一种以水力机械为动力的水下驱动系统及其优化方法技术方案

本发明专利技术公开的一种以水力机械为动力增压的水下驱动系统及其优化方法，属于水力机械领域与水下驱动工程领域。本发明专利技术包括水域、入水管、水力机械、高压水道、发射管和被驱动目标。本发明专利技术能够实现驱动过程中水力机械系统和驱动系统的一体化设计，能够提高对驱动过程的预测精度。采用快速启动的水力机械作为动力源，能够灵活调节系统内的压力与载荷，保证驱动过程可控、稳定，有效避免短时间驱动时最终速度波动和载荷过大等问题。启动连贯可控的水力机械适用性更强，可通过变更水力机械适应新的驱动任务。本发明专利技术能够应用于水力机械技术领域与水下驱动领域，用于水下探测器、载人运输艇、导弹和水下航行器等载荷的发射驱动。弹和水下航行器等载荷的发射驱动。弹和水下航行器等载荷的发射驱动。

【技术实现步骤摘要】
一种以水力机械为动力的水下驱动系统及其优化方法


[0001]本专利技术涉及一种以水力机械为动力的水下驱动系统及其优化方法，属于水力机械领域与水下驱动工程领域。

技术介绍

[0002]水下高端技术和先进装备是海洋开发利用的基础，而水下驱动装置则是水下探勘、水下开发和水下作战的重要支撑装备。传统的水下驱动装置多为化学能驱动、气液压弹射、燃气
‑
蒸汽弹射和空气涡轮驱动等。能量储存方面，高温高压气体或化学燃料储存时间有限，无法随时待命，安全稳定性差；燃料使用方面，化学反应的不稳定使驱动性能的精确性大大降低，不清洁的能源还会带来相应的污染；结构规模角度方面，传统驱动系统复杂冗余、配件多，对灵敏度和响应程度造成较大影响，难以准确控制，从而满足现代高精度、小体积的驱动需求；对于安全隐蔽性而言，高压空气在气液缸中进行能量转换将发生大量噪声，气泡在水中压缩与溃灭也会带来较大振动；从军事需求角度考虑，驱动准备周期长、驱动时间长和无法连续驱动等问题已经成为制约水下武器进一步发展的重大障碍。
[0003]综上所述，体积小、功率大、速度高、噪声小、响应快、稳性高的驱动系统对于发展水下驱动装备至关重要。经过文献检索发现，目前暂无以水力机械为动力的水下驱动系统和水力机械
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驱动系统一体化设计的相关专利。对于水下驱动装置的各种问题，专利技术一种以水力机械为动力的水下驱动系统装置，能根据不同的需求实现不同驱动效果，并提供该系统的设计方法。

