CN106274924A - 装备有螺旋桨的高速火车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速火车，特别涉及一种具有更高的加速能力、爬坡能力和更大的载重量的装备有螺旋桨的高速火车，属于火车技术领域。该装备有螺旋桨的高速火车，包括轮轨式火车体(10)、电动机(6)和螺旋桨(2)，电动机(6)被固定安装在轮轨式火车体(10)上，螺旋桨与电动机连接或者联接。本发明向人们提供一种具有更高的加速能力、爬坡能力和更大的载重量的装备有螺旋桨的高速火车。

Description

装备有螺旋桨的高速火车

技术领域

本发明涉及一种高速火车，特别涉及一种具有更高的加速能力、爬坡能力和更大的载重量的装备有螺旋桨的高速火车，属于火车技术领域。

背景技术

当今高铁火车技术主要分二种：轮轨式高铁和磁悬浮高铁。(a)磁悬浮的修建造价和运营成本都高于轮轨式起码2倍以上，并且安全、可靠性也差于轮轨式。(b)除了需要耗电产生电磁推力外，磁悬浮还必需用大量电能来抬举火车车重，电能浪费很大的。(c)磁悬浮产生磁场辐射会影响人体健康。

因此我国选择了实用的轮轨式高铁火车。轮轨式高铁火车的主要缺陷是牵引力不足：轮轨式火车靠车轮与钢轨之间的摩擦力，来驱动火车行驶，这个轮与轨之间的摩擦力是有限度的，到达最高值(即最大静摩擦力，也就是车轮不打滑前提下的最大粘着力)后，无论车重如何增加，这个最大静摩擦力不会变，这时再加大驱动电机的功率，车轮就会在钢轨上打滑，牵引力大减。

轮轨式火车的牵引力不足会导致如下的严重后果：

(1)牵引力不足会极大影响提速：法国TGV高铁创造时速574.8公里全球最快空载速度记录，这是轮轨式火车的时速极限，但与飞机差距还是很大的，所以火车还需进一步提速，才能更好地与飞机竞争，以满足乘客的高速需求。空气阻力与速度的平方近似成正比关系(如速度提高到2倍，空气阻力会增加到4倍)。当火车以时速200公里行驶时，空气阻力占总阻力(空气阻力和轮轨摩擦阻力)的70％左右，如果跑到500公里，气动阻力则占95％。可见绝大部分的动力牵引力都用于克服风阻，实现一点点的提速，火车都需要更强劲的、成倍的牵引力。

(2)爬坡困难：在爬坡时，车体倾斜，火车的一部分重量会成为前行阻力，需要更多的牵引力。在美国的洛基山脉地区的某些路段，坡度到达7％-10％，火车的不少重量会转为阻力，需更大的牵引力，可由于存在轮轨牵引力的极限(轮轨间的最大静摩擦力)，轮轨式火车就很难爬上去，车轮会打滑，类似的有我国的西藏高原地区等等。

(3)下雨、下雪天气会降低轮与轨之间的摩擦系数，降低轮轨式火车摩擦牵引力，使车轮打滑。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种装备有螺旋桨的高速火车，向人们提供一种具有更高的加速能力、爬坡能力和更大的载重量的装备有螺旋桨的高速火车。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种装备有螺旋桨的高速火车，包括轮轨式火车体(10)、电动机(6)和螺旋桨(2)，电动机(6)被固定安装在轮轨式火车体(10)上，螺旋桨(2)与电动机(6)连接或者联接。

优选的，螺旋桨(2)被固定在涵道(16)内。

优选的，螺旋桨(2)通过小齿轮(18)和大齿轮(19)与电动机(6)联接。

优选的，所述电动机(6)与一个正反转控制电路相连接。

优选的，在同一个涵道(16)内，螺旋桨(2)和第二级螺旋桨(24)都被固定在同一个长轴(36)上。

优选的，由电动机(6)驱动的螺旋桨(2)，和第二级电动机电动机(23)驱动的第二级螺旋桨(24)，都被固定在同一个涵道16内，第二级螺旋桨(24)与螺旋桨(2)保持反桨。

