CN1308184C - 利用高压气态介质作为喷水引擎动力的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种利用高压气态介质作为喷水引擎动力的方法及装置，该方法包括以下步骤：先将水引入换能容器中；用高压气态介质在换能容器底部水面上施以高压；打开喷嘴，由高压气态介质将水从喷嘴中急速射出。气态介质可以选择高温高压水蒸气、高温高压燃气或压缩空气。实现上述方法的装置，包括换能器组(2)、气态介质升压装置(1)、管路(5)、控制开关组(4)以及控制器(3)和传感器组(8)；将水引入换能器组(2)，气态介质升压装置(1)将气态介质(6)进行升压，打开喷嘴开关(42)将水由喷嘴(25)急速射出，利用射出水的反作用力而获得动力。

Description

利用高压气态介质作为喷水引擎动力的方法及其装置

技术领域  本发明涉及机械动力装置，特别涉及用于船舶的喷水引擎。

背景技术  现有技术中的船舶引擎一般采用动力机器的运转模式，即原动机(内燃机或燃气轮机或蒸汽机)将热能变为动能，再通过机械传动装置将动能传递给运动机械装置(螺旋桨或轴流泵)，将水推动或吸入并喷出。这种船舶引擎按照热能——动能——机械能——动能的间接转换方式运作，相对于热能——动能的直接转换方式，存在较大的热能损失和比较复杂的机械结构，因此对能源的利用不充分，效率低，成本高；同时对机械***的清洁度要求高，维护难。

发明内容  本发明基于充分利用能量的目的，设计一种利用高压气体作为喷水引擎动力的方法，不通过机械传动装置而使热能的载体——高压气体直接驱动引擎中的水向外喷射，从而实现热能——动能的直接转换，解决了现有技术存在的效率低、成本高、维护难的问题。

本发明所述的方法是：一种利用高压气态介质作为喷水引擎动力的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

A.先将水引入耐高压的换能容器中，并且完全覆盖位于该换能容器底部的喷嘴，停止引水并关闭引水通道；

B.用高压气态介质在换能容器底部水面上施以高压；

C.打开喷嘴，由高压气态介质将水从喷嘴中急速射出，利用射出水的反作用力而获得动力；

所述气态介质为高温高压气态介质、高温高压燃气或压缩空气。

一种实现上述方法的装置，该装置包括耐高压的换能器组、提供高压气态介质的气态介质升压装置、连接该装置各个部分的管路、控制该管路的各控制开关组以及控制上述开关通断的控制器和安装于相关装置上用于为控制器提供实时监测信号的传感器组；所述管路包括连接换能器组的引水管，该引水管上设有引水开关；所述换能器组的底部设有喷嘴，该喷嘴上设有喷嘴开关，所述换能器组上还设有水位传感器；所述内喷管控制开关、喷嘴开关和引水开关采用自动控制开关，由控制器控制；首先将水由引水管引入耐高压的换能器组底部，待水完全覆盖换能器组底部的喷嘴且达到设定位置时，水位传感器向控制器发出电信号，控制器发出控制信号关闭引水开关；由气态介质升压装置将气态介质进行升压，并将其导入换能器组上部的压力室内；当换能器组中的压力达到一定值时，控制器发出控制信号打开喷嘴开关，换能器组中的气态介质将换能器组底部所蓄的水由喷嘴急速射出，利用射出水的反作用力而获得动力；当换能器组中的压力接近于外界压力时，控制器发出控制信号关闭喷嘴开关，同时打开引水开关，进行下一轮工作循环。

