CN106114800B - 一种气动注水喷射推进的三体式绿色游艇 - Google Patents
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Abstract
一种气动注水喷射推进的三体式绿色游艇，主船体上安装有太阳能电池板，其两侧浮体上设有气动注水喷射装置和增压气室，所述浮体的上层盖板设有太阳能集热板，为增压气室内的气体加热增压；所述气动注水喷射装置包括贮气单元、注水单元及喷口，所述贮气单元通过导管与增压气室连接，贮气单元的贮气室进口与导管之间通过单向进气隔板隔离，所述贮气室的出口与注水单元的注水室之间通过气水分隔板隔离，所述注水室的出口与喷口连通，所述气水分隔板在控制系统控制下，可向注水室方向打开。本发明游艇通过混合动力系统可提高游艇的航行速度，并降低航运成本，充分利用高压气体的能量，极大的减少了游艇运行中能量的损耗，顺应绿色造船的时代趋势。
Description
技术领域
本发明涉及船舶技术领域，具体为一种气动注水喷射推进的绿色游艇。
背景技术
从大航海时代开始，大大小小的船只就成了文明交流的桥梁。海上贸易相对于路上而言成本更加低廉，运输更加便捷。因为船只相对于汽车更加硕大，所以燃料也是以柴油和重油为主。柴油比起汽油来，会含有更多的杂质，它燃烧起来也更容易产生烟尘，造成空气污染。重油机安装占地面积较大，安装周期较长，虽然重油机的燃油消耗低，但它的一次性投资较大。海运采用的这些重型柴油、燃料油和渣油型燃料油，比起轻油质量更加低劣，杂质会更多。一项研究表明，海上行驶的船舶所排放的污染物与汽车尾气一样能严重污染空气，从而对沿海居民的健康造成影响。美国国家海洋和大气管理局的科研人员在一期《地球物理学研究杂志》上报告说，他们对来往于多条海上的200多艘商船进行了污染物排放的检测。根据检测结果进行的分析评估发现，全球海上船舶每年排放的颗粒污染物可达约220万磅，全球每年排放的氮氧化合物气体中30%来自海上船舶。所以在石油资源即将耗尽的今天，开发出一种适合辅助船舶前进且绿色环保的装置显得尤为重要。
现代船舶也有通过推进水泵喷出的水流或者气体的反作用力来获得动力，并通过操纵舵及倒舵设备分配和改变分流的方式来实现对船舶航向的操作。但是当船舶航速较低时，喷水推进的效率比螺旋桨要低些，而且由于增加了外壳体的保护，推进泵叶轮的拆换比螺旋桨复杂。
发明内容
为了解决背景技术中提到的问题，本发明提供了一种利用离网光伏发电系统为气动注水推进装置提供电能的绿色游艇，其技术方案为：
一种气动注水喷射推进的三体式绿色游艇，包括主船体和位于主船体两侧的浮体，其特征在于：
所述主船体上安装有太阳能电池板，所述浮体上设有气动注水喷射装置和增压气室，所述浮体的上层盖板设有太阳能集热板，所述太阳能集热板为增压气室内的气体加热增压；
所述气动注水喷射装置包括贮气单元、注水单元及喷口，所述贮气单元通过导管与增压气室连接，贮气单元的贮气室进口与导管之间通过单向进气隔板隔离，所述贮气室的出口与注水单元的注水室之间通过气水分隔板隔离，所述注水室的出口与喷口连通，所述气水分隔板在控制系统控制下，可向注水室方向打开。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
所述控制系统包括压力开关和驱动气水分隔板动作的第一驱动机构或锁止气水分隔板的自动锁止机构，所述压力开关设有监测贮气室气压的压力传感器。
所述喷口包括渐缩的棱锥状主喷口腔，所述主喷口腔末端设有呈多边形的一级出口，所述主喷口腔在靠近一级出口的各个锥面上分别安装有一梯形内层封板，所述内层封板贴附在锥面上，与对应的锥面保持平行，所述内层封板可在第二驱动机构的控制下朝着对应锥面的延伸方向向一级出口外移动，到达极限位置时，各内层封板伸出一级出口的部分拼合呈渐缩的副喷口腔，所述副喷口腔的末端形成尺寸小于一级出口的二级出口。
