适用于UUV的闭式循环热动力系统

朱 强，李维维，张 强

(中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027)

0 引 言

UUV有着广泛而重要的军事和民用前景，近年来受到国际上的充分重视，并得到长足的发展。在UUV的关键技术中，动力与推进技术的研究水平较低，性能相对落后，成为制约UUV发展的主要瓶颈技术之一。随着UUV的快速发展和应用，对动力推进性能提出了很高的要求，体积小、重量轻、能量密度高、安全可靠的新型动力系统益发成为研究趋势。

UUV动力系统主要分电动力与热动力2种。目前大多数UUV采用电动力系统，电动力系统具有隐蔽性好、无尾迹、噪声低、对深度不敏感，操作安全，可重复使用等特点，但是目前电池的比能不够高，无法满足UUV对航程与航速的更高需求。

热动力系统主要由热源与发动机组成，热源决定了动力系统的工作特点，碳氢燃料具有较高的能量密度，但它燃烧时有产物排放，使得UUV航行时产生尾迹，产物排出还要带走大量的热量，降低了动力系统的效率。锂/六氟化硫热源具有较高的能量密度，不产生气态产物，液态产物体积较反应消耗的金属燃料体积稍小，可存于系统内不需排放。该热源配合发动机组成的闭式循环动力系统，具有能量密度高、无向外排放物、性能不受航行深度影响的优点，可以满足水下航行器长续航力、高隐蔽性的要求。适合与锂/六氟化硫热源配合的发动机有：汽轮机、斯特林发动机、布赖顿循环涡轮机等，这些发动机与锂/六氟化硫热源分别构成汽轮机动力系统、斯特林发动机动力系统、布赖顿循环涡轮机动力系统[1–3]。

1 锂/六氟化硫热管反应器的工作特点

气态SF6能与液态锂发生化学反应，瞬间放出大量的热。化学反应方程式如下：8Li+SF6=6LiF+Li2S-46 800 kJ/kgLi。

Li/SF6热源的能量密度高，质量能量密度12 960 kJ/kg，体积能量密度12 240 kJ/L，比柴油/液氧的能量密度高出约40%。Li/SF6反应不产生气体产物，生成产物在工作温度下为液态，所占体积与消耗的锂燃料体积大致相同，可以储存在反应器内无需排放。SF6容器内液体表面形成的SF6蒸气不需要泵，可直接通过喷嘴进入燃烧室与锂发生反应，调节氧化剂的流量可以控制产热功率。

锂与六氟化硫在热管反应器中反应并将热量传出。图1为热管反应器结构示意图，反应器上部是反应与传热区，下部是锂与产物储存区。上部传热管构成反应器外壁，金属毛细网距传热管壁一定距离处布置，下端延伸到锂液面下。SF6喷嘴安装在反应器上部。

施镁也可以提高作物对铁、锰、铜等微量元素的吸收和利用。每公顷烟田基施镁肥（MgO计）60公斤，烤烟对铜、锰、铁、锌、硼的吸收效率分别提高38%-46%、38%-60%、33%-161%、30%-38%和32%-40%，烟叶产量提升10%-12%。又如，杨梅株施0.5公斤的镁肥（MgO计）后，植株对铁和锰的同化效率分别提高11%和19%，单果增产4%，株产增加7%。

工作时，启动装置熔化少量锂，同时通入SF6与锂反应。随着反应的进行，锂迅速熔化，液态锂在表面张力作用下沿毛细网上升、蒸发，在毛细网内表面稳定反应放热。反应产物扩散到毛细网时冷凝为液体，沿毛细网向下流至锂池底部。反应热量传递给毛细网，毛细网中的锂受热蒸发，一部分参与反应，一部分扩散到传热管壁冷凝，将热量传递给工质，凝结的锂液沿传热管壁流至锂池。毛细提升力把锂源源不断提供给吸液芯，反应可以一直进行到锂消耗完，反应产物储存在反应器中[4–7]。

热管反应器工作过程中不向外界排放产物，可以重复启动，调节六氟化硫流量能实现功率调节。热管反应器可以模块化设计，航行结束后，将用过的反应器卸下处理，换上新的反应器，氧化剂罐充装六氟化硫，UUV就可以开始新的航程。热管反应器经过处理后装上燃料，可以重复使用。

2 汽轮机动力系统

热管反应器与汽轮机可组成朗肯循环汽轮机动力系统，以水为工质，组成示意图如图2所示。系统主要由六氟化硫储罐、热管反应器、汽轮机、冷凝器与给水泵等组成。水在热管反应器中定压吸热，产生过热蒸汽，蒸汽经过汽轮机绝热膨胀做功。排出的乏汽在冷凝器中定压放热而凝结成水，水泵再将凝结水打入热管反应器完成一个循环。

