CN102530217A

CN102530217A - 一种高速高效的喷水推动技术

Info

Publication number: CN102530217A
Application number: CN2011104258146A
Authority: CN
Inventors: 韩嘉骅; 周小岗; 姚进
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2031-12-19
Also published as: CN102530217B

Abstract

一种新型高速高效喷水推动技术。爆炸燃烧室内燃料燃烧产生高温高压气体，高温高压气体通过膨胀口进入螺旋状绝热喷水管道，在喷水管道中快速绝热膨胀，把热能转化为喷水管道内水的动能，产生高速水射流。多个爆炸燃烧室和喷水管道系统可形成多股水射流在导流管中合成后喷出导流管，依据动量定理来形成推进动力。水射流喷出导流管时部分能量推动涡轮旋转，带动主轴上压水机和发电机工作，压水机从前方吸水，发电机产生电能给蓄电池组充电和供舰船使用。燃料电池组在喷水推动过程中根据需要是否产生混合动力推动。喷水管道和爆炸燃烧室废气合流后推动增压涡轮，实现新鲜空气的涡轮增压，提高空燃比。

Description

一种高速高效的喷水推动技术

技术领域

本发明专利涉及一种高速高效的喷水推动技术，可用于船舶、舰艇、潜艇等水面或水下装置的喷水推动。

背景技术

水面或水下装置，包括船舶、舰艇、潜艇等，现在主要采用螺旋桨推进和传统的喷水推进两种方式。其中螺旋桨推进在低速推进阶段时传动效率比传统喷水推进效率高，但是难以满足高速推进的要求，并且高速推进情况下，其传动效率与传统喷水推进相比失去优势。螺旋桨高速推进时，螺旋桨更易产生空泡和空泡剥蚀，严重的可在几个小时内破坏螺旋桨的叶片，同时产生很大噪声^[1,2]。为了改善螺旋桨推动的问题，只有提高螺旋桨的制造和加工精度，结构复杂化，但终究不能避免噪声大的缺点，这恰是现在舰艇和潜艇所不容许的。

传统的喷水推进由原动机及传动装置、推进水泵、管道系统、舵及倒航组合操纵设备等部分组成^[3]。原动机产生的能量经过复杂减速传动装置，传递给推进水泵产生动力，整个传递过程的综合机械效率不高。此外，具有高效率和超高功率的推进水泵的研究开发是一项技术难题。可是喷水推进具有工作平稳且振动噪音低，操纵性和动力定位性能优异，日常维护和保养较为简易，具有高速推进能力等优点，喷水推进方式是未来高速或超高速的舰船和潜艇主要推动方式。

发明内容

本发明主要目的是提供一种新型的传动过程简单，噪声小，具有高效率和大功率的喷水推进技术。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：1、燃料可以采用汽油、柴油、天然气、氢气等，在爆炸燃烧室中充分燃烧或者快速爆炸燃烧；2、喷水管道与燃烧室通过阀接通，喷水管道分别与进水管道和排气管道通过阀接通，喷水管道采用较好保温材料；3、喷水管道通过进水管道进水，燃烧室爆炸燃烧后产生的高温高压气体，使喷水管道形成高速射流，高温气体膨胀时与喷水管道接触面积小，热交换少，接近于等温膨胀；4、高速射流进入导流管中，导流管中包括压水机、发电机、涡轮和主轴，高速射流流出导流管产生推进动力，过程中带动涡轮旋转，涡轮、发电机和压水机安装于主轴，带动主轴旋转的同时压水机和发电机工作。5、压水机把外部的水吸收到导流管中并且产生一定的压力，进水管道的另一端通过进水增压泵与导流管相连且位于压水机之后，发电机产生电能供给控制系统和蓄电池；6、高温高压气体膨胀结束后，气体内能大部分转化为射流的动能，喷水管道通过压水机之后的进水管道进水中，同时喷水管道内膨胀后的气体受进水水压作用流向出气管道，为下一个循环准备；7、喷水管道进水排气的同时，爆炸燃烧室新鲜进气气流产生扫气作用，把废气从排气口排出，为下一个循环准备；8、出气管道和排气口的废气合流，合流管道中利用剩余的内能和动能推动增压涡轮，增压涡轮给爆炸燃烧室进入得新鲜空气增压，提到空燃比；9、进水增压泵在喷水管道进水时提供进水压力水头，在喷水管道形成射流时其泵出水流通过喷水管道与射流一起流入导流管；10、在启动时，发电机由其控制器作用下当电动机，由蓄电池带动，并带动主轴旋转，点火系统以及其它电控系统由蓄电池供电，当启动后发电机产生电能给蓄电池充电，并供电给所有电控系统；11、当需要瞬时大功率推进时，可使蓄电池组和喷水推进系统共同实现混合动力推进；12、在实际应用中，导流管中应采用多套爆炸燃烧室和喷水管系统，以4、6和8套为宜。

