CN101879938A - 不依赖空气的潜艇推进方法与推进装置 - Google Patents

Abstract

本发明不依赖空气的潜艇推进方法：利用电石与水生产乙炔，同时产生氢氧化钙碱性溶液；乙炔与氧气混合可燃气体，燃烧爆炸产生高压燃气；高压燃气推动水平管状主机中的水体，形成高速流水驱动主机涡轮机，涡轮机带动螺旋桨；氢氧化钙碱性溶液吸收废气中的二氧化碳、硫氧化物等不凝气体。本发明不依赖空气的潜艇推进装置包含：燃料系统、氧气系统、燃烧室、主机、推进器、废气系统、电控系统；燃料系统供给乙炔，氧气系统供给氧气，进入燃烧室燃烧，生成高压燃气进入主机，主机利用燃气膨胀推水，水推动涡轮机，带动推进器，推动潜艇前进；燃烧室和主机排出的废气进入废气系统，废气中的二氧化碳和硫氧化合物被氢氧化钙碱性溶液所吸收。

Description

不依赖空气的潜艇推进方法与推进装置

技术领域

本发明涉及交通运输技术，尤其涉及到一种不依赖空气的潜艇推进方法与推进装置。

背景技术

潜艇是一种既能在水面，又能在水下一定深度航行，并进行战斗的舰艇。

潜艇是现代海战中十分重要的高技术主战兵器，是人类在走向海洋深处的艰苦探索中所取得的杰出成果之一。

第一次世界大战中，德国潜艇在海战中大显神威，令各国海军刮目相看。此后，世界各主要海军大国加快研制潜艇的步伐。

第二次世界大战中，各交战国都将潜艇作为一支重要海上力量投入使用，使得地球上各大洋深处充满杀机，潜艇也就名副其实地被称为“水下幽灵”。

众所周知，当今世界上，大约有40多个国家和地区拥有800艘左右的潜艇，其中常规动力潜艇有700余艘。与核动力潜艇相比，常规动力潜艇机动灵活、噪音小、造价低。但是，它有一个致命的弱点：不能在水下作长时间的航行，必须经常浮至海面“呼吸”，即在通气管状态下使用柴油机为蓄电池充电。这样很容易被对方雷达侦察到，同时，柴油机为蓄电池充电时的噪声，也极易被对方水声器材探测到，因而大大增加了常规动力潜艇的暴露率，使其生存能力受到严重的威胁。

为减少常规动力潜艇的暴露率，增加隐蔽性，早在二战期间，德国和前苏联就开始研究不依赖空气推进装置(Air Independent Propulsion)，简称AIP装置，装备不依赖空气推进装置的潜艇，称为AIP潜艇。进入21世纪以来，不同结构和工作原理的多种AIP潜艇陆续研发成功，世界主要海军大国几乎都已装备了AIP潜艇，使现代常规动力潜艇的攻防作战能力得到大幅提升。

在亚洲，在2007年中，韩国海军的214级潜艇“孙元一”号下水，韩国成为亚洲第一个装备AIP常规潜艇的国家。韩国214级潜艇的AIP系统，是利用德国的燃料电池获得电能，供潜艇使用。在2007年末，日本海上自卫队“苍龙”号潜艇下水，其AIP系统采用了瑞典的“斯特林”发动机。

最近在南海，美国调查船不顾中国抗议进行间谍活动，以及台湾企图买进外国先进技术自己造潜艇等一系列事件，都对我国海军构成极大挑战。

为了建设一支强大的中国海军，我国对常规动力潜艇的AIP装置的研究，已进行多年，并取得了一些重要成果。但是，一些关键技术还有待突破，建成我国自己的高性能的AIP潜艇，尚需时日。

