CN102085908B

CN102085908B - 一种高效静音的水面或水下驱动装置

Info

Publication number: CN102085908B
Application number: CN 201110003565
Authority: CN
Inventors: 韩嘉骅; 谭兆钧; 姚进
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2031-01-10
Also published as: CN102085908A

Abstract

一种高效静音的水面或水下驱动技术。由空压机/高压蒸汽发生器产生高压气体/蒸汽，空压机或高压蒸汽发生器出气口并联高压储气罐，进气端并联低压储气罐/冷凝器，高压储气罐分别与推进气囊以及可以附加的水冲压喷射子系统连接，低压储气罐/冷凝器与推进气囊连接，推进气囊布置在导流管内部。通过控制多个推进气囊与高压储气罐或低压储气罐/冷凝器的相通来控制推进气囊的膨胀与收缩，推进气囊的膨胀将导流管中的水挤出导流管，来产生推力，推动船舶航行；推进气囊收缩，导流管进水以备下次射流；通过控制导流管两端的进出水阀门的启闭，可以决定导流管进出水的方向；以上过程循环往复来推动船体的各种运动。

Description

一种高效静音的水面或水下驱动装置

技术领域

本发明专利涉及一种高效、静音的水面或水下驱动技术，可用于船舶、舰艇、潜艇或鱼雷等各类水面或水下运动物体或工具的驱动技术。

背景技术

目前进入应用阶段的船舶推进技术主要是喷水推进，螺旋桨推进，容积式液压泵喷水推进等。螺旋桨推进的主要不足在于效率不高、高速转动产生气蚀，导致噪声和振动、当功率密度大于1.8MW/m*m时将崩溃，此外，船舶返航时需要进行大转弯掉头操作，螺旋桨还容易被海草、渔网等缠绕。喷水推进在船舶高速航行阶段效率高于螺旋桨，但其结构复杂，航行中产生的空气辐射噪声较高，进水口容易堵塞，而且在转弯时会丧失推力，在低速航行阶段效率较低。不论是喷水推进技术抑或是螺旋桨推进技术都无法解决当今世界潜艇及水下航行器的噪声问题。大多数水下航行器的推进技术采用提高螺旋浆的加工精度和采用轴流泵推进代替螺旋桨推进来降低其在航行中的噪声。基于这两种推进技术的结构局限及其工作原理，均采用置于潜艇舱外的外悬式安装，为达到精确制导的降噪问题都未得到彻底解决。随着水压传动技术的发展，以水为介质的容积式液压泵的技术取得了一定的突破，为容积式液压泵喷水推进技术的应用奠定了基础。但容积式液压泵喷水推进又有以下的一些问题限制其有效应用，1）润滑与腐蚀问题。为了保证容积泵的正常工作，需要不断的对个摩擦部件进行润滑，对液压泵来讲，这是一个不成问题的问题，但对于用于喷水的容积泵，尤其是在海水中使用，则是一个有待解决的问题。2) 污染与空吸、气蚀问题。容积式液压泵的高效在于其密封良好，由于水下的水草、污物泥沙等，如果滤网较大，很难保证泵的密封性能；反之，如果滤网较小，则容易引起空吸和气蚀现象。3) 泄露问题。由于海水的腐蚀，泥沙的摩擦、气蚀等很容易损毁容积泵的密封性能，从而造成泄露，极大地降低其容积效率。4) 疲劳破坏问题。5）制造，加工与维修问题等^[1,2,3]。

发明内容

为了克服螺旋桨推进效率低，噪音高；喷水推进在低速阶段效率低，进水口易堵塞，结构复杂的不足；以及液压泵喷水推进存在的润滑、腐蚀及泄露等问题。本发明专利提供一种新型船舶推进装置，该推进装置具有低噪音，低振动，效率高，结构简单，不易产生堵塞，机动性高等优势。

本发明的核心在于由空压机或高蒸汽体发生器产生高压气体或蒸汽，并将高压气体或蒸汽储存在高压容器中；然后通过控制推进气囊与高压容器或低压容器/冷凝器相连，从而对推进气囊进行充气或放气控制；当推进气囊与高压容器相通时，推进气囊充气，体积增大，由于推进气囊被安置在没与水中的导流管内部，当推进气囊充气时，导流管中的水将被排出导流管外，形成射流，通过控制导流管两端的阀门的启闭，可以对导流管射流的方向进行控制，从而推动船体运动。相反，当推进气囊与低压容器/冷凝器相通时，推进气囊放气，气囊体积缩小，通过控制导流管两端的阀门，可以对导流管内部进行充水，准备用以下一次的射流。