附图说明

共有6 幅。

图1是本发明的喷水推进原理图。

图2是导流管周围四套推进结构的剖视图。

图3是本发明的电控系统原理图。

图4是废气合流涡轮增压原理图。

图5是导流管剖视图。

图6是导流管局部放大图I。

图中：1是爆炸燃烧室进气口，2是爆炸燃烧室，3是流体凸台，4是爆炸燃烧室排气阀，5是爆炸燃烧室排气口，6是排气管道排气阀，7是排气管道，8是喷水管道I，9是喷水管道II，10是进水管道进水单向阀，11是进水增压泵，12是进水管道，13是压水机，14是导流管，15是主轴，16是涡轮，17是发电机转子，18是发电机定子，19是喷水管II出水阀，20是喷水管道I进气阀，21是爆炸燃烧室气体膨胀出口，22是点火装置，23是综合控制器，24是发电机和电动机模式选择器，25是电动机模式控制器，26是蓄电池放电控制器，27是蓄电池组，28是蓄电池充电控制器，29是发电机模式控制器，30是进水增压泵，31是点火控制器，32是爆炸燃烧室进气管，33是进气管增压涡轮，34是涡轮轴，35是空气净化器，36是排气管动力涡轮，37是涡轮壳，38是导流管喷水口，39是导流管定子槽，40是喷水管道II安装孔，41是进水管道安装孔，42是导流管进水口，43是燃料电池控制器，44是燃料电池组。

