃料预热器200的出气口相连通，高温回热器800的高压侧出口与燃烧室600的二氧化碳工质进口相连通，高温回热器800的高压侧进口与压缩机1700出口相连通。

低温回热器900用于回收高温回热器800排出的二氧化碳工质的热量，低温回热器900的低压侧进口与高温回热器800的低压侧出口相连通，低温回热器900的高压侧出口与高温回热器800的高压侧进口相连通，低温回热器900的高压侧进口与液氧气化器400的二氧化碳出口相连通。

第一分离器1000用于对从低温回热器800排出的二氧化碳工质中携带的水分进行分离，第一分离器1000的进口与低温回热器900的低压侧出口相连通，第一分离器1000的出口与压缩机1700的进口相连通。

冷凝器1100用于对从第一分离器1000输出的部分二氧化碳工质进行冷却液化，冷凝器1100的进口与第一分离器1000的出口相连通，冷凝器1000的出口与低温回热器900的高压侧进口相连通。

第一二氧化碳泵2100用于将通过冷凝器1100冷却液化后的液体输送至低温回热器900进行低温加热，第一二氧化碳泵2100的进液口与冷凝器1100的出液口相连通，第一二氧化碳泵2100的出液口与低温回热器900的高压侧进口相连通。

在液氧气化器400的二氧化碳出口与第一二氧化碳泵2100的进液口之间设有一第二二氧化碳泵2000，第二二氧化碳泵2000的进口与液氧气化器400的二氧化碳出口相连通，第二二氧化碳泵2000的出口与第一二氧化碳泵2100的进液口相连通。

低压透平1200用于推动第二发电机1500产生电力，低压透平1200的进口与高压透平700的第二排气口相连通，低压透平1200的出口与氧气预热器500的二氧化碳进口相连通。

第二分离器1300用于对从氧气预热器500输出的二氧化碳工质中携带的水分进行分离，第二分离器1300的进口与氧气预热器1300的二氧化碳出口相连通，第二分离器1300的出口与液氧气化器400的二氧化碳进口相连通。

本发明具体工作原理如下：

该系统运行时，二氧化碳循环工作，第一二氧化碳泵2100将液体二氧化碳工质增压至约16mpa，增压后的二氧化碳工质进入低温回热器900加热至约130℃，然后经压缩机1700增压的另一路二氧化碳工质汇合后进入高温回热器800，经高温回热器800加热至约700℃，然后进入燃烧室600加热至900℃，然后进入高压透平700膨胀至约6mpa，高压透平700推动第一发电机1400产生电力，高压透平700排气中的一路依次经燃料预热器200、高温回热器800和低温回热器900释放余热，再经第一分离器1000分离水分，第一分离器1000的出口工质分两路，一路进入压缩机1700增压后进入高温回热器900，另一路经冷凝器1100液化，再回到第一二氧化碳泵2100。高压透平700排气中的另一路进入低压透平1200膨胀至约3.8mpa，推动第二发电机1500产生电力，低压透平1200排气经氧气预热器500释放余热降温(不低于零度)后再经第二分离器1300分离水分，再经液氧气化器400冷凝(不低于零度)，并将液氧气化，液体二氧化碳一部分进入第二二氧化碳泵2000增压至约6mpa进入第一二氧化碳泵2100，其余进入液体二氧化碳罐1900。液氧泵1800将来自液氧罐300的液氧增压至约16mpa，经液氧气化器400气化，再经氧预热器500预热，再进入燃烧室600。燃料泵1600将来自燃料罐100的燃料增压至约16mpa，经燃料预热器200预热，再进入燃烧室600。采用超临界二氧化碳循环的不依赖空气推进装置运行过程中没有尾气排放，确保隐蔽性。

上述实施例中超临界二氧化碳循环效率约为55～57％，为了进一步提高循环效率，可提高高压透平2进口温度，如1000℃，循环效率可达60％以上，有利于延长潜艇的水下续航里程。

综上所述本发明的燃烧室中燃料和氧气燃烧产生的热量被超临界二氧化碳工质吸收，可使其达到900℃以上的高温，超临界二氧化碳循环的热效率可达55％以上，同时还能够使燃烧产生的水和二氧化碳均被收集，采用该系统不需要重新开发关键设备，可针对潜艇服役要求进行设备选型和系统布置，包括选用紧凑型的换热器设备。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。