《船舶动力冷却系统增效减阻降噪关键技术与应用》

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船舶动力冷却系统增效减阻降噪关键技术属于能源科学技术领域,是军用舰艇和绿色船舶核心技术之一,对降低中国船舶动力冷却系统能耗和振动噪声、确保动力装置高效可靠运行具有至关重要的作用。

船舶动力冷却系统由海水系统、冷却器和管路系统等子系统和设备组成,主要功能是为动力系统运行所涉及的蒸汽、滑油、淡水等介质提供冷源,保障动力装置安全可靠运行。随着对舰艇声隐身技术和绿色船舶技术要求的日益苛刻,动力冷却系统面临的主要难题包括:1)海水泵功耗大,既影响动力系统节能减排,也带来最棘手的减振降噪难题;2)冷却器流动阻力大、换热效率低,严重影响动力装置综合性能提升;3)管路系统及附件激励复杂、振动噪声问题突出,缺乏有效的减隔振措施,既破坏了舰艇声隐身性,又影响绿色船舶工作环境舒适性,还会引起管路结构件疲劳破坏,加速应力腐蚀,严重情况下甚至会引起管路系统共振而造成严重安全事故。

该项目在国家“863计划”、国家自然科学基金、国防预研等6个项目支持下,重点解决了船舶动力冷却系统增效减阻降噪领域的核心问题,主要发明点如下:

(1)船舶高性能仿生自流冷却技术。针对船舶动力冷却系统海水泵能耗高和噪声大的问题,提出了兼顾系统自流流量和附加阻力的高性能自流冷却系统设计方法,发明了具有扁平式外形、带凸起前缘和波状后缘的仿生型自流进口装置,解决了自流冷却系统动压转化效率和附加阻力难以兼顾的难题。船舶自流航行工况下,仿生自流进口装置动压转化效率可以达到90%以上,与采用传统贴体型进口装置的自流冷却系统相比,自流流量提升17%,同时附加阻力减小20%,实现了船舶动力冷却系统更宽航速范围的停泵运行,极大地降低了系统运行噪声。

(2)船舶动力冷却系统一体化集中换热技术。针对船舶自流冷却系统对高效低阻低噪声换热技术的需求,开发了基于连续螺旋折流板结构的船用高效低阻换热技术;提出了流噪声传递过程的流场-声场协同理论,建立了船用连续螺旋折流板换热低噪声设计方法;提出了基于连续螺旋折流板换热器的多功能融合设计技术,发明了集换热器-海水泵-消声器于一体的船舶动力集中换热系统,解决了换热系统体积庞大、设备及管路附件众多的技术难题;与传统分散式弓形折流板换热系统相比,换热系数提高20%以上,系统体积减小13%。

(3)船舶管路系统紧凑高效减隔振技术。针对船舶动力冷却系统管路及附件激励复杂、振动噪声大、缺乏有效减隔振措施的问题,建立了湿蒸汽两相流动双流体模型和湍流脉动数学模型,提出了管路振动传递计算方法,开发了复杂管系参数化建模及振动分析软件,实现了管路振动噪声的快速精准预报;提出了基于参数匹配和流场优化的管路系统低噪声设计方法,发明了共形减振支架等紧凑高效管路减隔振装置,实现了管路振动有效抑制和隔离。上述装置均已用于实际船舶的减振降噪,蒸汽管路隔振效果可提高7dB;淡水管路隔振效果可提高12dB。

该项目已授权国家/国防发明专利17项、实用新型专利1项,以及软件著作权3项;发表SCI论文

14篇,被引127次。该项目发明的具有“高性能仿生自流冷却、一体化集中换热、管路紧凑高效减隔振”等标志性技术特征的新型船舶动力冷却系统,整体技术已应用于中国XX核潜艇,极大地提升了动力系统声学性能、功率密度和安全可靠性等核心性能。发明成果得到了中国人民解放军海军驻武汉七一九所军事代表室、驻葫芦岛四三一厂军事代表室等海军单位的高度认可:认定相关技术“大幅降低了冷却系统体积和振动噪声,解决了中国核潜艇长期以来面临的关键技术瓶颈,具有重大意义,同时已应用到新型核潜艇设计中”。项目成果还推广应用于武昌船舶重工集团有限公司、渤海造船厂集团有限公司、核动力运行研究所、中广核工程有限公司、中国船舶重工集团公司第七一八研究所等12家单位,产生直接经济效益1.66亿元。

湖北技术交易所组织的科技成果评价会认为“该成果实现了船舶动力冷却系统在节能减排、振动噪声、集成度等方面性能的提升,产生了显著的经济效益和社会效益,整体技术达到国际先进水平。”

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