所述注水单元包括所述注水室和安装在注水室上方的注水装置，所述注水装置为双涡扇结构，包括同心的内涡扇和外涡扇，由内涡扇带动外涡扇转动，利用外涡扇将气动注水喷射装置外部的海水压入注水室；所述内涡扇安装在封闭的壳腔内，所述壳腔的底部设有泄压槽，内涡扇工作时，将壳腔内的气流下压，气流从所述泄压槽中排入到注水室内。
所述内涡扇通过从增压气室或贮气单元贮气室引入的气流带动，所述气流的出口设置在内涡扇叶片的上方。
所述内涡扇通过从贮气单元贮气室引入的气流带动，所述气流的入口设置在贮气单元贮气室腔体顶部靠近气水分隔板的位置，并设有封闭该入口的堵塞器，所述堵塞器通过从动铰链结构安装在贮气单元贮气室腔体顶部；所述气水分隔板通过主动铰链结构安装在贮气室与注水室的交界处，所述主动铰链结构的转轴通过齿轮与从动铰链结构转轴传动连接，使气水分隔板向注水室方向转动打开时，所述堵塞器向气流入口方向转动封闭入口。
所述浮体设有两个交替工作的气动注水喷射装置。
两气动注水喷射装置并列设置，所述气动注水喷射装置设有矢量变向机构，所述矢量变向机构包括连接在注水室与喷口之间的波纹管和控制所述波纹管伸缩的液压装置，所述液压装置包括设置在波纹管一侧的液压缸；两气动注水喷射装置的波纹管及喷口部分并列联接，两气动注水喷射装置的液压缸分别设置在其并列整体的左、右两侧；所述液压缸的活塞杆向后伸出，与波纹管的末端连接，通过控制两液压缸活塞杆的相对伸缩量调节两喷口的转动角度。
在气动注水喷射装置结构独立时，所述气动注水喷射装置设有矢量变向机构，所述矢量变向机构包括连接在注水室与喷口之间的波纹管和控制所述波纹管伸缩的液压装置，所述液压装置包括对称设置在波纹管两侧的液压缸；所述液压缸的活塞杆向后伸出，与波纹管的末端连接，通过控制两液压缸活塞杆的相对伸缩量调节喷口的转动角度。
有益效果：
1）本发明推进效率高，结构简单，能源构成多样，通过混合动力系统可提高游艇的航行速度，并降低游艇航运成本，充分利用高压气体的能量，极大的减少了游艇运行中能量的损耗，顺应绿色造船的时代趋势。
2）由于喷口的能量作用集中，对辅助舵效十分有利，从而极大地提高船舶操纵性。
3）本发明结构划分清晰，具有模块化潜力，便于安装、制造和维修。
4）本发明具有良好的稳定性以及耐波性。
附图说明
图1为本发明一实施例中气动注水喷射装置的侧视图；
图2为图1实施例中气动注水喷射装置的俯视图；
图3为图1实施例中导管与贮气单元交界处的横向剖视图；
图4为喷口伸缩两种状态的对比示意图；
图5为注水装置结构示意图；
图6为主动铰链结构和从动铰链结构的示意图；
图7为注水装置的细节结构示意图；
图8为本发明游艇的整体结构示意图。
具体实施方式
为了进一步阐明本发明的技术方案及技术效果，下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步的介绍。
如图8所示的一实施例，一种气动注水喷射推进的三体式绿色游艇，包括主船体和位于主船体两侧的浮体。两浮体上分别安装有增压气室2、空气压缩机3和气动注水喷射装置1，所述气动注水喷射装置1安装在浮体末端，为游艇提供辅助推力。所述主船体的上层甲板和驾驶室顶板上铺设有太阳能电池板5，为气动注水喷射装置1和空气压缩机3提供电能，当空气压缩机3工作时，将压缩空气注入增压气室2，使增压气室2内的气体具有一定压力。所述浮体的上层盖板采用太阳能集热板4制成，通过太阳能集热板4吸收太阳能，以增压气室2内的气体为工质，为其加热增压，提高喷射气体的压力，保证喷射效能。
所述空气压缩机3的箱体顶板镶嵌在浮体上层盖板中，与浮体上层盖板顺滑过渡，保持平齐。空气压缩机3箱体顶板设有进气孔，为了保障空气压缩机3的进气效率，所述箱体顶板及浮体盖板设有10°~20°的倾斜角度，向游艇的行进方向迎风倾斜。
