CN101767592A - 高速节能火车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速节能火车，该火车可有效防止运动过程中流体洞口封口，并大大降低运行过程中所受流体阻力和升力阻力，且配合了新动力系统以实现节能。本发明提出了两种高速节能火车方案，其中方案一通过设置了贯穿整个火车主体的流体通道及前、后部导入、导出口的设置，降低了火车运行过程中所受流体阻力，节省了能耗，此外两方案中均于火车底部设置了扰流面或第二流体通道，使得流体经过底部的路径大于至少等同经过上部的路径，从而消除了升力阻力，使得本发明火车仅需为现有火车1/5重量即可，大大减少了克服质量运动所带来的能耗，配合混合动力系统，高速节能火车无需沿途供电网即可长途运行，避免了自然灾害对其运行带来的灾难性后果。

Description

高速节能火车

【技术领域】

本发明涉及一种在流体运动装置，尤其是指一种可大幅降低运行过程中流体阻力以实现节能的高速节能火车。

【背景技术】

习知的，火车由于其运载量大而一直为现代社会的主要交通运输工具，而随着人们对物流效率的逐渐提高，传统的低速列车已无法满足需要，因此现有火车正在向高速化变革。然而，修建一条高速铁路除需沿路铺设高质量铁轨外，通常还要花费巨资来修建相应的供电网，而供电线路在实际运营中也有欠可靠，一旦遭遇雪灾等大规模天灾就容易导致供电网的损坏从而影响铁路运输的全面瘫痪，造成极其严重的后果。因此，如何寻找一种可有效满足高速节能火车种种需求，进行可持续的、安全快捷完成铁路运输的火车结构及动力系统尤其重要。

通过分析高速火车，其于快速行驶时，由于车轨与轨道仅是线接触，所受的摩擦阻力很小，因此其高速运行时的能耗85％以上来自于流体阻力，另外，以重量来克服升力阻力又要再多增加能耗80％。因此，若能有效降低列车运行时的风阻及升力阻力，将大大节约火车的能耗，从而使得列车可使用新的能源动力系统，取消铁路沿线必须建造的供电网，高速铁路的建设费用大大降低，降低了不可抗力对运输的影响。

然而，纵观一切在流体中运动的运动体(如：火车、汽车、飞机、导弹、轮船、潜艇等)都需要消耗大量的能源来克服介质流体所造成的阻力。当运动体在诸如空气和水介质中快速前进时，首先需要消耗极大的能量来撞开挡在前面的厚厚的流体墙，而瞬间撞开流体墙后，流体墙的反作用力以同样的能量和速度又瞬间形成流体洞，为保持流体的连续性，流体洞的流体紧紧包裹着运动体在后部同时到达，然后封闭流体洞口，在运动体后部与流体洞口之间形成小负压区，运动速度越快，负压区面积就越大，负压阻力就越大，实际上更为严重，小负压区不但吸住运动体后部，还把整个流体洞变为一个大负压区，即运动体在流体墙、流体洞和流体洞口封口后共同形成的大负压区内，把整个运动体装在里面，运动体在其中，需要付出极大能耗方可保持前进。因此，运动体带动大的负压区一起运动、瞬间撞击流体墙、产生流体洞、封闭流体洞口，这一过程瞬间产生、瞬间又消失、周而复始，致使运动体始终消耗大量能量以克服阻力运行，这就是今天所有运动体运动过程中高耗能的原因所在。

另外，由于流体相对静止，当运动装置高速碰撞正面流体墙时，瞬间以其反作用产生同等能量或速度的流体洞，运动速度越快，流体洞就越厚，产生的阻力就越大，快速流动的流体具有连续性，它紧紧包裹住运动体，在运动体的底部和上部路径长短不一也同时到达，由此产生的升力阻力，该升力阻力也成为一种巨大的能源消耗，为克服升力阻力，又得不多增加火车自身重量来克服升力，为此，至少又再多增加能耗80％。

综上所述可得，同样的，一辆高速运行中的火车所需克服的阻力包括有1)正面流体墙的正压力；2)两侧及上下侧流体洞压力；3)后尾的负压区所产正的拉力；4)运动体上下表面流体路径不同所带来的升力阻力这四大阻力。而且随着高速列车的运动速度有多快，该些阻力就有多大，且两者成正比，大大消耗着火车运行时的有限能源。

为此，人们也尝试性的在运动体中加入各种各样的流线型面以实现降低以上四种阻力的目的，但是遗憾的是，效果有限，至今克服阻力所需的大量能源消耗依然是高速列车动力系统配置的一大瓶颈，所以有必要寻找一种能真正减少阻力的有效方法，让高速列车由现有的沿路电网供电的运行模式中解放出来，以适应新的更为节能有效的动力系统。

【发明内容】

本发明的目的在于克服了上述缺陷，提供了一种可有效防止运动过程中流体洞口封口，以大大降低高速火车运行过程中所受到的流体阻力和升力阻力的高速火车，且该火车可配合新动力系统以进一步增强整体节能性。

本发明的目的是这样实现的：一种高速节能火车，它包括火车主体，主体中设置有动力系统及驱动轮，其改进之处在于：于火车主体前部设有至少一个用于接受正向流体的导入口，其四周的两侧和顶部至少设有一个用于接收侧部流体压力的条形窗导入口，而底部也至少设有一个用于接收底部流体压力的平衡导入口，对应的于火车主体后部设有至少一个用于排出导入流体以阻挡流体洞口封口形成负压区的导出口；所述导出口与导入口通过火车主体中设置的流体通道相联通；

