CN1151717A - 水下二相冲压喷射发动机 - Google Patents

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Abstract

一种水下二相冲压喷射发动机推进装置，包含一入口，用以接受水流；压缩气体注射器，用以注射压缩气体于该水流中；一混合室，用以混合压缩气体及该水流，以提供一二相工作流体流；及一喷嘴，用以加速二相工作流体流，以产生一二相喷射流。该推进装置可由固定形状或可变形状实施。推进装置包含一超音速气体注射器及一次音速气体注射器。推进装置包含一控制系统，用以控制压缩器，超音速气体注射器，次音速气体注射器，推进装置的形状，及推力向量的方向。

Description

水下二相冲压喷射发动机
本发明一般系有关二相海用推进系统，更明确言之，系有关水下二相冲压喷射发动机。
已有各种尝试，以改进吸气喷射发动机的吸水式衍生物，以大幅扩大高速海上船只的性能图(performance envelope)。吸水冲压喷射发动机的基本原理是由气体产生器的压缩气体或燃烧产物激励及加速水，如Schell等人的美国专利3,171,379，题为“水-气力冲压喷射器”中所述，上述装置一般称为“Marjet”。依据牛顿第一定律，推进系统由施加一相等及相反的力于相邻媒体上而被施加推力。在流体媒体的情形，依据牛顿第二定律，该力等于流体动量的变化率。进行动量变化的流体的部分称为“工作流体”。在水下二相冲压喷射发动机推进装置中，工作流体为水及气体(宜为空气)的二相混合物。泡沫流由于液相及气相的缘故，具有可压缩性的高密度的特征。
虽Marjet为现有技术所述此类装置中的最佳系统，但具有若干重大的缺点，由此造成其缺乏商业化。Marjet的缺点包含：第一，混合效率不良，导致总推进效率低；第二，气体通过均匀的多孔套筒进入，产生大小范围非常窄的泡沫，从而限制气体在二相工作流体中的最大体积，且由此大大限制船只的机敏性；第三，不能变换气体的热能为推进动力；第四，近于停顿及低速时加速能力差，且加速潜力有限，不能冲过水翼或气垫船的阻力峰。及另外的缺点包含推力强度与巡航速度关连，推进装置并不呈现反向推力或整体转向能力，及推进及其他流体动力功能，诸如适航性，主动稳定性，举升，转向，及推力反向等各由专用系统进行。
其他改进包括“水-脉冲-喷射”，如说明于Alamos国家实验室报告LA-10358-MS，1985年5月，其中，考虑使用脉冲喷射装置来推进鱼雷导弹。此改进的唯一优点为其高速能力，而其缺点则包括复杂，不安全，水污染，非常重，无效率，价格昂贵等。
另一改进包括“气体-放大-水-喷射”，如说明于Auburn大学水翼机械工程部的海军研究室的报告N 00014-75-C-0936，1976年11月，其中，在泵排出导管中设有一水泵及另一气体助力装置。气体助力器如果其前部无喷水泵则不能工作，因此，此装置具有基于叶轮的水喷射器的所有缺点，为得到高速巡航的额外动力需有气体助力器，导致其复杂性增加。
又另一改进包括“水-放大-气体-喷射”，如Scoff-Scott的美国专利3,808,804号中所述，其中，一推进装置包含一吸气轮机发动机，加装一喷雾助力装置于排出导管中，经由水注射器，管线，及水泵馈给水。此装置似乎在高速应用上有希望，但当在码头中，其他船只附近，或低速上操纵时，有严重的安全及效率上的限制。
本发明的目的在提供一种无上述的缺点的创新的水下二相冲压喷射发动机。
本发明的目的在于提供二相冲压喷射发动机推推进装置的若干实施例，具有固定形状或可变形状的构造。
因此，依据本发明的第一方面，提供一种二相冲压喷射发动机推进装置，包含：(a)一入口，用以接受水流；(b)压缩气体注射装置，用以注射压缩气体于该水流中；(c)一混合室，用以混合压缩气体及该水流，以提供一二相工作流体流；及(d)一喷嘴，用以加速二相工作流体流，以产生一二相喷流流，其特征为压缩气体注射装置包含一超音速气体注射器。
依据本发明的一特征，混合室的横断面积大于入口的出口的横断面积。
依据本发明的又一另外的特征，压缩气体喷射装置包含环形莲蓬头，穿孔的圆周套筒，中心体莲蓬头，至少一径向支持臂，至少一列喷嘴，及至少一穿孔板，一次音速气体注射器，至少一涡旋轮叶，不同大小的多个孔，及不同形状的多个孔所构成的组中的至少一个组元。而且，压缩气体注射装置以不同的注射率注射气体流的各部分。
依据本发明的另外的特征，推进装置包含一压力转换器，用以测量周围压力，入口的水压力，压缩气体注射装置中的注射压缩气体的静压力，压缩气体注射装置中注射前压缩气体的总压力，混合室中二相流的压力，喷嘴的喉部处的二相喷流的压力，及喷嘴的出口处的二相喷流的压力所构成组中的至少一个组元。
依据本发明的又一另外的特征，推进装置包含一温度传感器，用以测量水的周围温度，注射前压缩气体的温度，及注射后压缩气体的温度所构成组中的至少一个组元。
依据本发明的又一另外的特征，推进装置包含控制装置，用以控制压缩气体的压力，压缩气体的质量流率，压缩气体注射装置间的压缩气体的分配，压缩气体的温度，入口的横断面积，入口的横断面积的变化率，喷嘴的喉部的横断面积，喷嘴的出口的横断面积，喷嘴的方向，及喷流偏向装置的操作所构成组中的至少一个组元。
依据本发明的又一另外的特征，入口具有一可选择变化的内部形状。入口包含一入口罩，入口罩具有一可选择变化的横断面积，其中，入口包含多片重叠的锥形节片，以能选择变化入口罩的横断面积。或且，推进装置包含一鼠件(mouse)，可沿推进装置的轴线上位移，以能选择地变化入口罩的横断面积。或且，推进装置包含至少一可位移的入口壁，以能选择地变化入口罩的横断面积。入口罩的横断面积可选择变化于约为混合室的横断面积的10分之一至约为混合室的积断面积的一半之间。