本实施例中，两侧浮体上的气动注水喷射装置1单独控制，在一侧气动注水喷射装置1工作，另一侧停止工作时，形成力矩，可以辅助游艇的舵效，达到快速回转的目的。
如图1所示，所述气动注水喷射装置1包括依次连接的贮气单元、注水单元及喷口111，所述贮气单元通过导管101与增压气室2连接，贮气单元的贮气室103进口与导管101之间通过单向进气隔板117隔离，所述贮气室103的出口与注水单元的注水室108之间通过气水分隔板104隔离，所述注水室108的出口与喷口111连通。所示单向进气隔板117上设有只能朝贮气室103单向打开的单向进气阀102，当增压气室2内的气压达到单向进气阀102的上限标准时，增压气室2内的气体进入贮气室103中，在其中形成预喷气体。
所述气水分隔板104在控制系统控制下，可向注水室108方向打开，所述控制系统包括压力开关105和驱动气水分隔板104动作的第一驱动机构或锁止气水分隔板104的自动锁止机构，所述压力开关105设有监测贮气室103气压的压力传感器。对气水分隔板104采用主动控制的方式时，设置第一驱动机构根据压力开关105发送的触发信号，主动驱动气水分隔板104打开或关闭。一般情况下，可采用自动锁止机构控制气水分隔板104在贮气室103气压未达标时保持关闭状态，所述自动锁止机构与压力开关105连接，根据压力开关105发送的触发信号，打开锁止机构，解放其对气水分隔板104的约束，使气水分隔板104在气流冲击下打开，在重力作用下回落到初始位置被重新锁止关闭。通过预设压力开关105的压力系数来调节预喷气体的压力值，可进一步改变喷射所需的推力。喷射时，电子开关105打开，贮气室103内的高压气体顶开气水分隔板104,在气流冲击水体的同时，气水分隔板104对水体也会产生一个推力。在理想状态下，根据动量守恒定律可知：
M船V船=M水V水
其中M船为船的质量，V船为船的速度，M水为喷管9喷出水的质量，V水为喷口111喷出水的速度。当喷出水的质量和速度达到一定值时，对辅助推进游艇具有及其可观的作用。同理可知，游艇自带增压气室2的压力值越大对本发明效能发挥越有利。
如图1、2、4所示，所述喷口111包括渐缩的棱锥状主喷口腔，所述主喷口腔末端设有呈多边形的一级出口，所述主喷口腔在靠近一级出口的各个内侧锥面上分别安装有一梯形内层封板113，所述内层封板113贴附在锥面上，与对应的锥面保持平行，所述内层封板113可在第二驱动机构的控制下沿导轨112朝着对应锥面的延伸方向向一级出口外移动，到达极限位置时，各内层封板113伸出一级出口的部分拼合呈渐缩的副喷口腔，所述副喷口腔的末端形成尺寸小于一级出口的二级出口。内层封板113沿着导轨112移动，填补到一级喷口的末端，达到增大喷口处注水空间、减小喷口管径大小的目的，方便根据游艇对不同航速的需求进行调整，从而提高气动注水喷射装置1的推进效能。
所述注水单元包括所述注水室108和安装在注水室108上方的注水装置107，所述注水装置107为双涡扇结构，包括同心的内涡扇107-2和外涡扇107-3，所述内涡扇107-2安装在相对封闭的壳体内，与外部海水隔离，所述壳体的底部设有泄压槽107-5，所述泄压槽为环形缝隙，如图5所示，内涡扇107-2工作时，将壳体内的气流下压，气体和渗入壳体的海水可通过泄压槽107-5排出到注水室内，又，从卸压槽107-5喷出的气或水能为注水单元提高压力，在贮气单元没打开时依然能促使注水室108中的水向后喷出。
