一种应用于水下航行体的双模式能源供应系统

1.本发明属于能源供应技术领域，尤其涉及一种应用于水下航行体的双模式能源供应系统。


背景技术：

2.由苏联设计研发的“vk-111”暴风鱼雷利用超空泡原理，在水下航行过程中最大航速可达100米/秒(约200节航速)，是传统鱼雷航速的3-5倍，可通过超高航速规避任何舰船或潜艇的所有有效反制手段。然而，暴风鱼雷存在的致命缺陷是航程较短(约13公里)。同时，超空泡原理产生的噪声以及航线遗留的气泡均会增大母船暴漏可能性，极大降低隐蔽性指标。因此，有必要围绕大航程、高航速与强隐蔽特性开展能源供应系统创新设计，提高水下航行体实用性能。
3.2018年，俄罗斯首次披露了“波塞冬”号水下无人航行器，是世界首例核动力水下航行器，其高能量密度与长续航能力核能系统的应用大幅提高了“波塞冬”号水下无人航行器航程范围(约1万公里)。“波塞冬”号水下无人航行器的提出为水下航行体能源供应方式开辟了新思路。
4.综上，目前水下航行体存在无法同时满足大航程与高航速的问题。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是，提供一种应用于水下航行体的双模式能源供应系统，使水下航行体兼具大航程与高航速的优势。
6.为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
7.一种应用于水下航行体的双模式能源供应系统，包括：热源模块、双模式布雷顿能量转换模块、超空泡模块、冷却模块、电力供应模块；所述热源模块通过进出口管道与双模式布雷顿能量转换模块相连；所述双模式布雷顿能量转换模块通过管道与所述超空泡模块以及所述冷却模块相连，且通过电线与所述电力供应模块相连；所述冷却模块与外部海水相连；
8.其中，通过双模式布雷顿能量转换模块在不同能源需求下的工作原理切换实现水下航行体运行模式改变，双模式布雷顿能量转换模块的闭式布雷顿循环运行模式能够安静、持续的产生水下航行体低工况使用过程的能源，双模式布雷顿能量转换模块的开式布雷顿循环运行模式能够快速、大量的产生水下航行体高工况使用过程的能源；同时，超空泡模块与双模式布雷顿能量转换模块的开式布雷顿循环运行模式在高工况使用过程中的协调运行利用超空泡效应以提高水下航行体航速。
9.作为优选，所述热源模块包括：反应堆堆芯、反应性控制体、屏蔽体；其中，所述反应堆堆芯外部设有所述反应性控制体，并共同由所述屏蔽体包裹。
10.作为优选，双模式布雷顿能量转换模块包括：透平、回热器、冷却器、压缩机、发电机、传动轴；其中，所述透平排气口与所述回热器内的热通道进口相连，所述回热器内的热
通道出口与所述冷却器相连，所述冷却器出口与所述压缩机相连，所述压缩机与所述回热器内的冷通道进口相连。
11.作为优选，所述透平与所述压缩机通过所述传动轴相连。
12.作为优选，双模式布雷顿能量转换模块还包括：工质补给罐，所述工质补给罐与所述回热器内的热通道出口以及所述冷却器间的通道相连。
13.作为优选，所述超空泡模块设有空泡发生器。
14.作为优选，所述电力供应模块设有用电负载。
15.作为优选，所述工质补给阀设置于所述工质补给罐出口管道上。
16.本发明具有如下有益效果：
17.本发明在运行期间，双模式布雷顿能量转换模块可根据不同能源需求完成工作原理切换，实现水下航行体运行模式改变。双模式布雷顿能量转换模块的闭式布雷顿循环运行模式能够安静、持续的产生水下航行体低工况使用过程的能源，开式布雷顿循环运行模式能够快速、大量的产生水下航行体高工况使用过程的能源。
18.同时，超空泡模块在高工况使用过程中与双模式布雷顿能量转换模块的开式布雷顿循环运行模式的协调运行时，能够利用超空泡效应大幅提高水下航行体航速。
附图说明
19.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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例应用于水下航行体的双模式能源供应系统原理图；
21.其中：1-热源模块：11-反应堆堆芯、12-反应性控制体、13-屏蔽体；2-双模式布雷顿能量转换模块：21-透平、22-回热器、23-冷却器、24-压缩机、25-发电机、26-传动轴、27-工质补给罐、28-工质补给阀、29-运行模式切换阀；3-超空泡模块：31-空泡发生器、32-超空泡启动阀；4-冷却模块：41-外部海水、42-冷却水调节阀；5-电力供应模块：51-用电负载。
22.图2为本发明实施例应用于水下航行体的双模式能源供应系统应用方案图；
23.图3为本发明实施例的超空泡效应原理图。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
26.如图1所示，本发明实施例提供一种应用于水下航行体的双模式能源供应系统，包括：热源模块1、双模式布雷顿能量转换模块2、超空泡模块3、冷却模块4、电力供应模块5以及相应的管道和阀门。
27.所述热源模块1，由反应堆堆芯11、反应性控制体12、屏蔽体13与管道组成。
28.所述反应堆堆芯11外部设有所述反应性控制体12，并共同由所述屏蔽体13包裹。
29.在一个具体的实施例中，所述反应堆堆芯11可视应用环境要求选用气冷堆、热管堆、碱金属堆、压水堆等。
30.在一个具体的实施例中，所述反应性控制体12可选用控制转鼓形式，材料可选用b4c。
31.在一个具体的实施例中，所述屏蔽体13材料可选用b4c。