依据本发明的另外的特征，入口包含一扩散器，具有沿推进装置的纵轴线上的横断面积的可选择变化的可变率，其中，该扩散器包含多片重叠的锥形节片，以能选择变化扩散器的横断面积的改变率。或且，推进装置包含一鼠件，可沿推进装置的轴线上位移，以能选择变化扩散器的横断面积的变化率。或且，推进装置包含至少一可位移的入口壁，以能选择变化扩散器的横断面积的变化率。扩散器的发散角度可选择变化于约-10°及约10°之间。依据本发明的另外的特征，喷嘴具有可选择变化的形状，其中，喷嘴包含一喉部具有可选择变化的横断面积，及一出口具有可选择变化的横断面积。喷嘴包含多片重叠的锥形节片，以能选择变化横断面积。或者，喷嘴包含至少一可位移的喉壁及至少一可位移的出口壁。喷嘴的喉部的横断面积可选择变化于约为混合室的横断面积的3分之一及大致约与混合室相同的横断面积之间。出口的横断面积可选择变化于约为混合室的横断面积的4分之一及约稍大于混合室的横断面积之间。
依据本发明的又一另外的特征，推进装置包含喷流偏向装置，用以使二相喷流偏向。
依据本发明的一第二方面，提供一种水下二相冲压喷射发动机推进装置，包含：(a)一入口，用以接受水流；(b)压缩气体注射装置，用以注射压缩气体于该水流中，(c)一混合室，用以混合压缩气体及该水流，以提供一二相工作流体流；及(d)一喷嘴，用以加速二相工作流体流，以产生一二相喷流流，其特征为该入口具有一可选择变化的内部形状。
依据本发明的一第三方面，提供一种水下二相冲压喷射发动机推进装置，包含：(a)一入口，用以接受水流；(b)压缩气体注射装置，用以注射压缩气体于该水流中：(c)一混合室，用以混合压缩气体及该水流，以提供一二相工作流体流；及(d)一喷嘴，用以加速二相工作流体流，以产生一二相喷流流，其特征为该喷嘴具有一可选择变化的内部形状。附图简述
本发明在此仅由实例并参考附图加以说明，在附图中：
图1a表示依本发明的述说所构制的水下二相冲压喷射发动机推进装置的最佳的固定形状实施例的纵断面图；
图1b表示推进装置的超音速气体注射器及次音速气体注射器的详细图；
图1c及1d分别表示超音速气体注射器及次音速气体注射器的质量流率控制器的内部设计；
图2a及2b表示超音速气体注射器的透视图及沿透视图的线A-A上的断面图；
图2c表示次音速气体注射器的多模式孔的圆周套筒的透视图；
图3表示与固定形状的推进装置相配的全自主冲压喷射发动机控制系统(FARECS)的方框图；
图4a表示依本发明的述说所构制的水下二相冲压喷射发动机推进装置的一第二固定形状实施例的纵断面图；
图4b表示图4a的推进装置的超音速气体注射器及次音速气体注射器的后视图；
图5表示依本发明的述说所构制的水下二相冲压喷射发动机推进装置的最佳的可变形状实施例的纵断面图；
图6a表示推进装置的入口的透视图；
图6b及6c分别表示入口在其全闭及全开模式中；
图7a-7e表示用以驱动装置的压缩气体产生器的若干布局；
图8a表示可变形状喷嘴的透视图；
图8b表示设置用以使推进装置转向的可变形状喷嘴的透视图；
图8c-8f表示可变形状喷嘴的四基本操作模式；
图9表示与可变形状推进装置相配的全自主冲压喷射发动机控制系统(FARECS)的概要方框图；
图10a及10b表示依本发明的述说所构制的水下二相冲压喷射发动机推进装置的第二可变形状实施例的纵断面图，表示推进装置的鼠件分别在其最前及最后位置中；
图11a表示依本发明的述说所构制的水下二相冲压喷射发动机推进装置的一第三可变形状实施例的透视图；
图11b及11c分别表示推进装置的沿线B-B上的断面图及沿线C-C上的概要纵断面顶视图；及
图11d表示沿推进装置的线C-C上的概要纵断面顶视图，揭示推进装置的一典型操作模式。
最佳实施例的说明
本发明为水下二相冲压喷射发动机推进装置。明确地说，本发明的推进装置可适用于广大范围的水上船只，从喷射滑撬及高速船只至高性能豪华游艇，全尺寸快速定期轮船及货船。推进装置可容易满足各种任务及构造的要求，诸如水下或水面船只，单体船，双体船，SWATH，水翼船，SES，双栖船，或水上飞机。
本发明的水下二相冲压喷射发动机推进装置的原理及操作可由参考附图及附带的说明而获得更佳的了解。该说明是指通过液体行驶，一般为水的推进装置，然而，应注意该推进装置的优选之一为可自一开始停止位置，即零速度向前推进，而无需辅助装置。
广泛而言，本发明的水下二相冲压喷射发动机推进装置为吸气冲压喷射发动机的吸水式衍生物，且其基本构造及操作与萧尔等的美国专利3,171,379号所述内容相似。因此，该推进装置自上游至下游包括一入口，一混合室，及一喷嘴，构成大体对称的流导管。该流导管可具有大体圆形横断面轮廓，大体椭圆形横断面轮廓，或大体方形轮廓。入口包含一入口罩，用于接受由冲压动压力驱动产生的具有巡航速度的水流；及一扩散器，扩大该流导管，减慢水流速度，从而变换水的动能的一部分为位能。混合室混合水及压缩气体，以产生二相水/气体泡沫流，然后加速通过喷嘴，以形成二相水/气体喷流，能推进该推进装置。总而言之，推进是由二相水/气体泡沫流，在现有技术中称为“工作流体”，在横过推进装置方面上进行动量变化。
然而，该推进装置包含一或更多的特征，此可改善现有技术中所述的冲压喷射发动机推进装置的性能图。一特征为推进装置在全自动冲压喷射发动机控制系统(FARECS)的控制下工作，该系统设计为用于最佳化推进装置的推进潜力。此最佳化导致显著改善海上船只的总处理特性，诸如可控制性，可操纵性，安全，整备性，及可维护性。
在原理上，FARECS与用于航空应用上的电脑化控制系统相似，因此在精于本行业的人士的知识范围之内。FARECS的复杂性与推进装置的复杂性，与对船只的性能要求等有关。一般而言，FARECS接受自座舱有关转换器输入的参数，例如所需的速度，方向，操纵等，及自推进装置内所设置的冲压喷流有关转换器输入的参数。FARECS然后应用程序以提供多通道输出，用以调节推进装置的副系统来调节性能参数，诸如水质量流率，推力强度等。该程序及所需的操作参数可安排于多维数据库中，并固化于硬件中，如现有技术中所知。
现参考附图，图1-3表示依本发明的教导所构成及操作的一水下二相冲压喷射推进单元的一最佳的固定形状实施例，其整体标示为100。在本实施例中，推进装置100具有大体圆筒形的本体102，该本体包含标号为104的一入口，一混合室106，及一喷嘴108。在此情形中，入口104，混合室106，及喷嘴108制成大体圆形横断面轮廓。