所述火车主体包括外壳，外壳内套接有封闭内壳，外内壳之间设置有流体通道，所述流体通道内设置有被流体驱动的风力器，其联通的流体导入口中则设有电机带动的旋转头，该旋转头形状可为圆锥形、飞碟形、流线形或风扇形，用于快速抛开前进过程中正向流体；而其联通的流体导出口则至少有一个设置于主体后部中间，其余导出口可设置于后部四周成回形或成同间隔的上、中、下或多处设置，用于避免流体在主体后部再次形成负压区；

所述火车主体的外壳后部成半圆形、圆锥形、流线型、抛物面型或流线形，使得流经的流体可在火车主体后部流线型壳体中间交汇点，占据流体洞口封口区域，以避免形成后部负压区；所述交汇点上设置有流体导出口，于导出口上设置有可调节其开关或开启角度变化的控制板；

所述流体通道由相联通的第一流体层通道和第二流体层通道组成，其中第一流体层通道与导入口相通，第二流体层通道与导出口相通，第二流体层通道弯曲成圆弧形、方形、蛇形或环形以达到延长流经流体的路径长度的目的；

所述风力器带动发电机或空气压缩机为蓄电池或储气设备补充能源，在导出口内可设有涡扇发动机；

所述火车主体底部的内壳和外壳至少有其一为表面成凹凸状的扰流板，使得流体经过时的路径至少等于或大于经过火车上部流体的路径；于主体底部的流体通道中设有至少一个通道板，用于把流体通道分为多个独立或半独立的导流腔，所述多个导流腔间可共用流体导入口、导出口，也可独立联通各自的流体导入口或导出口，于所述导流腔内设有流线型扰流条；

所述火车主体内设置的动力系统包括供能装置及相连的驱动机构；所述供能装置包括设置于火车主体外壳上的太阳能吸收板，太阳能吸收板连蓄电池，于流体通道中设置中风力器，风力器与空气压缩机、储气设备、气动马达相连或通过蓄电池连接电动马达；燃油发动机连蓄电池或空气压缩机；驱动机构则由气动马达或电动马达、减速器直接带动转轴驱动左右轮，并于火车主体后部以涡扇发动机驱动；所述太阳能吸收板设置于火车前部、顶部、侧部中至少之一，并成为可加快流体流速的纵向凹凸扰流面；所述储气设备输出口接有阀门并通过导管连接至驱动机构的气动马达，气动马达与驱动轮对应相连；

本发明还涉及另一种高速节能火车，它包括火车主体，主体中设置有动力系统及驱动轮，其改进之处在于：于火车主体外表面设有成凹面或者凸面或者凹凸相间式流线型面的纵向扰流面，以加快流体经过的流速，其中底部流体经过时的路径至少等于或大于经过火车上部流体的路径；其后端成半圆形、圆锥形、流线型、抛物面型或流线形，使得流经的流体可在火车主体后部流线型壳体中间交汇点交汇，占据流体洞口封口区域，以避免形成后部负压区；

所述火车主体内设置的动力系统包括供能装置及相连的驱动机构；所述供能装置包括设置于火车主体的太阳能吸收板、设置于流体通道中的风力器、压缩气体储气设备、蓄电池或燃油发动机、涡扇发动机，驱动机构则由气动马达、电动马达及传动机构构成；所述太阳能吸收板设置于火车前部、顶部、侧部中至少之一，并成可加快流体流速的纵向凹凸扰流面；所述储气设备输出口接有阀门并通过导管连接至驱动机构的气动马达，气动马达与驱动轮对应相连；

于火车主体前部设有至少一个用于接受正向流体的导入口，其四周的两侧和顶部至少设有一个用于接收侧部流体压力的条形窗导入口，而底部也至少设有一个用于接收底部流体压力的平衡导入口，流体导入口中设有电机带动的旋转头，该旋转头形状可为圆锥形、飞碟形、流线形或风扇形，用于快速抛开前进过程中正向流体；于主体后端设有至少一个对应联通前端导入口的导出口，该导出口至少有一个设置于火车主体后端的中间。

相比于常见的高速火车，本发明的有益效果在于提供了一种于车体前端及底部、侧壁设置了流体导入口，而于后端开有通过流体通道对应联通导出口的高速节能火车车体结构，且车体前端导入口中设有旋转头，通过快速旋转达到抛开前端流体，开出一条瞬间通道，避开流体直接撞上壳体，从而大大减少阻力的目的，而车体后端的导出口则至少有一个设置于中部，从而更有效的防止端流体洞口封口，避免大小负压区的形成，减小高速运动过程中流体墙和流体洞所产生的流体阻力作用，此外，火车主体外表面设有纵向凹面或者凸面或者凹凸相间式流线型面的扰流面，通过该些扰流面有效降低了行驶过程中流体所产生的阻力作用。由此可见，通过本发明的车体结构，可大大降低火车高速行驶时所受到的流体阻力，大大节省了运动过程中的能量消耗，使得火车可适用于诸如本发明实施例中所涉及的气动马达等新的动力系统，直接带动车轮转动，而没有传统火车复杂传动系统带来的能源接触，从而摆脱了常见高速火车需铺设沿途电网所带来的巨大成本消耗。

本发明还提供了一种高速节能火车，该火车主体的外表面设有纵向凹面或者凸面或者凹凸相间式流线型面的扰流面以降低运行时流体的阻力作用，而于火车主体后端则设有可防止流体洞口封口的流线形状，可为外圆形或圆锥形或碟盘形或抛物线等，在其流体交汇点上设有导出口使得流体洞口的流体围绕在它四周共同形成相对正向流体区，以利于火车行驶，因为这些流线形状占据小负压区面积，达到防止其形成大负压区阻力的目的。且该车体结构可于前一车体结构相结合，在车体前、侧、后表面设置对应流体导入、导出口，且至少有一个导出口是设置于主体后端流线型的壳体中间，从而更好的防止流体洞形成负压区，通过将火车前进过程中正向流体压力导入并于后端高速排出，大大降低了火车运行过程中所受阻力，实现减少能耗的目的。

