專利名稱：一種高速高效的噴水推動技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明專利涉及一種高速高效的噴水推動技術，可用于船舶、艦艇、潛艇等水面或水下裝置的噴水推動。
背景技術：
水面或水下裝置，包括船舶、艦艇、潛艇等，現(xiàn)在主要采用螺旋槳推進和傳統(tǒng)的噴水推進兩種方式。其中螺旋槳推進在低速推進階段時傳動效率比傳統(tǒng)噴水推進效率高，但是難以滿足高速推進的要求，并且高速推進情況下，其傳動效率與傳統(tǒng)噴水推進相比失去優(yōu)勢。螺旋槳高速推進時，螺旋槳更易產(chǎn)生空泡和空泡剝蝕，嚴重的可在幾個小時內(nèi)破壞螺旋槳的葉片，同時產(chǎn)生很大噪聲[1’2]。為了改善螺旋槳推動的問題，只有提高螺旋槳的制造和加工精度，結(jié)構復雜化，但終究不能避免噪聲大的缺點，這恰是現(xiàn)在艦艇和潛艇所不容許的。傳統(tǒng)的噴水推進由原動機及傳動裝置、推進水泵、管道系統(tǒng)、舵及倒航組合操縱設備等部分組成[3]。原動機產(chǎn)生的能量經(jīng)過復雜減速傳動裝置，傳遞給推進水泵產(chǎn)生動力，整個傳遞過程的綜合機械效率不高。此外，具有高效率和超高功率的推進水泵的研究開發(fā)是一項技術難題?？墒菄娝七M具有工作平穩(wěn)且振動噪音低，操縱性和動力定位性能優(yōu)異，日常維護和保養(yǎng)較為簡易，具有高速推進能力等優(yōu)點，噴水推進方式是未來高速或超高速的艦船和潛艇主要推動方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要目的是提供一種新型的傳動過程簡單，噪聲小，具有高效率和大功率的噴水推進技術。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是1、燃料可以采用汽油、柴油、天然氣、 氫氣等，在爆炸燃燒室中充分燃燒或者快速爆炸燃燒；2、噴水管道與燃燒室通過閥接通，噴水管道分別與進水管道和排氣管道通過閥接通，噴水管道采用較好保溫材料；3、噴水管道通過進水管道進水，燃燒室爆炸燃燒后產(chǎn)生的高溫高壓氣體，使噴水管道形成高速射流，高溫氣體膨脹時與噴水管道接觸面積小，熱交換少，接近于等溫膨脹；4、高速射流進入導流管中，導流管中包括壓水機、發(fā)電機、渦輪和主軸，高速射流流出導流管產(chǎn)生推進動力，過程中帶動渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪、發(fā)電機和壓水機安裝于主軸，帶動主軸旋轉(zhuǎn)的同時壓水機和發(fā)電機工作。5、壓水機把外部的水吸收到導流管中并且產(chǎn)生一定的壓力，進水管道的另一端通過進水增壓泵與導流管相連且位于壓水機之后，發(fā)電機產(chǎn)生電能供給控制系統(tǒng)和蓄電池；6、高溫高壓氣體膨脹結(jié)束后，氣體內(nèi)能大部分轉(zhuǎn)化為射流的動能，噴水管道通過壓水機之后的進水管道進水中，同時噴水管道內(nèi)膨脹后的氣體受進水水壓作用流向出氣管道，為下一個循環(huán)準備；7、噴水管道進水排氣的同時，爆炸燃燒室新鮮進氣氣流產(chǎn)生掃氣作用，把廢氣從排氣口排出，為下一個循環(huán)準備；8、出氣管道和排氣口的廢氣合流，合流管道中利用剩余的內(nèi)能和動能推動增壓渦輪，增壓渦輪給爆炸燃燒室進入得新鮮空氣增壓，提到空燃比；9、進水增壓泵在噴水管道進水時提供進水壓力水頭，在噴水管道形成射流時其泵出水流通過噴水管道與射流一起流入導流管；10、在啟動時，發(fā)電機由其控制器作用下當電動機，由蓄電池帶動，并帶動主軸旋轉(zhuǎn)，點火系統(tǒng)以及其它電控系統(tǒng)由蓄電池供電，當啟動后發(fā)電機產(chǎn)生電能給蓄電池充電，并供電給所有電控系統(tǒng)；11、當需要瞬時大功率推進時，可使蓄電池組和噴水推進系統(tǒng)共同實現(xiàn)混合動力推進；12、在實際應用中，導流管中應采用多套爆炸燃燒室和噴水管系統(tǒng)，以4、6和8套為宜。


