CN116080881A - 含有不凝气的两相冲压水下推进系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含有不凝气的两相冲压水下推进系统，包括两相冲压水下推进器、蒸汽发生器以及不凝气产生装置；两相冲压水下推进器包括进气组件、蒸汽流道及不凝气流道；进气组件的前端包括进水流道；蒸汽流道与进气组件的轴心线垂直地设置在进气组件的侧壁上，蒸汽流道的出气端设置在进气组件的尾端；不凝气流道包覆在蒸汽流道的外围，不凝气通过蒸汽流道的外壁与不凝气流道的内壁之间进入到进水流道内；蒸汽发生器的出气口与蒸汽流道的进气端连通；不凝气产生装置的出气口与不凝气流道的进气端连通。通过采用蒸汽作为动力源，基于蒸汽‑水直接接触冷凝增压原理实现推进功能，并通过注入微量不凝气提升推进效率与稳定性。

Description

含有不凝气的两相冲压水下推进系统

技术领域

本发明是关于水下推进装置领域，特别是关于一种含有不凝气的两相冲压水下推进系统。

背景技术

当前常用的水下推进方式包括螺旋桨式推进器(螺旋桨、泵喷等)与喷水推进器，两种推进方式均通过旋转叶片实现液体增压以达到推进的目的，均存在以下两方面问题：1)由于存在旋转部件，因空化的限制导致这两种推进方式存在航速制约，不适宜于近水面的高速航行器；2)由于存在旋转部件，因此其发生故障的概率明显提升，特别的，当水中存在大量较大快杂质或网状杂物等时，可能出现叶片撞击、缠绕等损伤，导致推进器功能降低甚至失效。

水下两相推进概念源于空气喷射推进装置，例如冲压式喷气发动机、脉冲式喷气发动机以及涡轮式喷气发动机等。水下两相推进器的燃料通常是可压缩的气体，有些情况下是水反应化合物。水下两相推进装置通过将气体势能转换为轴向动能来产生推力，可压缩的气泡注入工作介质水中，气泡膨胀对水做功，两相混合物经喷管高速喷出从而产生推力。这种推进装置的一个显著优点是它没有可活动的机械部件，省去了轴系、齿轮等复杂结构，容许在舰船内部空间进行柔性设计。水下两相冲压发动机和水没有接触的活动部件，是一个相对比较简单的装置系统。水进入扩张段后速度降低，静压增高，在混合腔入口处通入高压气体，通气的压力高于水的压力，气体与水混合形成泡状气液两相流。沿着喷管轴向，混合物压力降低，气泡膨胀，气液两相泡状混合物做加速运动。气泡膨胀对谁做功，形成高速水射流，进而产生推力。

但是水下两相推进器对于作为燃料的可压缩气体具有一定要求，普通的可压缩气体在海水与蒸汽温度范围内，也许会出现物理性质明显变化，或者与海水发生反应，在海水中有一定的溶解度，在工作中也许会产生一定的杂质或网状杂物等，对于推进器本身的工作产生一定的影响。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含有不凝气的两相冲压水下推进系统，其采用蒸汽作为动力源，基于蒸汽-水直接接触冷凝增压原理实现推进功能，并通过注入微量不凝气提升推进效率与稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了一种含有不凝气的两相冲压水下推进系统，包括两相冲压水下推进器、蒸汽发生器以及不凝气产生装置；两相冲压水下推进器包括进气组件、蒸汽流道及不凝气流道；进气组件的前端包括进水流道；蒸汽流道与进气组件的轴心线垂直地设置在进气组件的侧壁上，蒸汽流道的出气端设置在进气组件的尾端；不凝气流道包覆在蒸汽流道的外围，不凝气通过蒸汽流道的外壁与不凝气流道的内壁之间进入到进水流道内；蒸汽发生器的出气口与蒸汽流道的进气端连通；不凝气产生装置的出气口与不凝气流道的进气端连通。

在一优选的实施方式中，两相冲压水下推进器还包括内流道组件、前部组件以及尾喷组件；内流道组件可拆卸地且与进气组件同轴地嵌设在进气组件的中心通道内；前部组件的后端可拆卸地与进气组件和内流道组件的前端连接，进水流道同轴地设置在内流道组件和前部组件内部；尾喷组件的前端可拆卸地与进气组件的后端连接；其中内流道组件、前部组件、进气组件以及尾喷组件同轴设置。