目前，国内外常规动力潜艇的AIP装置，主要有以下四种：

一、闭式循环柴油机装置

闭式循环柴油机装置的主要技术特点：潜艇使用普通柴油机，潜艇不仅自带柴油，而且自带氧气，燃烧后的废气从柴油机排出后，进入废气吸收处理装置。

该装置的优点：柴油机技术成熟、寿命长，燃料通用，耗油率低。

该装置的缺点：废气二氧化碳吸收和排除的难度很大，需要设备多；柴油机运动部件多，机械噪音大。

二、“斯特林”发动机装置

“斯特林”发动机装置的主要技术特点：它使用闭式循环的热气机工作，由外部热源加热，潜艇自带柴油与氧气。

该装置的优点：燃烧过程平稳，发动机的噪音和振动较小；燃烧压力高，废气排放比较容易。

该装置的缺点：“斯特林”发动机的功率较低，发动机部件的加工难度大。

三、闭式循环汽轮机装置

闭式循环汽轮机装置的主要技术特点：潜艇自带的燃料与氧气在高压下燃烧，通过热交换器，使水加热变成高温高压蒸汽，蒸汽推动汽轮机做功。潜艇自带的燃料通常是乙炔。

该装置的优点：功率大；可靠性好；燃烧压力高，废气排放比较容易，也可将废气冷凝存在艇内。

该装置的缺点：闭式循环汽轮机装置体积庞大，辅助设备多，燃料乙炔所占容积大。

四、燃料电池装置

燃料电池装置的主要技术特点：燃料电池装置是用电化学方法，将反应物质氢和氧的化学能直接转换为电能，燃料电池本身没有机械运动部件。

该装置的优点：能量转换效率高；对外热辐射较少；工作过程安静，噪音低；不产生废气；过载能力强。

该装置的缺点：燃料电池用纯氢作燃料，纯氢贮存难度大，纯氢泄漏危险大；燃料电池工作寿命短，价格高。

上述有关潜艇推进装置的背景技术，在以下专著中有详细描述：

1、张海波，杨金成，现代潜艇技术，哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2002

2、谢祚水，罗广恩，现代潜艇，哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007

3、邵开文，马运义，舰艇技术与设计概论，北京：国防工业出版社，2005

发明内容

本发明的目的是给出一种适用于常规动力潜艇的不依赖空气的潜艇推进方法与推进装置，该推进方法与推进装置具有简单、可靠、实用的特点。

本发明不依赖空气的潜艇推进方法，它的具体步骤是：

1、在潜艇上，利用电石与水生产乙炔，同时产生氢氧化钙碱性溶液；

2、气体燃料乙炔与潜艇自带的氧气按比例充进燃烧室，混合成可燃气体；

3、在燃烧室中，点燃可燃气体，燃烧爆炸产生高温高压燃气；

4、高温高压燃气进入主机做功，即燃气推动水平管状主机中的水体形成高速流水，流水驱动主机涡轮机；

5、主机带动螺旋桨，螺旋桨推动潜艇前进；

6、用氢氧化钙碱性溶液吸收排放废气中的二氧化碳、硫氧化物等不凝气体。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置，它包含：燃料系统、氧气系统、燃烧室、主机、推进器、废气系统、电控系统。

它们之间的基本关系是：由燃料系统供给乙炔气体，由氧气系统供给氧气，分别通过管路进入燃烧室，乙炔和氧气燃烧爆炸生成的高温高压燃气，从燃烧室进入主机做功，主机驱动推进器，推进器推动潜艇前进，燃烧室和主机排出的废气进入废气系统处理，电控系统内有控制电路，控制各泵和电动阀门。

燃料系统和氧气系统分别将乙炔气体燃料和氧气输送到燃烧室，燃烧室里的乙炔燃料被点燃，爆炸燃烧产生高温高压燃气，燃气从燃烧室进入管状的主机，推动水体在一段水平的主机管道中不断加速，在主机的后部形成高速水流，冲击涡轮机，带动艇外的螺旋桨。

燃料系统包括电石桶、乙炔发生器、回火防止器，电石桶贮存的电石，分批投入乙炔发生器，在乙炔发生器内，电石与水反应生成的乙炔，输出的乙炔通过回火防止器到达燃烧室。

氧气系统包括液氧贮箱、液氧泵和加热器，向燃烧室内供给燃烧用氧气。

燃烧室是高温压力容器，它的外形是一个横放的筒状压力容器，由前后封头和中间筒体组成。在中间筒体的前部连接氧气系统、点火器，前封头连接乙炔进气管，后封头连接排气管。燃烧室与下面的主机之间有燃气通道，燃烧室产生的高温高压燃气，通过燃气通道进入主机。

主机包括：压水箱、进水阀、燃气阀、涡轮管、涡轮机、疏气阀、密封口、回水管和回水阀。压水箱通过进水阀，向涡轮管内注水；涡轮管前部有燃气阀与燃烧室相连，涡轮管后部设有疏气阀，涡轮管的内部设有轴流式涡轮机，它由一个涡轮轴和几个涡轮构成，涡轮轴通过涡轮管尾部的密封口输出动力。通过涡轮机做完功的水，再通过回水管和回水阀，返回压水箱。主机的功能是利用燃气膨胀推水，水推动涡轮机对外做功。涡轮管沿艇身方向，水平地设置。涡轮管后部接出的疏气阀，是一个单向放气阻水阀，主机中做完功的废气通过疏气阀，到达冷凝器。

推进器包括：推进轴、变速器、惯性轮、螺旋桨。主机的涡轮轴，通过密封口输出动力，传递给推进器的推进轴，推进轴上有一个惯性轮用于稳定输出，推进轴通过变速器与螺旋桨耦合连接，螺旋桨旋转产生推力，推动潜艇前进。

废气系统包括冷凝器、喷淋室和回气泵。

燃烧室和主机排出的废气首先进入冷凝器。冷凝器是间壁式换热器，管外流动的是冷却水，管内流动的是燃烧室和主机排出的废气。在冷凝器中，废气被降温，同时废气中的一部分水蒸气凝结下来，从冷凝器出来的温度不很高的废气接着进入喷淋室。

喷淋室是废气中所含二氧化碳和硫氧化合物的吸收装置，它的上方有进液管，下方有出液管，一侧有进气管，另一侧有出气管；进液管外接乙炔发生器的排液管，内接喷淋管，进气管外接冷凝器的排气管，出液管外接贮液桶；喷淋室内，靠近底部，水平放置一个筛网，用于截获固体生成物。喷淋室的作用是：利用乙炔发生器中，电石与水反应生成的氢氧化钙溶液，在废气中喷淋，吸收废气中的二氧化碳和硫氧化合物。在喷淋室中废气继续降温，又有一部分水蒸气凝结下来。从喷淋室出来的废气，可能含有少量的水蒸气和部分未参加燃烧的氧气。喷淋室的出口接回气管，喷淋室出来的含氧气的废气，通过回气管和回气管上的回气泵，流回燃烧室再次参加燃烧。

