新型闭式铝粉燃烧斯特林机水下动力系统构型分析

金旭东, 吕 田, 兰 健

新型闭式铝粉燃烧斯特林机水下动力系统构型分析

金旭东, 吕 田, 兰 健

(中国船舶重工集团公司 第711研究所, 上海, 201203)

针对现有的动力电池、柴油-液氧型斯特林机等常规水下动力系统的能量密度多在300 W∙h/kg以内的问题, 提出了一种以铝粉燃烧为基础的新型高能量密度斯特林水下动力系统方案。通过数值仿真方法, 分别构建了铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统以及铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统, 并与传统柴油-液氧斯特林机动力系统进行了能量密度以及燃料成本的比较。结果发现, 铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统的能量密度高达648 Wh/L, 为传统柴油-液氧斯特林机动力系统的2倍, 燃料成本为传统柴油-液氧斯特林机动力系统的2倍; 铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统的能量密度为传统柴油-液氧斯特林机动力系统的1.7倍。可见, 新型闭式铝粉燃烧斯特林水下动力系统有着良好的发展潜力, 可为未来水下动力系统的设计提供理论参考。

水下动力系统; 斯特林机; 铝粉燃烧; 数值仿真

0 引言

无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)等水下航行器的未来主要发展方向之一就是提升续航力[1-3], 长航程必然对应高能量密度的动力系统, 目前动力电池、柴油-液氧型斯特林机等可用于水下航行器的常规动力系统, 能量密度多在300 Wh/kg 以内, 不太可能满足水下航行器未来发展的长远要求。因此, 研发具有长运行寿命、高比功率、高能量密度、高能量效率且无污染的动力系统是水下航行器未来发展的关键问题之一。

2002年, 美国宾西法尼亚州立大学应用实验室提出铝粉-海水反应作为动力系统的水下冲压发动机概念[4], 由于金属铝具有高能量密度的特点, 以及可作为氧化剂的海水能够源源不断地提供, 因此水冲压发动机被认为具有很好的水下应用前景。Bergthorson等[5-6]结合该技术并借鉴生物质燃烧和煤粉燃烧特点提出了金属空气燃烧器, 从而更充分地利用金属燃烧的能量, 并提出了概念设计。为了满足美国政府提出的长航程UUV的目标要求, Barone等[7]分析了铝水反应能源(water-aluminum reactor power, WARP)应用于UUV时的能量密度。针对一个航程1 000 n mile, 航行时间90天的UUV, 分析铝水动力系统的能量密度, 通过比较蒸汽轮机、斯特林机和热电转换3种热能转换动力系统后, 发现铝水反应的斯特林机有着最高的能量密度, 能达到800 Wh/kg。Eagle等[8]通过数值仿真计算论证了金属铝颗粒在UUV中应用的可行性并提出了理论可行方案。

国内也进行了相应的研究。陈显河等[9]针对旋涡燃烧器进行了数值仿真, 发现了合适的尺寸结构以及各影响因素对铝粉着火燃烧的影响。随后他们[10-11]介绍了一种基于铝水燃烧的UUV 混合动力系统(hybrid aluminum/water combustion, HAC)概念, 并提出了3种新的闭式系统方案, 在给定燃烧室温度及换热器效率条件下, 结合系统组件建立性能计算模型。HAC系统的能量密度比现有锂电池技术提升10倍, 比固体氧化物燃料电池提升近5倍。其中采用增加蒸发器和固体换热器系统方案以及双燃烧室加壁面冷却换热型系统方案的系统性能均有所提升。白杰等[12]为适应UUV长航时、远航程、大航深等应用需求, 提出了一种以Li/SF6为能源的新型UUV热电联合动力系统构型方案。该系统采用朗肯循环, 燃料能量密度可达600 Wh/kg, 是现有电池的3倍。

