一种用于水下系统的含不凝气乏汽增压排放系统及方法

本发明涉及水下动力系统排汽，特别地，涉及一种用于水下系统的含不凝气乏汽增压排放系统及方法。

背景技术：

1、能源动力系统作为水下航行器的心脏，其性能和特点不仅决定了水下航行器的航程、航速及航深，同时也决定了其稳定性、维修性和安全性等方面的性能。水下航行器的动力系统分为热动力系统和电动力系统两种，其中，热动力系统具有高能量密度、大功率、高航速、迅速启动等优点，能够满足水下航行器的新需求。

2、半闭式热动力系统作为一种新兴的水下航行器热动力系统，主要采用高能量密度的混合物作为燃料，混合工质做功后，乏汽中不凝结气体含量高达30％。目前，半闭式热动力系统乏汽的冷凝排放主要采用先冷凝分离再分别升压排放的分布式技术路线。在实际应用的过程中，由于容积泵的间隙及气体溶解时滞等问题，需要采用大量海水溶解不凝结气体；尤其当主机功率较大时，容积泵功耗大幅增加，大大限制了该方案的应用。

3、汽液射流混合凝结升压装置通过高压流体引射低压流体，利用两相激波的升压特性，实现混合流体的压力提升。该技术无需额外输入机械能或电能，具有启动快、节能环保等优点；同时，该技术无需旋转或运动部件，并具有体积小、安全可靠等特点，在水下航行动力系统的乏汽排放方面有着广泛的应用前景。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于水下系统的含不凝气乏汽增压排放系统及方法，通过结合水下航行动力系统的实际运行工况，设计得到合适的汽液射流混合凝结升压装置结构，在降低系统体积的同时有效提高水下航行系统的航深，实现半闭式热动力系统乏汽安全高效的排放，增加系统输出功率。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种用于水下系统的含不凝气乏汽增压排放系统，所述含不凝气乏汽增压排放系统包括动力系统乏汽排汽管路100，海水引入结构200、适用高含量不凝气的汽液混合凝结升压装置300、高压水排出结构400、喷嘴调节装置500以及旋流混合装置600；其中动力系统乏汽排放管路100与汽液混合凝结升压装置300的二次流入口303相连，海水引入结构200与汽液混合凝结升压装置300的一次流入口301相连，喷嘴调节装置500设置在汽液混合凝结升压装置300一次流入口位置，汽液混合凝结升压装置300的混合流体出口306与高压水排出结构400相连接，汽液混合凝结升压装置300和高压水排出结构400之间加装了旋流混合装置600；该系统具有完全不依靠外界动力、实现水下动力系统在不同水深条件下排汽背压保持恒定的特点，能够有效提升水下动力系统的长距离深航深安全可靠运行。

4、所述汽液混合凝结升压装置300包括收缩喷嘴302，收缩喷嘴302的入口为一次流入口301，收缩喷嘴302的收缩段外周设置环形收缩段304，环形收缩段304连通二次流入口303，收缩喷嘴302后部为变截面混合段305，变截面混合段305的出口为混合流体出口306。

5、引入的海水通过汽液混合凝结升压装置300的一次流入口301进入，而动力系统排放乏汽通过汽液混合凝结升压装置300的二次流入口303进入环形收缩段304，环形收缩段结构设计为超音速喷嘴以维持动力系统乏汽排放背压恒定。

6、汽液混合凝结升压装置300的结构能满足乏汽中的高含量不凝结气体运行需求，具体为变截面混合段305设计为渐缩型，变截面混合段305的混合腔长度不低于10倍收缩喷嘴302出口直径，收缩喷嘴302出口位置处设计为直线段，喉部和直线段出口之间的内壁面设计为扩张段。

7、所述收缩喷嘴302的入口位置存在直管段，且在收缩喷嘴302的法兰面与左套筒307最左边的法兰面之间设计一个可调节垫片，通过喷嘴调节装置500调节可调节垫片的厚度，随着下潜深度的增加，逐渐调整收缩喷嘴302的位置，进而改变收缩喷嘴302与环形收缩段304之间的最小间距，以此来适应更大的航深。