推进装置100在基本版的全自动冲压喷射发动机控制系统(FARECS)110的控制下，该系统接收来自座舱的以“所需速度”的形式的输入及来自压力转换器112的周围气压计压力的输入，及来自推进装置100中所设置的与冲压喷流有关的转换器的输入，用以调节若干功能，如以下更详细所述。
入口104包含一入口罩114，用以接受由冲压动压力驱动的具有巡航速度上的水流。入口104并包含一扩散器116，扩散器106在入口罩114的下游处，用以扩大水的进入，从而变换动能为静压力形态的位能。入口104中所设置的转换器用以提供输入至FARECS 110，宜包含一压力转换器118用以测量在入口罩114邻近的水的静压力，及一压力转换器120用以测量在入口罩114邻近的水的总压力。
在扩散器116的下游，混合室106将水及来自压缩气体产生器122的压缩气体混合，以形成一高密度但可压缩的水/气体工作流体。一压力转换器124将混合室106中的静压力输入FARECS 110。二相水/气体泡沫工作流体在其流于混合室106内下游中时加速，从而变换为二相水/气体喷流。混合室106的横断面积宜大于扩散器116的出口的横断面积，故在其间设一环缘126。横断面积的增加使工作流体能立刻膨胀，给空间提供更大量的压缩气体与水混合，以得到推进动力。
压缩气体产生器122供应压缩气体沿一供应管128流经一稳定及调节室130而至一超音速气体注射器132或一次音速气体注射器134，以注射于混合室106中。FARECS 110经由分别使用质量流率控制器136及138，调节由压缩气体产生器122所提供的压缩气体的压力及超音速气体注射器132及次音速气体注射器134间的压缩气体的分配，最好参见图1b。
如图1c所示，超音速气体注射器132的质量流率控制器136包含一由FARECS110控制的可变阀140，用以决定通过其中的压缩气体的质量流率，一压力转换器142用以测量压缩气体的注射前静压力，一压力转换器144用以测量压缩气体的注射前总压力，及一温度传感器146用以测量压缩气体的注射前温度。同样，如图1d所示，次音速气体注射器134的质量流率控制器138包含一由FARECS控制的可变阀148，用以决定通过其中的压缩气体的质量流率，一压力转换器150用以测量压缩气体的注射前静压力，一压力转换器152用以测量压缩气体的注射前总压力。及一温度传感器154用以测量压缩气体的注射前温度。
再如图1a所示，在引导进入喷嘴108中，二相喷流在其接近喷嘴108的喉部156时，由于流导管的横断面积减小及工作流体的密度降低，继续加速，同时工作流体的质量流率保持继续及稳定。当到达喉部156时，二相水/气体喷流最好受到节流。二相水-气体喷流通过喷嘴108的喉部156及出口158间的喷嘴发散部，由于泡沫膨胀时施加功于水上，实现进一步的加速，直至喷流排出通过出口158时，二相喷流的静压力等于推进装置100外部的周围静压力为止。因此，由水下二相冲压喷射发动机推进装置100所提供的推力由二相水/气体泡沫流的压力位能变换为二相喷流的动能所实现。
现参考图2a-2c，超音速气体注射器132宜为环形莲蓬头160的形状，设置于调节室130及混合室106之间，用以朝向混合室106的轴线倾斜注射压缩气体，而次音速气体注射器134则宜为多模式圆周套筒162的形状，用以沿径向朝混合室106的轴线注射压缩气体。
最好参考图2a及2b，超音速气体注射器132提供压缩气体通过一列收敛-发散口164，用以控制压缩气体的热能，并变换此热能为动能，从而产生推力。热能的变换为推力由二热力学原理实现。第一，  当注射气体较欲注射的水为冷时，热能自水中抽出，从而使压缩气体膨胀，及加速下游的二相泡沫流，以增加推力效率。及第二，压缩气体喷流经粘性摩擦输送其一些能量至水中，因而亦加速下游的二相泡沫流。因此，可容易理解次音速气体注射用作一独特原理，用以使推进装置100自零速度加速及有效增加推力。
次音速气体注射器150提供压缩气体通过多孔的圆周套筒162，形成非常多的泡沫与水紧密混合，以产生大体均匀的二相泡沫流。次音速气体注射的速度保持较水为小，以使效率最大。在二相泡沫流内，每一泡沫直接作用于水的一增量部分上，以使泡沫流在下游有效加速。多孔的圆周套筒162宜为多模式，以增加可注射于水中的压缩气体的体积百分比，同时维持泡沫状态，较之单一尺寸的孔174为佳。然而，在一简单型的推进装置100中，圆周套筒亦可使用低成本，单一尺寸的孔。而且，次音速气体注射器亦可由环形莲蓬头160执行。
在超音速气体注射器132及次音速气体注射器134中实施的、便于更佳控制二相间的质量流比率图，及因而控制输入于工作流体中的动力图及其变换为推动力图的改进包括：提供有或无气体喷流的涡旋的超音速及次音速气体注射；有或无气体喷流的有或无交流的超音速及次音速气体注射；可变的超音速及次音速气体注射速度图；及具有对或不对注射口位置成非均匀分布的直径及形状的超音速及次音速气体注射通过孔。
现参考图3，在固定形状的基本推进装置100，FARECS 110的输入及FARECS 110的多通道输出现以表格加以概括。因此，船只座舱的输入概括于标示为166的方框中，题为“来自座舱有关的转换器的输入”，而压力转换器，温度传感器，及推进装置100内所设置的其他装置的输入则概括于标示为168的方框中，题为“来自与冲压喷射流有关的转换器的输入”。同样，FARECS 110的输出概括于标示为170的方框中，题为“直接控制的参数”。推进装置100的性能特性(由于“直接控制的参数”的调节结果而修改)概括于标示为172的方框中，题为“间接控制的参数”。
因此，方框166中FARECS 110的输入包含、但不限于：来自手动输入界面，诸如键盘或节流阀的“所需速度”，及来自转换器112的周围气压计压力。方框168的输入包含、但不限于：来自转换器118的“入口静压力”；来自转换器120的“入口总压力”；来自转换器124的“混合室静压力”：来自转换器142的超音速注射前“气体静压力”；来自转换器144的超音速注射前“气体总压力”；来自温度感测器146的超音速注射前“气体温度”；来自转换器150的次音速注射前“气体静压力”；来自转换器152的次音速注射前“气体静压力”；及来自温度传感器154的次音速注射前“气体喷流温度”。