本发明专利所采用的技术方案是：包括六种可供选择的结构：

结构一（图1）：包括内燃机（1）、空压机（2）、高压储气罐进气阀（3）、低压储气罐（4）、排气阀（5）、高压储气罐（6）、进气阀（7）、推进气囊（8）、导流管（9）、进出水阀（10）（11）、水冲压喷射子系统控制阀（12）、水冲压喷射子系统（13）、滤网（14）、高压储气罐压力传感器（15）、控制器（21）。具体连接方式为：内燃机（1）输出直接或通过减速机构与空压机（2）连接；空压机（2）输出分两大气路：一路通过管道与多个高压储气罐（6）并联连接，一路通过管道与一个或多个低压储气罐（4）并联连接；高压储气罐（6）输出一路通过管道、进气阀（7）与推进气囊（8）连接；高压储气罐（6）另一路通过阀（12）与水冲压喷射子系统（13）连接;低压储气罐（4）通过管道、排气阀（5）与推进气囊（8）连接；压力传感器（15）安装在高压储气罐（6）内，输出压力信号到控制器（21）；推进气囊（8）位于导流管（9）内部；滤网（14）在导流管（9）两端；控制器（21）用以控制各个阀的开启与关闭。

结构二（图2）：与结构一的不同之处在于动力源部分；结构一的动力源为内燃机、水冲压喷射子系统、结构二的动力源为内燃机（1）、燃料电池组（24）、水冲压喷射子系统（13）及储能装置蓄电池（19）。结构二中内燃机（1）可直接或通过减速机构驱动空压机（2）；燃料电池组通过电动马达（25）驱动空压机（2）。内燃机（1）或燃料电池组（24）产生的能量多余时可以向蓄电池（19）充电，蓄电池（19）中的电能可以在必要时通过电动机（25）带动空压机（2）运转，也可以向船舶其他设备供电；其中燃料电池组（24）、燃料电池控制器（22）、DC/DC（23）、DC/DC控制器（20）、电机控制器/电流变换器（17）、蓄电池（19）、蓄电池管理系统（18）、混合动力系统控制器（21）组成燃料电池推进动力源子系统，在推进控制器（16）与混合动力系统控制器（21）联合协调下控制船舶行驶，并提高效率。

结构三（图3）：与结构一不同之处在于高压储气罐与推进气囊的连接；结构一中，高压储气罐出口只与推进气囊一端相连；结构三中进气阀（7）的出口分两路，一路与推进气囊（8）连接，另一路与排气阀（5）的出口连接，这样，气囊可由两端同时充气、排气，使气囊膨胀更加均匀。进气阀（7）与排气阀（5）具有互锁关系，即同一时刻只有一个阀开启，保证对气囊充放气时，只有高压储气罐（6）或低压储气罐（4）与气囊相通。

结构四（图4）：与结构三的不同之处在于动力源部分；结构四的动力源与结构二相同，即：动力源为内燃机（1）、燃料电池组（24）、水冲压喷射子系统（13）及储能装置蓄电池（19）。结构四中内燃机（1）可直接或通过减速机构驱动空压机（2）；燃料电池（24）组通过电动马达（25）驱动空压机（2）。内燃机或燃料电池组产生的能量多余时可以向蓄电池（19）充电，蓄电池（19）中的电能可以在必要时通过电动马达（25）带动空压机（2）运转，也可以向船舶其他设备供电；其中燃料电池组（24）、燃料电池控制器（22）、DC/DC（23）、DC/DC控制器（20）、电机控制器/电流变换器（17）、蓄电池（19）、蓄电池管理系统（18）、混合动力系统控制器（21）组成燃料电池推进动力源子系统，在推进控制器（16）与混合动力系统控制器（21）联合协调下控制船舶行驶，并提高效率。

结构一与结构三只有内燃机与水冲压喷射子系统两种动力源，结构二与结构四的动力源增加了燃料电池组，同时增加了蓄电池以储存电能。动力源的种类可根据实际需要选择。

对于结构一与结构三：一般情况下，内燃机驱动空压机将空气压入高压储气罐，高压储气罐中的高压空气使导流管中的推进气囊膨胀，将水从导流管中的一侧挤出，产生推进力。推进气囊需要收缩时，与低压储气罐接通，靠水的压力、气囊的收缩力将推进气囊中的空气排出。控制器通过控制各阀门的开启关闭状态来控制导流管喷水方向、各导流管喷水次序，喷水导流管的数目，使船体以不同速度前进或倒退。横向布置的导流管（图9）工作时可使船体转向。