在一优选的实施方式中，内流道组件包括多组不凝气排气孔，其均匀环设在内流道组件的侧壁上，每组不凝气排气孔沿着内流道组件的轴线方向排列。

在一优选的实施方式中，每组不凝气排气孔的孔径自内流道组件的前端向后端逐渐增大，且不凝气排气孔的轴线与进水流道的轴线相夹一个倾角。

在一优选的实施方式中，不凝气经过不凝气流道和不凝气排气孔后进入到进水流道内。

在一优选的实施方式中，进气组件还包括蒸汽超音速流道，其环设在进气组件的侧壁内，蒸汽超音速流道的一端与蒸汽流道连通，另一端从进气组件的尾端与尾喷组件连通。

在一优选的实施方式中，尾喷组件包括混合腔以及尾喷管；混合腔设置在尾喷组件的前部，混合腔与蒸汽超音速流道连通；尾喷管设置在尾喷组件的后部，尾喷管呈前小后大的扩口结构，尾喷管与混合腔同轴设置。

在一优选的实施方式中，尾喷组件还包括多个水流交换孔，其均匀分布地设置在尾喷组件的混合腔处的外壁上。

在一优选的实施方式中，含有不凝气的两相冲压水下推进系统还包括蒸汽调节阀，其设置在蒸汽调节阀的出气口与蒸汽流道的进气端的连接处，蒸汽流道用以调节进气进入蒸汽流道的流量。

在一优选的实施方式中，含有不凝气的两相冲压水下推进系统还包括不凝气调节阀，其设置在不凝气产生装置的出气口与不凝气流道的进气端的连接处，不凝气调节阀用以调节不凝气进入不凝气流道的流量。

与现有技术相比，本发明的含有不凝气的两相冲压水下推进系统具有以下有益效果：新型两相冲压推进装置采用蒸汽作为动力源，基于蒸汽-水直接接触冷凝增压原理实现推进功能，并通过注入微量空气提升推进效率与稳定性。新型两相冲压推进装置结构复杂，包含空气注入孔、蒸汽喷管、蒸汽流道、空气流道、尾喷管等复杂的局部结构，同时紧凑布置导致其一体化加工难度高，特别是内部不凝气排气孔难以加工。相比于传统的螺旋桨式推进器或喷水推进器，本专利提出的两相冲压水下推进系统结构简单，无旋转部件，在抗空化方面具有明显优势，可以适用于高速航行器；本专利提出的推进系统没有旋转部件、轴承等复杂部件，在可靠性方面也显著提升，且中间较大面积流道结构不惧海水中大块杂物；此外，面向核能驱动的大型航行器，本专利提出的推进系统可以直接利用核热产生的蒸汽，不需要中间复杂的热电转换系统，可以提升核能驱动的大型航行器动力系统的功率密度。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的两相冲压水下推进系统的结构布置示意图；

图2是根据本发明一实施方式的两相冲压水下推进器的主视剖视示意图；

图3是根据本发明一实施方式的两相冲压水下推进器的侧视示意图；

图4是根据本发明一实施方式的两相冲压水下推进器的俯视示意图。

主要附图标记说明：

1-蒸汽发生器，2-不凝气产生装置，3-蒸汽调节阀，4-不凝气调节阀，5-蒸汽流道，6-不凝气流道，7-蒸汽超音速流道，8-进水流道，9-不凝气排气孔，10-不凝气排气道，11-水流交换孔，12-混合腔，13-尾喷管，20-内流道组件，30-前部组件，40-近进气组件，50-尾喷组件。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，根据本发明优选实施方式的一种含有不凝气的两相冲压水下推进系统，包括两相冲压水下推进器、蒸汽发生器1以及不凝气产生装置2；两相冲压水下推进器包括进气组件40、蒸汽流道5及不凝气流道6；进气组件40的前端包括进水流道8；蒸汽流道5与进气组件40的轴心线垂直地设置在进气组件40的侧壁上，蒸汽流道5的出气端设置在进气组件40的尾端；不凝气流道6包覆在蒸汽流道5的外围，不凝气通过蒸汽流道5的外壁与不凝气流道6的内壁之间进入到进水流道8内；蒸汽发生器1的出气口与蒸汽流道5的进气端连通；不凝气产生装置2的出气口与不凝气流道6的进气端连通。

在一些实施方式中，本实施例的不凝气产生装置2采用的是高压气瓶，高压气瓶是航行器携带的高压气瓶，由于控制注入量相对不大，为了简化推进系统组成，航行器可以在每次出航前更换高压气瓶的方式保证不凝气供应。当然航行器也可以配置专门的不凝气产生装置2实现不凝气供应。同时，本发明指的不凝气指不与海水反应，在海水与蒸汽温度范围内不出现物理性质明显变化，在海水中溶解度较低的气体，可以是空气、氮气等。