技术实现思路

[0004]为解决传统水下驱动中系统复杂、储能困难、安全性低和准备时间长等问题，本专利技术的主要目的是提供一种以水力机械为动力增压的水下驱动系统及其优化方法，能够实现驱动过程中水力机械系统和驱动系统的一体化设计，能够提高对驱动过程的预测精度。采用快速启动的水力机械作为动力源，能够灵活调节系统内的压力与载荷，保证驱动过程可控、稳定，有效避免短时间驱动时最终速度波动和载荷过大等问题。本专利技术能够应用于水力机械
与水下驱动领域，用于水下探测器、载人运输艇、导弹和水下航行器等载荷的发射驱动。
[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0006]本专利技术公开的一种以水力机械为动力的水下驱动系统，包括水域、入水管、水力机械、高压水道、发射管和被驱动目标。
[0007]所述水域是驱动系统所处的外部环境，为整个系统提供推进介质。水域与入水管与发射管相连，水深与压力处处相等。
[0008]所述入水管是系统水循环的入口，其从水域吸入低压流体引至水力机械入口。
[0009]所述水力机械是动力系统，采用叶片泵。所述水力机械是动力系统包括叶轮(动叶)、导叶(静叶)、轮毂和轮缘。水力机械的结构分为旋转部分与静止部分。旋转部分即水力
机械的叶轮和叶轮相连的轮毂，该部分在电机的控制下旋转做功；静止部分即水力机械的导叶、导叶相连轮缘和轮毂，该部分起到整流、回收能量和结构支撑的作用。水力机械前段与入水管相连，后段与高压水道相连，将低压流体增压为高压流体，为后续目标的驱动提供动力。
[0010]叶片泵为离心泵或轴流泵。
[0011]所述高压水道是传输高压流体的管道，将水力机械后的高压流体运输至发射管中。高压水道的几何结构因系统所安装的载体而形状各异，同时也会产生不同程度的沿程流动损失。
[0012]所述发射管与高压水道和水域相连，其作用是支撑被驱动目标、进行驱动准备和实施驱动。
[0013]所述被驱动目标是系统将要驱动至目标水域的对象，其种类为导弹或水下探测器等。驱动开始时被驱动目标位于发射管尾部，后部与高压水道相连。被驱动目标在高压流体的作用下，因头尾的高低压差而产生加速度，在发射管内做加速运动，最终驱动至目标水域中。
[0014]本专利技术公开的一种以水力机械为动力的水下驱动系统的工作方法为：
[0015]开启电机，控制水力机械启动；水力机械启动后在入水管内形成低压区，由水域吸入低压流体；水力机械将电机提供的机械能转换为流体的动能和压能，将高压流体压至高压水道中；高压流体经由高压水道流动至发射管内，于被驱动目标的尾部形成流体高压区；被驱动目标在发射管内由于前后压差作用推进至水域，在发射管出口达到预定的驱动速度，实现目标的驱动。
[0016]本专利技术公开的一种以水力机械为动力的水下驱动系统的优化方法，包括以下步骤：
[0017]步骤一、确定被驱动目标与各项参数，确定驱动效果的需求。
[0018]确定所驱动目标的种类，根据被驱动目标的实践背景确定水域压力P0，并确定驱动效果需求包括：需求的目标最终速度V，被驱动目标最大负载，驱动许可最长时间，系统允许最大体积。采集被驱动目标的几何与物理参数包括：被驱动目标截面积S、被驱动目标质量m，被驱动目标长度l。确定系统的几何参数包括：采集入水管和高压水道的形状参数与长度，并任意给定发射管长度L。确定上述的驱动过程主要影响参数是步骤二中建立系统动力学模型的基础。
[0019]步骤二、创建驱动系统的动力学模型。
[0020]被驱动目标在直线型发射管中的驱动过程是一维直线运动，因此由牛顿第二定律得：
[0021][0022]其中，F为被驱动目标受力，t为驱动时间，v为被驱动目标速度。被驱动目标因头尾两侧流体的压力差而受到正向的驱动力，又同时受流动阻力的影响，因此被驱动目标受力F又可以表示为：
[0023]F＝ΔPS
‑
R
f
＝(P
‑
P0)S
‑
R
f
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0024]其中P为发射管入口压力，也能够等效为整个驱动过程中被驱动目标尾部的压力，R
f
为目标驱动过程中受到的流动阻力，表示为：
[0025][0026]其中C
w
与C
f
均为阻力系数，为ρ流体介质密度，Ω为被驱动目标的浸湿表面积，Re为雷诺数。
[0027]被驱动目标的周围存在环状缝隙。液体在环状缝隙中的流动受压差和壁面相对运动共同作用，因此间隙流量Q
c
由压差与相对运动作用下的流量相加后得到：
[0028]Q
c
＝Q
p
+Q
v
＝(v
