基于超空泡减阻的储能压缩气体驱动水下航行器及其驱动方法

本发明涉及水下航行器动力与减阻，具体涉及一种基于超空泡减阻的储能压缩气体驱动水下航行器及驱动方法。

背景技术：

1、随着相关技术的进步，水下航行器始执行更多作业任务，如海洋环境调查、海底测量和即时通信等。

2、续航时间和航速是水下航行器规划与执行任务的关键性能指标之一，目前水下航行器航速大多在6kn以下，少数可达6～12kn。为满足未来海洋作业任务需要，提高水下航行器任务执行能力和水下生存能力，水下航行器亟需提升综合高航速、长航时、高机动的性能，尤其是20kn以上高速航行能力和超过2m/s2的高机动能力。

3、动力系统是影响航速、续航时间和机动性的核心要素之一，对于储能介质质量储能密度或体积储能密度有较高的要求。锂电池因储能密度高、工作温度范围宽、循环寿命长等优点被广泛用作轻重型水下航行器的储能介质。目前对水下航行器锂电池动力性能方面的研究已经较为全面，但水下航行器在高速机动时续航时间会显著减少，其主要原因是高航速下阻力显著增大。因此，水下减阻技术也是提高水下航行器航速、续航时间、高速机动能力等的关键技术之一。

4、目前水下减阻技术研究主要包括微结构减阻、超疏水表面减阻和超空泡减阻等。微结构减阻技术存在制造精度低、动态适应性差、减阻性能研究还不充分等不足；静水压、水中化学物质和污染物等会降低超疏水表面空气层寿命，超疏水表面减阻还难以适用于海洋环境。超空泡减阻技术通过在航行器周围产生稳定的气相而减小阻力，对航行器结构要求较低，减阻率可以达到90％以上。超空泡减阻分为自然超空泡减阻和人工通气超空泡减阻，前者要求航速足够大，较难实现，稳定性差；后者要求装备气源，可以用于水下航行器减阻。将人工通气超空泡用于锂电池驱动的水下航行器预计可大幅度减阻，但人工通气系统会大量占用有限空间。有必要探索其它新型动力系统来满足未来水下航行器需要的高航速、长航时、高机动等性能指标。

5、以压缩气体作为水下航行器的储能介质，并通过其膨胀做功为航行器提供动力的系统具有充气迅速、安全性高等优点，已在车辆等装备展现出良好的应用前景，且海水静压是实现等压膨胀的优良条件，有利于减小损失。因此，具有把压缩气体动力系统有效应用于水下航行器的可能性，并可与人工通气超空泡系统共享气源，通过两者的有效耦合，有效减小其空间占用率。

6、经检索，在水下航行器动力与减阻技术领域中，尚未发现有上述本发明构思的可产生超空泡减阻的压缩气体动力水下航行器相关的现有技术。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于超空泡减阻的储能压缩气体驱动水下航行器及其驱动方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于超空泡减阻的储能压缩气体驱动水下航行器，包括气体工质通路、海水工质通路和转矩转动轴；

3、所述气体工质通路包括压缩气体储气罐、气动开关阀、航行器头部空化器以及由控制阀、膨胀机、换热器和三通接头组成的n个膨胀换热单元；

4、每个膨胀换热单元的换热器通过三通接头分别连接控制阀的出口ⅰ、和膨胀机，膨胀机的出口连接下一膨胀换热单元的换热器；每个膨胀换热单元控制阀的出口ⅱ连接到下一膨胀换热单元的控制阀入口；

5、所述压缩气体储气罐的气体出口通过气动开关阀连接第一膨胀换热单元的换热器；经过若干个膨胀换热单元的压缩气体膨胀和换热处理，第n个膨胀换热单元的膨胀机的出口通过气体管路连接航行器头部空化器，气体排入航行器外界流场，形成超空泡实现减阻的效果；

6、所述海水工质通路为每个膨胀换热单元中换热器的海水进出口通路；

7、所述转矩传动轴包括膨胀换热单元的膨胀机、变速箱和推进装置；相邻两个膨胀换热单元的膨胀机之间通过变速箱连接；第n个膨胀换热单元的膨胀机通过第n个变速箱连接推进装置，为航行器提供推力。

8、进一步地，第一膨胀换热单元中不包含三通接头，第一膨胀换热单元的换热通过控制阀的出口ⅰ直接连接到膨胀机；第n个膨胀换热单元中不包含控制阀，第n-1个膨胀换热单元中的控制阀出口ⅱ直接连接到第n个膨胀换热单元的三通接头，第n个膨胀换热单元的膨胀机直接连接气体管路。