32.所述双模式布雷顿能量转换模块2，由透平21、回热器22、冷却器23、压缩机24、发电机25、传动轴26、工质补给罐27以及相关阀门28、29与管道组成。
33.在一个具体的实施例中，所述双模式布雷顿能量转换模块2可采用简单布雷顿循环布置方案：所述透平21排气口通过管道与所述回热器22内的热通道进口相连，所述回热器22内的热通道出口通过管道与所述冷却器23相连，所述冷却器23出口通过管道与所述压缩机24相连，所述压缩机24通过管道与所述回热器22内的冷通道进口相连。
34.在一个具体的实施例中，所述双模式布雷顿能量转换模块2还可采用再压缩布雷顿循环等布置方案。
35.在一个具体的实施例中，所述双模式布雷顿能量转换模块2采用同轴布置：所述透平21、所述压缩机24与所述发电机25通过同一所述传动轴26相连。
36.在一个具体的实施例中，所述双模式布雷顿能量转换模块2还可采用分轴布置。
37.在一个具体的实施例中，所述工质补给罐27与所述回热器22内的热通道出口以及所述冷却器23间的通道相连。
38.在一个具体的实施例中，所述工质补给阀28设置于所述工质补给罐27出口管道上。
39.在一个具体的实施例中，所述运行模式切换阀29设置于所述透平21出口管道上。
40.在一个具体的实施例中，所述双模式布雷顿能量转换模块2可选用超临界二氧化碳、氦氙混合气体、空气作为循环工质。
41.所述超空泡模块3，由空泡发生器31以及超空泡启动阀32与管道组成。
42.所述冷却模块4，由外部海水41以及冷却水调节阀42与管道组成。
43.所述电力供应模块5，由用电负载51与管道等组成。
44.所述热源模块1通过进口管道与所述双模式布雷顿能量转换模块2中所述回热器22内的冷通道出口相连。
45.所述热源模块1通过出口管道与所述双模式布雷顿能量转换模块2中所述透平21进气口相连。
46.所述双模式布雷顿能量转换模块2通过所述透平21排气管道与所述超空泡模块3相连。
47.所述双模式布雷顿能量转换模块2通过所述冷却器23与所述冷却模块4相连。
48.所述双模式布雷顿能量转换模块2通过所述发电机25的电线与所述电力供应模块5相连。
49.本发明实施例应用于水下航行体的双模式能源供应系统的具体应用原理如下：
50.如图1所示，所述热源模块1中所述反应堆堆芯11通过链式裂变反应释放热量，加
热流经的冷却剂工质。加热工质进入所述双模式布雷顿能量转换模块2中的所述透平21膨胀做功。机械能通过所述传动轴26传递至所述发电机25完成能量转换，向所述用电负载51供电。工质在所述透平21膨胀做功后，先后在所述回热器22以及所述冷却器23中冷却，并进入所述压缩机24。压缩后的工质流经所述回热器22内的冷通道预热后返回所述热源模块1中所述反应堆堆芯11，完成闭式循环。
51.所述热源模块1中所述反应堆堆芯11的反应堆可通过所述反应性控制体12进行调节，以产生所需热量。
52.所述热源模块1中所述屏蔽体13能够保障所述反应堆堆芯11产生放射性剂量在可接受水平。
53.所述闭式循环过程中，所述工质补给阀28、所述超空泡启动阀32处于关闭状态；所述运行模式切换阀29处于开启状态；所述冷却水调节阀42处于动态调节状态，以满足所述压缩机24进口工质品质。
54.所述双模式布雷顿能量转换模块2可根据不同能源需求完成工作原理切换，实现水下航行体运行模式改变：在低工况使用过程中，采用闭式布雷顿循环运行模式，实现能源安静、持续的产出。
55.所述双模式布雷顿能量转换模块2可根据不同能源需求完成工作原理切换，实现水下航行体运行模式改变：在高工况使用过程中，采用开式布雷顿循环运行模式，实现能源快速、大量的产出。
56.所述开式布雷顿循环运行模式中，所述工质补给阀28、所述超空泡启动阀32处于开启状态；所述运行模式切换阀29处于关闭状态；所述冷却水调节阀42处于动态调节状态，以满足所述压缩机24进口工质品质。
57.所述开式布雷顿循环运行模式中，所述工质补给罐27内的工质因为所述工质补给阀28的开启流经所述冷却器23后大量涌入所述压缩机24，压缩后的工质流经所述回热器22后进入所述热源模块1中所述反应堆堆芯11带走反应堆热量。吸热后的工质进入所诉透平21膨胀做功，之后由于所述运行模式切换阀29的关闭以及所述超空泡启动阀32的开启，工质进入所述超空泡模块3中的所述空泡发生器31并喷出。
58.所述低工况使用过程中，所述反应堆堆芯11的功率水平可低于满负荷；所述高工况使用过程中，大量热量被带出导致所述反应堆堆芯11平均温度降低，所述反应堆堆芯11的功率在负反馈的机制以及所述反应性控制体12的联合作用下快速升高，以产生满足超高航速需求的热量。
59.如图2所示，所述空泡发生器31位于水下航行体前端，利用超空泡效应大幅提高水下航行体航速。
60.如图3所示，所述超空泡效应指由所述空泡发生器31喷出的高温工质蒸发水下航行体前方的海水、形成空泡，且工质自身也会进一步扩大形成的空泡范围。所形成的空泡包裹水下航行体，使之在更低阻力的流域中行驶，大幅提高其航速。
61.所述一种应用于水下航行体的双模式能源供应系统，其低工况过程采用核能驱动的闭式布雷顿循环保障水下航行体的大航程使用需求的同时提高母船隐蔽性；高工况过程采用核能驱动的开式布雷顿循环，基于超空泡效应实现水下航行体的超高航速特性。
62.以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行
限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