所述本发明的技术方案主要包括以下三种子方案，1、利用高温高压水蒸汽作为喷水引擎的动力；2、利用高温高压燃气作为动力；3、利用压缩气体作为动力。

本发明所公开的装置中，气态介质升压装置的设置位置可以有两种方式，其中之一是气态介质升压装置设置于换能器组的上部，该气态介质升压装置的升压腔直接与换能器组上部的压力室相通，气态介质升压装置所产生的高压气态介质直接作用于换能器组底部所蓄水的上表面；对于气态介质采用高温高压燃气和压缩气体的可以使用这种方式。另外一种方式是所述气态介质升压装置的升压腔通过内喷管与换能器组上部的压力室相通，该内喷管上由连接升压腔一侧开始依次设有传感器组中的第一压力传感器和内喷管控制开关；在所述换能器组上部的压力室设有第二压力传感器；由气态介质升压装置将气态介质进行升压后，当达到一定压力、第一压力传感器向控制器所发出的电信号也达到了第一设定值时，控制器发出控制信号打开内喷管控制开关，将气态介质由内喷管射入换能器组上部的压力室中，待压力室中的气态介质压力达到第二设定值时，第二压力传感器向控制器所发出电信号，控制器再发出控制信号关闭内喷管控制开关，同时控制器发出控制信号打开喷嘴开关，于是换能器组中的高压气态介质就将换能器组底部所蓄的水由喷嘴急速射出，利用射出水的反作用力而获得动力；当换能器组中的压力接近于外界压力、第二压力传感器向控制器所发出的电信号达到第三设定值时，控制器发出控制信号关闭喷嘴开关，同时打开引水开关，进行下一轮工作循环。无论是气态介质采用的是高温高压水蒸汽、高温高压燃气还是压缩空气，这种方式都可以使用。

无论上述三种方案中的任何一种方案，为了使该装置能够保持平稳和持续地输出动力，所述换能器组采用至少两个分换能器，每个分换能器分别配置内喷管控制开关、喷嘴开关和引水开关，所述分换能器所各自配套的内喷管控制开关、喷嘴开关和引水开关由控制器控制而交替工作。

由于采用热能——动能直接转换做功的方式，所以效率更高；由于取消了机械传动机构而令结构更紧凑、成本更低；由于锅炉对燃料的要求不高，所以可以使用更廉价的燃料；还由于高压气态介质可以自动清洁***管路以及做功部件，所以结构更简单可靠还减少了设备维护的强度；总之，本发明具有效率高、成本低和节能环保的特点。

附图说明

图1是本发明所述装置的工作原理图。

图2是本发明采用高温高压燃气作为动力的工作原理图。

图3是本发明采用压缩空气作为动力的工作原理图。

具体实施方式  以下结合附图进一步说明本发明的具体实施方法。

一种利用高压气态介质作为喷水引擎动力的方法包括以下步骤：

A.先将水引入耐高压的换能容器中，并且完全覆盖位于该换能容器底部的喷嘴，停止引水并关闭引水通道；

B.用高压气态介质在换能容器底部水面上施以高压；

C.打开喷嘴，由高压气态介质将水从喷嘴中急速射出，利用射出水的反作用力而获得动力；

所述气态介质为高温高压水蒸汽、高温高压燃气或压缩空气。

由图1至图3中可看出，一种实现上述方法的装置，该装置包括耐高压的换能器组2、提供高压气态介质6的气态介质升压装置1、连接该装置各个部分的管路5、控制该管路5的各控制开关组4以及控制上述开关通断的控制器3和安装于相关装置上用于为控制器3提供实时监测信号的传感器组8；所述管路5包括连接换能器组2的引水管53，该引水管53上设有引水开关43；所述换能器组2的底部设有喷嘴25，该喷嘴25上设有喷嘴开关42，所述换能器组2上还设有水位传感器84；所述内喷管控制开关41、喷嘴开关42和引水开关43采用自动控制开关，由控制器3控制；首先将水由引水管53引入耐高压的换能器组2底部，待水完全覆盖换能器组2底部的喷嘴25且达到设定位置时，水位传感器84向控制器3发出电信号，控制器3发出控制信号关闭引水开关43；由气态介质升压装置1将气态介质6进行升压，并将其导入换能器组2上部的压力室23内；当换能器组2中的压力达到设定值时，控制器3发出控制信号打开喷嘴开关42，换能器组2中的气态介质6将换能器组2底部所蓄的水由喷嘴25急速射出，利用射出水的反作用力而获得动力；当换能器组2中的压力接近于外界压力时，控制器3发出控制信号关闭喷嘴开关42，同时打开引水开关43，进行下一轮工作循环。