电控系统包括控制电路和控制电路的电源，控制电路负责控制各泵和电动阀的开闭，控制电路的电源是12伏的直流电源。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置，基本的工作过程是：

乙炔发生器生产的乙炔气体，通过回火防止器，经过乙炔阀，进入燃烧室；在燃烧室里，乙炔与氧气混合成可燃气体，并被点火器点燃，瞬间形成高温高压燃气；高温高压燃气进入水平的管状的主机，强力挤压管状的主机中的水体，管状的主机中的水体不断加速，形成高速射流水，冲击管状的主机后部的涡轮机，涡轮机带动螺旋桨做功。燃烧室排出的废气先进入冷凝器降温，水蒸气凝结；再进入喷淋室，在喷淋室内，利用生产乙炔的副产品一氢氧化钙溶液，吸收废气中的二氧化碳、硫氧化合物。然后，废气中仅剩下的水蒸气和少量氧气通过回气管和回气泵又回到燃烧室。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置，具体地启动过程是：

1、向乙炔发生器的电石罐里，装填小球状电石；

2、液氧贮箱经液氧泵和加热器，向燃烧室供给氧气。同时，从燃烧室的排气阀，排出废气，废气流过冷凝器和喷淋室；

3、电石罐里的小球状电石，从电石罐出料口，受控向下滑落，投入到乙炔发生器的发气桶的水中；

4、乙炔发生器生产的乙炔气体，通过回火防止器，经过乙炔阀，进入燃烧室；

5、在燃烧室里，乙炔与氧气混合成可燃气体，并被点火器点燃，瞬间形成高温高压燃气，并从燃烧室进入管状的主机；

6、高压燃气推动管状的主机中的水体不断加速，最终形成高速水流，冲击涡轮机做功；

7、主机中做完功的废气通过疏气阀，流过冷凝器，再流过喷淋室；

8、流出喷淋室的废气仅含水蒸气和少量氧气，通过回气管和回气泵又回到燃烧室。

本发明的不依赖空气的潜艇推进装置的乙炔气体燃料在现场由电石制取。1kg高品质的电石大约可以制取0.4kg的乙炔气体。常压下，20℃时，乙炔气体的密度是1.17kg/m³，0.4kg的乙炔体积为0.342m³。电石的密度是2220kg/m³，1kg电石体积是0.00045m³，1kg高品质的电石制取的乙炔气体的体积是1kg电石本身体积的760倍。

1m³高品质的电石的质量为2220kg，大约可以制取888kg的乙炔气体，折合成体积为759m³。乙炔的低热值为52700kJ/m³，燃油的低热值为42000kJ/kg，即1m³乙炔相当于1.25kg燃油。759m³的乙炔气体相当于949kg燃油。

燃油的密度为800kg/m³，949kg燃油的体积是1.19m³。即1m³高品质的电石的热值相当于1.19m³燃油的热值。

高品质电石的出厂价约为每吨3000元，折合每m³电石为6660元，1.19m³燃油的加油站价格为7140元。1.19m³燃油的质量为952kg，1m³高品质的电石的质量为2220kg。

本发明的优点是：

1、本发明的不依赖空气的潜艇推进装置不使用石油燃料和生物燃料；

2、本发明的不依赖空气的潜艇推进装置的乙炔燃料是由电石制取的，而电石是用石灰和焦碳为原料，经过电加热生产的。所以，本发明的不依赖空气的潜艇推进装置的燃料的生产工艺简单，原料来源广泛，生产成本低廉。乙炔代替石油作为潜艇燃料，有利于保障国家能源安全和国防安全；

3、本发明的不依赖空气的潜艇推进装置总体结构简单，故障率低，没有笨重的部件，加工制造容易，成本低，操作与维修方便；

4、本发明的不依赖空气的潜艇推进装置没有往复运动部件，机械磨损小，振动小，寿命长，噪音小，隐蔽性好。

5、乙炔气体的毒性轻微，乙炔在氧气中的燃烧迅速而彻底，燃烧产物中的硫氧化合物极少，经过喷淋室后，废气中的二氧化碳、硫氧化合物等不凝气体被吸收，有利于潜艇长时间水下潜伏。

附图说明

图1是本发明不依赖空气的潜艇推进方法的原理说明图；

图2是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的总体示意图；

图3是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的主机结构图；

图4是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例主机的压水箱的结构图；

图5是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的燃烧室的结构图；

图6是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的乙炔发生器的结构图；

图7是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的液氧贮箱的结构图；

图8是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的废气处理设备的结构图；

图9是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的推进器的结构图；

图10是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的控制电路图；

图11是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例在潜艇上的具体设置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。

