CN1134739A - 由环境中的热量驱动的推进装置 - Google Patents

Abstract

一种推进装置，至少具有一个连接于一渐扩导管(2)的会聚导管(1)。当该装置在运动时，流过会聚导管(1)的流体将其自身的一部分机械能转化为推进能，该推进能是由此产生的推力和推进速度的乘积，而流过渐扩导管(2)的流体将其自身的热量转换为机械能，由此流体由推力做功的量而冷却。

Description

由环境中的热量驱动 的推进装置

本发明涉及一种用于在空气中或水中驱动运输工具或发电机的推进装置，使得上述推进装置在流体例如空气或水中工作并由该流体所含的热能被用来做推进功，由此，除非在很高速度例如超音速，一般不再需要增加如燃烧燃料所提供的外部热量，那时上述热能不够用而必需增加外部热量。

本发明涉及一种推进装置，这种装置不是象常规喷气推进系统那样利用流体喷射的反作用来推动，而是利用一种类似于推进气球的力的那种力来推动，在推进装置的后面不留下向后喷出的流体。这种力做功时象在气球的情况一样，具有将热量直接转换成功的能力而不涉及任何常规使用的热循环过程。

据本申请人知道的可以引用的仅有的现有技术是本申请人的澳大利亚专利No.593525。本发明提出了一些在上述专利中没有包括的重要改进：现在呈发动机舱形式的结构受到相当程度地简化，制造费用比较低；推力增加，动力学阻滞力降低。

简言之，本发明有利于应用包含在大气或水中的热量来做推进功，因而有利于利用作为热量贮存在环境流体中的巨大能量作为能源。

本推进装置主要由若干会聚和渐扩导管组成。

当渐扩导管对着其较细端运动，流体流过导管从其较细端流到其较粗端时，流体在导管中便直接将其自身的热量转换为它的机械能。

当会聚导管向较粗端运动，流体通过导管从其较粗端流到其较细端时，流体便将其自身的一部分机械能直接转化为推进能量。

导管可以有任何组合形式。当推进装置这样构成时可以达到最大推力，两个会聚导管和一个渐扩导管配置成：使得流体通过会聚导管的较粗端进入处于运动状态的推进装置中，该会聚导管在其较细端处与一个渐扩导管的相应的较细端相连接，该渐扩导管在其较粗端处还与第二会聚导管的相应的较粗端相连接。

在这种组合的导管中产生推力，由这种推力作功形成推进力，这种推进力是从渐扩导管中的流体提供的自身的热量获得的，因而从推进装置中流出的流体受到推力做功量的冷却。

现在参照附图仅用举例的方法说明本发明推进装置的以下结构，这些附图是：

图1和图2表示和解释本发明的基本原理，具体是：图1解释具有三个导管的推进装置的基本原理；图2解释具有两个导管的推进装置的基本原理；

图3示出适合于在水中或空气中以亚音速推进的推进装置的纵向截面图B-B；

图4示出端视图A-A；

图5示出适合于超音速的推进装置的纵向截面图；

图6示出端视图C-C；

图7示出没有会聚入口导管的推进装置的纵向截面图F-F；

图8示出端视图E-E；

图9示出通过渐扩导管的较粗端排出流体的推进装置的纵向截面图G-G；

图10示出端视图H-H；

图11示出由本发明推进装置之一驱动的发电机的端视图J-J；

图12示出截面图L-L。

为了清楚地说明本发明的基本原理，必须使用一些简单的数学表达式，另外还必须解释在本说明书中所用的一些符号。

E＝每单位质量的流体机械能(N，m)

P＝压力(N/m²)，N＝牛顿＝Kg·g(Kg·m/s²)

T＝绝对温度(°K)

V＝流体相对于地面的绝对速度(m/s)

W＝流体相对于运动导管的相对速度(m/s)

U＝推进装置速度(m/s)

m＝单位时间内通过导管的流体质量(Kg/s)

a＝横截面积(m²)

q＝流体密度(Kg/m³)

Cp＝恒压下的流体比热(Cal/Kg)

1/A＝热功当量(N·m/Cal)

参照如图1所示的渐扩导管2，将会证明，当导管以速度U沿箭头15所示的方向运动时，尽管没有任何热量或其它的能量加在导管中的流体中，但在导管较粗端的流体总的机械能大于其在较细端的机械能。