9、进一步地，压缩气体储气罐所储存的气体为空气、二氧化碳或氮气，所述压缩气体的压力为0.5～100mpa。

10、进一步地，所述膨胀换热单元的个数为1～10。

11、进一步地，所述的每个膨胀换热单元的换热器所采用的换热器类型为壳管式换热器或微通道换热器，所述换热器的热源为海水，所述换热器的热源的温度为-2～30℃。

12、进一步地，所述的每个膨胀换热单元的膨胀机所采用的膨胀机类型包括活塞式膨胀机、螺杆式膨胀机、涡旋式膨胀机或透平式膨胀机中的至少一种。

13、进一步地，所述的转矩传动轴中的变速箱所采用的变速箱类型包括at变速箱、cvt变速箱、amt变速箱或dct变速箱中的至少一种，所述的变速箱包含离合器。

14、进一步地，所述的推进装置为定距桨或调距桨。

15、进一步地，所述的航行器头部空化器为圆盘空化器或圆锥空化器。

16、另一方面，本发明还提供了一种基于超空泡减阻的储能压缩气体动力水下航行器的驱动方法，该驱动方法包括气体膨胀与通气过程以及转矩传动过程；

17、所述气体膨胀与通气过程包括：压缩气体储气罐释放高压气体，释放过程气体温度降低，通过气动开关阀控制高压气体流量，气体在第一膨胀换热单元中的换热器与海水换热升温后通过第一膨胀换热单元中膨胀机的膨胀做功，气体温度降低，之后进入第二膨胀换热单元，经过n个膨胀换热单元反复换热升温与膨胀做功过程，最后通过气体管路流向航行器头部空化器后排入航行器外界流场，形成超空泡实现减阻的效果；若压缩气体储气罐中压缩气体压力低于第i个膨胀换热单元中膨胀机的设定截止压力，则第一个到第i个膨胀换热单元中的膨胀机均停止运行，气体由压缩气体储气罐释放后依次经过第一个到第i个膨胀换热单元中控制阀出口ⅱ，进入第i+1个膨胀换热单元换热升温和膨胀做功；

18、所述转矩传动过程包括：气体在第一膨胀换热单元中的膨胀机膨胀做功输出转矩，通过传动轴将转矩传到主轴，通过第一变速箱改变转速后与第二膨胀换热单元中的膨胀机，经过n个膨胀换热单元中的膨胀机和变速箱后，气体在第n膨胀换热单元中膨胀机膨胀做功输出转矩，通过传动轴将转矩传到主轴，通过第n变速箱改变转速后将转矩传至推进装置；推进装置为航行器提供推力；若压缩气体储气罐中压缩气体压力低于第i个膨胀换热单元中膨胀机的设定截止压力，则第一个到第i个膨胀换热单元中的膨胀机均停止运行，第一个到第i个变速箱中的离合器工作将对应的膨胀换热单元中的膨胀机的传动轴与主轴脱离，由第i+1个膨胀换热单元膨胀做功输出转矩。

19、本发明与现有技术相比，有益效果有：

20、1、本发明提出了一种基于超空泡减阻的储能压缩气体驱动水下航行器，将压缩气体作为水下航行器动力系统的储能介质，代替了传统的以锂电池为储能介质的水下航行器动力系统以及动力和减阻分离的系统，同时针对锂电池系统航速低、续航时间短、高速机动性差的问题，提出将通气超空泡减阻技术与压缩气体动力系统耦合的方式，满足水下航行器动力需求的同时应用水下超空泡减阻技术减小了航行器航行阻力，有效利用了压缩气体的做功能力和膨胀后的废气，使系统更为紧凑，提高了水下航行器航速、续航时间和高速机动性。在实施例中，压缩气体储气罐所储存的气体为100mpa、15℃的空气，其质量储能密度可达135wh/kg，海水温度为15℃，通过4级膨胀系统膨胀做功，在matlab/simulink平台建立系统流程，在fluent平台建立超空泡流动水动力模型，通过联合仿真计算表明该动力减阻系统相对于磷酸铁锂电池系统，在等储能量下航速为1～60kn时续航时间可提高2.73％～458.20％，在等储能质量下航速为30～60kn时续航时间可提高42.02％～148.96％。

21、2、在实施例中，空化器为直径为80mm的圆盘空化器，航行器为直径为324mm的轻型水下航行器，可以实现最大84％左右的减阻率，在高航速时系统耦合特性显示一般均可达到最大减阻率，可以大幅提高水下航行器航速的提高以及高速机动性。

22、3、由于本发明中压缩气体动力系统与超空泡减阻系统共用一个气源，可以提高系统整体的紧凑型，减小系统质量，将动力系统废气用于减阻可提高能源利用效率。