对于结构二与结构四：可由内燃机和燃料电池组中的一个或两个作为动力源，驱动空压机将空气压入高压储气罐；蓄电池也可通过电动马达驱动空压机压缩空气。

结构五（图5）：结构五与上述几种结构不同之处在于：结构五中用高压蒸汽发生器（1）代替空压机。其具体连接方式为：高压蒸汽发生器（1）出口第一路与高压储气罐（4）连接，高压储气罐（4）与推进气囊（10）连接；第二路与汽轮机（21）连接，汽轮机（21）又依次与发电机（19）、蓄电池（17）连接；第三路通过冷凝器（7）、排气排水泵（8）、输水输气泵（6）与推进气囊（10）另一端连接。结构五中的推进气囊（10）内加装了软胶管（11），其原因为当高压蒸汽发生器（1）内的高压蒸汽进入推进气囊（10）时，会冷凝为液体，软胶管（11）在重力作用下与推进气囊（10）底部接触，便于排气排水泵（8）将冷凝水抽出。水冲压喷射子系统（18）与高压蒸汽发生器（1）并联接入高压储气罐（4）。

结构六（图6）与结构五的不同之处在于：结构六推进气囊（10）两端由管道连通，这样，高压储气罐（4）中的高压蒸汽可由推进气囊（10）两端同时进入、排出。

导流管内部具有三种结构：一种为光滑圆柱筒型，没有支撑托；一种在圆筒内部具有多个轴向气囊支撑托,在推进气囊两端各具有一个气囊端面支撑托,端面支撑托焊接在支撑环（19，图1）内，便于安装。气囊支撑托也可以是带孔的圆柱形隔板，通过支架与导流管内表面接。几种导流管的两端以流线型往轴向收缩，使进出水口截面积减小，以稳定流场。

本发明专利的有益效果是：

（1）效率高：该推进装置传动路线短，内燃机和空压机可以就近布置，省去了传动轴系，运行时产生气泡少，内部流场均匀，漩涡较小，高压储气罐可作为储能装置能储存内燃机产生多余能量，通过调节为不同的一个或几个高压气罐充气，可以使内燃机始终在高效区运行；燃料电池组及蓄电池的引入可使内燃机的转速更加平稳，燃料电池组本省效率也很高，以上特征使船舶运行效率提高。高压储气罐中的压缩气体可以通过导气管传递至推进气囊，传动效率高，连接方便。

（2）噪音低，振动小：正常航行时不会产生空泡、大涡旋，较螺旋桨推进消除了一大噪声源，在静音低速航行时，可以使用高压气罐中的压缩气体推进，消除内燃机产生的噪音和振动，并且无发热部件，不易被声纳或红外探测仪检测。易于清网：当导流管上的滤网堵塞时，可通过改变进出水阀开口顺序轻易清洗滤网，且在前进或后退时会自动清洗导流管两侧滤网，克服了喷水推进中滤网堵塞的问题。

（3）机动性能优良：横向布置的导流管可使船舶原地转向，倒退过程中无需调整船头方向，控制器既可通过控制处于工作状态导流管数量、推进气囊膨胀速度，也可通过调整内燃机、燃料电池组输出能量流向蓄电池的比率，来调整船舶航行速度，三个动力源同时工作可产生高瞬时加速度，而且当高压储气罐的压缩气体同时输出到推进气囊做功时，也可产生瞬时的极大加速度。

（4）可靠性高、易于保养：整个系统结构简单，易于维修，且当导流管中的一个或几个损坏时其余导流管仍可推动船舶航行；使用气囊为动力传动部件，无机械摩擦，抗腐蚀、抗污染性能好。制造、加工和维修方便。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。

图1为本发明的结构一原理图。

图2为本发明的结构二原理图。

图3为本发明的结构三原理图。

图4为本发明的结构四原理图。

图5为本发明的结构五原理图。

图6为本发明的结构六原理图。

图7为带支撑托导流管的立体结构图。

图8为不带支撑托导流管的立体结构图。

图9为导流管在船底部的布置简图。

图10为船体较长时，推进气囊到导流管中的布置图。

图11为船体较长时，推进气囊到导流管中的布置图。

图1中：1. 内燃机，2. 空压机，3. 高压储气罐控制阀，4. 低压储气罐，5.排气阀，6.高压储气罐，7.进气阀，8. 推进气囊，9.导流管，10、11.进出水阀， 12. 水冲压喷射子系统控制阀，13. 水冲压喷射子系统，14.滤网，15. 压力传感器，16. 端面气囊支撑托，17. 排水口，18. 轴向气囊支撑托，19.支撑环，20.进出气管道孔，21.推进控制器。