图1是本发明不依赖空气的潜艇推进方法的原理说明图。

本发明不依赖空气的潜艇推进方法是：

乙炔发生器50利用电石与水生产乙炔，向燃烧室供给乙炔，液氧贮箱100向燃烧室供给纯氧气；

在燃烧室250中，乙炔与纯氧混合成可燃气体，被点火器270点燃，燃烧爆炸产生高温高压燃气；

高压燃气进入水平的管状的主机300，推动主机内水体不断加速，在管状的主机300中形成高压高速流水，流水冲击涡轮机，使涡轮机旋转做功；

涡轮机带动主机后边的螺旋桨350，螺旋桨350在水中旋转产生推力，推动潜艇前进；

在冷凝器200中，利用冷却水冷却来自燃烧室250和主机300排放的废气，废气中的部分水蒸气凝结下来，较低温度的废气再进入喷淋室150；

在喷淋室150中，利用氢氧化钙碱性溶液，吸收排放废气中的二氧化碳、硫氧化物等不凝气体，然后含有部分氧气的废气，再回到燃烧室250，再次参加燃烧。氢氧化钙碱性溶液是在乙炔发生器50中，用电石和水生产乙炔过程产生的。

原则上，本发明不依赖空气的潜艇推进方法不向潜艇外排放任何废气，减少了潜艇暴露率。

图2是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的总体示意图。

压水箱320通过进水阀305，向主机300的涡轮管303注水后，关闭进水阀305。

液氧从液氧贮箱100的下部出口流出，通过液氧泵，到达加热器，加热器位于燃烧室内，液氧在加热器内受热蒸发汽化，随后，气态的氧气进入燃烧室250内部空间。乙炔从乙炔发生器50的出口流出，通过回火防止器，通过乙炔阀，进入到燃烧室250中。

乙炔和氧气在燃烧室250中混合成可燃气体被点燃，打开燃气阀324，爆炸燃烧产生高压高温燃气，强力向下挤压并进入管状的主机300的涡轮管303中。

主机涡轮管303中的水体受到从燃烧室进入的高压燃气挤压推动，在涡轮管303中加速，形成的高速水流冲击推动涡轮机302，涡轮机302输出轴通过变速器370带动螺旋桨350。

燃烧室和主机排出的废气通过冷凝器200进入喷淋室150，电石与水反应产生的氢氧化钙碱性溶液也从上边进入喷淋室150，并喷淋室150内从上向下喷洒。氢氧化钙碱性溶液吸收废气中的二氧化碳，最后，从喷淋室150的流出的含有水蒸气和部分氧气的废气，通过回气管和回气泵，再流回燃烧室250参加燃烧。

在主机内，高压水流冲击并推动涡轮机302做功后，产生的低压水流通过回水管304和回水阀306，返回压水箱320。回水阀306是单向水阀。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的具体工作流程为：

1、经过液氧泵和加热器，氧气进入燃烧室250；

2、从电石桶450中提取小球状电石，通过乙炔发生器50的进料口，向乙炔发生器50里投入电石；

3、在乙炔发生器50中，电石与水反应，生产乙炔气体，通过回火防止器，经过乙炔阀进入燃烧室250；

4、在燃烧室250里，乙炔与氧气混合成可燃气体，乙炔的容积成分在5～30％范围内进行调节和控制，乙炔的容积成分越高，燃烧产生的燃气温度和压力越高；

5、可燃气体被点火器点燃，燃烧爆炸形成高温高压燃气，打开燃气阀324，利用高压推动作用，燃气进入下部的主机300。

6、压水箱320通过进水阀305，向主机300的涡轮管303中注水后，水平的涡轮管303中的水体受高压燃气推动，在管内加速，高速水流冲击涡轮机302，涡轮机302带动螺旋桨，螺旋桨推动潜艇。

7、主机300和燃烧室250排出的废气，通过管路进入冷凝器200，部分水蒸气被凝结，再进入喷淋室150，废气中的二氧化碳被吸收，剩余废气基本是由氧气和水蒸气组成，通过回气管和回气泵，返回燃烧室250；

8、做过功的水通过回水管、回水阀306返回压水箱320。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例是利用燃气膨胀喷水，喷水推动涡轮机，涡轮机带动螺旋桨，螺旋桨推动潜艇前进。在其他场合下，也可以利用喷水的作用力，向外输出动力带动水泵抽水，或带动机床加工零件，或带动发电机发电。所以，本发明实质上它是可以广泛用于各行业的通用发动机。

图3是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的主机的结构图。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的主机的结构包括：压水箱320、进水阀305、燃气阀324、涡轮管303、涡轮机302、疏气阀315、密封口314、回水管304和回水阀306。压水箱320通过进水阀305，向涡轮管303内注水；涡轮管303前部有燃气阀324与燃烧室相连，涡轮管303后部设有疏气阀315，涡轮管303的内部设有轴流式涡轮机302，它由一个涡轮轴和几个涡轮构成，涡轮轴通过涡轮管303尾部的密封口314输出动力。通过涡轮机302做过功的水，再通过回水管304和回水阀306，返回压水箱320。主机的功能是利用燃气膨胀推水，水推动涡轮机对外做功。涡轮管303沿艇身方向，水平地设置。涡轮管303后部接出的疏气阀315，是一个单向放气阻水阀，主机中做过功的废气通过疏气阀315，到达冷凝器。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的主机是完成能量转换的基本装置。它的工作过程分为两步的动力循环：

