潜艇发射系统气动参数计算及能量控制分析.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N o ． 6 ．2 0 1 2 潜艇发射系统气动参数计算及能量控制分析 李志华 ， 周 开华， 王志 刚 海军蚌埠士官学校 兵器系 ， 安徽 蚌埠2 3 3 0 1 2 摘要 鱼雷气动发射时 ， 由于空气以很 高的速度流人发射管 ， 强烈搅动发射管的海水 ， 导致气和水之间会存在强烈的热交换 ， 不同于 常见能量储备计算的方法。 重点研究气动不平衡式 鱼雷发射装置的能量储备设计 ， 以便合理的确定发射气瓶容积和气瓶充气压力的设 计参数。 关键词 发射装置 ； 气动参数 ； 能量控制 中图分类号 T J 6 3 1 ． 2 ． T J 0 1 2 ． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 - 0 8 1 3 2 0 1 2 0 6 - 0 0 2 9 0 4 P a r a me t e r s Co mp u t a t i o n a n d E n e r y Co n t r o l An a l y s i s f o r S u b ma r i n e Ga s L a u n c h i n g De v i c e L I Z A i - h t m， Z HOU Ka i - h u a， WANG Z h i - g a n g We a p o n D e p a r t me n t ，B e n g B u N a v y P e t t y O f f i c e r A c a d e m y ， B e n g b u 2 3 3 0 1 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e e n e r g y s t o r e s c a l c u l a t i o n d i ff e r e n c e s t h e f a mi l i a r ． B e c a u s e t h e a i r a ff l u x e s t h e l a u n c h i n g t u b e w i t h v e r y h i g h s p e e d a n d s h a k e s u p t h e s e a w a t e r s e v e r e l y ，t h a t w i l l c a u s e q u a n t i t y o f h e a t e x c h a n g e b e t w e e n t h e g a s a n d wa t e r s t r o n g l y ．Th i s d i s s e r t a t i o n c o n s i d e r s t h e e n e r gy l o s s o f t h e r e c o v e ry wa s t e g a s a n d t h e s e a w a t e r f r o m a i r t i g h t w r e a t h ． Re s e a r c h e s t h e e n e r gy s t o r a g e d e s i g n o f the g a s u n b a l a n c e t o r p e d o l a u n c h i n g d e v i c e ， S O t h a t t h e r e a s o n a b l e e n s u r e s l a u n c h d e s i g n p a r a me t e r o f t h e l a u n c h i n g b o t tl e ， s u c h a s t h e b o t t l e c a p a c i t y a n d p r e s s u r e Ke y wo r d s hu n c h i n g d e v i c e； p a r a me t e r s ； e n e r g y c o n t r o l O 引言 能量储备是指发射鱼雷时，发射气瓶储存的用 以 使鱼雷获得一定出管速度所需 的空气压缩量 。能量储 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 2 1 5 作者简介 李志华 1 9 7 4 一 ， 男 ， 湖北孝 感人 ， 讲师 ， 博士 ， 主要从事水雷 和 反潜科研教学 。 和电气回路仿真结果准确 ， 效果直观。 备设计的目的， 就是合理地确定发射气瓶的设计参数 。 如气瓶容积 v 和气瓶充气压力 P ， 同时根据发射 深度 ， 自动进行使用空气量 的控制。 气动不平衡式发射鱼雷的过程中， 鱼雷前进的运动 方向受到相应于发射深度处的海水静压的作用。因而 ． 在考虑发射气瓶能量储备时 ， 通常要考虑给鱼雷及环形 间隙内的海水提供动能 ； 要考虑克服摩擦阻力及迎面阻 l F 穗 I 强 ．