所述气态介质6可以采用高温高压水蒸汽61、高温高压燃气62或压缩空气63。

由图1和图2中可知，本发明所公开的装置中，气态介质升压装置1与换能器组2上部压力室23有两种连接方式：其中之一是所述气态介质升压装置1设置于换能器组2的上部，该气态介质升压装置1的升压腔15直接与换能器组2上部的压力室23相通，气态介质升压装置1所产生的高压气态介质直接作用于换能器组2底部所蓄水的上表面；对于气态介质6采用高温高压燃气62和压缩气体63的可以使用这种方式。此种换能器组2的结构根据所选择气态介质6的不同而不同，例如针对气态介质6采用高温高压燃气62的，换能器组2上部类似内燃机汽缸盖，有多个燃料喷嘴和空气进口开关及点火装置；加压方法不同，采用高压电喷方式同时将燃料和空气喷入换能器组2上部的升压腔15内(相当于燃烧室)，然后电点火引燃“燃料——空气的混合物”形成高温高压燃气；排气方式不同，需要将完成做功的废气“扫清”，方法是在重新引水的同时利用高压新鲜空气扫清换能器，无须进行预加压。而针对气态介质6采用压缩气体63的，气态介质升压装置1的结构比较简单，直接将空气压缩机13的出气口直接连通换能器组2上部的升压腔15即可，加压一定时间后，打开喷嘴开关42，就可以将水射出。另外一种方式是所述气态介质升压装置1的升压腔15通过内喷管51与换能器组2上部的压力室23相通，该内喷管51上由连接升压腔15一侧开始依次设有传感器组8中的第一压力传感器81和内喷管控制开关41；在所述换能器组2上部的压力室23设有第二压力传感器82；由气态介质升压装置1将气态介质6进行升压后，保持在设定压力，当第一压力传感器81向控制器3所发出的电信号也达到了第一设定值时，控制器3可以根据需要发出控制信号打开内喷管控制开关41，将气态介质6由内喷管51射入换能器组2上部的压力室23中，待压力室23中的气态介质6压力达到第二设定值时，第二压力传感器82向控制器3发出电信号，控制器3再发出控制信号关闭内喷管控制开关41，同时控制器3发出控制信号打开喷嘴开关42，换能器组2中的气态介质6利用高压将换能器组2底部所蓄的水由喷嘴25急速射出，从而利用射出水的反作用力而获得动力；当换能器组2中的压力接近于外界压力、第二压力传感器82向控制器3所发出的电信号达到第三设定值时，控制器3发出控制信号关闭喷嘴开关42，同时打开引水开关43，进行下一轮工作循环。无论是气态介质6采用的是高温高压水蒸汽61、高温高压燃气62还是压缩空气63，这种方式都可以使用。

如图1中所示，所述气态介质6所采用的是高温高压水蒸汽61，所述气态介质升压装置1采用加热装置11，将水在加热装置11内加热至气液混合状态，再引入换能器组2中。下面以这种方式为例，对本发明的内容和工作过程进行说明：

A.水蒸汽来自加热装置11(可以采用锅炉)，并且在进入换能器组2前保持高温高压的气液混合状态，譬如当锅炉的温度达到374.14℃时，锅炉中的水将变成超临界的过热饱和气态介质，其压力高达22.09Mpa；

B.将外部环境中的水由引水管53引入换能器组2的底部，待水完全覆盖换能器组2底部的喷嘴25并且达到设定位置时，关闭引水开关43；

C.再打开内，喷管控制开关41，将处于高温高压气液混合状态的水由内喷管21射入已经蓄水换能器组2的上部，这部分气液混合状态水的液态部分含由大量的热能，会立即汽化膨胀令其间的压力升高，待达到设定值时关闭内喷管控制开关41；

D.随即打开喷嘴开关42；

E.于是换能器组2底部的蓄水受到高压从位于换能器组2底部的喷嘴25急速射出，高温高压水蒸汽61也随后喷出，从而利用反作用力而获得动力，推动船只运动；

F、随着换能器组2中的压力等于或接近于外界压力时，关闭喷嘴开关42，同时打开引水开关43，进行下一轮工作循环。

如图1中所示，在所述内喷管21喷口附近的外面加一个套管52，加热装置11的冷却水引至该套管52中，内喷管控制开关41控制该冷却水的通断。当控制开关41打开，高温高压水蒸汽从内喷管21喷出射入压力室23，套管52内的冷却水由于帕斯卡力作用被带入压力室23，由于冷却水本身已经具有一定的温度，并且在被吸入压力室的过程中吸收高温水蒸汽的部分热量而汽化，令压力室23的压力急剧升高，这样可以部分地节约热量，使能量得到充分的利用。