图2中：1. 内燃机，2. 空压机，3. 高压储气罐控制阀，4. 低压储气罐，5.排气阀，6.高压储气罐，7.进气阀，8. 推进气囊，9.导流管，10、11.进出水阀， 12. 水冲压喷射子系统控制阀，13. 水冲压喷射子系统，14.滤网，15. 高压储气罐传感器，16. 推进控制器，17. 电机控制器/电流变换器，18. 蓄电池管理系统，19.蓄电池，20.主DC/DC控制器，21.混合动力系统控制器，22.燃料电池控制器，23.主DC/DC, 24.燃料电池组，25. 电动机/发电机，26. 离合器。

图3中：1. 内燃机，2. 空压机，3. 高压储气罐控制阀，4. 低压储气罐，5.排气阀，6.高压储气罐，7.进气阀，8. 推进气囊，9.导流管，10、11.进出水阀， 12. 水冲压喷射子系统控制阀，13. 水冲压喷射子系统，14.滤网，15. 高压储气罐传感器，16. 推进控制器。

图4中：1. 内燃机，2. 空压机，3. 高压储气罐控制阀，4. 低压储气罐，5.排气阀，6.高压储气罐，7.进气阀，8. 推进气囊，9.导流管，10、11.进出水阀， 12. 水冲压喷射子系统控制阀，13. 水冲压喷射子系统，14.滤网，15. 高压储气罐传感器，16. 推进控制器，17. 电机控制器/电流变换器，18. 蓄电池管理系统，19.蓄电池，20.主DC/DC控制器，21.混合动力系统控制器，22.燃料电池控制器，23.主DC/DC, 24.燃料电池组，25. 电动机/发电机，26. 离合器。

图5中：1. 高压蒸汽发生器，2. 高压储气罐进气阀，3. 压力传感器，4.高压储气罐，5.进气阀，6.输水输气泵，7.冷凝器，8. 排水排气泵，9.排气阀，10.推进气囊，11.软胶管， 12.导流管，13、14.进出水阀，15. 滤网，16. 控制器，17. 蓄电池，18. 水冲压喷射子系统，19.发电机，20. 水冲压喷射子系统控制阀，21.汽轮机，22.溢流阀。

图6中：1. 高压蒸汽发生器，2. 高压储气罐进气阀，3. 压力传感器，4.高压储气罐，5.进气阀，6.输水输气泵，7.冷凝器，8. 排水排气泵，9.排气阀，10.推进气囊，11.软胶管， 12.导流管，13、14.进出水阀，15. 滤网，16. 控制器，17. 蓄电池，18. 水冲压喷射子系统，19.发电机，20. 水冲压喷射子系统控制阀，21.汽轮机，22.溢流阀。

图9中：1.船体，2.纵向导流管，3.横向导流管。

图10中：1. 导流管，2. 推进气囊组，3.滤网，4. 进、出水阀，5.进气阀，6.排气阀。

图11中：1. 导流管，2. 推进气囊组，3.滤网，4. 进、出水阀，5.进气阀，6.排气阀。

具体实施方式

在图1中：船舶前进时，高压储气罐控制阀（3）开启，内燃机（1）驱动空压机（2）将气体压入高压储气罐（6）中，同时进气阀（7）、进出水阀（10）开启，排气阀（5）、进出水阀（11）关闭；高压储气罐（6）中的高压气体进入位于导流管（9）中的推进气囊（8）中，推进气囊（8）快速膨胀，将水从导流管（9）右侧挤出，推动船体前进；推进气囊（8）膨胀到一定程度后，进气阀（7）、进出水阀（10）关闭，排气阀（5）、进出水阀（11）开启，推进气囊（8）与低压储气罐（4）接通，水从导流管（9）左侧流入，将推进气囊中的空气排出到低压储气罐（5）中，气囊收缩，根据动量守恒原理，导流管左侧流入的水再次产生推力，推动船舶前进；空压机（2）输出口分别并联多个高低压储气罐（6）、导流管（9）、推进气囊（8），多个类似子模块在控制器（21）控制下按一定顺序交替运行，可推动船舶按持续前进；船舶后退时只需在推进气囊膨胀（8）时，将导流管（9）上的阀（10）关闭，阀（11）开启，导流管（9）中的水就会从左侧喷出，使船舶后退，因此倒退过程中船头方向无需改变。