具体实施方式

参照附图，发明内容提出的新型的低噪声、高效率和大功率的喷水推进技术的具体实施方式如下。

在图1中，a：爆炸燃烧室（2）的结构包括爆炸燃烧室进气口（1），流体凸台（3），爆炸燃烧室排气阀（4），爆炸燃烧室排气口（5），爆炸燃烧室气体膨胀出口（21）和点火装置(22)。其中流体凸台（3）有两个功能，一个是在爆炸燃烧室进气口（1）进气时利用流体动力学具有把废气通过爆炸燃烧室排气阀（4）和爆炸燃烧室排气口（5）扫出爆炸燃烧室（2），另一个是实现空气和燃料的充分混合得到完全燃烧。燃料和新鲜空气混合后从爆炸燃烧室进气口（1）进入爆炸燃烧室（2），如若燃料必须喷射进入爆炸燃烧室（2），则对爆炸燃烧室（2）中安装燃料喷射器；b：爆炸燃烧室气体膨胀出口（21）下部通过喷水管道I进气阀（20）与喷水管道I（8）接通。喷水管道I（8）上部另外通过排气管道排气阀（6）与排气管道（7）连通。喷水管道I（8）下部与喷水管道II（9）连通，喷水管道II（9）通过喷水管II出水阀（19）接入导流管（14）。进水管道（12）一端与导流管（14）相连，另一端连接进水增压泵（11）之后通过进水管道进水单向阀（10）与喷水管道I（8）相通。爆炸燃烧室（2）剧烈燃烧后产生的高温高压气体通过爆炸燃烧室气体膨胀出口（21）和喷水管道I进气阀（20）进入喷水管道I（8），喷水管道I（8）中在此之前已经充满了水，内部的水在高温高压气体快速膨胀作用下产生高速水射流，高速水射流经过喷水管II出水阀（19）进入喷水管道II（9），之后高速水射流进入导流管（14）；c：在高温高压气体膨胀过程中，气体的热能和内能转化为水射流的动能。转化到一定程度时，关闭喷水管道I进气阀（20）和喷水管II出水阀（19），打开爆炸燃烧室排气阀（4）、排气管道排气阀（6）和进水管道进水单向阀（10）。爆炸燃烧室进气口（1）打开进入新鲜空气和燃料混合气，同时废气通过爆炸燃烧室排气阀（4）进入爆炸燃烧室排气口（5）。此时喷水管道I（8）内由于水的密度大于气体的密度，下部是水，上部是废气。进水管道（12）中的水在进水增压泵（11）提供的压力水头加压之后经过进水管道进水单向阀（10）从喷水管道I（8）的下部进入喷水管道I（8），而喷水管道I（8）上部的气体在进水压力作用下经过排气管道排气阀（6）进入排气管道（7）；d：喷水管道I（8）的外形设计为螺旋型，一方面减小射流在喷水管道I（8）中的流动阻力，另一方面使喷水管道I（8）占用最小空间获得最大长度来储存更多的水形成更多稳定水射流。喷水管道I（8）也可以设计为螺旋形缠绕在导流管（14）外壁，以优化整体设计的布局和尺寸。喷水管道I（8）的材料是绝热材料或者具有很好绝热功能，或者是喷水管道I（8）外壁增加保温设计，以保证爆炸燃烧室（2）中产生的高温高压气体接近于绝热膨胀；e：导流管（14）的结构包括导流管喷水口（38）、导流管定子槽（39）、喷水管道II安装孔（40）、进水管道安装孔（41）和导流管进水口（42）。其中导流管定子槽（39）中安装发电机定子（18），喷水管道II（9）和进水管道（12）分别安装在喷水管道II安装孔（40）和进水管道安装孔（41）。导流管（14）管体内部的结构包括压水机（13）、主轴（15）和涡轮（16）。在主轴（15）上设计与电机定子（18）相对应的发电机转子（17）。喷水管道II（9）中的水射流高速射入导流管（14），导流管（14）应由多套爆炸燃烧室和喷水管系统共用，取4、6和8套为宜，以主轴（15）的中心沿着导流管外部对称均匀分布；f：多个水射流合流以后从导流管喷水口（38）快速喷出，根据动量定理获得水下或水面推进器的动力。多个水射流喷出导流管（14）的同时推动涡轮（16）转动，涡轮（16）带动主轴（15）上的压水机（13）和发电机转子（17）转动。压水机（13）的转动可以在导流管进水口（42）产生吸水作用，发电机转子（17）与电机定子（18）的相对转动产生电能，以供推进系统使用。

在图3中，a：综合控制器（23）的功能是实现各子模块控制器的协调工作，并实现对爆炸燃烧室排气阀（4）、排气管道排气阀（6）、进水管道进水单向阀（10）、喷水管II出水阀（19）、喷水管道I进气阀（20）和进水增压泵（11）实时控制。发电机和电动机模式选择器（24）是选择转子和定子组成的系统工作于发电机模式或者电动机模式；b：在喷水推进器启动时，综合控制器（23）使发电机和电动机模式选择器（24）处于电动机模式，使蓄电池放电控制器（26）工作，蓄电池组（27）通过电动机模式控制器（25）带动电动机工作使主轴（15）旋转，同时压水机（13）和涡轮（16）旋转产生一定喷水推力，使推进器实现启动，这时蓄电池组（27）给整个电控系统控制器、进水增压泵（11）、点火控制器（31）和各管道截止阀供电；c：喷水推进器启动完成后，综合控制器（23）使发电机和电动机模式选择器（24）处于发电机模式，涡轮（16）带动压水机（13）和主轴（15）旋转，发电机发出电能，在发电机模式控制器（29）和蓄电池充电控制器（28）的作用下给蓄电池组（27）充电，这时发电机给整个电控系统控制器、进水增压泵（11）、点火控制器（31）和各管道截止阀供电；d：喷水推进器需要瞬时大功率推进或大加速度时，综合控制器（23）使发电机和电动机模式选择器（24）处于电动机模式，使蓄电池组（27）通过蓄电池放电控制器（26）和电动机模式控制器（25）带动电动机工作，加速主轴（15）旋转，使压水机（13）和涡轮（16）加速旋转，压水机（13）对前方的水的吸力增大，涡轮（16）对流经的多股混合水射流加速，使喷出的导流管（14）获得更大的速度，喷水推进器获得更大推力；e：燃料电池控制器（43）在综合控制器（23）的协调作用下，对燃料电池组（44）的工作方式进行控制。在喷水推进器的启动、正常工作和瞬时加速，多种状况下，燃料电池组（44）可以输出额外大功率，带动电动机高速工作，主轴（15）、压水机（13）和涡轮（16）高速旋转，实现喷水推进器高速推动。燃料电池组（44）和蓄电池组（27）作为推进动力工作，而爆炸燃烧室（2）不工作，为超静音工作模式。