优选的，每一个螺旋桨(2)的电机转轴(5)上都添加一个共轴反转且反桨的螺旋桨(30)。

优选的，涵道(16)的底部不是水平的，涵道(16)的底部有一个孔(33)。

优选的，涵道(16)表面有一个可以开启或拆卸的门(32)。

优选的，门(32)含有透明材料，便于观察涵道(16)内部。

本发明的有益效果：

本发明使用静音、环保、高效率的电动螺旋桨，在时速200-700公里范围，螺旋桨的效率可达到85％-90％，为轮轨式火车提供额外推力，彻底摆脱了轮与轨之间的最大静摩擦力的限制，可以大幅提高轮轨式火车的速度、载重量和爬坡能力，避免车轮打滑。

附图说明

下面结合附图对本发明的作进一步说明。

图1是本发明实施例1装备有螺旋桨的高速火车的第一种结构示意图。

图2是本发明装备有螺旋桨的高速火车的图1的俯视图。

图3是本发明实施例1装备有螺旋桨的高速火车的齿轮联接示意图。

图4是本发明实施例2装备有螺旋桨的高速火车的第二种结构示意图。

图5是本发明实施例3装备有螺旋桨的高速火车的第三种结构示意图。

图6是本发明实施例4装备有螺旋桨的高速火车的第四种结构示意图。

图7是本发明实施例5装备有螺旋桨的高速火车的第五种结构示意图。

图8是本发明实施例6装备有螺旋桨的高速火车的第六种结构示意图。

图9是本发明实施例7装备有螺旋桨的高速火车的第七种结构示意图。

附图标记：

1-向左方向，2-螺旋桨，3-连接臂，4-车体侧部，5-电动机转轴，6-电动机，7-支撑架，8-车体顶部，9-车体尾部，10-轮轨式火车体，11-钢轨，12-车轮,13-车体前部，14-空气流及其流动方向，15-连接块，16-涵道，17-轴套，18-小齿轮，19-大齿轮，20-螺旋桨转轴，21-车底部，22-气栅和滤网，23-第二级电动机，24-第二级螺旋桨，25-第三级螺旋桨，26-第三级电动机，27-第四级电动机，28-第四级螺旋桨，29-另一辆火车体，30-同轴反转螺旋桨，31-驾驶室区域，32-门，33-孔，34-孔盖，35-支架轴套，36-长轴。

具体实施方式

实施例1

轮轨式火车体10本身就含有一套轮轨驱动动力系统(包括电机和齿轮等)，本发明是靠螺旋桨2产生推力的另一种动力方式。火车体10是指一列轮轨式电动高铁火车的火车头(又叫拖车)或者任何一节车厢(又叫动车)。所述的螺旋桨2是指螺旋桨(旋转时产生的推力比同尺寸的风扇更高，但排风量不如风扇)和风扇(旋转时产生的推力低于螺旋桨，但排风量大于螺旋桨)的统称。所述的电动机和螺旋桨都被安装在涵道里面

如同家用电风扇的桨叶与电动机轴的连接方式，把螺旋桨2直接套在电动机转轴5上，并用螺栓卡紧电动机转轴5，实现机械连接。螺旋桨2就被固定在电动机6上面。

图1中电动机6和螺旋桨2可以根据需要，分别安装在火车体10的各个部位(车体前部13、车体尾部9、车体顶部8或车体侧部4)上。电动机6可通过支撑架7被固定在车顶8上(支撑架7的外形可设计成流线体，以减少风阻)；电动机6还可以通过连接臂3与火车体侧部4固定连接。火车体10是指火车头(又叫拖车)或者任何一节车厢(又叫动车)。电能通过高压电网、受电弓和电机正反转控制电路(图中都没有画出)，进入电动机6，驱动螺旋桨2旋转产生推力，推动火车10朝向左方向1、沿着钢轨11行驶。当火车需要刹车减速时，通过正反转控制电路让电动机6反向旋转，螺旋桨2会产生反方向的制动力降低车速或者倒车行驶，这种刹车方式减少了磨损制动。使用电能的电动机6能实现环保和静音。在时速200-700公里范围，螺旋桨2的工作效率能达到85％-90％，节能的。