如果流体是液体，如水，则通过导管的流体的单位重量的总的机械能是：

在入口、即细端处：

                E₁＝V₁ ²/2＋P₁/q

在出口处：

                E₂＝V₂ ²/2＋P₂/q

因为导管在运动，所以流体的绝对速度是：

在入口处：V₁＝U－W₁

在出口处：V₂＝U－W₂

上述机械能的差为：

E＝E₂－E₁＝(U－W₂)²/2＋P₂/q－(U－W₁)²/2＋P₁/q

＝(W₂ ²－W₁ ²＋2W₁－2UW₂)/2＋(P₂－P₁)/q

因为：

       (W₁ ²－W₂ ²)＝(P₂－P₁)/q

所以对于单位重量：E＝(W₁－W₂)U

或通式为：E＝m(W₁－W₂)U

从流体中获取的热量必须补偿这一能量。

如果流体是气体，则气体的总能量是，

在入口处为：

         E₁＝(U－W₁)²/2＋C_p·T₁/A在出口处为：

         E₂＝(U－W₂)²/2＋C_p·T₂/A

又因为：(W₁ ²－W₁ ²)/2＝Cp·(T₂－T₁)/A，在解方程之后可以得到和液体相同结果。

这些方程表明，流体本身由其自身的热量提供其机械能的任何增加。这意味着，实际需要的热量是从流体中获取的并直接转换成可用的机械能而没有任何热量被废弃，这可以精简为以下的说法：

当渐扩导管在流体中向较细端的方向运动时，通过导管的流体将其自身的热量直接转换成其机械能，该机械能的量值由通过导管的流体的动量变化与导管运动速度的乘积决定。

参照图1，当推进装置以速度U沿箭头15所示方向运动时，周围的流体受挤压并被压入会聚入口导管1，其间流体速度增加，在细端达到速度W₁，该速度与U迭加形成绝对速度V₁。通过渐扩导管2，W₁降到W₂，该速度W₂再与U相迭加而形成绝对速度V₂，如果U大于W₂，则V₂的方向向前。因此导管的渐扩性必须满足这个条件。流体从渐扩导管2进入第二会聚导管3，然后其通过较细端从导管3流出。在图1的顶部示出在导管的重要截面上的能量大小，而在其下部则示出这些能量的差，结果是划线部分。这种表示法提供了推进装置是如何工作的清晰的描述。

在第1行中的压力和速度的关系表示流出速度W₃不能大于U。在第2行中的能量差E₀－E₁表示，在会聚导管1中流体将其自身的一部分机械能直接转换成推力功，该推力功是V₁反作用所形成的动量和速度U的乘积，上述动量是推进力的一部分。其余部分在第二会聚导管3中产生，在第4行中示出。

每单位重量总的推进力示于第5行，总的推力量值示于第6行。应当注意到，第5行中的推力所做的总功等于在第3行中所示的在渐扩导管2中以热量形式获取的能量。

再参照图1，在渐扩导管2和会聚导管3中示出速度图解5和6。当导管运动时，速度W和U相迭加形成绝对速度V，该绝对速度V在渐扩导管中如图解5所示作用在壁上，而在会聚导管中如图解6所示则离开壁。这意味着，在渐扩导管中作用在壁上的压力大于在会聚管中作用的压力，而且还意味着，在渐扩导管的中央的压力低于会聚导管中央的压力。因而作用在中央锥形结构件4上的压力在其前部小于其后部。这种压力的分布致使推进力，即推力沿向前方向作用在推进装置上。

这种压力分布仅在推进装置运动时才发生。当其在静止时，象在进行风洞或水洞试验期间那样，在上述速度分解图5和6中，因为速度分量U为零，所以不会产生上述压力分布。而且W将变成V。

在图2中示出一种省去会聚导管3的推进装置。因而不存在能量E₂。此处也表明流出速度W₃＝U。因为省去导管3，所以第9行中的推力小于图1中所产生的推力。此时第4行中的上述第二部分的推力为零。

下面说明图3和4所示的推进装置。这种装置适合于在水或空气中以亚音速推进。横截面可以是圆形的、椭圆形的、矩形的或任何其它需要的形状。

该装置主要由三个导管构成：会聚入口导管1、渐扩导管2和第二会聚导管3。所有导管如图3所示彼此连接。为减少装置的动态阻滞力，提供一流线型罩9，该罩也构成会聚入口导管1。圆锥形结构件4位于导管2和3的中央，且其两细端伸进入口7和出口8。该锥形件最好由两部分构成，为控制推力，这两部分可以在其较粗端互相插套。这种控制由液压缸或气动缸10来执行，该液压缸可使要求的锥形端或者移入入口7，或者移入出口8。由此可以限制或完全关闭流体流过的面积，而控制推力。圆锥形结构件4不能移动的部分可牢固地由肋部11连接在导管上。