本发明所涉及的两种高速节能火车方案，均于火车底部设置了扰流面或第二流体通道，使得流体经过底部的路径大于至少等同经过上部的路径，从而消除了升力阻力，就现下一个普通车厢50吨质量来计，由于本发明涉及的高速节能火车无须考虑加以重量来克服升力阻力对其运动的影响，因此本高速节能火车只需基本10吨左右车厢作为载重即可，即为现有火车重量的1/5，一份重量一份能耗，克服自身重量，仅这一点而言还可比现有火车节能80％左右。

【附图说明】

下面结合附图详述本发明的具体结构

图1为高速火车运行时流体阻力示意图。

图2为改进型高速火车运行时流体阻力示意图。

图3为本发明的具体实施例1的主视结构示意图。

图4为本发明的具体实施例1动力系统结构示意图。

图5为本发明的具体实施例2的主视结构示意图。

图6为本发明的具体实施例3的仰视结构示意图。

图7为本发明的具体实施例3的后视结构示意图。

图8为本发明的具体实施例4的主视结构示意图。

图9为本发明的具体实施例5的主视结构示意图。

图10为本发明的扰流面结构示意图1。

图11为本发明的扰流面结构示意图2。

图12为本发明的扰流面结构示意图3。

图13为本发明的扰流面结构示意图4。

图14为本发明的扰流面结构示意图5。

【具体实施方式】

参见图1，通常的高速火车于运行时，虽然其车头1大多采用流线型的子弹头式，然而当其高速行驶时，车头1需迎面高速撞上正向最大阻力流体墙711，因为流体相对静止，车头1将流体压缩，压缩后瞬间，流体墙711反作用力即以相同的速度于车体四周形成一定厚度的流体洞712，而火车速度有多快，该流体洞712的厚度就会相应变厚，它于前进过程中紧紧包裹住火车车身，给火车带来很大阻力，此外，由于流体的连续性使得流经火车底部和上部以及四周的流体洞流体同时到达火车后部的流体洞口714时，由于下部的流体速度慢于上部，所以会对火车产生升力，导致火车附地力减小，增加不安全性。所以必须大大的增加自重来克服升力，而当高速流经火车车身的流体洞712到达火车后部后立刻形成封闭的流体洞口714，从而于火车后部和流体洞口714之间的空间形成了小负压区713，小负压区713的面积随着火车速度的消长而变化，该负压阻力又会紧紧拉住高速行驶中的火车后部，使火车的前行更为艰难。因此，以往设计的高速火车在行驶过程中，不仅需抵抗前方撞击的正向最大流体阻力流体墙711，在撞击流体墙711后还需立刻要克服紧紧包裹住车身周围的流体洞712所形成的阻力，而火车后部又要拉着沉重的负压区713产生的负压阻力，此外，火车还要克服升力阻力带来的车轮附地力大大减小的不安全性和能源耗费，以上这一克服阻力的能耗过程，还不足以反映高速火车的全部阻力状态，实际上高速火车在流体墙711、流体洞712、流体洞口714内形成的小负压区713同时，就形成大负压区715内，拉动整个大负压区715再来撞击流体墙711，瞬间形成流体洞712，又瞬间封闭流体洞口714，周而复始，此过程损耗了大量能耗维持运行，根据经验数据，火车高速行驶时其车轮和铁轨为线接触，摩擦力很小，摩擦力及整个火车复杂的机械传统系统的能源损耗总和仅站整体能耗的15％左右，除此以外足足85％的能耗用在了克服前进过程中所受的各种流体阻力上，另外，火车必须增加重量来克服升力，如普通每个车厢重量50吨左右(绝大部分重量都是为了克服运行时升力阻力用的)，可见，高速火车的运动中，占主导地位的就是克服流体阻力和升力的运动过程，也是动力推动的任何运动体克服流体阻力的过程。

为此，一种适用于所有高速运动体的主体降阻力结构被提出，参见图2为该种结构应用于火车上的改进型高速火车运行时流体阻力示意图，该高速火车的主体1由外壳2及内壳3构成，两者间形成的一定距离从而形成一个流体通道4，于火车主体1的前端设置一个流体导入口7，后端对应设有流体导出口8，导入口7与导出口8通过外、内壳2、3间的流体通道4相联通。由此以来，当高速火车运行时，迎面撞上流体墙711就会经由火车主体1前端的导入口7将其阻力引入流体通道4，同时也把封闭的大负压区715阻力吸入，达到减少大负压区715的负压阻力目的。此外，于同等条件下，流体通道4内的流体流速快于自然状态，所以进入其内的流体到达火车后端从导出口8时，将以大于火车运动速度强烈喷出，瞬间填充火车主体1后部形成的小负压区713的部分面积，借以降低消除小负压区713的负压阻力，使得流体洞口714的流体只能围绕在它周围期间产生一定的反作用力(至少为正向力)。由此可见，采用了此种结构的高速火车，在其运行时，正向最大的流体阻力流体墙711大部分被引入导入口7，减少了大部分正向流体阻力，然后从导出口8作为正向的流体来填充小负压区713，使得流体洞口714的流体围绕在它周围形成正向力量，火车流体阻力得到大大减小，但小负压区713面积虽减少，负压阻力也减小，但无法完全杜绝流体封口，其小负压区仍然在后部紧紧拉住火车，与此同时由于流体洞的流体与列车同速，高速流经的流体形成流体洞712，在流体洞712内外之间及车周围流体气压产生巨大的压力差。所以依然会形成大的负压区715，还有升力阻力并未减少，因此，本方案就原有列车设计而言，只是流体阻力有所减小，还未根本改变运动体快速运动时流体分布负压阻力的关键问题。