1，打开电动的进水阀305，压水箱将水压入主机，充满主机的涡轮管303，在涡轮管303中原有的废气通过疏气阀315进入冷凝器。然后，关闭电动的进水阀305。

2，打开电动的燃气阀324，高温高压燃气从燃烧室通过燃气阀324，进入主机。高压燃气压迫和推动管状主机中的水体，在涡轮管303内运动，形成高压高速水流，冲击涡轮机302，涡轮机轴通过密封口314输出动力。通过涡轮机302做过功的水，再通过回水管304和回水阀306，返回压水箱320。然后，关闭燃气阀324。

上述1和2两过程反复进行，是工作过程分为两步的动力循环。

图4是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例主机的压水箱的结构图。

压水箱是一个压力容器，它包括一个立放的筒体307，和上下两个封头。上封头安装压力表309，下封头接出一个排污管311。筒体307内的中上部，有一个水平放置的弹性膜片308，弹性膜片308上方是空气，弹性膜片308下方是水。弹性膜片308的材质为不锈钢波纹板。弹性膜片308的上方筒体外接进气管，进气管上有一个进气阀310。弹性膜片308下方筒体外接两个管：上面的是出水管，出水管上有主机的进水阀305；下面的是回水管，回水管上有回水阀306。

进气管外接高压气源，通过进气阀310，向压水箱供气，保证压水箱维持一个额定的压力。出水管通过主机的进水阀305向主机供水，回水管通过回水阀306，吸纳主机中做过功的水。

图5是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的燃烧室的结构图。

燃烧室是水平放置的耐高温压力容器，它的外形是由前后封头和中间筒体组成，在中间筒体上部有氧气管、回气管、点火器。

氧气管上有液氧泵110、加热器253，加热器253设置在燃烧室内，液氧在流过加热器253时，吸收燃烧室热量而气化后，进入燃烧室内部空间。

回气管上有回气泵252，从喷淋室流出的废气，通过回气泵252回到燃烧室。

在前封头上安装乙炔管，乙炔管上有乙炔阀256。在后封头上，有一个排气管，其上有废气阀257。

燃烧室与下面的管状的主机之间有燃气通道，燃气通道上有燃气阀324。乙炔发生器生产的乙炔气体，通过乙炔阀256进入燃烧室；在燃烧室里，乙炔与氧气混合成可燃气体，并被点火器270点燃，瞬间形成高温高压燃气，通过燃气通道和燃气阀254进入管状的主机。

图6是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的乙炔发生器的结构图。

乙炔发生器的主体是由电石罐52和发气桶62两部分组成，电石罐52坐落在发气桶62上边，电石罐52内的小颗粒圆球形电石53受到出料口处的一个杠杆活门系统的控制，按照一定的流量从下部的出料口向下滚落，落入发气桶62的水中。在发气桶62中，电石与水发生化学反应，产生乙炔气体，经过发气桶62的出气管55，再通过回火防止器56输出。这种电石入水式乙炔发生器，电石与水作用比较完全，电石有效利用率高，生产效率高，发气量大。

电石罐52是一个竖放的圆筒，圆筒的上端是加料口和加料口压盖51。圆筒的下端是一个锥形的漏斗，漏斗口即出料口，出料口被一个活门54部分遮挡。活门54可以上下升降，从而改变出料口的出口面积，调节小球状电石的出料速度。活门54的升降是受支杆60、支点63和可以移动的重锤59的控制。移动重锤59的位置，出料口和活门54的间隙大小就发生变化，影响小球状电石的出料速度。

发气桶62在电石罐52的下边，发气桶62的直径比电石罐52的直径大许多。发气桶62内是发气室，发气室内的下部是水，水占发气室内一半以上的空间。发气桶62的桶体的中下部，有进水管64、排液管58，发气桶62的桶体的上部有出气管55，还有一个较大的防爆门61。防爆门61上有防爆膜，当发气桶62内部发生爆炸时，气浪冲破防爆膜，使发气桶62内迅速卸压，达到保护发气桶62的目的。防爆膜卸压所排放的乙炔气体，应该妥善处理，不能在环境中扩散。排液管58用于排放氢氧化钙碱性溶液。氢氧化钙碱性溶液是在用电石和水生产乙炔过程中同时产生的，氢氧化钙碱性溶液通过排液管58送到喷淋室，用于吸收二氧化碳和硫氧化合物等不凝气体。

发气桶62内的水中，在靠近底部，有一个水平设置的载料网57，其作用一是托住小球状电石，使小球状电石的上下充分与水接触，彻底进行反应生成乙炔，二是防止小球状电石下落堵塞排液管58。当载料网57上的垃圾积累较多时，打开防爆门61，进行人工清除。

电石罐52内的电石是小颗粒圆球形电石，其直径为5mm。电石与水反应生成乙炔过程中，向水中释放热量。按照有关规定，发气室内，乙炔气体温度不得超过90℃，水温不得超过60℃。

在乙炔发生器的发气桶62外壁上，设置有一个安全阀65，它的泄气压力为150kPa。当超压时，安全阀65迅速向外排气降压。所排放的乙炔气体，应该妥善收集起来，不能在环境中扩散。