如图1至图4所示，在一些实施方式中，两相冲压水下推进器还包括内流道组件20、前部组件30以及尾喷组件50；内流道组件20可拆卸地且与进气组件40同轴地嵌设在进气组件40的中心通道内；前部组件30的后端可拆卸地与进气组件40和内流道组件20的前端连接，进水流道8同轴地设置在内流道组件20和前部组件30内部；尾喷组件50的前端可拆卸地与进气组件40的后端连接；其中内流道组件20、前部组件30、进气组件40以及尾喷组件50同轴设置。

在一些实施方式中，内流道组件20包括多组不凝气排气孔9，其均匀环设在内流道组件20的侧壁上，每组不凝气排气孔9沿着内流道组件20的轴线方向排列。每组不凝气排气孔9的孔径自内流道组件20的前端向后端的海水流动方向逐渐增大，且不凝气排气孔9的轴线与进水流道8的轴线相夹一个倾角，该倾角一般介于30°～60°范围内。其中不凝气经过不凝气流道6和不凝气排气孔9后进入到进水流道8内。

在一些实施方式中，进气组件40还包括蒸汽超音速流道7，其环设在进气组件40的侧壁内，蒸汽超音速流道7的一端与蒸汽流道5连通，另一端从进气组件40的尾端与尾喷组件50连通。本实施例的蒸汽超音速流道7采用拉瓦尔喷管，具有先收缩-后扩张的流道，可以将蒸汽加速到超音速状态，用于下游形成凝结激波增压，实现推进功能。

在一些实施方式中，尾喷组件50包括混合腔12以及尾喷管13；混合腔12设置在尾喷组件50的前部，混合腔12与蒸汽超音速流道7连通；尾喷管13设置在尾喷组件50的后部，尾喷管13呈前小后大的扩口结构，尾喷管13与混合腔12同轴设置。其中尾喷管13设计为扩张形状，以进一步实现海水增压，提升推进效率。

在一些实施方式中，尾喷组件50还包括多个水流交换孔11，其均匀分布地设置在尾喷组件50的混合腔12处的外壁上。水流交换孔11的设计目的是为了提升蒸汽与海水直接接触面积，提升推进效果。推进器外部的海水通过水流交换孔11与内部蒸汽直接接触，且包含从不凝气排气道10流出的不凝气体实现流动控制，形成稳定的凝结激波。同时，为了防止蒸汽与不凝气直接泄漏到推进器外部，因此水流交换孔11设计为小孔分布形状，而不是大面积通孔。

在一些实施方式中，含有不凝气的两相冲压水下推进系统还包括蒸汽调节阀3，其设置在蒸汽调节阀3的出气口与蒸汽流道5的进气端的连接处，蒸汽流道5用以调节进气进入蒸汽流道5的流量。

在一些实施方式中，含有不凝气的两相冲压水下推进系统还包括不凝气调节阀4，其设置在不凝气产生装置2的出气口与不凝气流道6的进气端的连接处，不凝气调节阀4用以调节不凝气进入不凝气流道6的流量。

在一些实施方式中，本发明的含有不凝气的两相冲压水下推进系统的工作原理大致如下：

1)高温高压蒸汽通过蒸汽调节阀3、蒸汽流道5、蒸汽超音速流道7后，以超音速状态喷入推进器内(请参阅图2中的白色箭头示意方向)。

2)不凝气通过不凝气调节阀4、不凝气流道6，并分别通过不凝气排气孔9与不凝气排气道10进入推进器内(请参阅图2中的黑色箭头示意方向)。

3)海水通过进水流道8进入推进器内，首先与流出不凝气排气孔9的不凝气接触，不凝气弥散在海水中，形成微气泡，并主要分布在进水流道8中的海水外围；含有不凝气的海水继续往下游流动，接触超音速蒸汽，发生蒸汽-水直接接触冷凝现象，在不凝气的调控作用下在混合腔12中形成稳定的凝结激波，实现海水压力突增。

4)同时，从水流交换孔11进来的海水也在推进器内壁处与蒸汽直接接触，在从不凝气排气道10流出的不凝气的调控作用下形成凝结激波，进一步提升蒸汽增压效果。

5)通过蒸汽-水直接接触冷凝之后，蒸汽变成水融入海水。经增压的海水通过尾喷管13进一步实现海水增压，流出推进器产生推力。

6)需要说明的是，如果不引入不凝气，仅喷射蒸汽进入海水中，也能产生推力效果。但是由于蒸汽与海水直接接触冷凝过程流动剧烈，在航行器实际运行过程中难以形成稳定的凝结激波，可能导致推进器的稳定性受到影响。因此本专利引入不凝气作为调控手段，通过调节不凝气的流量实现对蒸汽凝结过程的有效调控，从而在实际运行过程中形成稳定的凝结激波，实现稳定的推进效果。