由上述例子可见，现有的各种运动体都无法避免运动过程中流体形成流体洞的阻力作用，此外，现有运动体均无法克服高速运行时由于流体流经其上下表面路径不同所带来的升力阻力问题，所以无法真正实现彻底节能的目的。为此，本发明提出了一种适用于各种高速运动体，特别是高速火车的车体结构，该车体结构通过在火车后部的中段再加一流体导出口，同时在火车顶部、底部也设置以与前端导入口相通的导出口，前进时各导出口均高速喷出流体，即可将后部小负压区填满，有效阻止流体洞口封口，从而达到消除大负压区的目的。此外，为解决火车运动时流体洞紧紧包裹住火车车身所产生的侧向流体阻力，在车身四周还可增设至少一个导入口，并将车体设置为外壳套接内壳的结构，其间距形成一个大的导流层，其中在底部设有凹凸抛物形扰流面，使得流体经过底部的路径大于至少等于经过上部路径，从而通过导入口把紧贴外壳四周的流体洞阻力吸入该导流层内，使得流体洞阻力和升力阻力得以减少甚至消除，这些吸入的流体阻力最后还会从后端的导出口喷出。由此达到了从根本上改变运动过程中运动体四周流体的分布的目的。此外还可通过于火车后部壳体设置为各类圆锥形、半圆形、流线型、飞碟形、抛物面型等形状，不仅美观大方又能有效占据小负压区空间，便于流体流经流线型壳体，使得在中心交汇点上流体交汇成点或线形，从而避免小负压区形成，通过合理设计，甚至可完全使后部小负压区消除，进一步防止整体大负压区的形成，这样就大大减少了火车行驶时的各种流体阻力，为增强效果，还可于后部外壳的流线形状中间的流体交汇处设导出口，以阻挡流体洞口封口，流体洞就不能形成整体的负压区，由于导出口喷出的流体流速快于流体洞口的流速，所以流体洞口的流体只能围绕在它周围共同形成正向的动力，即使达不到完全消除负压阻力的目的，但其影响已很小，使火车处在理想的状态中行驶。只需很少的推动力就使火车快速行驶，更能适应新动力系统，实现真正节能减排。

由此可以得出结论，若想进一步降低火车高速运行所受阻力，需要做到：

(1)后部外壳的各种流线形状的面积要占据负压区面积；

(2)需要大量足够的流体来填充负压区；

(3)填充负压区流体的运动速度要大于运动体的运动速度；

(4)背部至少一个喷出口的位置布置合理，避免在流体洞口出现负压区。

以下为本发明思想应用所涉及的有效解决上述运行阻力、实现高效节能运行目的的四种高速火车实施例。

实施例一：

如图3、4所示为一种双层高速节能火车的具体实施例，它包括火车主体1，火车主体1由内壳3和外壳2构成，内外壳2、3之间一定距离形成的围绕火车四周的环形流体通道4，在外壳2前端设有流体导入口7，流体导入口7通过壳体间的流体通道联通后端导出口8，形成顶部流体通道401、顶部导出口802，中间流体通道402、中部导出口801和底部流体通道403、环洞404、底部导出口803。于前端流体导入口7中设置有由电机705带动的转头704，转头704用于快速旋转以抛开正向流体阻力，避免正向最大的流体直接碰撞内壳3产生的阻力；而于火车四周外壳2上设有至少一个条形窗导入口701、装饰窗703、装饰窗703可设置于各导入口和导出口上，其表面光洁、线条流畅，可为条形、格形、菱形、蜂窝形等几何形状，方便流体通过，又防止异物进入，车身条形窗导入口701，车底平衡导入口702均与流体通道4相通，经由其连通至后端导出口801、802、803，同样车体外壳2底部也设有至少一个平衡导入口702，通入流体通道4，本实施例中的底部通道403由相联通的第一流体层通道403和第二流体层通404道组成，其中第一流体层403通道与导入口7相通，第二流体层通道404与导出口803相通，第二流体层通道404弯曲成圆弧形、方形、蛇形或环形以达到延长流经流体的路径长度的目的，当流体经过第二流体层通道404的环洞后增加了火车底部流体经过的路径，从而由导出口803喷出后大于火车上部流体速率，达到消除升力阻力的目的。且为进一步利用前进时流体的能量，于流体通道4内中设有至少一个风力器，风力器由转轴901，转轴外有叶轮902。当流体高速经过时，会带动风力器的叶轮902及转轴901转动，转轴901两头各带动一个发电机903或空气压缩机905工作。