共有6幅。圖1是本發(fā)明的噴水推進原理圖。圖2是導流管周圍四套推進結(jié)構的剖視圖。圖3是本發(fā)明的電控系統(tǒng)原理圖。圖4是廢氣合流渦輪增壓原理圖。圖5是導流管剖視圖。圖6是導流管局部放大圖I。圖中1是爆炸燃燒室進氣口，2是爆炸燃燒室，3是流體凸臺，4是爆炸燃燒室排氣閥，5是爆炸燃燒室排氣口，6是排氣管道排氣閥，7是排氣管道，8是噴水管道I，9是噴水管道II，10是進水管道進水單向閥，11是進水增壓泵，12是進水管道，13是壓水機，14是導流管，15是主軸，16是渦輪，17是發(fā)電機轉(zhuǎn)子，18是發(fā)電機定子，19是噴水管II出水閥，20 是噴水管道I進氣閥，21是爆炸燃燒室氣體膨脹出口，22是點火裝置，23是綜合控制器，24 是發(fā)電機和電動機模式選擇器，25是電動機模式控制器J6是蓄電池放電控制器，27是蓄電池組，28是蓄電池充電控制器，29是發(fā)電機模式控制器，30是進水增壓泵，31是點火控制器，32是爆炸燃燒室進氣管，33是進氣管增壓渦輪，34是渦輪軸，35是空氣凈化器，36是排氣管動力渦輪，37是渦輪殼，38是導流管噴水口，39是導流管定子槽，40是噴水管道II安裝孔，41是進水管道安裝孔，42是導流管進水口，43是燃料電池控制器，44是燃料電池組。
具體實施例方式參照附圖，發(fā)明內(nèi)容提出的新型的低噪聲、高效率和大功率的噴水推進技術的具體實施方式
如下。在圖1中，a:爆炸燃燒室(2)的結(jié)構包括爆炸燃燒室進氣口(1)，流體凸臺(3)， 爆炸燃燒室排氣閥(4)，爆炸燃燒室排氣口(5)，爆炸燃燒室氣體膨脹出口(21)和點火裝置 (22)。其中流體凸臺(3)有兩個功能，一個是在爆炸燃燒室進氣口(1)進氣時利用流體動力學具有把廢氣通過爆炸燃燒室排氣閥(4 )和爆炸燃燒室排氣口( 5 )掃出爆炸燃燒室(2 )，另一個是實現(xiàn)空氣和燃料的充分混合得到完全燃燒。燃料和新鮮空氣混合后從爆炸燃燒室進氣口( 1)進入爆炸燃燒室(2 )，如若燃料必須噴射進入爆炸燃燒室(2 )，則對爆炸燃燒室(2 ) 中安裝燃料噴射器；b 爆炸燃燒室氣體膨脹出口(21)下部通過噴水管道I進氣閥(20)與噴水管道I (8)接通。噴水管道I (8)上部另外通過排氣管道排氣閥(6)與排氣管道(7) 連通。噴水管道I (8)下部與噴水管道II (9)連通，噴水管道II (9)通過噴水管II出水閥(19)接入導流管(14)。進水管道(12) 一端與導流管(14)相連，另一端連接進水增壓泵(11)之后通過進水管道進水單向閥(10)與噴水管道I (8)相通。爆炸燃燒室(2)劇烈燃燒后產(chǎn)生的高溫高壓氣體通過爆炸燃燒室氣體膨脹出口(21)和噴水管道I進氣閥(20)進入噴水管道1(8)，噴水管道I (8)中在此之前已經(jīng)充滿了水，內(nèi)部的水在高溫高壓氣體快速膨脹作用下產(chǎn)生高速水射流，高速水射流經(jīng)過噴水管II出水閥(19)進入噴水管道II (9)，之后高速水射流進入導流管(14) ；c 在高溫高壓氣體膨脹過程中，氣體的熱能和內(nèi)能轉(zhuǎn)化為水射流的動能。