在实际运用中，可以根据实际需要：(1)在火车体10的一个部位或者一个以上的部位安装电机6和螺旋桨2。(2)可以使用可变距螺旋桨来匹配提高电机效率，并且可变距螺旋桨的桨距角调为负值时，无需电动机6反转，就能产生反向拉力，实现火车减速。(3)可以选择使用二叶或者二叶以上的螺旋桨，来提高效率。图1中省略了螺旋桨桨帽(可以降低风阻)。如果每节车厢都装备了电动机6和螺旋桨2，我国现有的轮轨式高铁火车除了原有的依靠车轮12与钢轨11之间摩擦力所产生的拉力外，又增加了螺旋桨2产生的另外拉力，这就彻底摆脱了轮轨间的最大静摩擦力限制，加速能力、爬坡能力和载重量都能得到大幅提高，就能高速爬上山区或高原的陡坡(坡度大于7％)，同时刹车制动能力也得到提高。

参照图2：

二套电动机6和螺旋桨2通过二个连接臂3，被固定在火车体10的左右二侧。连接臂3的外形可设计成流线体，减少风阻。这是电动机6和螺旋桨2与车体10的合理固定方式，优点在于：驾驶视线不受阻挡，螺旋桨2也不受阻挡(效率会更高)，并且二个螺旋桨2左右布置对称，类似飞机结构。涵道16(又叫风扇涵道，外形像二端开口的密封圆筒，本图中用粗体画出)通过连接块14与车体10固定连接，螺旋桨2被固定在涵道16内，涵道16可以罩住螺旋桨2、罩住空气流14以提高螺旋桨2的推力、效率，还能防止高速旋转的的螺旋桨2与异物碰撞受损。

参照图3：

在上面的图1和图2中，螺旋桨2都是被固定安装在电动机6的转轴5上面，这种结合方式叫连接。还有另一种结合方式叫联接(种类有齿轮联接、键联接、万向节联接等等)，图3将详细说明螺旋桨2如何通过小齿轮18、大齿轮19与电动机6实现联接。大齿轮19被同心固定在电动机6的转轴5上，而电动机6通过支架7被固定在车顶8上面；螺旋桨2和小齿轮18都被同心固定在螺旋桨转轴20上，而螺旋桨转轴20被套在轴套17之中，轴套17又被固定在电动机6的外壳上。

通电后，电动机6的转轴5带动大齿轮19做同心旋转，通过齿轮传动，大齿轮19带动小齿轮18，小齿轮18又带动螺旋桨转轴20和螺旋桨2做同心旋转。

由于大齿轮19尺寸大于小齿轮18，螺旋桨2的转速就远远大于电动机6。这就能匹配螺旋桨2和电动机6的功率和效率，还能减少电动机6的高速旋转磨损。

实施例2：

本发明的第二种结构：电动机6和螺旋桨2都安置在庞大的车体10内，都可以被设计成大功率和大尺寸，从而产生更大的推力。并且电动机6和螺旋桨2没有被密封在涵道16里面，维护保养和清洁等工作很方便。

结构完全相同的三套电动机6、支撑架7和涵道(又叫风扇涵道，外形像二端开口的密封圆筒)16都被固定在车体10的底部21上，大型螺旋桨2分别与电动机6连接。电动机6启动后，驱动三只螺旋桨2旋转，产生共同的、朝左方向1的推力，拉动车体10右方的其他火车车厢。通过正反转控制电路，让电动机6全部反向旋转，就会产生共同的、朝右的反向推力，进行刹车减速或者倒车行驶。空气流14从左流向右方。使用了涵道16，就可以罩住螺旋桨2和空气流14以提高螺旋桨2的效率，还能防止高速旋转的的螺旋桨2与异物碰撞受损。

螺旋桨2的桨叶与涵道16的内壁的间距越小越好，就能保持密封气垫，提高空气密度，让螺旋桨2产生更大推力。如果螺旋桨2能采用当今最先进的马刀型桨叶，推力会更强劲。本图只画出3只螺旋桨2，实际上火车体10长度近30米，足够放置多部电机6和螺旋桨2。

实施例3：

本发明的第三种结构：即舍去上面图4所述的第二种结构中的三个涵道，改用一个共用的、封闭的大涵道(又叫风扇涵道，外形像圆筒)16，优点：

(1)涵道16能罩住空气流14，提高螺旋桨的推力。

(2)涵道16能罩住螺旋桨的噪声。

(3)四部电动机6可以两两靠在一起，外形合并流线体包裹后，减低圆筒涵道16内的风阻。

(4)四部电机和螺旋桨，旋转方向都是两两相反，相互抵消了机械振动。

缺点：构造复杂，封闭的涵道维护清理麻烦。

先把电动机6、第二级电动机23、第三级电动机26、第四级电动机27和相对应的螺旋桨2、第二级螺旋桨24、第三级螺旋桨25、第四级螺旋桨28，以及四部支架7，都被固定在这个涵道16内。这个涵道16就成为一部独立的推力引擎(这个推力引擎也可以安装在电动飞机上，提供驱动力)。