孵 图 2 F l u id S l M H和 P L CS l M 联合仿真 图 3 结束语 经过验证 ， 基于 F l u i d S I M H和 P L C S I M 的“ 软” 液 压控制系统 ，完全能够实现与真实系统 的控制运行效 - - - b - - - 一 果 。并且可以借助 F l u i d S I M H对液压系统进行相应 的 量值分析 ，为从事液压系统研究和设计的工作者提供 了一个 良好的开发平台。 参 考 文 献 【 1 】 杨存 智． 基 于 F l u i d S I M P n e u ma t i c s软件 的气动及 机 电一体 化设计[ J 】 ． 煤矿机械 ， 2 0 0 4 ， 9 ． [ 2 】 刘长青 ， 梁 长志． F e s t o 液压实验 台在 液压传动 实验 教学 中 的应用[ J ] ． 管理信息系统 ， 2 0 0 1 ， 1 2 ． [ 3 】 周恩涛． 可编程控制器原理及其在 液压系统 中的应用 【 M】 ． 北 京 机械工业出版社 ． 2 0 0 3 ． [ 4 】 张利平． 现代 液压技术应 用 2 2 0例[ M 】 ． 北 京 化 学工业 出版 社． 2 0 0 4 ． [ 5 】 廖常初． S 7 3 0 0 1 4 0 0 P L C应用技术[ M】 ． 北京 机械工业 出版 社 ． 2 0 0 5 ． 2 9 液 压 气动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 6期 力做功 ； 要考虑管中废气能量； 同时， 还要克服海水静压 力做功所需的能量 ， 这部分能量随着发射深度的增加 而 增加 ， 而且在总能量储备中， 所占比例相当大。 发射气瓶 内的空气储备量 与鱼雷 和鱼雷发射装 置的性能和结构参 数及发射鱼雷 时潜艇 的下潜深度 有关 。 l 不同发射深度的气动参数的理论计算 1 ． 1 不 同发射 深度 所需 的能 量 高压空气储存在发射气瓶 中， 发射鱼雷时 ， 发射气 瓶中的能量注人发射管中，这些能量使鱼雷和环形间 隙的海水获得动能向前运动 ；克服鱼雷运动摩擦阻力 做功 ； 克服鱼雷迎面阻力做功 L ； 克服发射深 度海水静压力做功 r H R 乩 ； 考虑管内被 回收到舱 内 的废气能量 U ； 同时还要考虑发射鱼雷后 ， 高压气瓶 中应保证具有足够的气瓶剩余能量 。气瓶剩余压力 应大于最大膛压 ，即发射鱼雷过程中膛压所达到的最 大 值 p 余≥p t 9 h o 以发射某型国产鱼雷为例 ，发射气瓶的能量储备 及初始压力按下式计算 v o 1 mV m R T L B 尺 x L B r H p S L B 】 L i 厶 1 m V m R T x L B P H 观B p0 2 式 中 m 2 R B R 用以推动鱼雷和环 形间隙的海水获得动能及克服距离为 L 上的摩擦阻力 和迎面阻力所需能量消耗功， k J ； Xi 1 X2； 发射 阀节流系数 , X1 T 』 o 。 c 一 ； 管 内 空 气 膨 胀 温 度 系 数 ， 丢； 注人发射管的空气温度 ； 气瓶初温 ， T o 2 9 3 K； A 热 功 当 量 ，A 击 K c a 1／ k g m ； m 鱼雷和随之一起运动的海水质量 ， m-- m 争 嘶 鱼雷质量 ； m 环形间隙海水质量 ， k g ； 鱼雷在发射管内的运动距离； 鱼雷最大运动速度， V 1 8 m ／ s ； 鱼雷在发射管内的摩擦阻力 ， R 1 ． t q ； ， l 一流体系数； g 鱼雷负浮力 ， N； 鱼雷的迎面阻力 ， R x p 4 0 ． 7 5 V ； 迎面阻力系数， C x 2 ． 5 8 x 1 0 ； p 海水 密 度 ； 鱼雷出管速度 ， m ／ s ； y 潜 艇发射鱼雷时的速度 ， ri d s ； 鱼雷沾湿面积， l 1 ． 9 6 m‘ ； A p 乩 克服发射深度海水静压力所需 能量消耗功， k J ； p 大气 压力 ， p 1 ． 0 1 3 x 1 0 P a ； r 1 0 3 0 k g ／ m ； 日发射深度 ， m； 鱼雷气密环横截面积 ， m ‘ ； ，1 坍 p S L 废气能量 ， k J ； U 余 气瓶剩余能量 ， K c a l ， U 余 0 ． 1 5 U o ； 泄放 阀开启时， 鱼雷的行程 ； 空 气 的重量 比热 ， C v 7 1 7 ． 5 k J ／ k g K； R 空气的气体常数 ， R 2 9 ． 2 7 k g m ／ k g ℃； 公式 2 中 表示绝热指数 ； JP 表示海水背压 ； V 。 表示发射气瓶容积。 1 ． 2总能量的计算 在发射过程 中， 推动鱼雷做功 的空气 由气瓶 中流 来 ， 经过 了节流而变 为低压 空气 ， 它 的温 度 比海水温 度低得多。另外 ， 空气 以很高的速度流人发射管 ， 势必 强烈搅动发射 管内的海水 ， 因此 。 空气 和海水之 间会 产生强烈的热交换 ， 空气会从 海水 吸取 热量 ， 而吸取 热量 的多少则与空气密度或压强 的大小有关 。其温度 将要升高 ， 在极限情况下会升到与水温相 同。