所述外涡扇107-3安装在内涡扇壳体的外围，由内涡扇107-2带动其转动，利用与外部海水接触的外涡扇107-3将海水压入注水室108。在气体或水流喷出泄压槽107-5时，由于内涡扇壳体内的压力比注水室108压力大，所以在气体膨胀的过程中对卸压槽缝隙两边有力的作用，而反应在外涡扇叶根处壳体的力是一个斜向上的力F，如图7所示，可以有效减少涡扇工作时进入内涡扇室内的海水，提高内涡扇的工作效率。在气水分隔板104未打开的状态下，注水装置107为注水室108源源不断的补充海水，以备喷射使用。当一次有效工作结束，气水分隔板104两侧压强相当，在重力作用下回复到初始关闭状态。此时注水装置107开始工作，同时为气水分隔板104提供一个下压的力，使其更加迅速地回复到初始关闭状态，防止海水倒灌。
所述内涡扇107-2通过从贮气室103引入的气流带动，所述气流的出口设置在内涡扇叶片的上方，所述气流的入口116设置在贮气室103腔体顶部靠近气水分隔板104的位置，并设有封闭该入口的堵塞器（未图示），所述出口与入口116之间通过气管107-1连接，所述堵塞器通过从动铰链结构106-2安装在贮气室103腔体顶部，气水分隔板104通过主动铰链结构106-1安装在贮气室103与注水室108交界处的顶部，所述主动铰链结构106-1的转轴通过齿轮结构与从动铰链结构106-2转轴传动连接，使气水分隔板104向注水室108方向转动打开时，所述堵塞器向气流入口116方向转动封闭入口116，节约高压气体，减少能量的浪费。作为优选，设置主动铰链结构106-1转轴打开超过5°时，从动铰链结构106-2即完全开启，带动堵塞器堵住入口116，防止贮气室气压不足，气水分隔板104没有张开到足够角度，导致入口116未被完全堵塞时，气体从入口116处泄露。所述主动、从动铰链结构可以通过不同类型的齿轮相结合达到两个结构角度的偏差，所述堵塞器由刚性支架和附着在刚性支架上的柔性材料或弹性材料组成，所述柔性材料或弹性材料设置在朝向入口116的一面，防止堵塞器过度开合损害喷射装置壳体。
所述浮体设有两个并排的气动注水喷射装置1，由于注水装置向注水室108注水至满水状态时，不可能瞬时完成，为了解决时间差以及工作状态的连续性问题，两喷射装置1交替工作，循环往复可保证喷射的连续性。。
所述气动注水喷射装置1设有矢量变向机构，所述矢量变向机构包括连接在注水室108与喷口111之间的波纹管110和控制所述波纹管110伸缩的液压装置，所述液压装置包括设置在波纹管一侧的液压缸109。两气动注水喷射装置1波纹管和喷口部分并列联接，两气动注水喷射装置1的液压缸设置在其并列整体的左、右两侧，如图2所示。所述液压缸109的活塞杆114向后伸出，与波纹管110的末端通过铰链结构115连接，通过控制两液压缸活塞杆114的相对伸缩量（例如一侧活塞杆相对于另一侧伸长）可调节两喷口111的转动角度。优选地，矢量变向机构变向角度设为正负35°，以保证推进效率。
两喷射装置1也可在结构上互相独立，则在上述实施方式的基础上，在一个气动注水喷射装置波纹管110相对的两侧各设置一个以上的液压缸，通过控制波纹管相对位置液压缸活塞杆的伸缩量即可调节其喷口111的转动角度。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种气动注水喷射推进的三体式绿色游艇，包括主船体和位于主船体两侧的浮体，其特征在于：
所述主船体上安装有太阳能电池板，所述浮体上设有气动注水喷射装置（1）和增压气室（2），所述浮体的上层盖板设有太阳能集热板（4），所述太阳能集热板（4）为增压气室（2）内的气体加热增压；
所述气动注水喷射装置（1）包括贮气单元、注水单元及喷口（111），所述贮气单元通过导管（101）与增压气室（2）连接，贮气单元的贮气室（103）进口与导管(101)之间通过单向进气隔板(117)隔离，所述贮气室(103)的出口与注水单元的注水室(108)之间通过气水分隔板（104）隔离，所述注水室（108）的出口与喷口连通，所述气水分隔板（104）在控制系统控制下，可向注水室（108）方向打开；
