一种基于热效应减阻的船用推进装置

1.本发明涉及船舶的推进装置技术领域，尤其涉及一种基于热效应减阻的船用推进装置。


背景技术：

2.水上船只在水中航行时，由于水上船只的推进装置的外壳与水接触，而水的密度和黏性远大于气体，导致推进装置在航行时需要克服较大的阻力，使得船用推进装置的减阻成为重要的研究方向。
3.目前，主要利用超空泡技术进行减阻。超空泡技术就是利用空化原理，让物体被空泡包裹，不再与水直接接触，进而减小航行阻力、提高水中物体运动速度的一种技术。超空泡减阻主要依靠高速航行和人工通气两种手段。高速航行对发动机的推进功率有很高的要求。人工通气主要依靠内部贮存气体或从发动机引气，前者会占用有限的内部空间和有效载荷重量，后者会减少发动机的喷气流量降低发动机的工作能力。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于热效应减阻的船用推进装置，包括：热源；水管，部分布置于所述热源的散热区，并具有进水口及第一排水口；壳体，具有与水接触的触水面，且所述触水面具有第二排水口；所述水管至少部分位于所述壳体的内侧，且所述第一排水口与所述第二排水口连通。
5.进一步地，所述基于热效应减阻的船用推进装置还包括第一吸热层、绝热层及第二吸热层，所述水管具有吸热段及散热段，且所述散热段具有所述第一排水口；所述第一吸热层位于所述热源与所述吸热段之间，所述绝热层位于所述吸热段与所述散热段之间，所述第二吸热层位于所述散热段与所述触水面之间。
6.进一步地，沿所述基于热效应减阻的船用推进装置的航行方向，所述进水口位于所述基于热效应减阻的船用推进装置的前方。
7.进一步地，每一所述第一排水口或每一所述第二排水口内具有单向阀。
8.进一步地，所述水管布置于所述散热区的部分相对所述热源呈行星式布置。
9.进一步地，所述水管布置于所述散热区的部分相对所述热源螺旋布置。
10.进一步地，所述热源包括燃烧室，且所述燃烧室的内壁具有喷嘴，所述水管对应所述喷嘴的位置设有喷射口，每一所述喷射口与每一所述喷嘴连通；及/或所述热源包括尾喷管。
11.进一步地，所述喷嘴内具有单向阀。
12.进一步地，所述进水口内具有单向阀。
13.实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
上述基于热效应减阻的船用推进装置，水管布置在热源的散热区，水管内的水从进水口流向第一排水口的过程中能够吸收热源的热量，使得水管内的水升温。同时，升温后的水能够加热壳体，使其外侧触水面产生莱顿弗罗斯特效应，形成蒸汽层，减小触水面与水接触的面积，从而减小航行时水产生的阻力。而且，升温后的水能够经第一排水口和第二排水口排出，以提高触水面周围液体的基础温度，使得触水面周围更容易产生莱顿弗罗斯特效应。同时，水管内的水能将热源产生的部分热量散发到基于热效应减阻的船用推进装置外，以达到冷却和减少烧蚀的作用，即在起到减阻作用的同时，还能对热源起到散热作用。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.其中：图1为一个实施例中基于热效应减阻的船用推进装置的示意图；图2为图1中基于热效应减阻的船用推进装置的剖视图；图3为图2中a处的局部放大图；图4为莱顿弗罗斯特效应示意图；图5为水管的一个布置示意图；图6为水管的另一个布置示意图。
16.标号说明书：10、船体；20、基于热效应减阻的船用推进装置；3、燃料室；4、水管；41、进水口；42、第一排水口；43、喷射口；44、进水段；45、散热段；46、吸热段；461、燃烧室吸热段；462、尾喷管吸热段；5、单向阀；7、壳体；71、触水面；711、第二排水口；8、喷嘴；9、热源；91、燃烧室；92、尾喷管；11、第一吸热层；12、第二吸热层；13、绝热层；