由于火车车轮与铁轨接触面为线接触，摩擦力很小，火车高速行驶时，会产生四种阻力：纵向力、侧向力、车尾后负压力及升力，因此85％以上的主要阻力来自于运动中的流体阻力及升力阻力，此外，还有额外80％的能耗用于以车体重量来克服升力阻力，此部分能耗在现有火车设计中都天经地义的归为合理结构而未计入能量损耗中。火车高速行驶时，电机705带动旋转头704高速旋转，把正向最大流体阻力抛向四周流体通道内，避免直接撞上内壳3而产生流体阻力，前方流体墙的正向流体和流体洞的侧面底部流体被流体导入口7、条形窗导入口701及平衡导入口702吸入内部流体通道4内，由于通道内流速极快，快过自然状态的流体流速，围绕火车四周的条形窗导入口701和底部平衡导入口702与流体通道4相通各导入口附近形成相对负压区，从而在火车前端和车身也形成的相对负压区，随后流体通道4内高速流动的流体以大于火车速度从后部流体导出口801、802、803猛然喷出，瞬间填充后部负压区并消除负压阻力，阻挡流体洞口封口，使得流体洞口的流体作为正向力围绕在它的周围，使火车处于理想的流体运动状态，而于各导出口801、802、803上可设置有可控制导出口801、802、803开关及开启角度的控制板804，如此一来，当火车需要减速时，只需将导出口801、802、803上的控制板804关闭，各流体通道4中告诉流动的流体就会封闭并产生巨大的阻力致使火车减速，另外还可通过控制板804的角度控制，对火车运动状态进行控制。由此以来，由于火车运行过程中所受升力阻力已消失，双层火车结构就不用考虑用传统的重量来克服升力，使火车重量大大减少，车轮的附地力增加，安全性增加，能耗也减少，火车上部略高于下部的气压，稳稳压住上部壳体，使双层火车速度越快、越安全、越平稳、越节能，所以只用很少动力，使双层高速火车快速运动。由此使得采用本实施例的火车可只需很少动力就能快速行驶，并可适应于新的动力系统。

参见图4就提出了一种适用于本发明高速节能列车的动力系统示意图，该火车主体1内设置的动力系统由驱动机构及储气设备5、备用储气设备501构成，储气设备5输出口接有阀门并通过导管连接至驱动机构，驱动机构包括有气动马达603，气动马达603与驱动轮6对应相连。于火车主体1的流体通道4内设置由风力驱动的风力器9带动叶轮902、转轴901，两端可各带动一个空气压缩机905为储气设备5备用储气设备501补充压缩气体，于储气设备5上有注入口502、气压表503、气压调节阀504、流量调节阀505、电磁阀506、其中电磁阀506通过导管507连接气动马达603，带动减速器602转轴605转动，再带动2个驱动轮6转动。

此外列车的动力系统由电动马达608来实现，电动马达608由蓄电池904供电，风力器9连接发动机903、为蓄电池904补充能源，电动马达608也可通过减速器602减速后，带动驱动轮6转动，也可带动减速器602、带动转轴605再带动两个车轮6转动，由于气动马达603或电动马达608通过控制板906可控制车轮的前转、后转、慢转、快转，通过控制板906来统一控制各车厢的压缩空气带动气动马达603和蓄电池904带动的电动马达608的转动来带动驱动轮6，再带动火车行驶，从而在火车行驶途中源源不断补充能源形成一条绿色可循环的能量链，通过压缩空气为动力和蓄电池充电为动力系统互为补充。可全用压缩空气为动力也可全用蓄电池为动力，当然也可两者并用，互为补充，但每个车厢至少设有一个电动马达608，或一个气动马达606，气动马达606和电动马达608可分布在火车车组不同车厢上为动力分散，也可集中在一、二个车厢的动力车组为动力集中。

通过火车主体1中的底部流体通道403、环形流体通道404内和与之相同的火车主体1壳体表面形成的两层彼此相同的流体层，把流体洞712和流体墙711的流体阻力降到最低，同时贯穿火车前后的内外两层流体层对整个火车由内到外产生惯性的粘着的牵引力，有效消除了火车个别车轮产生空转从而降低火车整体粘着牵引力现象的发生，使得即使车轮上的一台电机故障，也不至于影响其他动轮的动力。

上述适用于新型构造火车主体的动力系统以压缩气体为动力或蓄电池为动力或两者结合，互为补充(也可只用压缩气体为动力，或用蓄电池为动力)，长途行驶中，有其他能源如燃油发动机为动力来带动的空气压缩机补充压缩空气，或为蓄电池补充能源，火车动力系统及控制就非常简单，根本不用花费巨资修建高速铁路沿线电力系统，还可以避免自然灾害等不可抗力带来的铁路全线瘫痪。此外，上述火车主体结构也可单独用于传统的火车动力系统，可以大大提高速度和节约能源。由于火车升力阻力消除，以重量来克服升力的传统结构已不存在，火车重量可大大减轻，各种流体阻力也大大减少，而车轮和铁轨为线接触，需要的能源并不大，双层快速节能火车以扩大运载能力，并可大大节约成本。而压缩气体是最廉价的动力，蓄电池904是最清洁最方便的能源，火车行驶时，用已准备好的蓄电池904或压缩气体的储气设备5来驱动火车、行驶途中在流体通道4内通过风力器9带动空气压缩机905或发电机903，不断的补充能源，但多少要减少一点流体流速为代价，当然可以通过合理的风力器设计，设置位置的安排来把影响流体流速减到最低，由于火车的传动系统几乎简化到极限，只要设计合理，越简单就越可靠，传动过程浪费的能耗也降到最低，加之由于消除了升力阻力，高速节能火车因不考虑用重量来克服升力阻力，其自身所需功能和重量，最多每个车厢为10吨，即现在最普通车厢的1/5的重量，一份重量一份能耗，也就可以比现在火车节能80％左右，另外，高速火车运动时产生的各种流体阻力(占85％的能耗)已大大降低，火车铁轨与车轮为线接触，本来摩擦力就很小，耗能也不多，行驶途中有如燃油发动机为动力，为蓄电池补充能源，或为储气设备补充压缩气体，火车上部略大于底部的气压稳稳的压住上部壳体，就是一个薄铁皮做成的轻质车厢，其运行稳定性也要比现有50吨左右普通车厢要好，且火车速度越快，车厢整体在气压作用下越平稳、越安全，实现了驱动高速火车长途正常行驶的需要，从而取消铁路沿线的供电源，大大节约了修建高速铁路的费用，同时更重要的是避免自然灾害带来全线瘫痪的灾难性后果。