再把涵道16固定在车体10的底部21上。电动机6、第二级电动机23、第三级电动机26、第四级电动机27通电启动后，分别驱动螺旋桨螺旋桨2、第二级螺旋桨24、第三级螺旋桨25、第四级螺旋桨28，产生共同的、朝左方向1的推力，推动左前方的另一火车体29行驶。通过正反转控制电路，让电动机6、第二级电动机23、第三级电动机26、第四级电动机27全部反向旋转，就会产生共同的、朝右方向的推力，进行刹车减速，或者拉拽左前方的另一火车体29向右行驶。涵道16罩住空气流14，空气流14被由电机6驱动的第一级螺旋桨2推送(预压缩)到由电机23驱动的第二级螺旋桨24的表面或前面，气流密度和进气量得到提高，旋转的第二级螺旋桨24就能产生更大的推力。然后被压缩过的空气流14再经过第二级螺旋桨24、第三级螺旋桨25的再次压缩下去，气流密度和进气量又得到提高，旋转的螺旋桨第二级螺旋桨25、第四级螺旋桨28就能产生更大的推力。气栅滤网(构造类似汽车的气栅和气滤)22被固定在涵道16中，过滤掉空气流14里的杂物灰尘。

为保持四只螺旋桨2、第二级螺旋桨24、第三级螺旋桨25、第四级螺旋桨28产生共同的、向左方向1的推力，第二级螺旋桨24、第四级螺旋桨28必须与螺旋桨2、第三级螺旋桨25保持反桨(桨距角的相差90度)，因为驱动螺旋桨第二级螺旋桨24、第四级螺旋桨28的第二级电动机23、第四级电动机27已经反转(相对于电动机6、第三级电动机26的旋转方向)，反反得正，就产生同方向推力。

实际上供电网可以提供几乎无限的电力，且火车体10长度近30米，就能放置多部电动机6和螺旋桨2，产生巨大推力。一列高铁火车的头部与尾部，都分别挂上一节本图所描述的螺旋桨动力车厢10。再加上轮轨式高铁火车列原有的轮轨驱动系统，那么高速爬上坡度大于7％的陡坡(像西安、西藏等高原和山区地域常常会出现陡坡)是没有困难的，车轮不会打滑。

实施例4

本发明的第四种结构：即给上面图5所述的第三种结构，添加一个共轴反转且反桨的螺旋桨30，优点是：

(1)能进一步获得更大的推力，并提高了电机6的效率，是当前最新潮的技术

(2)共轴反转的螺旋桨30能进一步相互抵消机械振动。缺点是：反转传动的机械构造复杂，维护麻烦。

在螺旋桨2的电机转轴5上，通过齿轮传动和反转轴套机械方式固定联接一只构造相同的、旋转方向相反、并且反桨的螺旋桨30，实现螺旋桨2和同轴反转螺旋桨30的共轴5反转。反转加上反桨(指桨距角相反，差90度)，反反得正，共轴的螺旋桨2、同轴反转螺旋桨30就能产生同方向的推力。空气流14被第一级螺旋桨2预压缩后，气流密度和进气量得到提高，同轴的反桨的螺旋桨30就能产生更大的推力。同理，其他的第二级螺旋桨24、第三级螺旋桨25、第四级螺旋桨28都可以分别增添一个共轴反转的螺旋桨30。

实施例5

本发明的第五种结构：特点：(1)空气流14可以不受阻挡地流入涵道16。(2)漂亮的流线体外形很像当今的高铁火车头：添加的驾驶室31位于车体10的上部，涵道16及其电动机6和螺旋桨2等全部位于车体底部21。缺点：(1)涵道16的尺寸小些，与上面图6相比较，推力也小些。(2)封闭的涵道16嵌入车体10内，维护保养麻烦。