若忽略水泵消耗的功，朗肯循环的热效率

式中：ηt为热效率；h1为汽轮机进口水蒸汽焓值，kJ/kg；h2为汽轮机出口水蒸汽焓值，kJ/kg；h′为汽轮机出口压力下饱和水的焓值，kJ/kg。

假设进入汽轮机的蒸汽参数：p1=5 MPa，t1=650℃，乏汽压力：p2=0.2 MPa，计算一下朗肯循环的热效率。

查未饱和水与过热水蒸汽的热力性质表[8]，p1=5 MPa，t1=650℃ 时：

查饱和水与饱和水蒸汽的热力性质表，p2=0.2 MPa时：

水蒸汽理论上在汽轮机中进行等熵膨胀过程，即

根据s2，p2查得：h2=2 815.3 kJ/kg。

该循环的理论热效率为：

假设汽轮机内部相对效率为70%，机械效率为90%[9]，则循环的实际效率可达18.6%。

对UUV来说，汽轮机体积与重量受到限制，内部相对效率较低。并且蒸汽在汽轮机中不能膨胀到较低压力，水蒸汽的大量潜热无法得到应用，造成朗肯循环的热效率较低。在循环回路中加回热器可以使热效率得到一定程度的提高。因为汽轮机出口蒸汽温度较高，若直接向冷凝器放热，热损失较大，若在系统中增添一个回热器，则可利用汽轮机排气的热量来加热进入反应器的水工质，使动力系统的热效率有所提高。

3 斯特林发动机动力系统

热管反应器与斯特林发动机组成斯特林发动机动力系统。斯特林发动机是一种外燃的、闭式循环活塞式热力发动机，由膨胀腔、加热器、回热器、冷却器和压缩腔组成闭式循环回路。工作气体（如氦气、氮气等）封闭在机器内，并在各腔室间循环，反复使用。斯特林循环由等容加热、等温膨胀、等容冷却和等温压缩4个过程组成，循环的理论热效率等于相同温度范围内的卡诺循环热效率。斯特林发动机的工作噪声低，在很宽的速度范围内有良好的扭矩特性。当使用传热工质间接加热时，可以使用任何高温热源，而发动机本身不需要进行较多的修改。

热管反应器产生的热量传输到斯特林发动机的加热器，发动机便可以输出功率，在发动机与反应器之间有一个对接问题。一种解决方法是将发动机加热器与反应器传热管设计成一体，但是由于斯特林发动机加热器和其他部件紧密结合在一起，改变加热器会对发动机结构布置及工作性能带来不利的影响；另一种解决方法是采用中间传热工质将热量从热管反应器传输给发动机加热器，这样对发动机影响较小，但必须增加一个中间介质回路，要有管路、泵等一系列部件，增加了系统的重量与复杂性。图3为带中间传热介质的斯特林发动机动力系统组成示意图。

斯特林循环热效率：

式中：TH为工质高温，K；TL为工质低温，K。

假设工质低温为350 K，工质高温为973 K，则循环的理论热效率为64%。斯特林循环实际热效率可以达到32%～40%[9]。

4 布赖顿涡轮机动力系统

热管反应器与涡轮机可以组成布赖顿涡轮机动力系统，该系统主要由热管反应器、六氟化硫储罐、涡轮机、压气机和冷却器等组成。气体工质首先进入压气机，压缩到一定的压力后送入热管反应器，在反应器中定压吸热，而后进入涡轮机膨胀做功，一部分机械功用来驱动压气机而其余部分对外输出，为有效功。做功后的工质进入冷却器，向冷源放出热量，定压冷却到一定温度时再进入压气机，完成一个闭式循环。布赖顿循环是由绝热压缩、定压吸热、绝热膨胀和定压放热4个过程组成，适合用于布赖顿循环的工质有氩气、空气等。

同汽轮机动力系统一样，工质在涡轮机中膨胀做功后的温度仍相当高，若直接排向冷却器放热，热损失较大。若在系统中增加一个回热器，利用涡轮机排气放出的热量来加热压缩后的工质，则会使热效率得到较大的提高。图4为带回热器的涡轮机动力系统组成示意图。

布赖顿循环的热效率：

式中：π=p2/p1（增压比，气体在压气机中压力升高的倍数）；k为绝热指数。

布赖顿循环的理想热效率随增压比π的增大总是提高的。但对于实际循环，由于压气机与涡轮机都存在损耗，压气机消耗的功比较大，单纯地增大π值不一定能提高系统效率。对应于一定的增温比τ（τ为循环最高温度与最低温度之比），有一个热效率最高的π值，超高此值热效率反而下降，增大τ值总会使系统的效率提高。但由于热管反应器材料强度限制，不能过高增加工质的最高温度，热管反应器工质的温度控制在700℃左右，布赖顿循环涡轮机动力系统的实际效率可达到20%左右。

5 结 语

热管反应器与汽轮机、斯特林发动机、涡轮机均可以构成闭式循环热动力系统，适用于UUV动力系统。对汽轮机动力系统来说，热管反应器与发动机的对接比较简单，反应器效率可以做得很高，主要问题是如何提高汽轮机的热效率；对于斯特林动力系统，发动机效率比较高，而热管反应器与发动机的对接比较困难。可以采用中间传热系统将热量从热管反应器传给斯特林发动机，因此主要问题是如何设计高效、可靠的中间传热系统；对于涡轮机动力系统，国内在微型涡轮机研究方面基础比较薄弱，同时热管反应器工作温度也限制了涡轮机动力系统效率的进一步提高。

综上所述，汽轮机动力系统较好兼顾了工作性能和技术成熟度的问题，是UUV闭式循环热动力系统的首选方案；斯特林发动机动力系统热效率较高，如果解决了中间传热技术，将会是很有前景的UUV闭式循环热动力系统方案。