技术特征：
1.一种应用于水下航行体的双模式能源供应系统，其特征在于，包括：热源模块、双模式布雷顿能量转换模块、超空泡模块、冷却模块、电力供应模块；所述热源模块通过进出口管道与双模式布雷顿能量转换模块相连；所述双模式布雷顿能量转换模块通过管道与所述超空泡模块以及所述冷却模块相连，且通过电线与所述电力供应模块相连；所述冷却模块与外部海水相连；其中，通过双模式布雷顿能量转换模块在不同能源需求下的工作原理切换实现水下航行体运行模式改变，双模式布雷顿能量转换模块的闭式布雷顿循环运行模式能够安静、持续的产生水下航行体低工况使用过程的能源，双模式布雷顿能量转换模块的开式布雷顿循环运行模式能够快速、大量的产生水下航行体高工况使用过程的能源；同时，超空泡模块与双模式布雷顿能量转换模块的开式布雷顿循环运行模式在高工况使用过程中的协调运行利用超空泡效应以提高水下航行体航速。2.如权利要求1所述的应用于水下航行体的双模式能源供应系统，其特征在于，所述热源模块包括：反应堆堆芯、反应性控制体、屏蔽体；其中，所述反应堆堆芯外部设有所述反应性控制体，并共同由所述屏蔽体包裹。3.如权利要求2所述的应用于水下航行体的双模式能源供应系统，其特征在于，所述双模式布雷顿能量转换模块包括：透平、回热器、冷却器、压缩机、发电机、传动轴；其中，所述透平排气口与所述回热器内的热通道进口相连，所述回热器内的热通道出口与所述冷却器相连，所述冷却器出口与所述压缩机相连，所述压缩机与所述回热器内的冷通道进口相连。4.如权利要求3所述的应用于水下航行体的双模式能源供应系统，其特征在于，所述透平与所述压缩机通过所述传动轴相连。5.如权利要求4所述的应用于水下航行体的双模式能源供应系统，其特征在于，双模式布雷顿能量转换模块还包括：工质补给罐，所述工质补给罐与所述回热器内的热通道出口以及所述冷却器间的通道相连。6.如权利要求5所述的应用于水下航行体的双模式能源供应系统，其特征在于，所述超空泡模块设有空泡发生器。7.如权利要求6所述的应用于水下航行体的双模式能源供应系统，其特征在于，所述电力供应模块设有用电负载。8.如权利要求7所述的应用于水下航行体的双模式能源供应系统，其特征在于，所述工质补给阀设置于所述工质补给罐出口管道上。

技术总结
本发明公开一种应用于水下航行体的双模式能源供应系统，包括：热源模块、双模式布雷顿能量转换模块、超空泡模块、冷却模块、电力供应模块；所述热源模块通过进出口管道与双模式布雷顿能量转换模块相连；所述双模式布雷顿能量转换模块通过管道与所述超空泡模块以及所述冷却模块相连，且通过电线与所述电力供应模块相连；所述冷却模块与外部海水相连。采用本发明技术方案，可使水下航行体兼具大航程与高航速的优势。速的优势。速的优势。


技术研发人员：焦广慧 夏庚磊 周涛 张元东 王晨阳 张博文 孙觊琳
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/9/20