由于环 形 间隙 内水量较多 ， 水 的热容量较大 ， 在极 限情况 下 ， 这个过程将为等温过程 。 但 实际情况是 达不到这种程 度 的。 代人相关参数， 计算可得 2 9 3 0 2 5 V m 1 2 H 3 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 6 ． 2 01 2 发射气瓶的容积 。 广_ 4 PB oxl O Cv 公式中P 。 为发射气瓶充气压力 ； 发射气瓶 中空气总重量 W0 ㈤ 发射深度分别取 4 5 m、 8 0 m、 1 2 0 m、 2 4 0 m， 携带能量 如表 1 所示 。 表 1 气 动 发 射 总 能 量 与发 射 深 度 的 关 系 1 ． 3海水排 出所造成的能量损失 在发射开始时发射管同鱼雷之间的环形 间隙中全 部充满海水 ， 发射时在空气压力作用下 ， 海水将从气密 环与鱼雷之间的间隙中排出。由于发射管上的气密环 之间相隔有一定的距离 ，并且其间的空间容积也有相 当的数值 ， 海水从后端排到管外 ， 在气密环处要经受节 流。由于海水的不可压缩性 ， 在气密环处的流量将会相 同。 因此排出的海水在节流中其压降将相同。 海水排 出所造成 的能量损失 为海水排 出时所 带走的动能之和 ， 所以海水排 出损失 的功率为 一d Ws p 6 d t 2 、 ／ ～ 一 式中 l 一流量系数； D 一 D ； 气密环 与鱼雷间的 漏 泄面 积 ， m ； D 、 D T 分别为气密环内径与鱼雷外径， m； p 发射管内气体压力， MP a 。 1 ． 4回收废气 所 带走 的能量 单位时间内经泄放阀回收的空气量 ，称为 回收速 率。因为只在泄放 阀打开之后才回收空气， 所 以回收速 率用排气流量 G 可表示为 一『o P g ≥ P gx d t 一 【 G P s 式中p 发射阀出口处气体压力； p 泄放阀开口截面处气体压力。 泄放阀打开后发射管中剩余 的空气量为流人量 与排出量 c ￡ ， 之差 ， 剩余系数为 一 O g--O ． I x 一 I 一 8 一 一 、 u， 。 g g 空气 回收所造成的功率损失 ，为空气 回收流量与 当时发射管中的单位质量空气内能之乘积 。 1 ． 5注入 管 中的空气 能量 按 照能量储备计 算 ，可 知发射气瓶容 积为 V 3 5 0 d m ， 气瓶充气压力P 。 2 5 MP a 。按照公式 3 计算 不 同发射深度时 ．保证鱼雷 出管速度所需注入管中的 空气能量， 如表2所示 。 表 2注 入 发 射 管 的 能 量 1 ． 6发射气瓶内剩余气体能量 当鱼雷 出管速 度 V 1 8 m ／ s ， 潜艇 下潜 发射 深度 日⋯ 2 4 0 m时 ， 发射气瓶储存总内能 U o 5 4 4 0 ． 2 K c a l ， 容 易计算 出该潜艇携带该能量在不 同发射深度时 ，发射 气瓶内剩余气体能量 ， 如表 3所示。 表3发射气瓶内剩余气体能量 2 发射过程中使用气量的控制 气动不平衡发射装置 ，其使用的能量随发射深度 而变。为了保证鱼雷 的正常航行 ，在不同发射深度下 鱼雷的出管速度应尽量保持一致 。所以，随着发射深 度的增加 ， 应 当确保进入发射管 的空气量相应增加 ， 同 时减少截 留在发射气瓶 内的空气量 。在浅水时如果也 以同样空气量发射 ， 虽有无泡装置 ， 过多的空气仍很容 易随鱼雷冲出管外 ， 破坏了隐蔽性 ， 必须根据深度的不 同相应地提前关 闭发射 阀的阀门 ，把空气截留在气瓶 内。因此 。 不同的发射深度就有一个能量控制 的问题 。 自动截止器能够实现发射鱼雷过程中，根据发射深度 自动进行使用空气量的控制 ， 它能根据不同深度 ， 相应 31 液 压 气动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 6期 超高压充气密封性试验装置的研制与试验 阮跃进 华 纳 国际 铜 陵 电子材料 有 限公 司 ， 安徽 铜 陵2 4 4 0 0 0 摘要 为了给某试验件进行额定压力为 1 2 0 MP a的密封性试验 ， 根据试验 件试 验工艺规程要求 ， 设计一种超高压充气 密封 性试验装 置 ， 该文主要论述了超高压充气密封试验装置 的构造 、 工作原理及试验方法 。这种装置具有体积小 、 结构紧凑 、 操作方便 、 密封性好 、 工 作压力高 、 安全可靠等特 点， 经一年 多的实际使用效果 良好 ， 完全能满足某试验件 的试验要求。 