如前所述，这种装置仅在其处于运动时才能产生推力。由此周围的流体受挤压并受迫通过导管1进入该推进装置，流动的流体在推进装置中形成上述的由图1、速度分解图5、6所示的效用。然后流体排出该推进装置，该流体按推力做功的量被冷却。

下面说明如图5和6所示的适合于超声推进的推进装置。该装置除会聚导管1最好用适合于超音速的会聚导管12替代和外加出口扩散器13以外，其余均由已经说明的图3和4所示的装置组成。机罩14取适合于超音速的形状。

为了清楚地说明该推进装置如何工作，在图5的上面示意示出在推进装置重要截面的速度分布。当装置以超音速沿箭头15所示的方向运动时，空气进入入口导管12，在导管12中它的压力增加，速度降低，而在细喉部达到声速W₁，此速度与速度U相迭加形成速度V₁的反作用动量，该动量与推力相反。在渐扩导管2中，W₁减小到W₂，这导致绝对速度从V₁增加到V₂。因为导管是发散的，所以从导管内部作用在它上的任何力均只能沿向前的方向作用，从V₁到V₂的动量的增加导致沿导管的压力增加。即沿导管增加的压力平衡的不是绝对速度V而是其反作用。因此，当流体流出装置时，它已完全除去在渐扩导管中的反作用。由于上述增大的压力产生的空气机械能的增加和由于绝对速度从V₁增加到V₂产生的动能的增加由在渐扩导管中的空气自身的热量获取的热能提供。该能量是：对于单位质量，E₂－E₁＝U·(W₁－W₂)，如图1第3行所示。

在会聚导管3中，空气的动量沿着导管降低，速度从V₂降至V₃，这种降低的空气动量以及在出口扩散器13中降低的空气动量沿推力的方向作用。所以总的推进力即推力是：

推力＝m(V₂－V₁)＝m[(U－W₂)－(U－W₁)]＝m(W₁－W₂)减去如图1所示导管的有关截面的能量也可得到同样的结果。随后空气从装置中排出而按推力所做的功m·(W₁－W₂)U被冷却，并在装置后面没有向后方的任何喷射空气流。在这种装置中，速度W₁和W₃是声速，在这个速度下，空气具有不同的温度。因为在超音速时对动力的需求是很大的，所以空气中的热量可能不够。在这种情况下必须施加外部热量。最好在导管2的较粗端安装燃烧器，这样便利用燃料的燃烧而做到施加外部热量。

下面说明如图7和8所示的推进装置。该装置是图3所示装置的翻版改型，其中省去了会聚导管1。因为这种省略，所以它的推力也如图2所示及如前所述那样降低了。该推力是E₂－E₃＝U·(U－W₂)，从流体中获取的热量是E₂－E₀＝U·(U－W₂)。

推力由阀16控制，用转轴17转动该阀来限制流体的通道。

现在说明图9和10所示的推进装置。该装置是图3所示装置的翻版改型，其中省去会聚导管3。因为这种省略，其推力减小了。这一点如前所述以及图2所示那样。采用将外部流体引入低压导管中的流体的方法来控制推力。外部流体通过管18引入到空间20，然后再从该空间通过间隙21进入导管中的流体流中，由此或多或少抑制了流动。阀19控制引入的流体量。尽管推力减小，但图7和图9所示的装置是可以应用的，因为它们很简单。

本文所示明和所述的推进装置当其装在运载装置例如轮船、飞行器、高速列车等上时可以用于直线推进，它们也可以用于环形推进，利用大气和水中的热量驱动发电机转子来产生电力。

现在说明利用本发明推进装置驱动的示于图11和12的发电机。参照图11，推进装置22装在臂23上，该臂刚性连接于构成发电机转子24的转轴25上。该发电机在某种程度上类似于风磨，差别之处在于，它是用流体、空气或水中获取的热量代替风力来驱动转子。当转子沿箭头15所示方向转动时，每个装置22便冲挤流体并迫使流体流过该装置，这样便产生驱动转子和发电的推进力。装置22最好按圆形路径如图示弯曲。

