CN110341924A - 一种舰船推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及舰船动力技术领域，尤其涉及一种舰船推进系统，包括热声发动机、推进装置、加热装置和冷却装置，热声发动机包括声学管和在声学管内依次连接设置的加热器、回热器和换热器，加热装置与加热器连接，冷却装置与换热器连接，推进装置包括支管，支管包括相互连通的水平管和竖直管，竖直管与声学管垂直连通，支管内的水面位于竖直管内，水平管一端为进水口，支管的水平管另一端为出水口，进水口朝向船头，出水口朝向船尾。本发明利用热源驱动热声发动机，热声发动机将热能转为声波形式的机械能，通过推进装置，声波将水流从舰首方向吸入，再从舰尾方向喷出，从而推动舰船行进，解决当前舰船上动力转换环节多，效率低下的问题，降低噪声。

Description

一种舰船推进系统

技术领域

本发明涉及舰船动力技术领域，尤其涉及一种舰船推进系统。

背景技术

当前的核动力舰船主要是利用核反应堆产生的热量产生高温高压的水蒸汽，再利用水蒸汽驱动蒸汽轮机发电，发出的电能再驱动推进叶片使舰艇前行。这种技术存在三个主要的缺点：一、由于是采用水作为工作介质，而水在高温时的蒸汽压力非常高，在312℃就已经达到100个大气压，因此采用水作为工质时反应堆输出的热量温度不能太高，因此采用汽轮机发电时效率通常不高；二、采用汽轮机发电时，由于叶轮转速高，噪音大，传统的推进方式通常也会产生较大的噪音，很容易被声呐捕捉到而被敌方发现；三、不论是利用蒸汽轮机发电还是以其他的方式发电，都是存在将机械能转化为电能的过程，电能传送到推进系统后，再驱动叶轮旋转将电能转化为机械能，因此转化环节多，存在较大的能量损失。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有的舰船推进系统动力转换环节多，存在噪声大、耗能多、效率低的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种舰船推进系统，包括热声发动机、推进装置、加热装置和冷却装置，所述热声发动机包括声学管和在所述声学管内依次连接设置的加热器、回热器和换热器，所述加热装置与所述加热器连接，所述冷却装置与所述换热器连接，所述推进装置包括支管，所述支管包括相互连通的水平管和竖直管，所述竖直管与所述声学管垂直连通，所述支管内的水面位于所述竖直管内，所述水平管一端为进水口，另一端为出水口，所述进水口朝向舰船的船头，所述出水口朝向舰船的船尾。

其中，所述加热装置包括热源、第一换热回路、热交换器和第一导热件，所述热源通过所述第一换热回路与所述热交换器连接，所述热交换器通过所述第一导热件与所述加热器连接，所述第一换热回路包括循环连通的第一换热段和第二换热段，所述第一换热段位于所述第二换热段的上方，且所述第一换热段内的换热介质密度比所述第二换热段内的换热介质密度小。

其中，所述冷却装置包括冷却器和第二导热件，所述冷却器通过所述第二导热件与所述换热器连接。

其中，所述第一导热件为第一热管或第二换热回路，所述第二换热回路上设有泵体。

其中，所述第二导热件为第二热管或第三换热回路，所述第三换热回路上设有泵体。

其中，所述热源位于所述热交换器的下方。

其中，所述水平管的进水口和出水口处均设有单向阀。

其中，所述支管内设有活塞件，所述活塞件包括压块和弹簧，所述压块位于所述竖直管内，以将水面与气体阻隔，所述弹簧的一端与所述压块的下表面连接，另一端与所述水平管的下壁连接。

其中，所述声学管上设有压力阀。

其中，所述热源为核反应堆或化石燃料堆。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明舰船推进系统利用热源驱动热声发动机，热声发动机将热能转为声波形式的机械能，通过推进装置，声波将水流从舰首方向吸入，再从舰尾方向喷出，从而推动舰船行进，从而解决当前舰船上动力转换环节多，效率低下的问题，同时可降低舰船噪声，实现长时间续航，提升舰船的隐身能力。热声发动机利用往复运动的可压缩流体与存在轴向温度梯度的固体壁面之间的相互作用，将热能转化为压力波形式的机械能的热功转换，当固体壁面的轴向温度梯度达到一定值时这种转换过程便可自发进行。热声发动机完全由换热部件和管件组成，除了声学管内往复运动的气体外没有任何机械运动部件，噪声小，能耗少，可靠性非常高；可以利用核能、燃烧热、太阳能等各种不同形式的热源；其热力循环与斯特林循环相同，工质为氦气，可工作在高温区，因此理论效率非常高。因此利用热声发动机将热能转化为机械能，并且直接驱动推进装置工作，大大简化了系统流程，提高动力系统效率，降低噪声，提高舰船的隐身、作战能力，大幅提升舰船的综合性能。