如图2和图3所示，而当所述气态介质升压装置1采用燃烧器12或空气压缩机13，所述气态介质6对应采用的是高温高压燃气62或压缩空气63，燃烧器12将燃料和空气混合形成的混合燃气点燃后变成高温高压的燃气而作用于换能器组2底部所蓄水的上表面；空气压缩机13则将常压的空气压缩为高压气体而作用于换能器组2底部所蓄水的上表面。所述高温高压燃气62或压缩空气63对换能器组2底部所蓄水上表面的作用也分为两种方式，一种是直接作用于换能器组2底部所蓄水的上表面，这种就是采用气态介质升压装置1的升压腔15直接与换能器组2上部的压力室23相通的方式所取得的结果；另外一种是通过内喷管51以及一些控制程序后才作用于换能器组2底部所蓄水的上表面，这种就是采用气态介质升压装置1的升压腔15通过内喷管51与换能器组2上部压力室23相通所取得的结果。当气态介质升压装置1采用燃烧器12的方案时，还可以采用这样一种方式，即利用火药爆燃瞬间产生高压气体进行加压；这种方式的喷嘴开关不同，是压力感应开关，当压力超过一定值便自动开启，完成喷水后随着换能器组2的内外压力平衡又自动关闭。其结构也有所不同，换能器组2上部采用类似于机关枪发射空包弹的自动连续击发机构，“空包弹”的“装填”全部由该机构自动完成，至于火药的选择则可以是普通发射药或特种发射药，空包弹的形式可以是有壳的或无壳的，(当采用后者时则需要将上述发射药事先塑成需要的形状)，由上述击发机构自动地装填入“枪膛”中，控制器3控制各个换能器组2的“击发”时机。

由图1所示，为了使船只获得不间断的动力，所述换能器组2采用至少两个分换能器21和22，每个分换能器21或22分别配置内喷管控制开关41、喷嘴开关42和引水开关43，所述分换能器21和22所各自配套的内喷管控制开关41、喷嘴开关42和引水开关43由控制器3控制而交替工作。当其中一个分换能器21处于做功过程的时候，另一个分换能器22则处于待发状态，这样就可以获得持续的动力；根据具体情况设计多个分换能器，合理安排各分换能器的喷射时机，就可以获得比较平稳的动力输出。为了充分利用能量，当其中一个分换能器21中的水排出后，随即打开与已经完成引水但是还没有加压的分换能器22的连通管道，将完成当次做功的高压气态介质61或63引入换能器上部，既起到预加压的目的，又可以充分利用能量，还可以减少淡水的消耗，一举多得。只要在各导通管上安置开关(带单向阀)，就可以解决预加压的换能器中的高压气体压力逆向泄漏的问题。

为了减少热量损失，可以在所述加热装置1、换能器组2以及两者之间的连接管路5采用隔热措施保温，例如：采用隔热材料覆盖或用绝热陶瓷制作换能器内衬，还可以通过缩短加压和喷水时间尽量减少高温高压气态介质与周围环境的热交换从而维持喷水过程中较高的压力等等。

总之，通过上述多种不同的实施方案，都可以令本发明利用高压气体驱动喷水引擎的方法成立。其最本质的特点，是模仿内燃机的基本原理和结构，不过用柔性活塞——水替代了刚性活塞，将做工的介质——单一的高温燃气换成多种高压气体——包括高温高压水蒸气、爆燃气体和压缩气体等，将热能直接转换为动能；通过组合演变出上述多种不同的实施方案，从而用不断喷射并补充的水替代了原先需要原动机、传动机械和推水或喷水机械共同作用才能完成的船舶引擎的功能和作用，因此能量利用率更高、结构更合理，成本更低、维护更简便。

Claims (10)

1.一种利用高压气态介质作为喷水引擎动力的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

A.先将水引入耐高压的换能容器中，达到设定位置并且完全覆盖位于该换能容器底部的喷嘴，停止引水并关闭引水通道；

B.用高压气态介质在换能容器底部水面上施以高压；

C.打开喷嘴，由高压气态介质将水从喷嘴中急速射出，利用反作用力而获得动力。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述气态介质为高温高压水蒸汽、高温高压燃气或压缩空气。