实施例二：

如图5所示，本实施例的高速火车，与实施例一不同是：在火车每个车厢底部的流体通道4的外壳2和内壳3均为扰流面114(如图11)，并在后部设有回形的导出口8，中间设有至少一个导出口801，该流体导出口8通过流体通道4与导入口7相连，火车主体的外表面设有成凹面或者凸面或者凹凸相间式流线型面的扰流面，各扰流面用可吸收太阳的材料制成，把吸收的太阳能转化为电能储存在蓄电池907内，与蓄电池904、压缩气体共同构成能源系统。

参见图6-7，于火车底部的流体通道4内由2个凹凸型抛物面的通道板404将其分为3个相互独立或半独立的导流腔(若通道板404没有全隔断就为半隔断)，于每个车厢的环形的流体通道4相通导流腔，左边导流腔403、右边导流腔401及中间导流腔402，3个导流腔共用一个导入口7和导出口8或也可每个导流腔有各自的导入口7和导出口8，于导流腔401、402、403内还设有不少于一个流线型扰流条405，当流体经通道板404和扰流条405以加快流体流速，在壳体顶部设有扰流面113(见图10)、115(见图12)，同时于火车主体两侧也设有扰流面116(见图13)，各扰流面均为能吸收太阳能的吸收板，由于整个火车上部及两侧面积很大，所能吸收太阳能的面积也很大，吸收足够的太阳能转化为电能储存在蓄电池907内，每个车厢的后底部导出口8通过导管802与下一车厢相连通，801为褶皱线，转弯时更方便，直到火车后端的导出口8、801喷出，在位于每个车厢的底部和顶部设有可控制开或关的导出口803，804，便于流体通道4过多流体的分流，在壳体两侧有内空的四周有吸气孔与流体通道4相通的、用于固定玻璃窗的固定条706和707，便于把玻璃附近的流体阻力吸入流体通道4内。

当高速火车以高速行驶时，流体墙为最大正向流体阻力从导入口7吸入环形流体通道4内，同时不少于一个的条形窗导入口701，固定条706，707平衡导入口702把流体洞的流体阻力吸入流体通道内，当流体经过壳体四周扰流面113，115，116，114时阻力变小。由于底部流体通道4内有2条凹凸形通道板404，形成3个凹凸形抛物面的分导流腔401，402，403和至少一个扰流条405均匀分布，使得从各吸入口吸收的流体在3个导流腔内加快运动速度，从而底部流体通道内的流体流速至少等于上部流体通道内的流速，又因为在通道内的流体流速快于自然状态，通过平衡吸入口把车底部流体也吸入流体通道内，从而使底部的流体与流体通道内流体大致相同，底部通道内和通道外的流体流速至少等于上部流体流速，从而升力阻力大大减少或消除。所以从导出口8喷出的流体其速度快于火车运行速度，且通管道802输入至其后若干车厢并最终于导出口8、801喷出，强烈喷出的流体瞬间填充后部负压区使得流体洞等同于火车速度的流体为保持流体的连续性，瞬间到达后部流体洞口封口时，顺着流线形面201，遇到从导出口8、801喷出的流体速度快于火车速度，就不能封口，此时大小负压区消失，流体墙、流体洞、流体阻力已大大减少，流体洞口的流体只能围绕在导出口8周围(至少一个导出口801为防止在后端再次形成负压区而设)，共同形成正向推动力，帮助火车行驶，使火车处于理想运动状态，只需很少推动力，就使火车快速行驶，此外，就于火车主体流体通道4中的过多流体还可从各车厢后端上下设置的导出口803，804排出。

本实施例中，由于列车主体的个面均设置了纵向扰流面围绕，当流体经过时，速度自然变快，在壳体上的停留时间便少，流体经过的流量自然变少，特别是在凹形后部和凸形前部，流体经过是顺其抛物面自然抛离壳体，但瞬间又被周围流体压力压回壳体上，此时这一段时间就形成相对负压区，流体经过若干抛物面时，壳体上就形成若干相对负压区，若相对负压区有一半面积，就可减少一半阻力。另外，火车的外表面积很大，覆盖在上面的太阳能吸收板的扰流板有足够大面积各扰流面把收集的太阳能蓄存在蓄电池907内供动力系统使用。由此，高速火车运行时85％能耗的风阻已大大减小，火车前端和车身周围各吸入口形成负压区，从而整个或大部分为相对负压区，后部为相对正压区，另外因升力阻力已经消除，火车自重可大大减少，上部略大于下部的气压稳稳压住上部，使火车附地能力增加，运动速度增加，安全性也增加。

以上这种状态为高速火车行驶的理想状态，只用很少推动力就能使高速火车快速行驶。此时，太阳能电池、风力器、蓄电池、储气设备共同形成的能量系统，带动电动马达和气动马达，再带动车轮转动，从而带动火车快速行驶，对现有各类火车进行改造，也能大大提高速度，同时也可节约能源。改造后的火车只用传统发动机也能带动高速火车正常行驶。