从发气桶的出气管55输出的乙炔气，通过回火防止器56输出。回火防止器56是为了防止乙炔火焰，从燃烧室通过管路向乙炔发生器中反向燃烧。

图7是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的液氧贮箱的结构图。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例中的燃料是乙炔，氧化剂是氧气。为了能在液氧贮箱中的有限的空间，储存尽可能多的氧气，又不希望储氧容器承受过高的压力，需要低温储存液态氧。在常压下，氧气的沸点是-183℃，因此，对储氧容器的要求是：能耐受低温、绝热保持低温、抗氧化，同时，也要有足够的强度。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的液氧贮箱的外形是一个水平放置的圆筒形压力容器，壳体及两端封头的材质选用不锈钢板，而且，均为双层不锈钢板，双层不锈钢板中间填充绝热材料。

液氧贮箱的具体结构如本图所示：水平放置的圆筒形液氧贮箱的上部有加注口101、加压口102、排气口103，底部有液氧的输出口104、泄液口107。液氧贮箱的壳体外圆上，等距离地固定有加强环板106。液氧贮箱有支架105，液氧贮箱水平放置在基础平面上。

加注口101用于加注液氧；加压口102与高压氮气瓶的输出管相连，接受高压氮气对液氧贮箱增压，使液氧贮箱内维持0.5MPa表压力；排气口103及时排除因受热蒸发产生的氧气，防止液氧贮箱超压。液氧贮箱的下部，有液氧的输出口104、泄液口107，泄液口107用于排放无用的废液。

图8是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的废气处理设备的结构图。

废气处理设备包括冷凝器、喷淋室、回气泵。

废气处理设备的流程是：

主机和燃烧室排出的废气，通过管路进入冷凝器，在冷凝器中，利用冷却水冷却来自燃烧室和主机排放的废气，废气中的部分水蒸气凝结下来，冷凝器流出的较低温度的废气再进入喷淋室。在喷淋室内，利用生产乙炔的副产品一氢氧化钙溶液，从上向下喷淋，吸收废气中的二氧化碳、硫氧化合物等不凝气体。从喷淋室流出的废气仅含有水蒸气和少量氧气，通过回气管和回气泵又回到燃烧室，再次参加燃烧。

冷凝器是一个水平放置的压力容器，两个封头和一个筒体。在前封头205上，有进气管206，燃烧室和主机排出的废气通过进气管206进入冷凝器。冷凝器是间壁式换热器，横管203外流动的是冷却水，横管203内流动的是燃烧室和主机排出的废气。冷却水从下方的进水口207进入，经过两个折流板，从上方的出水口202流出。在冷凝器中，废气被降温，同时废气中的一部分水蒸气凝结下来，凝结水从后封头201，经疏水器208，从出水口流出。被冷凝器冷却了的温度不很高的废气通过废气管155进入喷淋室。

喷淋室是压力容器，它的上封头152有进液管151，下封头160有出液管161，筒体157一侧有进气管，即废气管155，另一侧有出气管156；进液管151外接乙炔发生器的排液管，内接喷淋管153，出液管161外接贮液桶；喷淋室内，靠近底部，水平放置一个筛网159，用于截获固体生成物，筒体157上有一个清理门158，用于清理筛网159截获的固体生成物。喷淋室的作用是：利用乙炔发生器中，电石与水反应生成的氢氧化钙溶液，在废气中喷淋，吸收废气中的二氧化碳和硫氧化合物。在喷淋室中，氢氧化钙与二氧化碳反应生成的固体碳酸钙，留在了筛网上，其余溶液，包括生成的可溶解的碳酸氢钙，进入外接贮液桶，或处理后回到乙炔发生器。

工业电石含有70％碳化钙，其余杂质是金属氧化物，主要是氧化钙。理论上，电石与水反应生成的氢氧化钙碱性流体，可以完全吸收同一反应生成的乙炔燃烧生成的二氧化碳。氢氧化钙碱性流体吸收二氧化碳后的产物，是固体的碳酸钙和少量的可溶性碳酸氢钙。

图9是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的推进器的结构图。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的推进器包括：推进轴362、推进轴承365和366、惯性轮360、变速器370、变速器轴承368、螺旋桨350、螺旋桨轴承348。

涡轮机轴通过密封口314输出动力，传递给推进轴362，推进轴362与涡轮机轴间利用法兰连接。推进轴362上有一个惯性轮360，惯性轮360用于稳定输出，克服主机内不连续的喷水冲击对推进轴362旋转稳定性的影响。变速器370是一个减速器，可以是皮带轮变速器或齿轮变速器，它在高速的推进轴362和低速的螺旋桨轴间工作。螺旋桨轴承348是止推轴承，它能承受螺旋桨350的轴向推力。

图10是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的控制电路图。

控制电路是一个两级时序定时器，按顺序驱动两个磁力电开关，一个磁力电开关启动燃烧室的点火器、燃气阀，另一个磁力电开关启动燃烧室的乙炔阀、废气阀、液氧泵和主机的进水阀。采用两个555集成电路，构成两个定时器，产生两个顺序脉冲，第二个555集成电路的输出端接到第一个555集成电路的触发端，实现非稳态工作。

