CN110344965B - 一种舰船旋转推进系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及舰船动力技术领域，尤其涉及一种舰船旋转推进系统，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，推进装置包括驱动器、传动轴和旋转推进器，驱动器设置于声学管内，旋转推进器设置于声学管外，传动轴沿舰船的船头至船尾的方向设置，且传动轴一端与驱动器连接，传动轴另一端与旋转推进器连接。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
技术领域
本发明涉及舰船动力技术领域，尤其涉及一种舰船旋转推进系统。
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旋转推进系统，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，所述推进装置包括驱动器、传动轴和旋转推进器，所述驱动器设置于所述声学管内，所述旋转推进器设置于所述声学管外，所述传动轴沿舰船的船头至船尾的方向设置，且一端与所述驱动器连接，另一端与所述旋转推进器连接。
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，所述传动轴一端与所述驱动器的输出轴连接，另一端穿出所述声学管与所述旋转推进器的输入轴连接，所述声学管在与所述传动轴的接触处设置密封件。
其中，所述驱动器的转动件具有磁性，所述声学管外侧在对应所述驱动器的位置上套设具有磁性的第一齿轮件，所述传动轴设置于所述声学管外，且其一端设有与所述第一齿轮件啮合传动的第二齿轮件。
其中，所述驱动器为双向透平。
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：本发明舰船旋转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，再利用声波推动驱动器，将声波震动的往复运动变换为驱动器的旋转运动，并通过传动轴带动旋转推进器转动，从而推动舰船行进。通过推进装置，声波将水流从船头方向吸入，再从船尾方向推出，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，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。驱动器安装在热声发动机的声学管内，可将声波往复运动的能量转换为固定旋转方向的旋转动能，驱动器与传动轴相连，带动旋转推进器旋转，从而驱动舰船前行。
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旋转推进系统的结构示意图；
图2是本发明实施例一舰船旋转推进系统的加热装置的结构示意图；
图3是本发明实施例二舰船旋转推进系统的结构示意图；
图4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；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：驱动器；22：传动轴；23：旋转推进器；24：密封件；25：第一齿轮件；26：第二齿轮件；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；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旋转推进系统，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包括驱动器21、传动轴22和旋转推进器23，驱动器21设置于声学管11内，旋转推进器23设置于声学管11外，传动轴22沿舰船的船头至船尾的方向设置，且传动轴22一端与驱动器21连接，传动轴22另一端与旋转推进器23连接。
本发明舰船旋转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，再利用声波推动驱动器，将声波震动的往复运动变换为驱动器的旋转运动，并通过传动轴带动旋转推进器转动，从而推动舰船行进。通过推进装置，声波将水流从船头方向吸入，再从船尾方向推出，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，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。驱动器安装在热声发动机的声学管内，可将声波往复运动的能量转换为固定旋转方向的旋转动能，驱动器与传动轴相连，带动旋转推进器旋转，从而驱动舰船前行。
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，传动轴22一端与驱动器11的输出轴连接，传动轴22另一端穿出声学管11与旋转推进器23的输入轴连接，声学管11在与传动轴22的接触处设置密封件24。其中，驱动器21为双向透平。本实施例中，传动轴与双向透平的输出轴直接连接，双相透平进行旋转运动，带动传动轴转动，由于热声发动机内部充注由高压工作气体，因此传动轴穿过声学管时需要密封。
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，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4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4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3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。
驱动器21的转动件具有磁性，声学管11外侧在对应驱动器21的位置上套设具有磁性的第一齿轮件25，传动轴22设置于声学管11外，且其一端设有与第一齿轮件25啮合传动的第二齿轮件26。本实施例为了保证声学管具有良好的高压密封性，可以在双向透平上安装具有磁性的转动件，在声学管外同样安装可旋转的磁性齿轮件，这样当双向透平上的转动件转动时可通过磁力作用带动磁性齿轮件转动，再通过齿轮的啮合传动带动传动轴、推进器旋转。
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。旋转推进器可选用螺旋桨等以转动形式驱动水流沿一个方向吸入排出运动的装置。
综上所述，本发明舰船旋转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，再利用声波推动驱动器，将声波震动的往复运动变换为驱动器的旋转运动，并通过传动轴带动旋转推进器转动，从而推动舰船行进。通过推进装置，声波将水流从船头方向吸入，再从船尾方向推出，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，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)
1.一种舰船旋转推进系统，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，所述推进装置包括驱动器、传动轴和旋转推进器，所述驱动器设置于所述声学管内，所述旋转推进器设置于所述声学管外，所述传动轴沿舰船的船头至船尾的方向设置，且一端与所述驱动器连接，另一端与所述旋转推进器连接。
2.根据权利要求1所述的舰船旋转推进系统，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所述的舰船旋转推进系统，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所述的舰船旋转推进系统，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所述的舰船旋转推进系统，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所述的舰船旋转推进系统，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所述的舰船旋转推进系统，其特征在于：所述传动轴一端与所述驱动器的输出轴连接，另一端穿出所述声学管与所述旋转推进器的输入轴连接，所述声学管在与所述传动轴的接触处设置密封件。
8.根据权利要求1所述的舰船旋转推进系统，其特征在于：所述驱动器的转动件具有磁性，所述声学管外侧在对应所述驱动器的位置上套设具有磁性的第一齿轮件，所述传动轴设置于所述声学管外，且其一端设有与所述第一齿轮件啮合传动的第二齿轮件。
9.根据权利要求1所述的舰船旋转推进系统，其特征在于：所述驱动器为双向透平。
10.根据权利要求2所述的舰船旋转推进系统，其特征在于：所述热源为核反应堆或化石燃料堆。
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