由此可见, 目前国内外实际应用的铝水反应多用于超空泡鱼雷等开放式系统, 而WARP以及斯特林机动力系统并没有应用于UUV等水下航行器的实例, 水下航行器的闭式铝粉燃烧能源系统相关研究尚处于概念设计或方案论证阶段, 但是结合现有斯特林机作为其他水下航行器动力系统的应用情况, 其高可靠性、少维护及长寿命的特点已经得到了很好验证, 所以针对UUV, 该动力系统可以重复启动以及回收后再次使用。因此, 论文针对未来长航程的大型及超大型UUV需求, 提出一种基于铝粉燃烧为基础的新型高能量密度斯特林水下动力系统解决方案, 研究不同的新型斯特林机动力系统的能量密度, 为未来水下动力系统的设计提供理论参考。

1 模型介绍

构建WARP系统计算模型时主要考虑以下3个方面[7]: 1) 设备效率; 2) 设备尺寸; 3) 设备质量体积的优化设计, 是否满足系统设计要求。

1.1 设备效率

铝粉燃烧斯特林机动力系统的总效率为

式中:out为输出功;in为输入热量;system为系统能量, 即系统发电量;fuel为燃料能量, 即铝燃料燃烧热值与氢燃料燃烧热值。

1.2 设备尺寸

设备体积公式

设备质量公式

式中:tank为设备外壳的体积;tank为设备外壳的密度。其中斯特林机的体积和材料密度是根据现有机型选取的参数。

通过对各设备尺寸及效率迭代求解后, 获得合适的系统参数, 最终获得新型闭式铝粉燃烧斯特林机动力系统的能量密度等特征参数。

2 系统介绍

2.1 传统柴油-液氧型斯特林机动力系统

传统柴油-液氧型斯特林机动力系统(简称方案1), 如图1所示。其主要由动力舱、氧舱、燃料舱和代换水舱等子系统组成, 各主要设备包括斯特林机、发电机、液氧罐、油罐、泵及冷却器等。

图1 柴油-液氧型斯特林机动力系统布置示意图

2.2 铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统

针对铝粉颗粒的燃烧特点, 其燃烧过程存在着大量固体颗粒的生成, 若直接作为斯特林机燃料, 在外燃系统中直接燃烧容易导致加热器热头堵塞等问题, 结合文献[10]和[11]的思路以及斯特林机特性, 提出了以下2种可行方案。

图2给出了铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统(简称方案2)。由图所示, 铝颗粒和水在预燃烧室内燃烧后放热并生成氢气。由于铝颗粒燃烧温度很高, 需通过水冷壁来冷却燃烧室同时吸收热量产生水蒸气, 被加热的水蒸气进入预燃烧室与铝颗粒反应, 有助于加快铝颗粒与水反应速率。为了使得含固高温烟气能够直接进入斯特林机燃烧室, 且防止固体颗粒堵塞加热器热头, 借鉴气固分离器原理, 采用类似旋风分离技术, 使得氧化铝固体颗粒产物自由下落并沉积到水冷式氧化铝罐被冷却, 同时采用蓄热式换热器原理, 利用氧化铝固体颗粒产物的余热预加热水, 而铝水燃烧后产生的氢气经过高温金属膜再一次过滤固体颗粒后进入斯特林机燃烧室。斯特林机外燃系统中燃烧氢气来加热斯特林机加热器, 推动工质作功来发电。斯特林机中燃氢后产生的水蒸气进入汽液换热器中, 利用其预热来气化液氧。随后尾气通过冷凝器冷凝和分离器分离后, 用于携带铝粉颗粒的氦气重新进入给粉系统进行送粉, 由水泵进行循环供水。这样由预燃烧室、燃氢斯特林机和其他辅助设备构成了整个闭式系统。