c
+C
v
v)S
c
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0029]其中Q
p
为压差作用下的流量，Q
v
为相对运动作用下的流量，C
v
为修正参数，当于湍流状态时C
v
＝0.47，S
c
为间隙面积，v
c
为平均间隙流速。整个间隙流动可简化为不可压缩的稳态流动，因此在压差作用下的平均间隙流速v
c
通过伯努利方程得到：
[0030][0031]整个系统的流量Q表示为被驱动目标排出的水体积与间隙流动的流量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以水力机械为动力的水下驱动系统，其特征在于：包括水域、入水管、水力机械、高压水道、发射管和被驱动目标；所述水域是驱动系统所处的外部环境，为整个系统提供推进介质；水域与入水管与发射管相连，水深与压力处处相等；所述入水管是系统水循环的入口，其从水域吸入低压流体引至水力机械入口；所述水力机械是动力系统，采用叶片泵；所述水力机械是动力系统包括叶轮、导叶、轮毂和轮缘；水力机械的结构分为旋转部分与静止部分；旋转部分即水力机械的叶轮和叶轮相连的轮毂，该部分在电机的控制下旋转做功；静止部分即水力机械的导叶、导叶相连轮缘和轮毂，该部分起到整流、回收能量和结构支撑的作用；水力机械前段与入水管相连，后段与高压水道相连，将低压流体增压为高压流体，为后续目标的驱动提供动力；所述高压水道是传输高压流体的管道，将水力机械后的高压流体运输至发射管中；高压水道的几何结构因系统所安装的载体而形状各异，同时也会产生不同程度的沿程流动损失；所述发射管与高压水道和水域相连，其作用是支撑被驱动目标、进行驱动准备和实施驱动；所述被驱动目标是系统将要驱动至目标水域的对象，其种类为导弹或水下探测器等；驱动开始时被驱动目标位于发射管尾部，后部与高压水道相连；被驱动目标在高压流体的作用下，因头尾的高低压差而产生加速度，在发射管内做加速运动，最终驱动至目标水域中。2.如权利要求1所述的一种以水力机械为动力的水下驱动系统，其特征在于：叶片泵为离心泵或轴流泵。3.如权利要求1所述的一种以水力机械为动力的水下驱动系统，其特征在于：开启电机，控制水力机械启动；水力机械启动后在入水管内形成低压区，由水域吸入低压流体；水力机械将电机提供的机械能转换为流体的动能和压能，将高压流体压至高压水道中；高压流体经由高压水道流动至发射管内，于被驱动目标的尾部形成流体高压区；被驱动目标在发射管内由于前后压差作用推进至水域，在发射管出口达到预定的驱动速度，实现目标的驱动。4.如权利要求1、2或3所述的一种以水力机械为动力的水下驱动系统，其特征在于：优化方法包括以下步骤：步骤一、确定被驱动目标与各项参数，确定驱动效果的需求；确定所驱动目标的种类，根据被驱动目标的实践背景确定水域压力P0，并确定驱动效果需求包括：需求的目标最终速度V，被驱动目标最大负载，驱动许可最长时间，系统允许最大体积；采集被驱动目标的几何与物理参数包括：被驱动目标截面积S、被驱动目标质量m，被驱动目标长度l；确定系统的几何参数包括：采集入水管和高压水道的形状参数与长度，并任意给定发射管长度L；确定上述的驱动过程主要影响参数是步骤二中建立系统动力学模型的基础；步骤二、创建驱动系统的动力学模型；被驱动目标在直线型发射管中的驱动过程是一维直线运动，因此由牛顿第二定律得：
其中，F为被驱动目标受力，t为驱动时间，v为被驱动目标速度；被驱动目标因头尾两侧流体的压力差而受到正向的驱动力，又同时受流动阻力的影响，因此被驱动目标受力F又可以表示为：F＝ΔPS
‑
R
f
＝(P
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P0)S
‑
R
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中P为发射管入口压力，也能够等效为整个驱动过程中被驱动目标尾部的压力，R
f
为目标驱动过程中受到的流动阻力，表示为：其中C
w
与C
f
均为阻力系数，为ρ流体介质密度，Ω为被驱动目标的浸湿表面积，Re为雷诺数；被驱动目标的周围存在环状缝隙；液体在环状缝隙中的流动受压差和壁面相对运动共同作用，因此间隙流量Q
c
由压差与相对运动作用下的流量相加后得到：Q
c

【专利技术属性】
技术研发人员：陈泰然，郑枫川，刘欣然，望喻虎，黄彪，王国玉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：