8、所述海水引入结构200由进水接口和与进水接口连接的导流罩组成，导流罩设计为扩口型，在向深海航行的过程中更有利于海水进入系统。

9、所述高压水排出结构400的高压水排水口设计一定倾角，有利于高压水排出腔体。

10、所述的一种用于水下系统的含不凝气乏汽增压排放系统的工作方法，海水由一次流入口301进入收缩喷嘴302，在收缩喷嘴302中加速，在收缩喷嘴302出口处形成低压区，引射含不凝结气体的排放乏汽进入汽液混合凝结升压装置；排放乏汽由于压差的作用在环形收缩段304中膨胀加速，在收缩喷嘴302出口达到超音速；海水经过收缩喷嘴302加速之后与超音速乏汽直接接触，由于海水和排放乏汽之间存在较大的速度差，所以气液两相之间的湍动能增大，进一步诱发了射流破碎过程的产生；射流破碎完成之后，汽液的接触面积增大，相间的传热传质更加剧烈，在变截面混合段305内形成凝结激波；经过凝结激波之后，排放乏汽中的蒸汽凝结，混合流体压力升高；排放乏汽中的不凝结气体被充分碎化，通过溶解和掺混等方式与高压水形成均匀两相流；旋流混合装置600对不凝结气体进步掺混碎化，接着通过高压水排出结构400排入海水环境中，减少排放尾迹，实现静音排放。海水海水海水

11、与现有技术相比较，本发明具备如下优点：

12、(1)本发明利用汽液直接接触凝结的方式来实现排放乏汽中蒸汽的冷凝。汽液直接接触凝结具有高效的传热传质特性，能够极大地增强蒸汽的冷凝换热能力，凝结换热系数可达10的五次方量级，实际换热系数数值一般在20000w/(m2·k)以上，提高了乏汽的冷凝效率。

13、(2)本发明在没有外部动力的情况下，利用了超音速汽液两相流动在受限空间中混合产生的凝结激波。混合流体经过凝结激波后，蒸汽全变成水，并且混合流体的压力会有明显的上升，实现了乏汽的高效冷凝与升压排放，有效减少了航深对动力系统性能的影响。

14、(3)本发明结构简单，体积紧凑，不包含运动部件，相较于现有的半闭式动力系统的乏汽排放装置，体积明显减小，更加适用于水下动力系统空间有限的情况。

15、(4)本发明利用汽液两相射流凝结过程中的湍流卷吸与射流破碎现象，使得不凝结气体在装置内部充分碎化，经过溶解和掺混等方式与高压水形成均匀的汽液两相流排至舱外，无需汽液分离设备，减小了排放尾迹。

技术特征：

1.一种用于水下系统的含不凝气乏汽增压排放系统，其特征在于：所述含不凝气乏汽增压排放系统包括动力系统乏汽排汽管路(100)，海水引入结构(200)、适用高含量不凝气的汽液混合凝结升压装置(300)、高压水排出结构(400)、喷嘴调节装置(500)以及旋流混合装置(600)；其中动力系统乏汽排放管路(100)与汽液混合凝结升压装置(300)的二次流入口(303)相连，海水引入结构(200)与汽液混合凝结升压装置(300)的一次流入口(301)相连，喷嘴调节装置(500)设置在汽液混合凝结升压装置(300)一次流入口位置，汽液混合凝结升压装置(300)的混合流体出口(306)与高压水排出结构(400)相连接，汽液混合凝结升压装置(300)和高压水排出结构(400)之间加装了旋流混合装置(600)；该系统具有完全不依靠外界动力、实现水下动力系统在不同水深条件下排汽背压保持恒定的特点，能够有效提升水下动力系统的长距离深航深安全可靠运行。

2.根据权利要求1所述的一种用于水下系统的含不凝气乏汽增压排放系统，其特征在于：所述汽液混合凝结升压装置(300)包括收缩喷嘴(302)，收缩喷嘴(302)的入口为一次流入口(301)，收缩喷嘴(302)的收缩段外周设置环形收缩段(304)，环形收缩段(304)连通二次流入口(303)，收缩喷嘴(302)后部为变截面混合段(305)，变截面混合段(305)的出口为混合流体出口(306)。

