為支撐口徑533mm的重型魚雷航速達(dá)到70節(jié),動(dòng)力主機(jī)的輸出功率應(yīng)達(dá)到1000kW,采用燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是今后一段時(shí)期內(nèi)最具可行性的選擇。為了獲得更大的航程,魚雷航速提高的同時(shí)就對動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性提出了更為嚴(yán)苛的要求。對于自帶氧化劑的魚雷動(dòng)力系統(tǒng),魚雷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)均采用部分進(jìn)氣的超音速沖動(dòng)式渦輪模式。該動(dòng)力系統(tǒng)有如下特點(diǎn):(1)受限于渦輪結(jié)構(gòu)材料的性能,維持渦輪系統(tǒng)高效率最重要的速度比參數(shù)遠(yuǎn)未達(dá)到理想值,由此造成余速損失大、系統(tǒng)效率低;(2)傳統(tǒng)系統(tǒng)單軸輸出,主機(jī)除拖動(dòng)推進(jìn)器外,還需向系統(tǒng)輔機(jī)提供功率輸出,輔機(jī)功率消耗占到推進(jìn)器功率消耗的10%以上。鑒于此,本文提出了一種氣動(dòng)耦合雙級對轉(zhuǎn)渦輪動(dòng)力系統(tǒng)的全新構(gòu)想,其基本思想在于:主級、輔級對轉(zhuǎn)雙軸功率輸出,輔級渦輪吸收前級的余速能量并獨(dú)立為系統(tǒng)輔機(jī)輸出功率,由此可使整個(gè)系統(tǒng)效率提高10%以上,該動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成簡捷、技術(shù)繼承性好。圍繞以上構(gòu)想,本文針對新型動(dòng)力系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵問題展開研究,主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)氣動(dòng)耦合對轉(zhuǎn)渦輪新構(gòu)想在理論層面上的可行性論證。包括:傳統(tǒng)和新型魚雷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和性能預(yù)測,以及對轉(zhuǎn)渦輪穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況的確定。由此給出了輔級渦輪的具體結(jié)構(gòu)形式和在多種工況下的運(yùn)行速度,確認(rèn)了輔級渦輪功率足以覆蓋系統(tǒng)輔機(jī)需求的設(shè)想,并為新型系統(tǒng)的具體構(gòu)型提供了理論依據(jù)。(2)新型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的構(gòu)型方案及其深入討論。相較于傳統(tǒng)的單軸輸出渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng),新型雙級系統(tǒng)除需以推進(jìn)劑流量調(diào)節(jié)為手段控制主級渦輪軸系轉(zhuǎn)速以外,亦需對輔級渦輪軸系轉(zhuǎn)速實(shí)施調(diào)節(jié)。提出的具體方案是,以調(diào)節(jié)輔機(jī)吸收功率為手段來控制輔級軸系的轉(zhuǎn)速。針對MIMO系統(tǒng)綜合了控制規(guī)律,數(shù)學(xué)仿真結(jié)果證明主級和輔級兩個(gè)軸系在受控狀態(tài)下可良好配合運(yùn)行,滿足魚雷航行各種工況的需求。(3)新型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的啟動(dòng)策略及啟動(dòng)過程的仿真研究。由于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)存在的局部正反饋特性,渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的啟動(dòng)一直是關(guān)鍵技術(shù)之一。由于對轉(zhuǎn)渦輪的運(yùn)行強(qiáng)耦合且兩個(gè)軸系的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度差別很大,能否可靠啟動(dòng)是新型系統(tǒng)是否可行的決定性因素之一。針對新型系統(tǒng)的開環(huán)響應(yīng)特征,提出了主級軸系前期程控后期閉環(huán)、輔級軸系全程閉環(huán)的啟動(dòng)控制策略,數(shù)學(xué)仿真驗(yàn)證了啟動(dòng)策略的可行性。以上工作圍繞動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵問題展開研究,論證了新型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的可行性。
【學(xué)位單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TJ630.32
【部分圖文】：

據(jù)實(shí)測轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速之差經(jīng)電氣調(diào)速器、伺服閥控制燃料泵斜盤傾角改流量以調(diào)節(jié)速度達(dá)要求值。改換速度設(shè)定電壓即可實(shí)現(xiàn)換速，當(dāng)魚雷改變航深和向時(shí)，可自動(dòng)減小轉(zhuǎn)速控制航速以減小回轉(zhuǎn)半徑，這實(shí)際上是一種無級變速。另外，國外對渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)建模、仿真及控制方法的研究方面呈現(xiàn)出由的態(tài)勢，建立了完善的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行大規(guī)模仿真計(jì)算。國外對渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)特性的理論研究已達(dá)到相當(dāng)高的水平，且早已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)階段，如圖 1-1（a）和圖 1-1（b）為魚雷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)輪盤[9]。的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢來看，魚雷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)一段時(shí)期內(nèi)不僅繼續(xù)是軍爭奪的重點(diǎn)領(lǐng)域，而且已由軍事強(qiáng)國不斷擴(kuò)展到一些發(fā)展中國家，成為目前及今各國的研究熱點(diǎn)和海軍武器主要發(fā)展方向[10-12]。從上世紀(jì)60年代開始，國內(nèi)就對魚雷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力裝置技術(shù)進(jìn)行研究，曾研輪發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)。隨后又開展魚雷閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的研究工作，但針對的是蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)構(gòu)建了演示驗(yàn)證系統(tǒng)，完成了地面試驗(yàn)。還開展魚雷燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作，這些研究都為魚雷燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的究奠定了基礎(chǔ)。

圖 1-2 對轉(zhuǎn)渦輪述的航空對轉(zhuǎn)渦輪相比水下渦輪發(fā)動(dòng)大，多采用全周進(jìn)氣反力式渦輪葉片動(dòng)式葉片；其次，航空對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)2+N 對轉(zhuǎn)渦輪，輸出方式[32]有單軸、單軸輸出，未有采用對轉(zhuǎn)雙軸輸出的對轉(zhuǎn)渦輪依然有值得借鑒的地方，比輪之中，由前級渦輪單獨(dú)帶動(dòng)推進(jìn)器著提高渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)效率。先進(jìn)的對轉(zhuǎn)渦輪技術(shù)已成為渦輪發(fā)動(dòng)發(fā)揮的作用不盡相同，但是其憑借在世紀(jì)魚雷動(dòng)力主機(jī)的發(fā)展方向，成為機(jī)及其動(dòng)力系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，提出了

西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文和有效輸出轉(zhuǎn)矩功制體：①截面 1-1 和 2-2 距葉片無限遠(yuǎn)，其上稱的流線。對控制體的燃?xì)鈶?yīng)用動(dòng)量定律，并在a方向的分量，可得燃?xì)庾饔迷诠ぷ魅~片上1 1 2 2 1 1 ( cos cos ) ( cos uF = m c α + c α = m w β +w葉片上的軸向力為：1 1 2 2 1 2( sin sin ) ( )a a=F m c α c α+ A P = P1 1 2 2 1 2( sin sin ) ( )am w β w β+ A P P軸向面積。
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本文編號：2867122