涵道16被嵌入车体10中。我国火车体10的长度约有30米，在约30米长的涵道16中可以首尾相连地放置很多的电机6和螺旋桨2，空气流14不受阻挡地流入涵道16后，被一级一级地压缩，旋转的螺旋桨们将产生巨大的推力。

实施例6

本发明的第六种结构：涵道16的底部被制造成弯曲状，不是水平的。并且涵道16的底部还开了个孔33。把水灌入涵道16内清洗维护后，水通过孔33排出，拧紧孔盖34就能封闭涵道16，孔盖34与孔33通过螺纹结合。

在涵道16的侧壁上开凿有可以开关或者拆卸的门32，门32被铰链和螺杆固定在涵道16上。打开或拆卸掉门32，就可以检查或维护涵道16的内壁、以及电机和螺旋桨。长约30米的车体10需开凿多扇门32，本图只画了2扇。门32含有透明材料，无需打开或拆卸门32，就能观察到涵道16内部。

实施例7

本发明的第七种结构：先把唯一的涵道16被固定在火车体底部21上面。在涵道16里面：构造相同的螺旋桨2、第二级螺旋桨24、第三级螺旋桨25、第四级螺旋桨28分别被固定在同一根长轴36上面，长轴36的二端分别套在二只相同的支架轴套35中，长轴36的一端与小齿轮18同心连接。二只支架轴套35被固定在涵道16内，支架轴套35的外形可设计成流线体，以减少风阻。

在涵道16外，一台或几台(本图中只画了一台)电动机6的转轴5与大齿轮19同心连接，大齿轮19与小齿轮18咬合联接，小齿轮18再与长轴36同心连接。电动机6就能通过小齿轮18、大齿轮19和长轴36，驱动螺旋桨2、第二级螺旋桨24、第三级螺旋桨25、第四级螺旋桨28同轴旋转，共同产生向左方向1推力。电机转轴5也可以通过锥齿轮传动来驱动长轴36旋转。

这种多桨共轴结构的优点在于：

(1)螺旋桨2、第二级螺旋桨24、第三级螺旋桨25、第四级螺旋桨28共轴固定后，大型电动机6全部固定在涵道16外，使得涵道16里面的风阻减少，减少功率损失。

(2)由于电动机6安装在涵套16外，电动机6的尺寸和功率就可以设计得很大。

(3)小齿轮18、大齿轮19的直径相差很大，使得长轴36和螺旋桨2的转速远远大于电机转轴5，减少了电动机6的磨损。

本发明的不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种装备有螺旋桨的高速火车，其特征在于：包括轮轨式火车体(10)、电动机(6)和螺旋桨(2)，电动机(6)被固定安装在轮轨式火车体(10)上，螺旋桨(2)与电动机(6)连接或者联接。

2.根据权利要求1所述的装备有螺旋桨的高速火车，其特征在于：螺旋桨(2)被固定在涵道(16)内。

3.根据权利要求1所述的装备有螺旋桨的高速火车，其特征在于：螺旋桨(2)通过小齿轮(18)和大齿轮(19)与电动机(6)联接。

4.根据权利要求1所述的装备有螺旋桨的高速火车，其特征在于：所述电动机(6)与一个正反转控制电路相连接。

5.根据权利要求1所述的装备有螺旋桨的高速火车，其特征在于：在同一个涵道(16)内，螺旋桨(2)和第二级螺旋桨(24)都被固定在同一个长轴(36)上。

6.根据权利要求1所述的装备有螺旋桨的高速火车，其特征在于：由电动机(6)驱动的螺旋桨(2)，和第二级电动机电动机(23)驱动的第二级螺旋桨(24)，都被固定在同一个涵道16内，第二级螺旋桨(24)与螺旋桨(2)保持反桨。

7.根据权利要求6所述的装备有螺旋桨的高速火车，其特征在于：每一个螺旋桨(2)的电机转轴(5)上都添加一个共轴反转且反桨的螺旋桨(30)。

8.根据权利要求5或6所述的装备有螺旋桨的高速火车，其特征在于：涵道(16)的底部不是水平的，涵道(16)的底部有一个孔(33)。

9.根据权利要求5或6所述的装备有螺旋桨的高速火车，其特征在于：涵道(16)表面有一个可以开启或拆卸的门(32)。

10.根据权利要求9所述的装备有螺旋桨的高速火车，其特征在于：门(32)含有透明材料，便于观察涵道(16)内部。