轉(zhuǎn)化到一定程度時，關閉噴水管道I進氣閥(20)和噴水管II出水閥(19)， 打開爆炸燃燒室排氣閥(4 )、排氣管道排氣閥(6 )和進水管道進水單向閥(10 )。爆炸燃燒室進氣口(1)打開進入新鮮空氣和燃料混合氣，同時廢氣通過爆炸燃燒室排氣閥(4)進入爆炸燃燒室排氣口(5)。此時噴水管道I (8)內(nèi)由于水的密度大于氣體的密度，下部是水，上部是廢氣。進水管道(12)中的水在進水增壓泵(11)提供的壓力水頭加壓之后經(jīng)過進水管道進水單向閥(10)從噴水管道I (8)的下部進入噴水管道I (8)，而噴水管道I (8)上部的氣體在進水壓力作用下經(jīng)過排氣管道排氣閥(6 )進入排氣管道(7 ) ； d 噴水管道I (8 )的外形設計為螺旋型，一方面減小射流在噴水管道I (8)中的流動阻力，另一方面使噴水管道 I (8)占用最小空間獲得最大長度來儲存更多的水形成更多穩(wěn)定水射流。噴水管道I (8) 也可以設計為螺旋形纏繞在導流管(14)外壁，以優(yōu)化整體設計的布局和尺寸。噴水管道I (8)的材料是絕熱材料或者具有很好絕熱功能，或者是噴水管道I (8)外壁增加保溫設計， 以保證爆炸燃燒室(2)中產(chǎn)生的高溫高壓氣體接近于絕熱膨脹；e 導流管(14)的結(jié)構包括導流管噴水口(38)、導流管定子槽(39)、噴水管道II安裝孔(40)、進水管道安裝孔(41)和導流管進水口(42)。其中導流管定子槽(39)中安裝發(fā)電機定子(18)，噴水管道II (9)和進水管道(12)分別安裝在噴水管道II安裝孔(40)和進水管道安裝孔(41)。導流管(14) 管體內(nèi)部的結(jié)構包括壓水機(13)、主軸(15)和渦輪(16)。在主軸(15)上設計與電機定子 (18)相對應的發(fā)電機轉(zhuǎn)子(17)。噴水管道II (9)中的水射流高速射入導流管(14)，導流管
(14)應由多套爆炸燃燒室和噴水管系統(tǒng)共用，取4、6和8套為宜，以主軸(15)的中心沿著導流管外部對稱均勻分布；f 多個水射流合流以后從導流管噴水口(38)快速噴出，根據(jù)動量定理獲得水下或水面推進器的動力。多個水射流噴出導流管(14)的同時推動渦輪(16) 轉(zhuǎn)動，渦輪(16)帶動主軸(15)上的壓水機(13)和發(fā)電機轉(zhuǎn)子(17)轉(zhuǎn)動。壓水機(13)的轉(zhuǎn)動可以在導流管進水口(42)產(chǎn)生吸水作用，發(fā)電機轉(zhuǎn)子(17)與電機定子(18)的相對轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電能，以供推進系統(tǒng)使用。 在圖3中，a:綜合控制器(23)的功能是實現(xiàn)各子模塊控制器的協(xié)調(diào)工作，并實現(xiàn)對爆炸燃燒室排氣閥(4)、排氣管道排氣閥(6)、進水管道進水單向閥(10)、噴水管II出水閥(19)、噴水管道I進氣閥(20)和進水增壓泵(11)實時控制。發(fā)電機和電動機模式選擇器(24)是選擇轉(zhuǎn)子和定子組成的系統(tǒng)工作于發(fā)電機模式或者電動機模式；b 在噴水推進器啟動時，綜合控制器(23 )使發(fā)電機和電動機模式選擇器(24 )處于電動機模式，使蓄電池放電控制器(26)工作，蓄電池組(27)通過電動機模式控制器(25)帶動電動機工作使主軸