关键词 超高压试验装置； 充气 ； 齿轮同步驱 动； 封闭； 密封性试验 中图分类号 T B 4 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 0 2 1 2 0 6 0 0 3 2 0 3 D e ve l o pme n t a n d Te s t o f U l t r a h i g h Pr e s s u r e Ga s I n fl a t i n g Ti g ht n e s s Te s t D e v i c e R U A N Y u e 4i n Wa r n e r I n t e r n a t i o n a l T o n g l i n g E l e c t r o n i c M a t e r i a l C o ． ，L t d ． ， T o n g l i n g 2 4 4 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o ma k e a n a i r t i g h t n e s s e x p e ri me n t t o t h e t e s t p i e c e u n d e r r a t e d p r e s s u r e o f 1 2 0 MP a ， a k i n d o f u l t r a - h i g h p r e s s u r e g a s i n fl a t i n g t i g h t n e s s t e s t d e v i c e i s d e s i g n e d ． T h e S t r u c t u r e ， w o r k i n g p r i n c i p l e a n d t e s t me t h o d o f t h i s d e v i c e i s i n t r o d u c e d i n t h e a r t i c l e ． Th i s d e v i c e i s g o o d a t s ma l l v o l u me ， c o mp a c t s t r u c t u r e ， c o n v e n i e n t o p e r a t i o n ， s e a l i n g p e rf o r ma n c e ， h i g h wo r k i n g p r e s s u r e ， s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y ． Th e d e v i c e i s a b l e t o me e t t h e u s e r e q u i r e me n t s aft e r b e i n g u s e d f o r a y e a r ． Ke y wo r d s u l t r a h i g h p r e s s u r e t e s t d e v i c e ； g a s f i l l i n g ； g e a r s y n c h r o n o u s d ri v i n g ； c l o s e d； t i g h t n e s s t e s t O 引言 一 种试验件在出厂前要求严格按试验工艺规程进 行额定压力为 1 2 0 MP a的密封性压力试验。 该试验件结 构如 图 1所示 ， 由壳体 、 压盖 、 密封件及连接螺钉等零 件组成 。由于该试验件与其他高压容器不同。 壳体与压 盖是分开形式 。 没有形成封闭盛气体的空腔且体积小、 收稿 日期 2 0 1 2 一 O 1 1 6 作者简介 阮跃进 1 9 7 2 一 ， 男 ， 安徽铜 陵人 ， 工程 师， 主要从 事高压 阀门 、 压力容器等方面的设计开发及设 备管理工作 。 螺钉M5 2 0 - L H 3 l il tSI M5 l ， ‘ ， ／ 一 I 一 螺钉 ‘ ． M5 2 0 - ． ．- t2 - 。 螺钉M5 2 0 - L H 1 一 内六角 圆柱头螺钉2 一 壳体3 一 压盖 图 1 某试验件外形结构图 压力高 、 无充气接嘴， 试压时只能通过拧紧其 中 2只螺 钉来压紧压盖使其封闭。连接螺栓为 4只内六角圆柱 截 留一部 分空气 ， 以便 既保证鱼雷 出 口速度 ， 又保证 无泡发射 。 3 结束语 通过对潜艇气动发射装置大深度发射能量储备进 行了计算 ，对发射过程中不同发射深度使用气量控制 也进行了计算。初步确定了发射气瓶的参数 ， 基本符合 产品设计要求 。 参 考 文 献 【 6 】 【 1 】 陈一雕 ， 马士杰． 潜 艇鱼雷发射器 内弹道计算[ J 】 ． 水 中兵器通 3 2 讯 ， 1 9 7 7， 3 ． 李志华． 发射阀改进后气动发射装置弹道仿真分析【 J ] ． 液压与 气动与密封 ， 2 0 1 1 ， 4 ． 练永庆 ， 王树 宗． 水下发射器 的气体流量控制阀优化设 计【 J 】 ． 弹道学报 ， 2 0 0 2 ， 2 ． 李志华 ， 韩震 ， 王志刚． 潜艇气动发射装置 自动截止 器截 止压 力设计分析[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 0 ， 7 ． 李志华 ， 韩震 ， 王志刚． 潜艇气动发射装置泄放 阀调整设计【 J 】 ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 0 ， 7 ． 蔡茂林 ． 现代气动技术理论与实践[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 0 8 ， 2 ．