方框170中的多通道输出包含，但不限于调节：由压缩气体产生器122所供应的“压缩气体压力”；经由控制器136的超音速气体注射器132的“压缩气体质量流率”；经由控制器138的次音速气体注射器134的“压缩气体质量流率”；及超音速气体注射器132及次音速气体注射器134间的“压缩气体分配”。如方框172所示，这些参数的调节转而调节包含，但不限于；“二相水/气体质量流比率”；“二相水/气体体积流比率”；推进装置100的“推力强度(功率)”；及推进装置100的“推进效率”等参数。
现参考图4a及4b，图4a、图4b表示水下二相冲压喷射推进装置的一第二固定形状实施例，整体标示为200。推进装置200具有与推进装置100相似的构造及作用，故相似的元件以相同的编号标示。
如所示，推进装置200的气体注射通过一中心体(整个标示为276)，包含一莲蓬头278，用以沿轴向注射压缩的气体进入混合室206中；及支持臂280，自中心体276延伸至环缘226，用以朝混合室206的轴线倾斜注射压缩空气。莲蓬头278宜包含二列气体注射器，第一列282用于超音速气体注射，及第二列284用于次音速气体注射。同样，支持臂280包含二列气体注射器，第一列286用于超音速气体注射，及第二列288用于次音速气体注射。可对超音速气体注射器232及次音速气体注射器234进行其他的修改，如以上参考推进装置100的超及次音速气体注射器所述。
现参考图5-9，图5-9表示一水下二相冲压喷射推进装置的一优选的可变几何参数实施例，整体标示为300。推进装置300具有与推进装置100相似的构造及作用，故相似的元件标以相同的编号，同时其他元件自400开始编号。推进装置300及推进装置100间的主要不同涉及入口304具有可变的几何形状，喷嘴308具有可变的形状，一远较上述FARECS复杂的FARECS 310，及可使用的多种不同的压缩气体产生器322。由本发明此特征所提供的弹性使推进装置300能实现普通推进装置前所不能的性能。
入口304包含入口罩314，具有一可变的横断面积，及一扩散器316，具有可变的横断面积改变率，用以控制水流进入推进装置300中。入口304的可变形状可由锥形节片实现，其中，各相邻锥形节片间的重叠程度可加以选择变化，知以下所述：或由一中心体的往复位移实现，如以下参考图10a及10b所述。如上所示，在FARECS 310控制下的一入口运动机构(整个标示为410)用以决定入口罩314的横断面积及扩散器316的横断面积改变的可变率。
现转至图6a-6c，入口罩314由小锥形节片402构成，各节片自可挠性支持物404(置于入口304的前端)向后延伸；而扩散器316则由大锥形节片406构成，各节片自可转动支持物408(置于扩散器316的后端)延伸。小锥形节片402沿推进装置300的纵轴线重叠于大锥形节片408上，以对进来的水流呈现一顺畅连续的流体动力通道，然而，重叠的程度可依入口304的形状调整。
一般使用10块小锥形节片402来制造入口罩314，其制造方式在使其横断面积可选择地变化于约为混合室206的横断面积的10分之1至一半之间。同样，一般使用10块大锥形节片406来制造扩散器，其方式是使其发散角度可选择变化于约-10°至约10°之间。一般小锥形节片402及大锥形节片406由入口运动机构410成对操纵。
入口运动机构410优选分别操纵每对小锥形节片402及大锥形节片406。入口运动机构410对装置于推进装置300的前端的一环形室412中，一致动器414以可转动的方式装于室412的室壁上，向前延伸，用以调节自一枢轴418伸出的一支杆416的角度，枢轴亦装于室412的室壁上。支杆416的自由端终止于一滚子420，滚子往复移动于大锥形节片406上所装的槽422内，用以依致动器414的状态来选择位移大锥形节片406。一支杆424以可转动的方式装于支杆416上，并也以可转动的方式装于小锥形节片402上，从而致动器414的致动动作也使小锥形节片402移动。致动器414可为液压致动器，气力致动器，电机械致动器等。
图6b表示入口运动机构410设置使入口罩314的横断面积最小及使扩散器316的横断面积的变化率最大，称为入口运动机构410的“全闭合入口模式”。与图6b相反，图6c表示入口运动机构410设置使入口罩314的横断面积最大及使扩散器316的横断面积的变化率最小，称为入口运动机构410的“全打开入口模式”。通过FARECS控制转换器414的致动入口运动机构410可自其全闭合入口模式至其全打开入口模式间连续变化，及反之亦然。
压缩气体产生器322一般依欲由推进装置300推进的船只的型式改变。广泛而言，压缩气体产生器322的型式取决于欲推进的船只为水面船只还是水下船只。当推进水面船只时，压缩气体产生器322宜为一吸气式压缩机，置于远离推进装置300之处，如参考图7a-7e所述。图7a表示一气体压缩机，连接于适用于低功率及低速度应用的一往复汽油发动机。图7b表示一气轮机428，包含一压缩机，一燃烧室，及一涡轮机，适用于中至高功率及/或速度应用上，在此，压缩气体直接自气轮机压缩机的下游端取出。图7c表示压缩气体自分离的压缩机C2取出该压缩机连接于自由透平T2的透平轴。此装置适用于中速度适用上。在用于最高速度时，可需要多个涡轮压缩机，各用作一压缩级，具有中间冷却器(热交换器)置于各级之间。这可具体制成具有多管气体产生器，其中，各管的轴线可同轴及纵向分开(图7d)或横向分开(图7e)。当自低速巡航改变为高速冲刺时，使用由FARECS 310控制的阀系统，气体产生可自单级压缩改变多级压缩，如表示于图7d或7e，
当推进一水下船只时，压缩气体产生器322一般需要与推进装置300形成一体，以进行无氧运行模式。在此情形，在与混合室306相邻的一特殊反应室中及/或在与推进装置300同轴的一环形室中产生气体。或者，压缩气体可自远处的一压缩气体产生器通过一管供给。在所有上述的装置中，压缩气体最好由受控制的消耗固体或液体燃料的喷气马达产生，所述燃料是单基或多基的或由金属(包括，但不限于Al，B，K，Li，Na，Zr，或三乙基铝)与水间的受控制的反应产生。这种结构已说明于现有技术中的水一气力冲压喷射发动机中。