(15)旋轉(zhuǎn)，同時壓水機(13)和渦輪(16)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定噴水推力，使推進器實現(xiàn)啟動，這時蓄電池組(27)給整個電控系統(tǒng)控制器、進水增壓泵(11)、點火控制器(31)和各管道截止閥供電；c 噴水推進器啟動完成后，綜合控制器(23)使發(fā)電機和電動機模式選擇器(24)處于發(fā)電機模式，渦輪(16)帶動壓水機(13)和主軸(15)旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機發(fā)出電能，在發(fā)電機模式控制器(29)和蓄電池充電控制器(28)的作用下給蓄電池組(27)充電，這時發(fā)電機給整個電控系統(tǒng)控制器、進水增壓泵(11)、點火控制器(31)和各管道截止閥供電；d:噴水推進器需要瞬時大功率推進或大加速度時，綜合控制器(23)使發(fā)電機和電動機模式選擇器(24) 處于電動機模式，使蓄電池組(27 )通過蓄電池放電控制器(26 )和電動機模式控制器(25 ) 帶動電動機工作，加速主軸(15)旋轉(zhuǎn)，使壓水機(13)和渦輪(16)加速旋轉(zhuǎn)，壓水機(13)對前方的水的吸力增大，渦輪(16)對流經(jīng)的多股混合水射流加速，使噴出的導流管(14)獲得更大的速度，噴水推進器獲得更大推力；e 燃料電池控制器(43)在綜合控制器(23)的協(xié)調(diào)作用下，對燃料電池組(44)的工作方式進行控制。在噴水推進器的啟動、正常工作和瞬時加速，多種狀況下，燃料電池組(44)可以輸出額外大功率，帶動電動機高速工作，主軸(15)、 壓水機(13)和渦輪(16)高速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)噴水推進器高速推動。燃料電池組(44)和蓄電池組(27 )作為推進動力工作，而爆炸燃燒室(2 )不工作，為超靜音工作模式。在圖4中，爆炸燃燒室排氣口(5)和排氣管道(7)中的廢氣還有一定量可利用的熱能和內(nèi)能?；旌虾蟮膹U氣在排向外部之前流經(jīng)排氣管動力渦輪(36 )，使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，廢氣中可利用的能量轉(zhuǎn)化為推動排氣管動力渦輪(36)旋轉(zhuǎn)的動力，同時帶動渦輪軸(34)以及渦輪軸(34)上的進氣管增壓渦輪(33)旋轉(zhuǎn)，提高能量利用效率。進氣管增壓渦輪(33) 把經(jīng)過空氣凈化器(35)凈化的空氣進行渦輪增壓送入爆炸燃燒室進氣管(32)，增壓后的空氣可提高爆炸燃燒室(2 )中的空燃比，使燃燒更加充分和完全。本發(fā)明的有益效果是。(1)效率高新型噴水推進技術沒有傳動軸系和齒輪系，較少了機械損失；高溫高壓氣體類似絕熱膨脹產(chǎn)生高速水射流，絕熱膨脹時可使能量利用率最大化；廢氣合流渦輪增壓系統(tǒng)進一步提高廢氣能量的利用率。基于以上三點本發(fā)明的新型噴水推進系統(tǒng)效率較
尚ο(2)噪音小，靜音效果好新型噴水推進技術沒有采用螺旋槳和推動水泵作為動力源，因此可以獲得很好的靜音效果。(3)大功率和高速性新型噴水推進裝置，只要爆炸燃燒室產(chǎn)生的能量足夠多且夠快，導流管就可以產(chǎn)生高速或超高速水射流。使船體獲得很大功率和速度；由于去除推進水泵，船體獲得最大推進功率不再受推進水泵最大功率的限制。(4)加速度大爆炸燃燒室燃燒越劇烈，產(chǎn)生的高速水射流力度越大；蓄電池組與爆炸燃燒室混合動力，可以獲得更大加速度。參考文獻周熊·推進技術[J].船舶節(jié)能，1999第2期18-20劉柱，孟凡立.船舶噴水推進技術發(fā)展[J].航海技術，2004年第4期42-44孔慶福，吳家明，賈野，陳國鈞.船舶噴水推進技術研究[J].艦船科學技術， 2004，(6) :28-30。