本发明的加热装置将热源中的高温热量送至热声发动机的加热器内，热声发动机的换热器通过冷却装置进行换热保持在较低的温度，从而在回热器的两端形成一定的温度梯度，当该温度梯度达到一定值时，热声发动机将会产生自激振荡，将热能转化为声波形式的机械能。声学管上连接有倒T字形的支管，支管的竖直管内有水柱，水平管在竖直管的两侧分为进水口和出水口，进水口朝向船首方向，出水口朝向船尾方向，进水口只允许水流进，出水口只允许水流出。由于声学管内的声波作用，竖直管内的水柱上表面的压力将发生周期性变化。当压力降低时，水柱上升，水由进水口流入支管；当压力升高时，水柱下降，水流出支管，从而推动舰船前行。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例一舰船推进系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一舰船推进系统的加热装置的结构示意图；

图3是本发明实施例一舰船推进系统的支管的结构示意图；

图4是本发明实施例二舰船推进系统的结构示意图；

图5是本发明实施例一舰船推进系统的制冷结构和发电结构的结构示意图。

图中：1：热声发动机；2：推进装置；3：加热装置；4：冷却装置；5：泵体；6：压力阀；11：声学管；12：加热器；13：回热器；14：换热器；15:水冷器；16:回热器；17：换热器；18：直线发电机；21：支管；22：进水口；23：出水口；24：单向阀；25：活塞件；31：热源；32：第一换热回路；33：热交换器；34：第一导热件；41：冷却器；42：第二导热件；251：压块；252：弹簧；341：第一热管；342：第二换热回路；421：第二热管；422：第三换热回路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的舰船推进系统，包括热声发动机1、推进装置2、加热装置3和冷却装置4，热声发动机1包括声学管11和在声学管11内依次连接设置的加热器12、回热器13和换热器14，加热装置3与加热器12连接，冷却装置4与换热器14连接，推进装置2包括支管21，支管21包括相互连通的水平管和竖直管，竖直管与声学管11垂直连通，支管21内的水面位于竖直管内，水平管一端为进水口22，支管21的水平管另一端为出水口23，进水口22朝向舰船的船头，出水口23朝向舰船的船尾。

本发明舰船推进系统利用热源驱动热声发动机，热声发动机将热能转为声波形式的机械能，通过推进装置，声波将水流从舰首方向吸入，再从舰尾方向喷出，从而推动舰船行进，从而解决当前舰船上动力转换环节多，效率低下的问题，同时可降低舰船噪声，实现长时间续航，提升舰船的隐身能力。热声发动机利用往复运动的可压缩流体与存在轴向温度梯度的固体壁面之间的相互作用，将热能转化为压力波形式的机械能的热功转换，当固体壁面的轴向温度梯度达到一定值时这种转换过程便可自发进行。热声发动机完全由换热部件和管件组成，除了声学管内往复运动的气体外没有任何机械运动部件，噪声小，能耗少，可靠性非常高；可以利用核能、燃烧热、太阳能等各种不同形式的热源；其热力循环与斯特林循环相同，工质为氦气，可工作在高温区，因此理论效率非常高。因此利用热声发动机将热能转化为机械能，并且直接驱动推进装置工作，大大简化了系统流程，提高动力系统效率，降低噪声，提高舰船的隐身、作战能力，大幅提升舰船的综合性能。

本发明的加热装置将热源中的高温热量送至热声发动机的加热器内，热声发动机的换热器通过冷却装置进行换热保持在较低的温度，从而在回热器的两端形成一定的温度梯度，当该温度梯度达到一定值时，热声发动机将会产生自激振荡，将热能转化为声波形式的机械能。声学管上连接有倒T字形的支管，支管的竖直管内有水柱，水平管在竖直管的两侧分为进水口和出水口，进水口朝向船首方向，出水口朝向船尾方向，进水口只允许水流进，出水口只允许水流出。由于声学管内的声波作用，竖直管内的水柱上表面的压力将发生周期性变化。当压力降低时，水柱上升，水由进水口流入支管；当压力升高时，水柱下降，水流出支管，从而推动舰船前行。