现参考图8a-8f，喷嘴308具有可变的内部形状，以获得推进装置300的最佳性能，这是由确保二相流加速至喷嘴308的喉部356处的节流点，同时刚好在喷嘴308的出口358处完成膨胀，以获致最大推力及推进效率而实现的。喷嘴308的可变内部形状最好依与入口304所述相同的方式实施，然而，在实际上，需要一更复杂的喷嘴运动机构432，以确保喉部356及出口358的横断面积可各自调节，从而对推进装置300提供远较上述控制为大的控制。一般喷嘴运动机构432可有高至四个自由度。
因而，喷嘴308包含锥形节片434用以调节喉部356的横断面积，及锥形节片436用以调节出口358的横断面积。横断面积的调节由调整相邻锥形节片的重叠程度来实现。一般使用10片锥形节片434，以使可选择变化喉部356的横断面积范围约为混合室306的横断面积的三分之一至约大致与混合室306的横断面积相等之间。同样，一般使用10片锥形节片436，以使可选择变化出口358的横断面积范围约为混合室306的横断面积的四分之一至稍大于混合室306的横断面积之间。锥形节片434及锥形节片436一般由喷嘴运动机构432成对操纵。锥形节片434及锥形节片436常时对推进装置300排出的二相喷流提供流畅连续的流体动力通道。
现说明一对锥形节片434及锥形节片436用的喷嘴运动机构432。锥形节片434的前端由装于本体302上的一可挠性支持物438支持，而其后端则由一支杆440支持，支杆440的一端以可转动的方式装于本体302，而其另一端则终接于一滚子442，滚子可往复移动于槽444内，该槽装于锥形节片434的后端。使用以可转动的方式装于本体302上的一致动器446，在FARECS 310的控制下来调节支杆440对本体302倾斜的角度，此转而调节锥形节片434的倾斜角度，从而选择控制喉部356的横断面积。
锥形节片436的前端由一可挠性支持物448支持于锥形节片434的后端上，而其后端则亦由支杆440经一致动器450以可转动的方式支持。使用在FARECS 310控制下的致动器450来调节锥形节片436对锥形节片434倾斜的角度，从而选择控制出口356的横断面积。
喷嘴308的一特征为，该喷嘴还提供一可变的选择性外表面，整个标示为452，对推进装置300提供一顺畅连续的流体动力减阻装置，由此而降低在所有操作模式中的流体动力阻力至最低程度。表面452由重叠于锥形节片456上的向后延伸的锥形节片454构成。锥形节片452自装于本体302上的可挠性支持物458向后延伸，而锥形节片456则自装于锥形节片436的后端上的可挠性支持物460向前延伸。由以下内容可以明白，锥形节片454与锥形节片456间的重叠程度依喷嘴308的操作模式变化。
现参考图8c-8f，推进装置300的可变形状喷嘴308提供船只转向及推力反向能力，而无需使用任何外部移动机件，诸如一般所用的可转向液压箕斗。转向可由喷嘴308倾斜于所需的方向上，包括水平(左右)及垂直(上下)移动，而使二相喷流偏向来实现。推力反向可由保持入口304处于大开口状态，同时关闭喷嘴308的喉部356及出口358，并仅使用次音速气体注射器334来注射气体而实现。入口304及喷嘴308的喉部356及出口358的横断面积间的比例的逐渐改变可逐渐改变推力反向的程度，从而方便连续及顺畅改变自反向模式至前推模式，反之亦然。
图8c-8f表示喷嘴308的四种基本操作模式，其中，图8c表示喷嘴308具有全开喉部及全开出口，用于中一高速度加速上，图8d表示喷嘴308具有全开喉部及全闭出口，用于中一低速度加速上，图8e表示喷嘴具有全闭喉部及全开出口，用于经济的高速巡航上，而图8f，则表示喷嘴具有全闭喉部及全闭出口，用于推力反向或较轻推力上。如上述，喷嘴308的可变内部形状可连续变化，而重叠的锥形节片454及456则恒提供流体动力减阻作用。
参见图5，推进装置300包含多个压力转换器，温度传感器，及用以提供其它输入给FARCECS 310的其他装置。这些包括，但不限于：一温度传感器462，用以测量入口304邻近的水温度；温度传感器464，466，分别用以测量自超音速气体注射器332及次音速气体注射器334注射于混合室306中时的压缩气体的温度；一压力转换器468，用以测量在喷嘴306的喉部356处的静压力；及一压力转换器470，用以测量喷嘴308的出口358处的静压力。
现参考图9，在可变形状的推进装置300，FARECS 310的输入及FARECS的多通道输出现概括于表格中。因此，船座舱的输入概括于标示为366的一方框中，题为“与座舱有关的转换器的输入”，而推进装置300内所设置的压力转换器，温度传感器，及其他装置的输入概括于标示为368的一方框中，题为“来自冲压喷流有关的转换器的输入”。同样，FARECS 310的输出概括于标示为370的一方框中，题为“直接控制的参数”。经“直接控制的参数”修改的推进装置300的性能特性概括于标示为372的一方框中，题为“间接控制的参数”。
因而，方框366中FARECS 310的输入包含，但不限于：来自手动输入界面，诸如键盘或节流阀的“所需速度”；“所需方向”一前向，反向，左，右，及方位；“所需修整角度”；“所需操纵”一在预定的位置处完成减速，横向移动，固定，转移等；“所需最佳状态”一推力或效率；“朝向及位置”一来自航行系统或键盘；“距一邻近障碍物的距离”，诸如码头，船只，或暗礁，该距离来自副系统，诸雷射测距器，声纳，雷达，或手动输入介面，诸如键盘；及周围气压计压力，来自转换器312。
方框368中的输入包含，但不限于：来自转换器318的“入口静压力”；来自转换器320的“入口总压力”；来自温度传感器462的“入口温度”；来自转换器324的“混合室静压力”；来自转换器342的超音速注射前“气体静压力”；来自转换器344的超音速注射前“气体总压力”；来自温度传感器346的超音速注射前“气体温度”；来自转换器350的次音速注射前“气体静压力”；来自转换器352的次音速注射前“气体总压力”；来自温度传感器354的次音速注射前“气体喷流温度”；来自温度传感器464的“混合室超音速喷流温度”；来自温度传感器466的“混合室超音速喷流温度”；来自压力转换器468的“喷嘴喉部静压力”；及来自压力转换器470的“喷嘴出口静压力”。