实施例三

如图8所示，本实施例的高速节能火车，与实施例2不同是：其动力系统采用了于火车主体1后部圆形外壳201中间设涡扇发动机801将主要动力集中于主体1后部，电动马达、气动马达辅助动力的混合动力系统。该火车主体外壳2底部设有纵向凹凸相间式流线型面的扰流面113(见图10)，使得底部流体通道内和通道外(扰流面与地面之间)流体流过路径不少于经过火车上部的路径，从而消除升力阻力，其后端设有圆形外壳201，便于填充小负压区，可有效减少负压区的面积，也利于流体快速经过，而火车主体上设有至少一个条状凸形扰流条111及凹形扰流条112，两侧设有扰流板117，于主体前端开有用于接收正向流体阻力的流体导入口7，后端圆形外壳201的中间流体交汇点设有一个流体导出口8，在导出口8前面设有涡扇发动机801，此外于底部外壳2上设有至少一个平衡导入口702，侧面设有导入口701，各导入口7、701、702于导出口8通过流体通道4相连，为进一步加强动力效果，通过涡扇发动机801产生的强大吸力从导入口7、701、702把流体阻力高速吸入流体通道4，再从导出口8强烈喷出，巨大的反作用力推动火车高速行驶，涡扇发动机801推力很大，虽其很耗油，但运行成本比耗费巨资修供电网络后驱动高速火车行驶而言综合成本要低得多，其产生的噪音很大，但于火车高速行驶时噪音相当，当然选择合适功率和低噪音的涡扇发动机801再配以太阳能风力器和蓄电池与压缩气体组成另一能源动力系统，带动气动马达和电动马达与涡扇发动机801在行驶中交替使用高速火车的能耗就会大大降低。

由此，本实施例的高速火车，于火车正向和侧面和底部设置了流体导入口7、701、702，而其火车主体底部和侧面则设置了成凹面或者凸面或者凹凸相间式流线型面的扰流条和扰流面，当流体经过时，速度自然变快，在壳体上的停留时间便少，流体经过的流量自然变少，自然减少了流体阻力，底部扰流面的流体经过路径大于上部路径，达到消除升力的作用，而尾部采用了圆形外壳201，使流体顺利经过，在中间流体交汇点上设有涡扇发动机的导出口，从而使得流体洞口汇集的流体碰到从导出口喷出的快于火车速度的高速流体无法收口，只能围绕在导出口8喷出的高速流体周围，瞬间填充负压区，使大小负压区不能形成，与涡扇发动机8从导出口8强烈喷出的流体一起共同产生强大的动力，推动高速火车快速行驶，从而大大降低运行阻力。另外，流体通道4中设置的风力器9还可将前进过程的流体能量储存下来，以补充动力系统，由此，高速火车运行时85％能耗的风阻已大大减小，行驶时，涡扇发动机强大的吸力使流体通道和与之相通的壳体表面上形成两层其运动速度已快过火车速度的快速流动的流体层，使得等同于火车速度的流体墙、流体洞的流体阻力自然避开或降至最小，火车壳体前端和车身周围各吸入口形成相对负压区，从而整个或大部分为相对负压区，后部为相对正压区，这种状态为火车运动的理想状态，另外因升力阻力已经消除，上部略大于下部的气压稳稳压住上部，从而火车重量大大减少，使火车附地能力增加，运动速度增加，安全性也增加，风力器、太阳能、压缩气体、蓄电池形成的绿色能源系统在行驶过程中与涡扇发动机交替使用，可大大节约能源，完全可以用于长途高速列车，可不要铁路沿线供电网，同时又能正常带动的高速火车节能行驶。

实施例四

如图9所示，与实施例3不同的是，本实施例中不用流体导入、导出口的车体结构，而仅通过于主体前端设置电机705带动旋转头704；后端外壳为圆锥形201(相对)，圆锥的交汇点803，交汇点很小；底部外壳设置凹凸相间的扰流面113(见图10)，两侧设置扰流面117(见图14)，从而整个高速节能火车快速行驶时，旋转头704在电机705带动下高速旋转，把正向最大流体墙的流体阻力抛向四周，仅用旋转头704很小一点动力就把火车头最前端的流体阻力大大减少，流体墙瞬间形成的流体洞紧紧包裹着火车然后顺着后部圆锥形201的外壳同时到达交汇点803来封口，此时，由于后部壳体形状已占据小负压区的空间，交汇点803又很小，小负压区消失，所以大负压区的负压也减少，火车在流体墙、流体洞及流体洞口共同形成的已减少负压力的大负压区内行驶，由于底部扰流面113流体经过的路径长于上部，所以升力阻力消失，流体经过两侧扰流面117时，流体洞的流体阻力减少。

由此可见，在现有火车上的后端改为圆锥形，小负压区消失，大负压区的负压阻力减少，底部扰流面113使升力阻力消失，旋转头又减少了流体墙阻力，两侧扰流面117也减少了流体洞阻力，当高速节能火车行驶时，速度大大提高，能耗降低，安全性增加。

综上所述，本发明针对高速火车行驶时风阻所消耗85％能源的问题进行了研究并通过采用设置于贯穿火车主体流体通道，与前端的流体导入口、后端的导出口相通、四周的扰流面及尾端的可防止流体收口的流线形的壳体等结构在火车前端和车身周围的各吸入口形成相对负压区，从而在整个车身或大部分形成相对负压区，后部流体洞口不能封口，只能围绕在喷出口喷出流体周围，共同形成相对正向区，此时，大小负压区消失，流体墙和流体洞的流体阻力大大减少，火车快速运动时85％的流体阻力的能耗也大大减少，另外，升力阻力已消除，火车重量可大大减轻，即为现在火车重量的1/5左右，换句话说，可节约80％能耗，同时上部大于下部的流体气压稳稳压住上部壳体，使火车附地力、安全性、运动速度提高，这种状态为高速节能火车或任何运动体运动的理想状态，使其运行阻力大大减少，让其配置的动力系统和传动系统可简化至极限，以适应于传统的内燃机动力和绿色能源的太阳能、蓄电池、气动能源以及涡扇发动机等动力系统，只需很少动力，就能推动高速节能火车快速行驶，此时根本不需要花费巨资修建沿途供电网，可避免自然灾害造成灾难性后果。