3.一种实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于：该装置包括耐高压的换能器组(2)、提供高压气态介质(6)的气态介质升压装置(1)、连接该装置各个部分的管路(5)、控制该管路(5)的各控制开关组(4)以及控制上述开关通断的控制器(3)和安装于相关装置上用于为控制器(3)提供实时监测信号的传感器组(8)；所述管路(5)包括连接换能器组(2)的引水管(53)，该引水管(53)上设有引水开关(43)；所述换能器组(2)的底部设有喷嘴(25)，该喷嘴(25)上设有喷嘴开关(42)，所述换能器组(2)上还设有水位传感器(84)；所述内喷管控制开关(41)、喷嘴开关(42)和引水开关(43)采用自动控制开关，由控制器(3)控制；首先将水由引水管(53)引入耐高压的换能器组(2)底部，令水完全覆盖换能器组(2)底部的喷嘴(25)并达到设定位置时，水位传感器(84)向控制器(3)发出电信号，控制器(3)再发出控制信号关闭引水开关(43)；由气态介质升压装置(1)将气态介质(6)进行升压，并将其导入换能器组(2)上部的压力室(23)内；当换能器组(2)中的压力达到设定值时，控制器(3)发出控制信号关闭高压气态介质开关(41)再打开喷嘴开关(42)，换能器组(2)中的高压气态介质(6)将换能器组(2)底部所蓄的水由喷嘴(25)急速射出，利用射出水的反作用力而获得动力；当换能器组(2)中的压力接近于外界压力时，控制器(3)发出控制信号关闭喷嘴开关(42)，同时打开引水开关(43)，进行下一轮工作循环。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述气态介质升压装置(1)设置于换能器组(2)的上部，该气态介质升压装置(1)的升压腔(15)直接与换能器组(2)上部的压力室(23)相通，气态介质升压装置(1)所产生的高压气态介质直接作用于换能器组(2)底部所蓄水的上表面。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述气态介质升压装置(1)的升压腔(15)通过内喷管(51)与换能器组(2)上部的压力室(23)相通，该内喷管(51)上由连接升压腔(15)一侧开始依次设有传感器组(8)中的第一压力传感器(81)和内喷管控制开关(41)；在所述换能器组(2)上部的压力室(23)设有第二压力传感器(82)；由气态介质升压装置(1)将气态介质(6)进行升压后，当达到设定压力，第一压力传感器(81)向控制器(3)所发出的电信号也达到了设定值时，控制器(3)发出控制信号打开内喷管控制开关(41)，将气态介质(6)由内喷管(51)射入换能器组(2)上部的压力室(23)中，待压力室(23)中的气态介质(6)压力达到第二设定值、第二压力传感器(82)向控制器(3)所发出电信号，控制器(3)发出控制信号关闭内喷管控制开关(41)；同时控制器(3)发出控制信号打开喷嘴开关(42)，换能器组(2)中的气态介质(6)将换能器组(2)底部所蓄的水由喷嘴(25)急速射出，利用射出水的反作用力而获得动力；当换能器组(2)中的压力接近于外界压力、第二压力传感器(82)向控制器(3)所发出的电信号达到第三设定值时，控制器(3)发出控制信号关闭喷嘴开关(42)，同时打开引水开关(43)，进行下一轮工作循环。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于：所述气态介质升压装置(1)采用燃烧器(12)或空气压缩机(13)，所述气态介质(6)对应采用的是高温高压燃气(62)或压缩空气(63)，燃烧器(12)将空气和燃料混合后点燃形成高温高压的燃气而作用于换能器组(2)底部所蓄水的上表面；空气压缩机(13)将常压的空气压缩为高压气体而作用于换能器组(2)底部所蓄水的上表面。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述气态介质升压装置(1)采用加热装置(11)，所述气态介质(6)采用高温高压水蒸汽(61)，将水在加热装置(11)内加热至气液混合状态，再引入换能器组(2)中。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：在所述内喷管(21)喷口附近的外面加一个套管(52)，加热装置(11)的冷却水引至该套管(52)中，内喷管控制开关(41)控制该冷却水的通断。

9.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于：所述换能器组(2)采用至少两个分换能器(21)和(22)，每个分换能器(21)或(22)分别配置内喷管控制开关(41)、喷嘴开关(42)和引水开关(43)，所述分换能器(21)和(22)所各自配套的内喷管控制开关(41)、喷嘴开关(42)和引水开关(43)由控制器(3)控制而交替工作。

10.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于：所述气态介质升压装置(1)、换能器组(2)以及两者之间的连接管路(5)采用隔热措施隔热，并通过加快换能器组(2)的加压和喷水时间减少热量损失。

Images