方框370中的多通道输出包含，但不限于调节：入口罩314的“入口横断面积”；扩散器316的“发散的扩散程度”；由压缩气体产生器322所供应的“压缩气体压力”；超音速气体注射器332的“压缩气体质量流率”；次音速气体注射器334的“压缩气体质量流率”；超音速气体注射器332，次音速气体注射器334，及喷流偏向器(阅图10)间的“压缩气体分配”；喉部356的“喷嘴喉部横断面积”；出口358的“喷嘴出口横断面积”；及出口358的“喷嘴出口方向/朝向”。
如表示于方框372中，这些参数的调节进而调节包含，但不限于以下参数：经由推进装置300的“水质量流率”；“二相水/气体质量流比率”；“二相水/气体体质流比率”；推进装置300的“推力强度(功率)”；喷嘴308的“推力方向”；“船身修整角度”；“举升(CL)及牵引(CD)的水翼系数，及其间的比率(CL/CD)”；“海上船只动态性能”，诸如稳定性(滚动，纵摇，及横摇)，适航性，牵引/速度，及开动速度；推进装置300的推进效率。
如前述，FARECS 310的目的在于由海上船只的总处理特性，诸如可控制性，可操纵性，安全性，整备性，及可维护性的最优化，使推进装置300的推进潜力最佳化。FACRECS 310一般也与船只的若干动态方面相联系，包括，但不限于动力设备之RPM，作为气体压缩循环一部分的一或更多热交换器的旁通或致动，水翼的举升及牵引系数，船身的修整角度，及作用于船只上的动态负载(力及力矩)，且因此可加以扩充，以加装其他的副控制器，诸如动力设备控制器及船身动态稳定控制器。
现参考图10a及10b，图10a，10b表示依本发明的述说所构制及操作的可变形状推进装置的一第二实施例，整个标示为500。推进装置500具有与推进装置100相似的构造及操作，因此相似的元件标以相同的编号。
推进装置500具有与推进装置200相似的构造，因其包含一具有一莲蓬头578及臂580的中心体576。然而，推进装置500表示一远较推进装置200为优的性能图，因为入口504具有一可变形状，可与FARECS310相当的一FARECS 510，及由喷流偏向装置590所提供的转向能力，无需外部的移动机件，诸如一般所用的可操纵的液压箕斗。
入口504的可变形状由一锥形中心体598实现，在本行业中一般称为“鼠件(mouse)”，该鼠件以可伸缩的方式装于中心体576上。鼠件598可由致动器599在FARECS 510的控制下沿推进装置500的轴向上伸出及缩回。致动器599可为一液压致动器，气力致动器，电机械致动器等。图10a表示鼠件598在其全伸出模式中，故入口504的横断面积最小，而图10b则表示鼠件598在其全退缩模式中，故入口504的横断面积最大。鼠件598的移动可连续变化于全伸出模式至其全退缩模式之间，反之亦然。
或且，鼠件598可作选择变形，以变化其宽高比率，以调节入口罩514的横断面积及扩散器516的横断面积的变化率。鼠件598的变形可由气力，液压，或电机械装置实现。
喷流偏向装置590包含一列注射器592设置于喷嘴508周围，用以使自推进装置500排出时的二相喷流偏向；及阀594，在管线596上，该管线延伸于稳定及调节室530及注射器592之间。转向装置590在调节各阀594的FARECS 510的控制之下，且一般包含四注射器592，以使推进装置500转向，及修整船只。应注意喷流偏向装置590亦可由固定形状的二相冲压喷射发动机推进装置，例如推进装置100及200实施例。
图11a-11d表示依本发明的述说所构制及操作的一可变形状推进装置的第三实施例，整个标示为600。推进装置600具有与推进装置100相似的构造及作用，故相似的元件标以相同的编号，而额外的元件则自700开始编号。
推进装置600一般与一水翼船，水翼双体船，或装有至少一水翼的SES船的水翼成一体。水翼700包含侧壁702及704，表面706，下表面708，并经由垂直支柱710连接至船身，所有至FARECS 610的控制电缆、来自压缩气体产生器622的压缩气体管线等通过该支柱。水翼700普通包含一列推进装置600，在本情形中为六推进装置，标示为600a-600f，现参考推进装置600a，说明推进装置600a-600f的构造及操作。
现参考图11b-11d，推进装置600a的入口604，混合室606，及喷嘴608呈现为大体方形的流导管。在本情形中，与上述的构形不同，推进装置600的可变形状由调节方形流导管的宽度来实现，而非调节圆筒形流导管的直径，这由以下内容可以明白。
入口罩614的横断面积及扩散器616的横断面积的改变率由左入口壁712及右入口壁714对推进装置600a的纵轴线倾斜的角度调节。左入口壁712具有大体U形的轮廓，包含一前表面712a，构成推进装置600a的方形流导管的部份；及侧表面712b及712c，此二表面置于插入侧壁702中。右入口壁714具有大体U形的轮廓，包含一前表面714a，构成推进装置600a的方形流导管的部份；及侧表面714b及714c，此二表面置于推进装置600b的左入口壁716的侧表面716b及716c中。入口壁712，714，及716的侧表面的设置对进来的水流提供一大体连续的流体动力减阻作用。
左入口壁712的位移由整个标示为718的一入口运动机构控制，而右入口壁712的位移则由整个标示为720的一入口运动机构控制。可以看出，入口运动机构720最好也以下述的方式控制左入口壁716的位移，即，其设置使入口壁714及716的移动一致。入口偏向机构720设置于由侧壁702所提供的一空间702a内，而入口偏向机构720则设置于右入口壁714及左入口壁716间所界定的空间内。二入口运动机构718及720在FARECS  610的控制下。