3.根据权利要求2所述的一种用于水下系统的含不凝气乏汽增压排放系统，其特征在于：引入的海水通过汽液混合凝结升压装置(300)的一次流入口(301)进入，而动力系统排放乏汽通过汽液混合凝结升压装置(300)的二次流入口(303)进入环形收缩段(304)，环形收缩段结构设计为超音速喷嘴以维持动力系统乏汽排放背压恒定。

4.根据权利要求2所述的一种用于水下系统的含不凝气乏汽增压排放系统，其特征在于：汽液混合凝结升压装置(300)的结构能满足乏汽中的高含量不凝结气体运行需求，具体为变截面混合段(305)设计为收缩段，变截面混合段(305)的混合腔长度不低于10倍收缩喷嘴(302)出口直径，收缩喷嘴(302)出口位置处设计为直管段，喉部和直线段出口之间的内壁面设计为扩张段。

5.根据权利要求2所述的一种用于水下系统的含不凝气乏汽增压排放系统，其特征在于：所述收缩喷嘴(302)的入口位置存在直管段，且在收缩喷嘴(302)的法兰面与汽液混合凝结升压装置(300)的左套筒(307)最左边的法兰面之间设置一个可调节垫片，通过喷嘴调节装置(500)调节可调节垫片，使其随着下潜深度的增加，逐渐调节收缩喷嘴(302)的位置，进而改变收缩喷嘴(302)与环形收缩段(304)之间的最小间距，来适应更大的航深。

6.根据权利要求1所述的一种用于水下系统的含不凝气乏汽增压排放系统，其特征在于：所述海水引入结构(200)由进水接口和与进水接口连接的导流罩组成，导流罩设计为扩口型，在向深海航行的过程中更有利于海水进入系统。

7.根据权利要求1所述的一种用于水下系统的含不凝气乏汽增压排放系统，其特征在于：所述高压水排出结构(400)的高压水排水口设计倾角，有利于高压水排出腔体。

8.权利要求1至7任一项所述的一种用于水下系统的含不凝气乏汽增压排放系统的工作方法，其特征在于：海水由一次流入口(301)进入收缩喷嘴(302)，在收缩喷嘴(302)中加速，在收缩喷嘴(302)出口处形成低压区，引射含不凝结气体的排放乏汽进入汽液混合凝结升压装置；排放乏汽由于压差的作用在环形收缩段(304)中膨胀加速，在收缩喷嘴(302)出口达到超音速；海水经过收缩喷嘴(302)加速之后与超音速乏汽直接接触，由于海水和排放乏汽之间存在速度差，所以气液两相之间的湍动能增大，进一步诱发了射流破碎过程的产生；射流破碎完成之后，汽液的接触面积增大，相间的传热传质更加剧烈，在变截面混合段(305)内形成凝结激波；经过凝结激波之后，排放乏汽中的蒸汽凝结，混合流体压力升高；排放乏汽中的不凝结气体被充分碎化，通过溶解和掺混方式与高压水形成均匀两相流；旋流混合装置(600)对不凝结气体进步掺混碎化，接着通过高压水排出结构(400)排入海水环境中，减少排放尾迹，实现静音排放。

技术总结
本发明公开一种用于水下系统的含不凝气乏汽增压排放系统及方法，该系统包括动力系统乏汽排汽管路，海水引入结构、适用高含量不凝气的汽液混合凝结升压装置、高压水排出结构、喷嘴调节装置以及旋流混合装置；其中动力系统乏汽排放管路与汽液混合凝结升压装置的二次流入口相连，海水引入结构与汽液混合凝结升压装置的一次流入口相连，喷嘴调节装置设置在汽液混合凝结升压装置一次流入口位置，汽液混合凝结升压装置的混合流体出口与高压水排出结构相连接，汽液混合凝结升压装置和高压水排出结构之间加装了旋流混合装置；本发明完全不依靠外界动力、实现水下动力系统在不同水深条件下排汽背压保持恒定，能够有效提升水下动力系统的长距离深航深安全可靠运行。

技术研发人员：赵全斌,王梓辰,种道彤,严俊杰,陈伟雄,王进仕
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24