第一个555集成电路520，为了能可靠复位，防止干扰的影响，其复位端(管脚4)和电源端(管脚8)都直接与V+电源相接。接地端(管脚1)接地，控制端525(管脚5)通过一个电容接地，防止干扰信号影响脉冲的脉宽。其触发端522(管脚2)的触发信号，来自第二个555集成电路530的输出信号，经由电阻521和电容524所组成的微分电路产生的触发脉冲，脉宽约1微秒，下跳沿起作用。当触发端522(管脚2)被触发，且脉冲电压低于V+/3时，内部触发比较器翻转，输出端523(管脚3)输出高电平。放电端527(管脚7)内部开路，电源V+开始通过定时电阻528向定时电容529充电。定时电容529上充电到2V+/3时，阈值端526(管脚6)内部的阈值比较器翻转，定时电容529迅速放电到地电位，输出端523回到低电平。定时时间约为1.1*定时电阻*定时电容。其输出端523的输出信号，通过电阻562接到电流放大管560的基极，启动磁力电开关561，启动燃烧室的点火器、燃气阀，点燃可燃气体，打开燃气通道，按定时时间向主机内供给高温高压燃气。

第二个555集成电路530，其触发端532(管脚2)的触发信号，来自第一个555集成电路520的输出信号，经由电阻和电容所组成的微分电路产生的触发脉冲。定时时间约为1.1*定时电阻*定时电容。输出端533通过电阻567接到电流放大管565的基极，启动磁力电开关566，启动燃烧室的乙炔阀、废气阀、液氧泵和主机的进水阀，按定时时间向燃烧室内供给乙炔、氧气和排废气，按定时时间向主机内供水。集成电路530的输出端533的输出信号的另一路，接到第一个555集成电路的触发端，实现非稳态工作。

两级时序定时器的每一级的定时时间的选择，须要通过实验确定。

图11给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例在潜艇上的具体设置示意图。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的燃烧室250，安装在潜艇的前端中部位置。燃烧室250的乙炔进气管通过乙炔阀和回火防止器，接到安放在靠后位置的乙炔发生器50。燃烧室250的氧气来源于潜艇压力舱下面的液氧贮箱100。压水箱320维持主机内的正常水循环供应。燃烧室250输出的高压燃气，进入到管状的主机300推动水流，冲击涡轮机，带动螺旋桨，推动潜艇前进。在燃烧室250的上方，前后排列的是喷淋室200和冷凝器150。主机300和燃烧室250排出的废气，通过管路进入冷凝器150，利用冷却水冷却废气，废气中的部分水蒸气凝结下来，较低温度的废气再进入喷淋室200。在喷淋室200内，利用生产乙炔的副产品-氢氧化钙溶液，吸收废气中的二氧化碳、硫氧化合物等不凝气体。然后，仅含有水蒸气和少量氧气的废气，通过回气管和回气泵又回到燃烧室250，再次参加燃烧。

一艘潜艇可以配备乙炔发生器一台，配备燃烧室2～4个，主机2～4个。因为燃烧室是间歇工作，主机是间歇喷水推动涡轮机带动螺旋桨，多配备几个燃烧室和主机，可以使工作更稳定，出力更大，这和多缸内燃机的工作原理相同。

乙炔发生器50放在靠后位置，是因为如下原因：在潜艇的靠后位置，靠进驾驶室，乙炔发生器添加电石和调节乙炔产气量，比较方便。潜艇的靠后位置相对比较宽敞，便于安装乙炔发生器50的散热气扇。驾驶员调节乙炔发生器50的乙炔产气量的方法，可以直接调节乙炔发生器50的重锤位置，也可以加以改进，进行电控调节，使之更方便。乙炔发生器50的防爆门连接卸压管，通往艇外。电石桶450放在乙炔发生器50后部，电石桶里装的是电石燃料，要求通气良好，不能进水，还要注意固定和减振。乙炔发生器50的发气桶的外壁上有一个温度传感器、一个液位传感器和一个压力传感器，它们的终端显示仪表和电控系统都安放在驾驶室600内，在便于驾驶员查看和操作的位置上。作战指挥室650紧靠驾驶室600，位于潜艇中部位置。

Claims (10)

1.一种潜艇推进方法，该方法由下列步骤组成：

(1)在潜艇上，将气体燃料与氧气按比例充进燃烧室，混合成可燃气体；(2)在燃烧室中，点燃可燃气体，燃烧爆炸产生高温高压燃气；(3)高温高压燃气进入主机做功；(4)主机带动螺旋桨，螺旋桨推动潜艇前进；(5)用氢氧化钙碱性溶液吸收排放废气中的二氧化碳、硫氧化物等不凝气体，该方法的特征在于：(1)所述气体燃料是乙炔气体；(2)所述燃气进入主机做功，即：燃气推动水平管状主机中的水体形成高速流水，流水驱动主机涡轮机。