在图4中，爆炸燃烧室排气口（5）和排气管道（7）中的废气还有一定量可利用的热能和内能。混合后的废气在排向外部之前流经排气管动力涡轮（36），使其产生旋转运动，废气中可利用的能量转化为推动排气管动力涡轮（36）旋转的动力，同时带动涡轮轴（34）以及涡轮轴（34）上的进气管增压涡轮（33）旋转，提高能量利用效率。进气管增压涡轮（33）把经过空气净化器（35）净化的空气进行涡轮增压送入爆炸燃烧室进气管（32），增压后的空气可提高爆炸燃烧室（2）中的空燃比，使燃烧更加充分和完全。

本发明的有益效果是。

（1）效率高：新型喷水推进技术没有传动轴系和齿轮系，较少了机械损失；高温高压气体类似绝热膨胀产生高速水射流，绝热膨胀时可使能量利用率最大化；废气合流涡轮增压系统进一步提高废气能量的利用率。基于以上三点本发明的新型喷水推进系统效率较高。

（2）噪音小，静音效果好：新型喷水推进技术没有采用螺旋桨和推动水泵作为动力源，因此可以获得很好的静音效果。

（3）大功率和高速性：新型喷水推进装置，只要爆炸燃烧室产生的能量足够多且够快，导流管就可以产生高速或超高速水射流。使船体获得很大功率和速度；由于去除推进水泵，船体获得最大推进功率不再受推进水泵最大功率的限制。

（4）加速度大：爆炸燃烧室燃烧越剧烈，产生的高速水射流力度越大；蓄电池组与爆炸燃烧室混合动力，可以获得更大加速度。

参考文献：

[1] 周熊. 推进技术[J]. 船舶节能，1999第2期：18-20

[2] 刘柱，孟凡立. 船舶喷水推进技术发展[J]. 航海技术，2004年第4期：42-44

[3] 孔庆福，吴家明，贾野，陈国钧. 船舶喷水推进技术研究[J]. 舰船科学技术，2004，（6）：28-30。

Claims

1.一种高速高效的喷水推动技术，其特征是：由爆炸燃烧室、喷水管道、进水管道、排气管道、导流管、涡轮增压系统、蓄电池组、控制阀和控制器组成。爆炸燃烧室产生高温高压气体，高温高压气体通过爆炸燃烧室气体膨胀出口进入螺旋状绝热喷水管道I，在喷水管道I中快速绝热膨胀，把热能转化为喷水管道I内水的动能，产生高速的水射流。水射流进入导流管合成后从导流管后部喷出，同时带动涡轮转动，涡轮带动主轴上压水机和发电机转动。喷水管道和爆炸燃烧室的废气排除时，进行合流，利用其剩余内能和热能来实现新鲜空气涡轮增压。蓄电池组的充电和放电、控制阀和进水增压泵的工作状态由控制器协调控制。

2.根据权利要求1所述的高速高效的喷水推动技术，其特征是：爆炸燃烧室（2）的结构包括爆炸燃烧室进气口（1），流体凸台（3），爆炸燃烧室排气阀（4），爆炸燃烧室排气口（5），爆炸燃烧室气体膨胀出口（21）和点火装置(22)。其中流体凸台（3）有特殊流体形结构。