实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.本实施例提供一种基于热效应减阻的船用推进装置20，用于如图1所示的水上船只，该水上船只包括船体10和该基于热效应减阻的船用推进装置20。船体10可用于载人或物，基于热效应减阻的船用推进装置20用于为水上船只提供行进动力。为减小基于热效应减阻的船用推进装置20在航行过程中受到的水的阻力，基于热效应减阻的船用推进装置20设置有基于热效应的减阻结构。
19.具体地，在本实施例中，一并参考图2和图3，基于热效应减阻的船用推进装置20包括热源9、水管4和壳体7。在本实施例中，热源9具体为燃烧室91和尾喷管92。水管4布置于热源9的散热区，并具有进水口41及第一排水口42。壳体7具有与水接触的触水面71，且触水面
71具有第二排水口711。水管4至少部分位于壳体7的内侧，且第一排水口42与第二排水口711连通。
20.水上船只航行时，水从进水口41进入至水管4内，水管4内的水从进水口41流向第一排水口42的过程中能够吸收热源9的热量，使得水管4内的水升温。同时，升温后的水能够加热壳体7，使其外侧触水面71产生莱顿弗罗斯特效应。一并参考图4，高温水加热壳体7后，壳体7外侧的触水面71形成蒸汽层，以减小触水面71与水接触的面积，从而减小航行时水产生的阻力。而且，经第一排水口42和第二排水口711排出的高温水能够提高触水面71周围液体的基础温度，使得触水面71周围更容易产生莱顿弗罗斯特效应。
21.同时，水管4内的水能将热源9产生的部分热量散发到基于热效应减阻的船用推进装置20外，以达到冷却和减少烧蚀的作用，即在起到减阻作用的同时，还能对热源9起到散热作用。
22.需要注意的是，水管4既可以是独立的管件，也可以是直接开设在基于热效应减阻的船用推进装置20内部的通道。
23.进一步地，主要参考图3，基于热效应减阻的船用推进装置20还包括第一吸热层11、第二吸热层12及绝热层13，水管4具有吸热段46及散热段45，且散热段45具有第一排水口42。第一吸热层11位于热源9与吸热段46之间，绝热层13位于吸热段46与散热段45之间，第二吸热层12位于散热段45与触水面71之间。如此，热源9产生的热量能够经第一吸热层11导热至水管4的吸热段46，以加热吸热段46内的水。同时，吸热段46与散热段45之间有绝热层13，使得吸热段46内的热量不会散发，并使得散热段45内的热量只能经第二吸热层12散发至触水面71。如此，热量按照图3所示方向传导，热量得以集中而加热水管4内的水，并使得加热后的高温水通过第二吸热层12加热触水面71，也可经第一排水口42和第二排水口711流出。
24.上述实施例中，热源9包括燃烧室91和尾喷管92，相应的，吸热段46包括燃烧室吸热段461和尾喷管吸热段462。燃烧室吸热段461位于燃烧室91的散热区内，以吸收燃烧室91散发的热量。尾喷管吸热段462位于尾喷管92的散热区内，以吸收尾喷管92散发的热量。具体地，燃烧室吸热段461和尾喷管吸热段462分别贴附在燃烧室91和尾喷管92上，既方便将水管4固定，又便于热量传导至水管4内。