權利要求
1.一種高速高效的噴水推動技術，其特征是由爆炸燃燒室、噴水管道、進水管道、排氣管道、導流管、渦輪增壓系統(tǒng)、蓄電池組、控制閥和控制器組成。爆炸燃燒室產(chǎn)生高溫高壓氣體，高溫高壓氣體通過爆炸燃燒室氣體膨脹出口進入螺旋狀絕熱噴水管道I，在噴水管道 I中快速絕熱膨脹，把熱能轉(zhuǎn)化為噴水管道I內(nèi)水的動能，產(chǎn)生高速的水射流。水射流進入導流管合成后從導流管后部噴出，同時帶動渦輪轉(zhuǎn)動，渦輪帶動主軸上壓水機和發(fā)電機轉(zhuǎn)動。噴水管道和爆炸燃燒室的廢氣排除時，進行合流，利用其剩余內(nèi)能和熱能來實現(xiàn)新鮮空氣渦輪增壓。蓄電池組的充電和放電、控制閥和進水增壓泵的工作狀態(tài)由控制器協(xié)調(diào)控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的高速高效的噴水推動技術，其特征是爆炸燃燒室(2)的結(jié)構包括爆炸燃燒室進氣口(1)，流體凸臺(3)，爆炸燃燒室排氣閥(4)，爆炸燃燒室排氣口(5)， 爆炸燃燒室氣體膨脹出口(21)和點火裝置02)。其中流體凸臺(3)有特殊流體形結(jié)構。
3.根據(jù)權利要求1所述的高速高效的噴水推動技術，其特征是爆炸燃燒室氣體膨脹出口(21)下部通過噴水管道I進氣閥(20)與噴水管道I (8)接通。噴水管道I (8)上部另外通過排氣管道排氣閥(6)與排氣管道(7)連通。噴水管道I (8)下部與噴水管道II (9)連通，噴水管道II (9)通過噴水管II出水閥(19)接入導流管(14)。進水管道(12) — 端與導流管(14)相連，另一端連接進水增壓泵(11)之后通過進水管道進水單向閥(10)與噴水管道I (8)相通。綜合控制器(23)通過對控制閥的控制可以實現(xiàn)噴水管道I (8)的進水排氣和氣體膨脹噴水環(huán)節(jié)。
4.根據(jù)權利要求1所述的高速高效的噴水推動技術，其特征是噴水管道I(8)的外形設計為螺旋型，一方面減小射流在噴水管道I (8)中的流動阻力，另一方面使噴水管道I (8)占用最小空間獲得最大長度來儲存更多的水形成更多穩(wěn)定水射流。噴水管道I (8)的材料是絕熱材料或者具有很好絕熱功能，或者是噴水管道I (8)外壁增加保溫設計，以保證爆炸燃燒室(2)中產(chǎn)生的高溫高壓氣體接近于絕熱膨脹。
5.根據(jù)權利要求1所述的高速高效的噴水推動技術，其特征是導流管(14)的結(jié)構包括導流管噴水口(38)、導流管定子槽(39)、噴水管道II安裝孔(40)、進水管道安裝孔(41) 和導流管進水口(42)。其中導流管定子槽(39)中安裝發(fā)電機定子(18)，噴水管道II (9) 和進水管道(12)分別安裝在噴水管道II安裝孔(40)和進水管道安裝孔(41)。導流管(14) 管體內(nèi)部的結(jié)構包括壓水機(13)、主軸(15)和渦輪(16)。導流管(14)應由多套爆炸燃燒室和噴水管系統(tǒng)共用，取4、6和8套為宜，以主軸(15)的中心沿著導流管外部對稱均勻分布。在主軸(15)上設計與電機定子(18)相對應的發(fā)電機轉(zhuǎn)子(17)。
6.根據(jù)權利要求1所述的高速高效的噴水推動技術，其特征是發(fā)電機轉(zhuǎn)子(17)和發(fā)電機定子(18)組成的發(fā)電機可以選擇為發(fā)電機模式和電動機模式。在噴水推進器啟動時， 綜合控制器(23 )使發(fā)電機和電動機模式選擇器(24 )處于電動機模式，蓄電池組(27 )放電帶動電動機工作，使主軸(15)、壓水機(13)和渦輪(16)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定噴水推力，使推進器實現(xiàn)啟動，這時蓄電池組(27)給控制器、進水增壓泵(11)、點火控制器(31)和控制閥供電。