3.根据权利要求1所述的高速高效的喷水推动技术，其特征是：爆炸燃烧室气体膨胀出口（21）下部通过喷水管道I进气阀（20）与喷水管道I（8）接通。喷水管道I（8）上部另外通过排气管道排气阀（6）与排气管道（7）连通。喷水管道I（8）下部与喷水管道II（9）连通，喷水管道II（9）通过喷水管II出水阀（19）接入导流管（14）。进水管道（12）一端与导流管（14）相连，另一端连接进水增压泵（11）之后通过进水管道进水单向阀（10）与喷水管道I（8）相通。综合控制器（23）通过对控制阀的控制可以实现喷水管道I（8）的进水排气和气体膨胀喷水环节。

4.根据权利要求1所述的高速高效的喷水推动技术，其特征是：喷水管道I（8）的外形设计为螺旋型，一方面减小射流在喷水管道I（8）中的流动阻力，另一方面使喷水管道I（8）占用最小空间获得最大长度来储存更多的水形成更多稳定水射流。喷水管道I（8）的材料是绝热材料或者具有很好绝热功能，或者是喷水管道I（8）外壁增加保温设计，以保证爆炸燃烧室（2）中产生的高温高压气体接近于绝热膨胀。

5.根据权利要求1所述的高速高效的喷水推动技术，其特征是：导流管（14）的结构包括导流管喷水口（38）、导流管定子槽（39）、喷水管道II安装孔（40）、进水管道安装孔（41）和导流管进水口（42）。其中导流管定子槽（39）中安装发电机定子（18），喷水管道II（9）和进水管道（12）分别安装在喷水管道II安装孔（40）和进水管道安装孔（41）。导流管（14）管体内部的结构包括压水机（13）、主轴（15）和涡轮（16）。导流管（14）应由多套爆炸燃烧室和喷水管系统共用，取4、6和8套为宜，以主轴（15）的中心沿着导流管外部对称均匀分布。在主轴（15）上设计与电机定子（18）相对应的发电机转子（17）。

6.根据权利要求1所述的高速高效的喷水推动技术，其特征是：发电机转子（17）和发电机定子（18）组成的发电机可以选择为发电机模式和电动机模式。在喷水推进器启动时，综合控制器（23）使发电机和电动机模式选择器（24）处于电动机模式，蓄电池组（27）放电带动电动机工作，使主轴（15）、压水机（13）和涡轮（16）旋转产生一定喷水推力，使推进器实现启动，这时蓄电池组（27）给控制器、进水增压泵（11）、点火控制器（31）和控制阀供电。

7.根据权利要求1所述的高速高效的喷水推动技术，其特征是：喷水推进器启动完成后，综合控制器（23）使发电机和电动机模式选择器（24）处于发电机模式，涡轮（16）带动压水机（13）和发电机，产生电能在发电机模式控制器（29）和蓄电池充电控制器（28）的作用下给蓄电池组（27）充电，这时发电机给控制器、进水增压泵（11）、点火控制器（31）和控制阀供电。

8.根据权利要求1所述的高速高效的喷水推动技术，其特征是：喷水推进器需要短时大功率推进或大加速度推动，综合控制器（23）使发电机和电动机模式选择器（24）处于电动机模式，使蓄电池组（27）通过蓄电池放电控制器（26）和电动机模式控制器（25）带动电动机工作，加速主轴（15）旋转，使压水机（13）和涡轮（16）加速旋转，压水机（13）对前方的水的吸力增大，涡轮（16）对水射流加速，获得充足动力。

9.根据权利要求1所述的高速高效的喷水推动技术，其特征是：燃料电池控制器（43）在综合控制器（23）的协调作用下，对燃料电池组（44）的工作方式进行控制。在喷水推进器的启动、正常工作和瞬时加速，多种状况下，燃料电池组（44）输出额外大功率，带动电动机高速工作，主轴（15）、压水机（13）和涡轮（16）高速旋转，实现喷水推进器高速推动。只有燃料电池组（44）和蓄电池组（27）作为推进动力工作时，为超静音工作模式。

10.根据权利要求1所述的高速高效的喷水推动技术，其特征是：爆炸燃烧室排气口（5）和排气管道（7）中的废气合流作用于排气管动力涡轮（36），使其产生旋转运动，带动涡轮轴（34）以及涡轮轴（34）上的进气管增压涡轮（33）旋转，对空气净化器（35）净化的空气进行涡轮增压，提高空燃比。