其中，加热装置3包括热源31、第一换热回路32、热交换器33和第一导热件34，热源31通过第一换热回路32与热交换器33连接，热交换器33通过第一导热件34与加热器12连接。其中，第一导热件34为第一热管341。其中，冷却装置4包括冷却器41和第二导热件42，冷却器41通过第二导热件42与换热器14连接，第一换热回路32包括循环连通的第一换热段和第二换热段，第一换热段位于第二换热段的上方，且第一换热段内的换热介质密度比第二换热段内的换热介质密度小。其中，第二导热件42为第二热管421。

本发明的加热装置中第一换热回路将热源中的高温热量带出，在热交换器内将热量传递给第一导热件，第一导热件进一步将热量输送到热声发动机的加热器内，热声发动机的换热器通过第二导热件与冷却器进行换热保持在较低的温度，从而在回热器的两端形成一定的温度梯度。第一换热回路内的换热介质在热源内被加热蒸发，密度减小后沿第一换热段进入热交换器，在热交换器内换热介质的热量被第一导热件带走，因此温度降低，密度增加后进入第二换热段。由于重力的作用，第二换热段内冷凝的换热介质自动流回到热源内，从而构成自动循环，无需外力驱动。第一导热管一端伸入热交换器中，另一端伸入加热器中，第二导热管一端伸入换热器中，另一端伸入冷却器中。第一换热回路的第一换热段和第二换热段中的换热介质可为同相也可为双相。

为了避免热源内放射性材料外泄，第一换热回路通常不直接跟热声发动机之间进行热交换，第一导热件用于将第一换热回路的热量传递给热声发动机的加热器。本实施例中第一导热件为第一热管，第一热管利用重力或者内部液体的毛细作用力进行驱动，在热交换器内吸收热量，在加热器内放出热量。

热声发动机的换热器的热量是通过第二导热件传送到冷却器中的，由海水将热量带走。本实施例中第二导热件选用第二热管。本发明中热量的传输都是自发进行，没有任何机械泵驱动产生噪音，因此热量的传输是无噪音的；热量的产生过程也没有运动部件，因此也是无噪音的；发动机中热到功的转换过程没有机械运动部件，只有声学管内工作气体(通常为氦气或者氢气)的往复运动，并且工作气体被密封在热声发动机内，因此噪音也是非常低的。本发明中第一换热回路也可以用热管替代，热管在热源处吸热，在热交换器内放热。

其中，水平管的进水口22和出水口23内处设有单向阀24。支管水平管中具有两个单向阀，进水口上的单向阀只允许水流进，出水口上的单向阀仅允许水流出。由于声学管内的声波作用，竖直管内水柱表面的压力将发生周期性变化，当压力降低时，水柱上升，进水口上的单向阀将打开，水流入倒T字形支管；当压力升高时，水柱下降，出水口上的单向阀将打开，水流出倒T字形支管，从而推动舰船前行。单向阀可以选用非金属材料，噪音也可以控制在较小的范围内。

其中，如图3所示，支管21内设有活塞件25，活塞件25包括压块251和弹簧252，压块251位于竖直管内，以将水面与气体阻隔，弹簧252的一端与压块251的下表面连接，弹簧252的另一端与水平管的下壁连接。在水柱和支管竖直管内气体界面处安装了压块，将气体与水隔离开来，压块上连接有弹簧。当在不同的深度水压变化时，压块位置发生变化，但同时弹簧向压块施加回复力减少压块位置的变化，特别是当弹簧的刚度比较大时，水压变化对压块的位移将影响很小，因此不需要特别的压力调节装置，系统得到简化。

其中，如图2所示，热源31位于热交换器33的下方。第一换热回路是利用内部换热介质在不同温度部位的密度不同而产生循环动力，须保证环路中重力方向上一侧的温度高，一侧的温度低。热源位于重力方向的下方，热交换器所在位置比热源位置高。在重力的作用下，第一换热回路内的换热介质在热源内上升，在热交换器内下降，在不需要任何机械驱动的情况下自动形成一个流动环路，将热源内热量带出。采用这种方式，热循环回路各处的温度差很小，更有利于减少热能在传输过程中的损失。

其中，声学管11上设有压力阀6。因为船体在不同的水下深度航行时，水压不同，因此需要有专门的压力调节装置在保持热声系统内气体压力与水压的平衡。为了保持热声发动机内气体压力与水压相同，声学管上设置有压力阀，可调节发动机内气体压力，防止水柱上端液位发生过大的变化。

其中，热源31为核反应堆或化石燃料堆。采用核反应堆进行供热，可长时间物燃料补给续航，大大减少潜船浮出水面的次数。核反应堆也可以由其他的热源替代，例如化石燃料燃烧产热。