所述控制系统包括压力开关（105）和驱动气水分隔板（104）动作的第一驱动机构或锁止气水分隔板（104）的自动锁止机构，所述压力开关（105）设有监测贮气室（103）气压的压力传感器；
所述喷口（111）包括渐缩的棱锥状主喷口腔，所述主喷口腔末端设有呈多边形的一级出口，所述主喷口腔在靠近一级出口的各个锥面上分别安装有一梯形内层封板，所述内层封板贴附在锥面上，与对应的锥面保持平行，所述内层封板可在第二驱动机构的控制下朝着对应锥面的延伸方向向一级出口外移动，到达极限位置时，各内层封板伸出一级出口的部分拼合呈渐缩的副喷口腔，所述副喷口腔的末端形成尺寸小于一级出口的二级出口。
2.根据权利要求1所述的一种气动注水喷射推进的三体式绿色游艇，其特征在于：
所述注水单元包括所述注水室和安装在注水室上方的注水装置，所述注水装置为双涡扇结构，包括同心的内涡扇（107-2）和外涡扇（107-3），由内涡扇（107-2）带动外涡扇（107-3）转动，利用外涡扇（107-3）将气动注水喷射装置（1）外部的海水压入注水室（108）；所述内涡扇（107-2）安装在封闭的壳腔内，所述壳腔的底部设有泄压槽（107-5），内涡扇（107-2）工作时，将壳腔内的气流下压，气流从所述泄压槽（107-5）中排入注水室（108）。
3.根据权利要求2所述的一种气动注水喷射推进的三体式绿色游艇，其特征在于：
所述内涡扇（107-2）通过从增压气室（2）或贮气单元贮气室（103）引入的气流带动，所述气流的出口设置在内涡扇叶片的上方。
4.根据权利要求3所述的一种气动注水喷射推进的三体式绿色游艇，其特征在于：
所述内涡扇（107-2）通过从贮气单元贮气室（103）引入的气流带动，所述气流的入口（116）设置在贮气单元贮气室（103）腔体顶部靠近气水分隔板（104）的位置，并设有封闭该入口的堵塞器，所述堵塞器通过从动铰链结构安装在贮气室（103）的腔体顶部；所述气水分隔板（104）通过主动铰链结构安装在贮气室（103）与注水室(108)的交界处，所述主动铰链结构的转轴通过齿轮与从动铰链结构转轴传动连接，使气水分隔板（104）向注水室（108）方向转动打开时，所述堵塞器向气流入口（116）方向转动封闭入口（116）。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种气动注水喷射推进的三体式绿色游艇，其特征在于：
所述浮体设有两个交替工作的气动注水喷射装置（1）。
6.根据权利要求5所述的一种气动注水喷射推进的三体式绿色游艇，其特征在于：
两气动注水喷射装置（1）并列设置，所述气动注水喷射装置（1）设有矢量变向机构，所述矢量变向机构包括连接在注水室（108）与喷口（111）之间的波纹管（110）和控制所述波纹管（110）伸缩的液压装置，所述液压装置包括设置在波纹管一侧的液压缸（109）；两气动注水喷射装置（1）的波纹管及喷口部分并列联接，两气动注水喷射装置（1）的液压缸分别设置在其并列整体的左、右两侧；所述液压缸（109）的活塞杆向后伸出，与波纹管（110）的末端连接，通过控制两液压缸（109）活塞杆的相对伸缩量调节两喷口（111）的转动角度。
7.根据权利要求1所述的一种气动注水喷射推进的三体式绿色游艇，其特征在于:
所述气动注水喷射装置（1）设有矢量变向机构，所述矢量变向机构包括连接在注水室（108）与喷口（111）之间的波纹管（110）和控制所述波纹管（110）伸缩的液压装置，所述液压装置包括对称设置在波纹管两侧的液压缸（109）；所述液压缸（109）的活塞杆向后伸出，与波纹管（110）的末端连接，通过控制两液压缸（109）活塞杆的相对伸缩量调节喷口（111）的转动角度。
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