图2 铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统布置示意图

2.3 铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统

图3给出了铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统(简称方案3)。方案2虽然充分利用了铝粉颗粒燃烧过程中各个阶段的热量, 但是整个烟气流动过程中会存在固体颗粒物, 尽管已先后通过气固分离装置以及高温金属膜的过滤, 但超长时间的运行一定会在斯特林机、换热器等设备中积聚甚至产生堵塞, 有可能影响整个系统的运行, 因此在方案2的基础上, 再一次进行系统改进, 提出了方案3。铝颗粒和水在预燃烧室内燃烧后放热并生成氢气, 随后通入氧气与其燃烧放热。之所以不是直接采用铝颗粒与氧气进行燃烧, 一则是因为前面实验结果已经证实铝颗粒与氧气燃烧反应十分剧烈, 燃烧后温度很高, 这给预燃烧室设计带来困难; 另一则是因为先通过与水反应再通入氧气让其与氢气反应容易控制燃烧温度, 且能保证铝颗粒燃尽, 其类似于煤粉锅炉中分级燃烧的概念, 针对这一情况, 有外国学者采用循环流化床燃烧铝颗粒, 使得反应温度相对均匀且燃尽率相对提高。预燃烧室中通过填充液钠进行冷却壁面温度, 同时进行热量吸收和传递。由于液钠的导热性能十分突出, 被加热的液钠进入斯特林机直接和加热器进行换热, 推动工质作功后发电。同样, 采用上述气固分离技术、余热利用技术、气液分离技术以及循环技术使得整个系统形成一个由预燃烧室、液钠型斯特林机和其他辅助设备组成的高效闭式水下动力系统。

图3 铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统布置示意图

3 系统能量密度与性价比分析

假设某30 t级UUV功率要求5 kWh, 航程时间为504 h, 其需求的能量为2 520 kWh, 通过数值计算比较3种方案的能量密度与性价比。

3.1 传统柴油-液氧型斯特林机动力系统

根据传统柴油-液氧型斯特林机动力系统的实际运行情况, 斯特林机效率为32%, 则为满足2520 kWh能量需求, 各设备预估质量与体积如表1所示。计算可得, 传统柴油-液氧型斯特林机动力系统的比能为338 Wh/kg, 能量密度为285 Wh/L。

3.2 铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统

针对方案2, 为简化计算, 假设铝颗粒燃烧效率为85%, 沉积下来的氧化铝固体颗粒携带走40%的热量, 燃烧烟气携带60%的热量进入斯特林机, 水冷式氧化铝罐换热效率为40%。斯特林机能量效率为32%, 斯特林机尾气与液氧换热效率为40%。假设每小时发电量5 kWh时, 需要铝颗粒2.2 kg, 燃烧热为10.4 kWh, 产生氢气为0.24 kg, 热量9.6 kWh。所以系统效率为

表1 柴油-液氧型斯特林机部件质量与体积

若航程时间为504 h时, 则各设备预估质量与体积见表2。计算可得铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统的比能为631 Wh/kg, 能量密度为648 Wh/L。

假设进入燃烧室的水质量为2.8 kg, 将其汽化成100℃水蒸气需要消耗23%的燃烧热, 此时的换热系数为4 W/(m2∙K–1), 由此可确定高0.5 m, 直径0.31 m的圆筒型燃烧室就能满足换热要求。氧化铝携带走40%的热量, 利用水将其冷却, 同时冷却水被加热后进入预燃烧室中, 假设换热效率为40%, 则1.6 kg水正好汽化成100℃水蒸气, 因此利用余热为16%, 由此烟气共携带走69.6%的燃烧热进入斯特林机。通过计算发现, 冷却系统的换热系数需要6 W/(m2∙K–1),可以确定系统由高0.5 m, 直径0.57 m的圆筒型燃烧室就能满足换热需求。此外, 固废浪费热量约为2.1kWh。

进入斯特林机的热量为6.1 kWh, 斯特林机氢气燃烧热为9.6 kWh, 汽化液氧带来的热量约0.3 kWh, 因此总热量为16 kWh, 则发电量为5.07 kWh。其中尾气余热为1.9 kWh, 汽化1.96 kg氧气需要0.3 kWh热量, 除去换热后的预热利用, 浪费能量约为1.3 kWh。