船舶需要静音航行时，可提前使高压储气罐（6）气体压力达到较大值，此外也可以通过水冲压喷射子系统（13）向高压储气罐充入高压气体，这样消除了内燃机（1）噪声源。

高压储气罐压力传感器（15）向控制器（21）输出压力信号，保证高压储气罐（6）压强在合理范围内变化。

船舶前进时导流管（9）中喷出的水自动将滤网（14）上的杂物冲洗掉，实现自动清网的功能。

图3中：与图1的不同之处在于结构三可由推进气囊（8）可由两端同时进行充、排气，可使气囊各位置膨胀速度更加均匀；图1中推进气囊充气时只由气囊一端充气、排气。

图2中：与图1的不同之处在于推动空压机运行的动力源不同。图2中，通常航速下内燃机（1）或燃料电池组（24）中的一个运行，作为空压机动力源；可以通过调整内燃机（1）或燃料电池组（24）输出能量中流向蓄电池（19）的比例，调整空压机（2）运行速度，进而调整转速。船舶需要高速航行时，内燃机、燃料电池组、蓄电池、水冲压喷射子系统可同时工作，作为动力源，使多个推进气囊高速膨胀，产生大推力及高加速度。

图4中：与图3相同之处在于推进气囊（8）可由两端同时进行充、排气；与图3不同之处在于图4中的动力源部分与图2中的动力源相同，即可根据需要使内燃机（1）、燃料电池组（24）、水冲压喷射子系统（13）中的一个或几个工作，驱动船舶航行。

图5中：由控制器（16）控制进气阀（5）打开，对推进气囊（10）充气使之膨胀；在推进气囊（10）收缩时控制器（16）控制排气阀（9）开启，排气排水泵（8）运转将冷凝水和蒸汽抽到泠凝器（7）内，再由通过输水输气泵（6）将冷凝器（7）中的液体、气体输送到高压蒸汽发生器（1）内，以此完成一个膨胀收缩的推进循环。可根据船舶对动力的需求控制水冲压喷射子系统（18）是否工作。当高压蒸汽发器（1）中的压力超过一定值时，控制器（16）控制溢流阀（22）开启，高压蒸汽流入汽轮机（21）中，汽轮机（21）带动发电机（19）发电，并将电能存入蓄电池（17）中，以此实现节能目的。

图9中：通过控制纵向导流管（2）的喷水方向可使船舶前进或后退，通过控制横向导流管（3）的喷水方向可实现船体的小半径转弯。导流管损坏数目不多时船舶可继续航行，提高其可靠性。

图10、图11中：船舶较长时，导流管（1）也较长，此时，一个导流管（1）中可装入多个推进气囊（2）；船舶前进或后退时，在控制器的控制下依次从左到右或从右到左充气，推动船舶前进或后退。

图7和图8为导流管的两种立体结构图：图7导流管中带有推进气囊支撑托，可保证推进气囊不会因内部压力过高爆裂，及推进气囊膨胀到一定程度时堵塞导流管，但会降低一定量的推进效率；图8倒流不带推进气囊支撑托，效率会提高，但可能气囊轴向上膨胀速度不均匀产生堵塞导流管的现象。

参考文献：

[1] 李晓晖，朱玉良，聂松林.一种新型喷水推进器的设计及其关键技术[J].液压与气动，2008(5)：28-32.

[2] 王云，吕浩福. 船舶喷射推进技术发展综述[J].舰船科学技术，2008，30（3）：31-35.

[3] 何江青，孙存楼，陈双桥.喷水推进器与螺旋桨混合推进系统应用分析[J].2010,39（2）：22-25.

Claims

1.一种水面或水下推进装置，包括内燃机、空压机、高压储气罐控制阀、低压储气罐、排气阀、高压储气罐、进气阀、推进气囊、导流管、进出水阀、水冲压喷射子系统控制阀、水冲压喷射子系统、滤网、压力传感器、控制器；具体连接方式为：推进气囊位于导流管内部；滤网布置在导流管两端；内燃机与空压机连接；空压机输出分两大气路：一路与高压储气罐连接，一路与低压储气罐连接；高压储气罐输出一路经进气阀与推进气囊连接；高压储气罐另一路与水冲压喷射子系统连接;低压储气罐通过排气阀与推进气囊连接；压力传感器安装在高压储气罐内，输出压力信号到控制器；控制器用以控制阀的开启与关闭；其特征是：高压储气罐中的高压空气使导流管中的推进气囊膨胀，将水从导流管中的一侧挤出，产生推进力;推进气囊需收缩时，与低压储气罐接通，靠水的压力、推进气囊的收缩力将推进气囊中的空气排出; 导流管的两端以流线型往轴向收缩；单个导流管内可布置多个推进气囊；导流管在船舶内横向及纵向布置来推动船舶转向及前进后退。

2.根据权利要求1所述的水面或水下推进装置，其特征是：导流管安装在船舶内部，纵向布置导流管推动船舶前进和后退；在船舶内部横向布置导流管，推动船舶转弯及横向运动。