入口运动机构718包含一对以可转动的方式安装的致动器722及724，用以决定入口壁712的前表面712a的倾斜角度；及以可转动的方式安装的致动器726，用以推压侧表面712b于侧壁702上。入口运动机构720包含一前致动器728，该致动器具有分别连接于前表面714a及716a的前部的臂728a及728b及一后致动器730，具有分别连接于前表面714a及716a的后部的臂730a及730b。致动器728及730的致动程度决定前表面714及716a的倾斜。
再来看混合室606，混合室606的横断面积大于入口604的横断面积，这样，流过推进装置600的水流突然膨胀，从而较大量的压缩气体可注射于其中。超音速注射器632一般制成上及下列732a及732b的收敛-发散喷嘴，该喷嘴设置于调节室630及混合室606之间，用以向混合室606的轴线倾斜注射压缩气体，而次音速气体注射器634则最好为上及下多模式穿孔板734a及734b的形式，用以向混合室606的轴线注射压缩气体。如前述，FARECS 610经由使用质量流率控制器636及638，分别调节由压缩气体产生器622所提供的压缩气体的质量气体流率，压力，及温度，及超音速气体注射器632及次音速气体注射器634间的压缩气体的分配。
与入口604同样，喷嘴608的内部形状由一左喉壁736及一右喉壁738的倾斜决定，用以调节喉部656的横断面积；并由一左出口壁740及一右出口壁742决定，用以调节出口658的横断面积。左喉壁736及左出口壁740的位移由整个标示为744的一喷嘴运动机构控制，而右喉壁738及左出口壁742的位移则由整个标示为746的一喉部运动机构控制。可以看出，喷嘴运动机构746最好也以下述方式控制推进装置600b的左喉壁748及左出口壁750，即，使喉壁738及748及出口壁742及750移动一致。二喷嘴运动机构744及746在FARECS 610的控制下。
喷嘴偏向机构744设置于由侧壁702所提供的一空间702a内，而喷嘴偏向机构746则设置于由左喉壁736及左出口壁740及右喉壁738及右出口壁742所界定的一空间内。喷嘴运动机构744包含一以可转动的方式安装的致动器752，用以决定喉壁736对枢轴754倾斜的角度；并包含一以可转动的方式安装的致动器756，用以决定出口壁740对喉壁736倾斜的角度。喷嘴运动机构746包含一具有臂758a及758b的前致动器758，上述臂分别连接于喉壁738及748的前部，及具有臂760a及760b的一后致动器760，上述臂分别连接于出口壁742及750的后部。致动器758的致动程度决定喉壁738及748的倾斜，而致动器760的致动程度则决定出口壁742及750的倾斜。
由于推进装置600不仅有助于作为船只的一举升表面，且亦不增加阻力，从而显著降低船只在约30节以上高速度上的阻力。喷流偏向的使用使船只的修整角度及水翼的流体动力举升及牵引引可加以控制，同时FARECS可与船只的动态稳定控制(滚动，纵摇，横摇)结合。
当一船只装有若干此种推进装置于诸如一水翼构造中时，一些装置的前偏向推力命令与另些装置的推力反向命令的结合产生一纯横向位移运动。前向及反向命令的不同的结合产生一纯旋转运动。
在水翼船只上，使推进喷流垂直转向产生超循环于水翼上，从而调节船只的阻力对速度特性。超循环引起流体施加于水翼上的动力举升，牵引，及力矩的变化，并经由水翼施加于整个船只上，结果，船只的修整角度以可控制的方式改变。阻力对速度特性的控制意味着船只的推进效率及经济性可由减小在任一特定巡航速度上的阻力至最低程度而大幅提高，或且，船只的停止距离可由增加在任一特定速度上的阻力至最大程度而降至最小。
而且，控制水翼的肋动力举升，水翼的阻力及力矩，及沿水翼上这些参数的横向分布的能力产生移动具有与鱼翅相似的可弯曲线的水翼的效果，确保控制船只的动态稳定性，从而提高安全，机敏，效率，及可操纵性。以此前所未有的弹性使行驶平静及顺畅，即使在大风浪中亦然，直至由船只结构及形状设计所获得的限度。因此，可使用较高的商业巡航速度，而不损及乘客的舒适或安全，不管气候如何。
总而言之，本发明所述的推进装置使船只能具有高效率，高性能，不仅在直接性能，诸如速度，适航性，及可操纵性方面，且在可靠性，人类工程，使用者友善性，及可维护性方面超过任何现有的船只。
虽本发明已以有限的实施例来作说明，但很显然可作许多改变，修改，及其他的应用。

Claims (30)

1、一种二相冲压喷射发动机推进装置，包含：(a)一入口，用以接受水流；(b)压缩气体注射装置，用以注射压缩气体于该水流中；(c)一混合室，用以混合压缩气体及该水流，以提供一二相工作流体流；及(d)一喷嘴，用以加速二相工作流体流，以产生一二相喷流流，其特征为压缩气体注射装置包含一超音速气体注射器。
2、如权利要求1所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，混合室的横断面积大于上述入口的出口的横断面积。
3、如权利要求1所述的冲压喷射发动机推进装置，压缩气体喷射装置包含环形莲蓬头，穿孔的圆周套筒，中心体莲蓬头，至少一径向支持臂，至少一列喷嘴，及至少一穿孔板，一次音速气体注射器，至少一涡旋轮叶，不同大小的多个孔，及不同形状的多个孔所构成的组中的至少一个组元。
4、如权利要求1所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，压缩气体注射装置以不同的注射率注射气体流的各部分。
5、如权利要求1所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，推进装置包含一压力转换器，用以测量周围压力，入口的水压力，压缩气体注射装置中的注射压缩气体的静压力，压缩气体注射装置中注射前压缩气体的总压力，混合室中二相流的压力，喷嘴的喉部处的二相喷流的压力，及喷嘴的出口处的二相喷流的压力所构成组中的至少一个组元。
6、如权利要求1所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，推进装置包含一温度传感器，用以测量水的周围温度，注射前压缩气体的温度，及注射后压缩气体的温度所构成组中的至少一个组元。