Claims (10)

1.一种高速节能火车，它包括火车主体，主体中设置有动力系统及驱动轮，其特征在于：于火车主体前部设有至少一个用于接受正向流体的导入口，其四周的两侧和顶部至少设有一个用于接收侧部流体压力的条形窗导入口，而底部也至少设有一个用于接收底部流体压力的平衡导入口，对应的于火车主体后部设有至少一个用于排出导入流体以阻挡流体洞口封口形成负压区的导出口；所述导出口与导入口通过火车主体中设置的流体通道相联通。

2.如权利要求1所述的高速节能火车，其特征在于：所述火车主体包括外壳，外壳内套接有封闭内壳，外内壳之间设置有流体通道，所述流体通道内设置有被流体驱动的风力器，其联通的流体导入口中则设有电机带动的旋转头，该旋转头形状可为圆锥形、飞碟形、流线形或风扇形，用于快速抛开前进过程中正向流体；而其联通的流体导出口则至少有一个设置于主体后部中间，其余导出口可设置于后部四周成回形或成同间隔的上、中、下或多处设置，用于避免流体在主体后部再次形成负压区。

3.如权利要求2所述的高速节能火车，其特征在于：所述火车主体的外壳后部成半圆形、圆锥形、流线型、抛物面型或流线形，使得流经的流体可在火车主体后部流线型壳体中间交汇点，占据流体洞口封口区域，以避免形成后部负压区；所述交汇点上设置有流体导出口，于导出口上设置有可调节其开关或开启角度变化的控制板。

4.如权利要求2所述的高速节能火车，其特征在于：所述流体通道由相联通的第一流体层通道和第二流体层通道组成，其中第一流体层通道与导入口相通，第二流体层通道与导出口相通，第二流体层通道弯曲成圆弧形、方形、蛇形或环形以达到延长流经流体的路径长度的目的。

5.如权利要求2所述的高速节能火车，其特征在于：所述风力器带动发电机或空气压缩机为蓄电池或储气设备补充能源，在导出口内可设有涡扇发动机。

6.如权利要求2所述的高速节能火车，其特征在于：所述火车主体底部的内壳和外壳至少有其一为表面成凹凸状的扰流板，使得流体经过时的路径至少等于或大于经过火车上部流体的路径；于主体底部的流体通道中设有至少一个通道板，用于把流体通道分为多个独立或半独立的导流腔，所述多个导流腔间可共用流体导入口、导出口，也可独立联通各自的流体导入口或导出口，于所述导流腔内设有流线型扰流条。

7.如权利要求1所述的高速节能火车，其特征在于：所述火车主体内设置的动力系统包括供能装置及相连的驱动机构；所述供能装置包括设置于火车主体外壳上的太阳能吸收板，太阳能吸收板连蓄电池，于流体通道中设置中风力器，风力器与空气压缩机、储气设备、气动马达相连或通过蓄电池连接电动马达；燃油发动机连蓄电池或空气压缩机；驱动机构则由气动马达或电动马达、减速器直接带动转轴驱动左右轮，并于火车主体后部以涡扇发动机驱动；

所述太阳能吸收板设置于火车前部、顶部、侧部中至少之一，并成为可加快流体流速的纵向凹凸扰流面；

所述储气设备输出口接有阀门并通过导管连接至驱动机构的气动马达，气动马达与驱动轮对应相连。

8.一种高速节能火车，它包括火车主体，主体中设置有动力系统及驱动轮，其特征在于：于火车主体外表面设有成凹面或者凸面或者凹凸相间式流线型面的纵向扰流面，以加快流体经过的流速，其中底部流体经过时的路径至少等于或大于经过火车上部流体的路径；其后端成半圆形、圆锥形、流线型、抛物面型或流线形，使得流经的流体可在火车主体后部流线型壳体中间交汇点交汇，占据流体洞口封口区域，以避免形成后部负压区。

9.如权利要求8所述的高速节能火车，其特征在于：所述火车主体内设置的动力系统包括供能装置及相连的驱动机构；所述供能装置包括设置于火车主体的太阳能吸收板、设置于流体通道中的风力器、压缩气体储气设备、蓄电池或燃油发动机、涡扇发动机，驱动机构则由气动马达、电动马达及传动机构构成；

所述太阳能吸收板设置于火车前部、顶部、侧部中至少之一，并成可加快流体流速的纵向凹凸扰流面；

所述储气设备输出口接有阀门并通过导管连接至驱动机构的气动马达，气动马达与驱动轮对应相连。

10.如权利要求8所述的高速节能火车，其特征在于：于火车主体前部设有至少一个用于接受正向流体的导入口，其四周的两侧和顶部至少设有一个用于接收侧部流体压力的条形窗导入口，而底部也至少设有一个用于接收底部流体压力的平衡导入口，流体导入口中设有电机带动的旋转头，该旋转头形状可为圆锥形、飞碟形、流线形或风扇形，用于快速抛开前进过程中正向流体；于主体后端设有至少一个对应联通前端导入口的导出口，该导出口至少有一个设置于火车主体后端的中间。

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