综上所述，本发明的含有不凝气的两相冲压水下推进系统具有以下优点：新型两相冲压推进装置采用蒸汽作为动力源，基于蒸汽-水直接接触冷凝增压原理实现推进功能，并通过注入微量空气提升推进效率与稳定性。新型两相冲压推进装置结构复杂，包含空气注入孔、蒸汽喷管、蒸汽流道、空气流道、尾喷管等复杂的局部结构，同时紧凑布置导致其一体化加工难度高，特别是内部不凝气排气孔难以加工。相比于传统的螺旋桨式推进器或喷水推进器，本专利提出的两相冲压水下推进系统结构简单，无旋转部件，在抗空化方面具有明显优势，可以适用于高速航行器；本专利提出的推进系统没有旋转部件、轴承等复杂部件，在可靠性方面也显著提升，且中间较大面积流道结构不惧海水中大块杂物；此外，面向核能驱动的大型航行器，本专利提出的推进系统可以直接利用核热产生的蒸汽，不需要中间复杂的热电转换系统，可以提升核能驱动的大型航行器动力系统的功率密度。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种含有不凝气的两相冲压水下推进系统，其特征在于，包括：

两相冲压水下推进器，其包括：

进气组件，其前端包括进水流道；

蒸汽流道，其与所述进气组件的轴心线垂直地设置在所述进气组件的侧壁上，所述蒸汽流道的出气端设置在所述进气组件的尾端；及

不凝气流道，其包覆在所述蒸汽流道的外围，不凝气通过所述蒸汽流道的外壁与所述不凝气流道的内壁之间进入到进水流道内；

蒸汽发生器，其出气口与所述蒸汽流道的进气端连通；以及

不凝气产生装置，其出气口与所述不凝气流道的进气端连通。

2.如权利要求1所述的含有不凝气的两相冲压水下推进系统，其特征在于，所述两相冲压水下推进器还包括：

内流道组件，其可拆卸地且与所述进气组件同轴地嵌设在所述进气组件的中心通道内；

前部组件，其后端可拆卸地与所述进气组件和所述内流道组件的前端连接，所述进水流道同轴地设置在所述内流道组件和所述前部组件内部；以及

尾喷组件，其前端可拆卸地与所述进气组件的后端连接；

其中所述内流道组件、所述前部组件、所述进气组件以及所述尾喷组件同轴设置。

3.如权利要求2所述的含有不凝气的两相冲压水下推进系统，其特征在于，所述内流道组件包括多组不凝气排气孔，其均匀环设在内流道组件的侧壁上，每组所述不凝气排气孔沿着所述内流道组件的轴线方向排列。

4.如权利要求3所述的含有不凝气的两相冲压水下推进系统，其特征在于，每组所述不凝气排气孔的孔径自所述内流道组件的前端向后端逐渐增大，且所述不凝气排气孔的轴线与进水流道的轴线相夹一个倾角。

5.如权利要求3所述的含有不凝气的两相冲压水下推进系统，其特征在于，不凝气经过不凝气流道和不凝气排气孔后进入到所述进水流道内。

6.如权利要求3所述的含有不凝气的两相冲压水下推进系统，其特征在于，所述进气组件还包括蒸汽超音速流道，其环设在所述进气组件的侧壁内，所述蒸汽超音速流道的一端与所述蒸汽流道连通，另一端从所述进气组件的尾端与所述尾喷组件连通。

7.如权利要求6所述的含有不凝气的两相冲压水下推进系统，其特征在于，所述尾喷组件包括：

混合腔，其设置在所述尾喷组件的前部，所述混合腔与所述蒸汽超音速流道连通；以及

尾喷管，其设置在所述尾喷组件的后部，所述尾喷管呈前小后大的扩口结构，所述尾喷管与所述混合腔同轴设置。

8.如权利要求7所述的含有不凝气的两相冲压水下推进系统，其特征在于，所述尾喷组件还包括多个水流交换孔，其均匀分布地设置在所述尾喷组件的所述混合腔处的外壁上。

9.如权利要求2所述的含有不凝气的两相冲压水下推进系统，其特征在于，还包括蒸汽调节阀，其设置在所述蒸汽调节阀的出气口与所述蒸汽流道的进气端的连接处，所述蒸汽流道用以调节进气进入所述蒸汽流道的流量。

10.如权利要求2所述的含有不凝气的两相冲压水下推进系统，其特征在于，还包括不凝气调节阀，其设置在所述不凝气产生装置的出气口与所述不凝气流道的进气端的连接处，所述不凝气调节阀用以调节不凝气进入所述不凝气流道的流量。

Images