2.一种潜艇推进装置，它包含：燃料系统、氧气系统、燃烧室、主机、推进器、废气系统和电控系统，由燃料系统供给乙炔气体，由氧气系统供给氧气，分别通过管路进入燃烧室，乙炔和氧气燃烧爆炸生成高温高压燃气，从燃烧室进入主机做功，主机驱动推进器，推进器推动潜艇前进，燃烧室和主机排出的废气进入废气系统，电控系统内有控制电路，其特征在于：所述主机包括：压水箱、进水阀、燃气阀、涡轮管、涡轮机、疏气阀、密封口、回水管和回水阀，压水箱通过进水阀向涡轮管内注水，涡轮管前部有燃气阀，涡轮管后部有疏气阀，涡轮管内有轴流式涡轮机，通过涡轮管尾部的密封口输出动力，做过功的水通过回水管和回水阀返回压水箱，主机中的废气通过疏气阀排出。

3.按照权利要求1所述的一种潜艇推进方法，其特征在于：所述氢氧化钙碱性溶液，是潜艇上利用电石与水生产乙炔过程中产生的。

4.按照权利要求2所述的一种潜艇推进装置，其特征在于：所述燃料系统包括电石桶、乙炔发生器、回火防止器；电石桶电石，分批投入乙炔发生器，乙炔发生器由电石罐和发气桶两部分组成，电石罐坐落在发气桶上边，电石罐内的小颗粒圆球形电石受到出料口处的杠杆活门的控制，电石与水发生反应产生的乙炔气体，经过发气桶的出气管，再通过回火防止器输出，生产乙炔过程中同时产生的氢氧化钙碱性溶液通过排液管输出。

5.按照权利要求2所述的一种潜艇推进装置，其特征在于：所述氧气系统包括液氧贮箱、液氧泵和加热器，液氧贮箱的外形是一个水平放置的圆筒形压力容器，液氧贮箱的上部有加注口、加压口、排气口，底部有泄液口和液氧的输出口，加热器位于燃烧室内，液氧的输出口通过液氧泵和加热器，向燃烧室内供给氧气。

6.按照权利要求2所述的一种潜艇推进装置，其特征在于：所述燃烧室是水平放置的耐高温压力容器，它的外形是由前后封头和中间筒体组成，在筒体上有氧气管、回气管、点火器，在前封头上有乙炔管，乙炔管上有乙炔阀，在后封头上，有排气管，排气管上有废气阀，燃烧室与下面的主机之间有燃气通道。

7.按照权利要求2所述的一种潜艇推进装置，其特征在于：所述压水箱是一个压力容器，它包括一个立放的筒体，和上下两个封头，上封头安装压力表，下封头接出一个排污管，筒体内的中上部，有一个水平放置的弹性膜片，弹性膜片上方是空气，下方是水，弹性膜片的材质为不锈钢波纹板，弹性膜片的上方筒体外接进气管，进气管上有一个进气阀，弹性膜片的下方筒体外接两个管：上面的是出水管，出水管上有主机的进水阀，下面的是回水管，回水管上有回水阀。

8.按照权利要求2所述的一种潜艇推进装置，其特征在于：所述推进器包括：推进轴、惯性轮、变速器和螺旋桨，主机输出动力给推进器的推进轴，推进轴上有一个惯性轮，推进轴通过变速器与螺旋桨耦合连接，螺旋桨旋转产生推力，推动潜艇前进。

9.按照权利要求2所述的一种潜艇推进装置，其特征在于：所述废气系统包括冷凝器、喷淋室和回气泵；燃烧室和主机排出的废气进入冷凝器，冷凝器是间壁式换热器，管外流动的是冷却水，管内流动的是燃烧室和主机排出的废气；从冷凝器出来的废气进入喷淋室，喷淋室是废气中所含二氧化碳和硫氧化合物的吸收装置，它的上方有进液管，下方有出液管，一侧有进气管，另一侧有出气管；进液管外接乙炔发生器的排液管，内接喷淋管，进气管外接冷凝器的排气管，出液管外接贮液桶；喷淋室内，靠近底部，水平放置一个筛网，用于截获固体生成物；喷淋室的出气管接回气管，喷淋室出来的废气，通过回气管和回气管上的回气泵，回到燃烧室再次参加燃烧。

10.按照权利要求2所述的一种潜艇推进装置，其特征在于：所述电控系统包括控制电路和控制电路的电源，控制电路的电源是12伏的直流电源，控制电路是一个两级时序定时器，采用两个555集成电路，按顺序驱动两个磁力电开关；第一个555集成电路，其复位端和电源端都直接与电源相接，接地端接地，控制端通过一个电容接地，其触发端的触发信号，来自第二个555集成电路的输出信号，定时时间约为1.1*定时电阻*定时电容，其输出端的输出信号，通过电阻接到电流放大管的基极，启动磁力电开关，启动燃烧室的点火器、燃气阀，点燃可燃气体，打开燃气通道，按定时时间向主机内供给高温高压燃气；第二个555集成电路的触发端的触发信号，来自第一个555集成电路的输出信号，定时时间约为1.1*定时电阻*定时电容，输出端通过电阻接到电流放大管的基极，启动磁力电开关，启动燃烧室的乙炔阀、废气阀、主机的进水阀和液氧泵，输出端的输出信号的另一路，接到第一个555集成电路的触发端，实现非稳态工作。

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