[發明專利]一種水下無人航行器動力系統及其工作方法

在審

• 申請號: 202011297093.0
• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號: CN112282879A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 白文剛;張旭偉;喬永強;張一帆;楊玉;顧正萌;李紅智;姚明宇
• 申請（專利權）人: 西安熱工研究院有限公司
• 主分類號: F01K25/10
• 分類號: F01K25/10;F01K27/00;F01D15/10;F23B90/00;B63H21/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種水下無人航行器動力系統，其特征在于：包括燃料子系統和CO2閉式朗肯循環子系統；

所述燃料子系統包括SF₆儲罐(1)和金屬燃料Li反應器(3)；金屬燃料Li反應器(3)的頂部布置有氧化劑噴嘴(4)和點火器(5)，SF₆儲罐(1)的出口與金屬燃料Li反應器(3)頂部的氧化劑噴嘴(4)相連通，并在連通管路上設置有控制閥(2)，用來控制進入金屬燃料Li反應器(3)中的氧化劑SF₆的流量，達到控制燃燒反應速率的目的；

所述CO2閉式朗肯循環子系統包括換熱器(6)、CO₂透平(7)、發電機(8)、回熱器(9)、CO₂冷凝器(10)和CO₂泵(11)；換熱器(6)布置在金屬燃料Li反應器(3)的四周，回熱器(9)的冷側出口與換熱器(6)的進口相連接，換熱器(6)的出口與CO₂透平(7)進口相連接，工質CO2在換熱器(6)中吸收金屬燃料Li反應器(3)中Li與SF₆燃燒生成的大量熱量后成為高溫高壓的超臨界CO2，隨后進入CO₂透平(7)膨脹做功，所輸出的功一部分用來驅動水下無人航行器，另一部分用于帶動發電機(8)發電，發出的電能用來帶動CO2閉式朗肯循環子系統中的CO₂泵(11)；CO₂透平(7)同軸連接發電機(8)，發電機(8)連接CO₂泵(11)，CO₂透平(7)的出口與回熱器(9)的熱側進口相連通，回熱器(9)的熱側出口與CO₂冷凝器(10)的熱側進口相連通，CO₂冷凝器(10)的熱側出口與CO₂泵(11)的進口相連通，CO₂泵(11)的出口與回熱器(9)的冷側進口相連通；CO₂冷凝器(10)的冷源為水下無人航行器周圍的海水，其冷側進口和出口均與周圍的海水相連通。

2.根據權利要求1所述的一種水下無人航行器動力系統，其特征在于：所述CO₂泵(11)的出口壓力為10～20MPa。

3.根據權利要求1所述的一種水下無人航行器動力系統，其特征在于：所述CO₂冷凝器(10)的熱側出口溫度為對應壓力下的CO2飽和液體溫度。

4.權利要求1至3任一項所述的一種水下無人航行器動力系統的工作方法，其特征在于：將氧化劑SF₆儲存在SF₆儲罐(1)中，金屬燃料Li儲存在金屬燃料Li反應器(3)中；控制閥(2)用來控制進入金屬燃料Li反應器(3)中的氧化劑SF₆的流量，達到控制燃燒反應速率的目的；在金屬燃料Li反應器(3)中，當有氧化劑SF₆噴入時，通過點火器(5)進行點火后，噴入的氧化劑SF₆會與Li發生燃燒反應，反應方程式為8Li+SF₆＝6LiF+Li₂S，并向外放出大量熱量；燃燒產物LiF和Li₂S的密度約為金屬燃料Li密度的三倍，因此，產生的燃燒產物會自動沉積到金屬燃料Li反應器(3)的底部，不會影響金屬燃料Li反應器(3)中上部后續燃燒反應的正常進行；燃燒產生的熱量通過布置在金屬燃料Li反應器(3)四周的換熱器(6)將熱量傳遞給CO2閉式朗肯循環子系統中的CO2工質，CO2吸收金屬燃料Li反應器(3)中Li與SF₆燃燒生成的大量熱量后成為高溫高壓的超臨界CO2，隨后進入CO₂透平(7)膨脹做功，所輸出的功一部分用來驅動水下無人航行器，另一部分用于帶動發電機(8)發電，發出的電能用來帶動CO2閉式朗肯循環子系統中的CO₂泵(11)；完成做功后的CO2工質依次流經回熱器(9)和CO₂冷凝器(10)放熱，隨后進入CO₂泵(11)升壓成為高壓工質，隨后依次進入回熱器(9)和布置在金屬燃料Li反應器(3)四周的換熱器(6)吸熱后重新成為高溫高壓的超臨界CO2，然后進入下一個做功循環。