7.根據(jù)權利要求1所述的高速高效的噴水推動技術，其特征是噴水推進器啟動完成后，綜合控制器(23 )使發(fā)電機和電動機模式選擇器(24 )處于發(fā)電機模式，渦輪(16 )帶動壓水機(13)和發(fā)電機，產(chǎn)生電能在發(fā)電機模式控制器(29)和蓄電池充電控制器(28)的作用下給蓄電池組(27)充電，這時發(fā)電機給控制器、進水增壓泵(11)、點火控制器(31)和控制閥供電。
8.根據(jù)權利要求1所述的高速高效的噴水推動技術，其特征是噴水推進器需要短時大功率推進或大加速度推動，綜合控制器(23)使發(fā)電機和電動機模式選擇器(24)處于電動機模式，使蓄電池組(27 )通過蓄電池放電控制器(26 )和電動機模式控制器(25 )帶動電動機工作，加速主軸(15)旋轉(zhuǎn)，使壓水機(13)和渦輪(16)加速旋轉(zhuǎn)，壓水機(13)對前方的水的吸力增大，渦輪(16)對水射流加速，獲得充足動力。
9.根據(jù)權利要求1所述的高速高效的噴水推動技術，其特征是燃料電池控制器(43) 在綜合控制器(23)的協(xié)調(diào)作用下，對燃料電池組(44)的工作方式進行控制。在噴水推進器的啟動、正常工作和瞬時加速，多種狀況下，燃料電池組(44)輸出額外大功率，帶動電動機高速工作，主軸(15)、壓水機(13)和渦輪(16)高速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)噴水推進器高速推動。只有燃料電池組(44)和蓄電池組(27)作為推進動力工作時，為超靜音工作模式。
10.根據(jù)權利要求1所述的高速高效的噴水推動技術，其特征是爆炸燃燒室排氣口 (5)和排氣管道(7)中的廢氣合流作用于排氣管動力渦輪(36)，使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，帶動渦輪軸(34)以及渦輪軸(34)上的進氣管增壓渦輪(33)旋轉(zhuǎn)，對空氣凈化器(35)凈化的空氣進行渦輪增壓，提高空燃比。
全文摘要
一種新型高速高效噴水推動技術。爆炸燃燒室內(nèi)燃料燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體，高溫高壓氣體通過膨脹口進入螺旋狀絕熱噴水管道，在噴水管道中快速絕熱膨脹，把熱能轉(zhuǎn)化為噴水管道內(nèi)水的動能，產(chǎn)生高速水射流。多個爆炸燃燒室和噴水管道系統(tǒng)可形成多股水射流在導流管中合成后噴出導流管，依據(jù)動量定理來形成推進動力。水射流噴出導流管時部分能量推動渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動主軸上壓水機和發(fā)電機工作，壓水機從前方吸水，發(fā)電機產(chǎn)生電能給蓄電池組充電和供艦船使用。燃料電池組在噴水推動過程中根據(jù)需要是否產(chǎn)生混合動力推動。噴水管道和爆炸燃燒室廢氣合流后推動增壓渦輪，實現(xiàn)新鮮空氣的渦輪增壓，提高空燃比。
文檔編號B63H11/09GK102530217SQ20111042581
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月19日 優(yōu)先權日2011年12月19日
發(fā)明者周小崗, 姚進, 韓嘉驊 申請人:四川大學