如图5所示，热声发动机除了驱动推进系统工作外，还可以连接直线发电机和热声制冷机，发电机向外输出电能，热声制冷机输出冷量用于人机环境的冷却。图5中15为热声制冷机的水冷器，16为热声制冷机的回热器，17为热声制冷机的低温换热器，18为直线发电机。

实施例二

如图4所示，本实施例与上述实施例一基本相同，不用之处在于本实施例中第一导热件34为第二换热回路342，第二换热回路342上设有泵体5。其中，第二导热件42为第三换热回路422，第三换热回路422上设有泵体5。热交换器与加热器之间的第二换热回路可以采用泵体进行驱动，换热器与冷却器之间的第三换热回路也可以采用泵体进行驱动，特别是当换热回路内部的换热介质为导电介质时，可以采用磁流体泵推动换热介质循环流动，磁流体泵利用通电流体在磁场中受到的电磁作用，推动流体运动，无需任何叶片或机械运动部件，也是一种超静音的换热系统。

使用时，换热回路内的工质可以选用铅、铅合金或者熔盐，高温热管内的工质一般选择钠、钾，这些工质可以工作在较高的温度，可使发动机的工作在较高温区，因此热功转化效率高。

综上所述，本发明舰船推进系统利用热源驱动热声发动机，热声发动机将热能转为声波形式的机械能，通过推进装置，声波将水流从舰首方向吸入，再从舰尾方向喷出，从而推动舰船行进，从而解决当前舰船上动力转换环节多，效率低下的问题，同时可降低舰船噪声，实现长时间续航，提升舰船的隐身能力。热声发动机利用往复运动的可压缩流体与存在轴向温度梯度的固体壁面之间的相互作用，将热能转化为压力波形式的机械能的热功转换，当固体壁面的轴向温度梯度达到一定值时这种转换过程便可自发进行。热声发动机完全由换热部件和管件组成，除了声学管内往复运动的气体外没有任何机械运动部件，噪声小，能耗少，可靠性非常高；可以利用核能、燃烧热、太阳能等各种不同形式的热源；其热力循环与斯特林循环相同，工质为氦气，可工作在高温区，因此理论效率非常高。因此利用热声发动机将热能转化为机械能，并且直接驱动推进装置工作，大大简化了系统流程，提高动力系统效率，降低噪声，提高舰船的隐身、作战能力，大幅提升舰船的综合性能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种舰船推进系统，其特征在于：包括热声发动机、推进装置、加热装置和冷却装置，所述热声发动机包括声学管和在所述声学管内依次连接设置的加热器、回热器和换热器，所述加热装置与所述加热器连接，所述冷却装置与所述换热器连接，所述推进装置包括支管，所述支管包括相互连通的水平管和竖直管，所述竖直管与所述声学管垂直连通，所述支管内的水面位于所述竖直管内，所述水平管一端为进水口，另一端为出水口，所述进水口朝向舰船的船头，所述出水口朝向舰船的船尾。

2.根据权利要求1所述的舰船推进系统，其特征在于：所述加热装置包括热源、第一换热回路、热交换器和第一导热件，所述热源通过所述第一换热回路与所述热交换器连接，所述热交换器通过所述第一导热件与所述加热器连接，所述第一换热回路包括循环连通的第一换热段和第二换热段，所述第一换热段位于所述第二换热段的上方，且所述第一换热段内的换热介质密度比所述第二换热段内的换热介质密度小。

3.根据权利要求1所述的舰船推进系统，其特征在于：所述冷却装置包括冷却器和第二导热件，所述冷却器通过所述第二导热件与所述换热器连接。

4.根据权利要求2所述的舰船推进系统，其特征在于：所述第一导热件为第一热管或第二换热回路，所述第二换热回路上设有泵体。

5.根据权利要求3所述的舰船推进系统，其特征在于：所述第二导热件为第二热管或第三换热回路，所述第三换热回路上设有泵体。

6.根据权利要求2所述的舰船推进系统，其特征在于：所述热源位于所述热交换器的下方。

7.根据权利要求1所述的舰船推进系统，其特征在于：所述水平管的进水口和出水口处均设有单向阀。

8.根据权利要求1所述的舰船推进系统，其特征在于：所述支管内设有活塞件，所述活塞件包括压块和弹簧，所述压块位于所述竖直管内，以将水面与气体阻隔，所述弹簧的一端与所述压块连接，另一端与所述水平管连接，所述弹簧的伸缩方向与所述竖直管内的液面升降方向相同。

9.根据权利要求1所述的舰船推进系统，其特征在于：所述声学管上设有压力阀。

10.根据权利要求2所述的舰船推进系统，其特征在于：所述热源为核反应堆或化石燃料堆。