为了控制转动速度，每个装置可转动地连接于臂23而在销钉27上自由转动。当由于较低的电力需求而速度增加时，离心力使每一个装置后部偏离转动中心，这便使装置的入口偏离转动方向，从而限制流体进入装置，而这又减小驱动转子的推力。上述偏转由系杆28保持在平衡状态，该系杆可转动地连接在装置22上和可在转轴25上自由转动的衬套29上。通过转动衬套29可使所有装置按需要一起偏转。衬套29可由手工转动，或者它可以由适当的常规控制器自动控制。通过如图9所示明的节制流体流动的方法亦可控制发电机的速度。在这种情况下，装置22可以刚性连接于臂23，而且每个装置通过图9所示的管18连接到最好位于转轴25附近的并随该转轴转动的中心容器上。流体通过一个阀引入上述容器，该阀可以由一种适当的常规控制器或手动控制。

发动机的转轴25在轴承30上转动。

本文所述和例示的推进装置和发电机可以被改型，以适合特定的要求。例如，上述例示的控制推力的装置可以作成互换的。

Claims (7)

1、一种推进装置，该装置在流体中工作并由该流体提供的热量驱动，当该装置运动时，上述流体进入该装置，其特征在于，动力装置包括一个渐扩导管，该渐扩导管在其较细端处与一个会聚入口导管相应的较细端连接而在其较粗端处与一个会聚出口导管的相应的较粗端连接，因此所有上述导管彼此连接而形成一个流体通道，流体以称为绝对速度的相对于地的速度从上述会聚入口导管流入上述渐扩导管，该绝对速度与推进方向相反，由上述绝对速度包含的流体反冲动量作为推进力作用在上述入口导管上而形成推力的入口分量，该分量在推动装置的同时将流体的一部分初始机械能转换成推力功，沿上述渐扩导管流动的流体降低上述绝对速度且在渐扩导管的较粗端处使其方向逆转而产生沿推进方向作用的流体动量，上述动量的反力由沿渐扩导管增大的流体压力吸收，在流体通过上述会聚出口导管并且在其中减低上述绝对速度时，流体在上述渐扩导管中得到的上述动量作用在该装置上而构成推力的出口分量，因此由上述入口推力分量和上述出口推力分量迭加的总的推力所消耗的推力能由在上述渐扩导管中的流体的自身热量提供，结果，流体从上述出口导管排出而受到上述总的推力所消耗的能量冷却，而且在推进装置后面没有任何向后方喷射的流体。

2、一种用于超声速度的推进装置，该装置在空气中工作并由该空气提供的热量驱动，当该装置运动时，空气进入其中，其特征在于，该装置由一个渐扩导管组成，该渐扩导管在其较细端连接于一个会聚入口导管的相应的较细端，而在其较粗端连接于一个会聚出口导管的相应的较粗端；及

一个构成一出口扩散器的渐扩出口导管，其较细端连接于上述会聚出口导管的相应的较细端，因此所有导管彼此连接而构成空气的通道，该空气以称为绝对速度的相对于地的速度从上述会聚入口导管流入上述渐扩导管，该绝对速度的方向在推进的方向，但低于装置的速度，因此，上述空气的绝对速度的反冲动量引起一逆反于推力的阻滞力，沿上述渐扩导管流动的空气增大其上述绝对速度从而也增大了空气的推进动量，由此上述推动动量的反冲动量通过沿渐扩导管增大的压力而吸收，在空气降低上述绝对速度的同时，当它通过上述出口导管和上述出口扩散器时，上述推进动量作为一个力被传递到推进装置上，该力在克服上述阻滞力之后构成推动推进装置的推力，因而推动能由上述渐扩导管中空气的热量供给，使得空气从上述出口扩散器流出而由所述推力的做功量冷却，在推进装置的后面没有向后的喷射气流。

3、如权利要求1所述的推进装置，该装置仅装有上述渐扩导管和上述会聚导管，当装置在运动时，上述流体进入上述渐扩导管的较细端，因而推力的上述出口分量推动该装置，由上述渐扩导管中的上述流体提供的热能产生推力。

4、如权利要求1所述的推进装置，该装置仅装有上述渐扩导管和上述会聚入口导管，上述流体从上述渐扩导管的较粗端流出，由此，推力的上述入口分量推动该装置，由上述渐扩导管中的上述流体提供的热能产生推力。

5、如权利要求1或2或3或4所述的推进装置，该装置适合于在水中或空气中形成线性推进。

6、如权利要求1或3或4所述的推进装置，该装置适合于在水中和空气中产生转动推进。

7、一种如权利要求书1或2或3或4所述的推进装置驱动的发电机。

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