7、如权利要求1所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，推进装置包含控制装置，用以控制压缩气体的压力，压缩气体的质量流率，压缩气体注射装置间的压缩气体的分配，压缩气体的温度，入口的横断面积，入口的横断面积的变化率，喷嘴的喉部的横断面积，喷嘴的出口的横断面积，喷嘴的方向，及喷流偏向装置的操作所构成组中的至少一个组元。
8、如权利要求1所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，入口具有一可选择变化的内部形状。
9、如权利要求1所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，入口包含一入口罩，入口罩具有一可选择变化的横断面积。
10、如权利要求9所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，入口包含多片重叠的锥形节片，以能选择变化入口罩的横断面积。
11、如权利要求9所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，推进装置包含一鼠件，可沿推进装置的轴线上位移，以能选择变化的入口罩的横断面积。
12、如权利要求9所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，推进装置包含至少一可位移的入口壁，以能选择变化的入口罩的横断面积。
13、如权利要求9所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，入口罩的横断面积可选择变化于约为混合室的横断面积的10分之一至约为混合室的积断面积的一半之间。
14、如权利要求8所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，入口包含一扩散器，具有沿推进装置的纵轴线上的横断面积的可选择变化的可变率。
15、如权利要求14所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，该扩散器包含多片重叠的锥形节片，以能选择变化扩散器的横断面积的改变率。
16、如权利要求14所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，推进装置包含一鼠件，可沿推进装置的轴线上位移，以能选择变化扩散器的横断面积的变化率。
17、如权利要求14所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，推进装置包含至少一可位移的入口壁，以能选择变化扩散器的横断面积的变化率。
18、如权利要求14所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，扩散器的发散角度可选择变化于约-10°及约10°之间。
19、如权利要求1所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，喷嘴具有可选择变化的形状。
20、如权利要求19所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，喷嘴包含一喉部，该喉部具有可选择变化的横断面积。
21、如权利要求20所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，喷嘴包含多片重叠的锥形节片，以能选择变化横断面积。
22、如权利要求20所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，喷嘴包含至少一可位移的喉壁，以使上述的横断面积可以变化。
23、如权利要求20所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，喷嘴的喉部的横断面积可选择变化于约为混合室的横断面积的3分之一及大致约与混合室相同的横断面积之间。
24、如权利要求19所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，上述喷嘴包括一出口，该出口具有可选择变化的横断面积。
25、如权利要求24所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，上述喷嘴包含多片重叠的锥形节片，以能选择变化其横断面积。
26、如权利要求24所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，  喷嘴包含至少一可位移的出口壁，以使上述的横断面积可以选择地变化。
27、如权利要求24所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，出口的横断面积可选择变化于约为混合室的横断面积的4分之一及约稍大于混合室的横断面积之间。
28、如权利要求24所述的冲压喷射发动机推进装置，其中，推进装置包含喷流偏向装置，用以使二相喷流偏向。
29、一种水下二相冲压喷射发动机推进装置，包含：(a)一入口，用以接受水流；(b)压缩气体注射装置，用以注射压缩气体及该水流，以提供一二相工作流体流；(c)一混合室，用于混合上述压缩空气和上述水流以提供一二相工作流体流；及(d)一喷嘴，用以加速二相工作流体流，以产生一二相喷流流，其特为该入口具有一可选择变化的内部形状。
30、一种水下二相冲压喷射发动机推进装置，包含：(a)一入口，用以接受水流；(b)压缩气体注射装置，用以注射压缩气体于该水流中：(c)一混合室，用以混合压缩气体及该水流，以提供一二相工作流体流；及(d)一喷嘴，用以加速二相工作流体流，以产生一二相喷流流，其特征为该喷嘴具有一可选择变化的内部形状。
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