表2 铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统部件质量与体积

3.3 铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统

为简化计算, 假设铝颗粒燃烧效率为85%, 沉积下来的氧化铝固体颗粒携带走16%热量, 烟气携带24%热量进入斯特林机, 水冷式氧化铝罐换热效率为40%。液钠换热效率为60%, 斯特林机外燃效率为80%, 能量转换效率50%, 机械效率80%, 电机效率90%, 斯特林机尾气与液氧换热效率40%。则假设每小时发电量5 kWh时, 铝颗粒需要3.2 kg, 燃烧热为15.1 kWh, 产生氢气为0.36 kg, 热量14.0 kWh。则总热量为29.1 kWh, 所以系统总效率为

若航程时间为504 h, 热量为2 520 kWh时, 各设备预估质量与体积见表3。计算可得, 铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统的比能为467 Wh/kg, 能量密度为490 Wh/L。

由此可见, 方案2的比能是方案1的1.8倍, 能量密度是方案1的2.3倍, 方案3的比能是方案1的1.4倍, 能量密度则为方案1的1.7倍。不难发现, 方案2的性能最优, 但是可能存在的固体颗粒物堵塞问题仍需解决。而方案3尽管性能提升没有方案2那样大, 但是其系统更可靠, 同时整个系统中各个设备的效率假设比较保守, 因此该系统同样有着较好的应用前景。

表3 铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统部件质量及体积

3.4 3种系统燃料成本预估

由于各系统设备不同, 因此仅对成本进行预估。其中燃油价格为1.45万元/吨, 液氧价格为0.1万元/吨, 铝粉价格为2.8万元/吨。3种方案的燃料成本如表4所示。从燃料成本来看, 方案2是方案1的2倍, 方案3是方案1的3倍。

综上所述, 从能量密度和燃料成本来看, 方案2的比能达631 Wh/kg, 能量密度为648 Wh/L, 其远高于方案1, 而其燃料成本价格为传统的柴油液氧型斯特林机动力系统的2倍。

4 结论

针对现有的动力电池、柴油/液氧型斯特林机等可用于水下航行器的常规动力系统不能满足未来的需求, 提出了一种以铝粉燃烧为基础的新型高能量密度水下斯特林机动力系统方案。通过数值仿真方法, 分析比较了传统柴油-液氧型斯特林机系统、铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统以及铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统的能量密度和成本。得出如下结论:

表4 各系统方案燃料成本预估

1) 铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统的能量密度达到648 Wh/L, 是传统柴油液氧斯特林机动力系统的2.3倍, 而燃料成本仅为传统柴油液氧型斯特林机动力系统的2倍;

2) 铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统的能量密度为490 Wh/L, 是传统柴油液氧斯特林机动力系统的1.7倍。

由此可见, 新型闭式铝粉燃烧斯特林机动力系统在未来水下动力系统中有着良好的发展潜力。但由于铝粉颗粒燃烧存在着颗粒着火困难、燃烧效率低下、固体颗粒物生成和脱除机理不明确、含固高温烟气传换热机理不明等难点仍有待进一步研究予以攻克。

[1] Heo J, Kim J, Kwon Y. Technology Development of Unmanned Underwater Vehicles(UUVs)[J]. Journal of Computer & Communications, 2017, 5(7): 28-35.

[2] 钟宏伟. 国外无人水下航行器装备与技术现状及展望[J]. 水下无人系统学报, 2017, 25(4): 215-225.Zhong Hong-wei. Review and Prospect of Equipment and Techniques for Unmanned Undersea Vehicle in Foreign Countries[J]. Journal of Unmanned Undersea System, 2017, 25(4): 215-225.

[3] 蔡年生. UUV动力电池现状及发展趋势[J]. 鱼雷技术, 2010, 18(2): 81-87．Cai Nian-sheng. Review of Power Battery for UUV with Development Trends[J]. Torpedo Technoloy, 2010, 18(2): 81-87．

[4] Timothy F M, Jeremy L W, Daniel H K. A Next-Generation AUV Energy System Based on Aluminum-Seawater Combustion[C]//Proceedings of the 2002 Workshop on Autonomous Underwater Vehicles. San Antonio, USA: IEEE, 2002．

[5] Bergthorson J M, Goroshin S, Soo M J, et al. Direct Combustion of Recyclable Metal Fuels for Zero-Carbon Heat and Power[J]. Applied Energy, 2015, 160: 368-382.

[6] Bergthorson J M, Yavor Y, Palecka J, et al. Metal-water Combustion for Clean Propulsion and Power Generation[J]. Applied Energy, 2017, 186: 13-27.

[7] Barone D, Loth E, Weiss P, et al. Feasibility of Water-Aluminum Reactor Power(WARP) for Long Endurance UUVs[C]//9th Annual International Energy Conversion Engineering Conference. San Diego, California: IEEE, 2011.

[8] Ethan Eagle W. System Modeling of a Novel Aluminum Fueled UUV Power System[C]//50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. Nashville Tennessee: AIAA, 2012.

[9] Chen X H, Xia Z X, Huang L Y, et al. Numerical Simulation of a Vortex Combustor Based on Aluminum and Steam[J]. Energies, 2016, 9(12): 1072-1087.

[10] 陈显河, 夏智勋, 胡建新, 等. 铝水燃烧UUV混合动力系统性能计算[J]. 舰船科学技术, 2015, 37(9): 149-155.Chen Xian-he, Xia Zhi-xun, Hu Jian-xin, et al. Performance Research of the UUV Hybrid Propulsion System Based on Aluminum-Water Combustion[J]. Ship Science and Technology, 2015, 37(9): 149-155.

[11] 陈显河, 夏智勋, 黄利亚, 等. 新型铝水燃烧无人水下航行器混合动力系统优化设计[J]. 国防科技大学学报, 2018, 40(2): 7-12.Chen Xian-he, Xia Zhi-xun, Huang Li-ya, et al. Optimization Design of New Unmanned Underwater Vehicle Hybrid Propulsion System Based on Aluminum-Water Combustion[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2018, 40(2): 7-12.

[12] 白杰, 党建军, 曹蕾蕾. 基于Li/SF6能源的新型UUV动力系统热力性能分析[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(2): 212-216.Bai Jie, Dang Jian-jun, Cao Lei-lei. Thermodynamic Performance Analysis of a New Type of UUV Power System Based on Li/SF6 Energy[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2019, 27(2): 212-216.

Conformational Analysis of a New Type of Closed Aluminum Powder Combustion Stirling Underwater Power System

JIN Xu-dong, LÜ Tian, LAN Jian

(The 711 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Shanghai 201203, China)

To increase the energy density of conventional underwater power systems, a new type of high energy density Stirling underwater power system based on aluminum powder combustion was proposed. An aluminum-water combustion plus hydrogen combustion Stirling underwater power system and an aluminum-water combustion plus hydrogen-oxygen combustion combined with liquid sodium Stirling underwater power system were built by numerical simulation. The energy density and fuel cost of the two new systems were compared with those of conventional diesel-liquid oxygen Stirling power system. Numerical simulation results show that the energy density of the aluminum-water combustion plus hydrogen combustion Stirling underwater power system is 648 Wh/L, which is two times that of the conventional diesel-liquid oxygen Stirling underwater power system, and the fuel cost of the former system is also two times that of the latter one; the energy density of the aluminum-water combustion plus hydrogen-oxygen combustion combined with liquid sodium Stirling underwater power system is 1.7 times that of the conventional diesel-liquid oxygen Stirling underwater power system. As a result, the new type of closed aluminum powder combustion Stirling underwater power system has good application potential in the future underwater power system.

underwater power system; Stirling engine; aluminum powder combustion; numerical simulation

TJ630.32; TM911.4

A

2096-3920(2020)02-0214-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.015

2019-09-15;

2019-10-24.

金旭东(1986-), 博士, 高级工程师, 研究方向为特种发动机水下动力系统.

金旭东, 吕田, 兰健, 等. 新型闭式铝粉燃烧斯特林机水下动力系统构型分析[J]. 水下无人系统学报, 2020, 28(2): 214-219.

(责任编辑: 许 妍)