25.目前，基于热效应减阻的船用推进装置20的动力系统主要有电驱动和热动力两种。其中，热动力以水冲压发动机为主流技术路线。船只航行时，燃料燃烧，在燃烧室91和尾喷管92附近产生高温环境，对基于热效应减阻的船用推进装置20的隔热提出了很高的要求，对内壁面的烧蚀现象也对材料提出了更高的要求。燃烧室吸热段461和尾喷管吸热段462能够吸收燃烧室91和尾喷管92的热量，以减少烧蚀现象。而且，水冲压发动机等热动力喷气式发动机在航行时，尾喷管92喷出的气体温度较高，带走了大量的热能量。这些热能量在喷出后被耗散在水环境中，无法得到有效的利用，造成燃料的能量利用率不高的现状。在本实施例中，尾喷管92喷出的高温气体用于加热尾喷管吸热段462，以用于减阻，能够提升燃料的能力利用率。
26.如图2、图3所示，燃烧室吸热段461和尾喷管吸热段462沿燃烧室91和尾喷管92布置，散热段45由端部弯折后沿尾喷管92至燃烧室91的方向延伸，燃烧室吸热段461、尾喷管吸热段462和散热段45由一根管形成，没有分支结构，能够简化水管4的成型难度。而且，散
热段45沿基于热效应减阻的船用推进装置20的推进方向布置，以在基于热效应减阻的船用推进装置20的推进方向上通过莱顿弗罗斯特效应减小航行阻力，能够进一步增强减阻效果。同时，绝热层13设置在吸热段46与散热段45之间，能够同时对吸热段46与散热段45起到绝热作用，以避免分别对吸热段46和散热段45设置绝热结构，能够简化减阻结构，减轻基于热效应减阻的船用推进装置20的重量。
27.另外，为将吸热段46与进水口41连接，水管4还包括进水段44，进水段44的设置根据进水口41与热源9的相对位置设计。
28.在本实施例中，沿基于热效应减阻的船用推进装置20的推进方向，进水口41位于基于热效应减阻的船用推进装置20的前方。如此，水上船只前进时，便于水自动从进水口41进入至水管4内，而不需要另外设置将水吸入至水管4内的结构，以简化结构设计。
29.而且，进水段44与吸热段46可以有多个接口，以通过一段进水段44将水输入到多段吸热段46内，吸热段46的数量可以根据热源9的散热区的大小，以及吸热段46的布置方式设置。一并参考图5，水管4布置于散热区的部分相对热源9呈行星式布置，以燃烧室吸热段461为例，多个燃烧室吸热段461相对热源9呈行星式布置，以增加燃烧室吸热段461与燃烧室91的接触面积，增加水管4内的水温。多个燃烧室吸热段461的进水口汇聚在一起，一同与进水段44连接。
30.此外，第一排水口42或第二排水口711内具有单向阀5，以控制第二排水口711的排放量。通过设置第二排水口711的位置，以及通过单向阀5控制各个第二排水口711的排放量，能够对基于热效应减阻的船用推进装置20在航行时产生非对称力矩，改变水上船只姿态，实现姿态微控。例如，若控制位于基于热效应减阻的船用推进装置20推进方向左侧的第二排水口711加大排放量，或者控制位于基于热效应减阻的船用推进装置20推进方向右侧的第二排水口711减小排放量，可以使得船只向右偏转。
31.此外，如图6所示，水管4布置于散热区的部分还可以相对热源9呈螺旋布置。如此可延长水在吸热段46的行程，增加热量交换的时间。
32.在本实施例中，以水冲压发动机产生热动力使得基于热效应减阻的船用推进装置20驱动船只。水冲压发动机以海水为氧化剂，以自身携带的金属燃料（以铝基或镁基燃料为主）为还原剂产生喷气动力推动船只航行。
33.具体地，燃烧室91的内壁具有喷嘴8，水管4对应喷嘴8的位置，即燃烧室吸热段461对应喷嘴8的位置，设有喷射口43，每一喷射口43与每一喷嘴8连通。少量的水管4内的水经由燃烧室91的喷嘴8喷入燃烧室91作为氧化剂，与金属燃料（以铝基或镁基燃料为主）还原剂一起参与燃烧反应，从而产生喷气动力推动水上船只前进。如此，供应燃烧室91内的氧化剂的水管4与减阻结构的水管4共用，能够简化结构，减轻基于热效应减阻的船用推进装置20的整体重量，以减小基于热效应减阻的船用推进装置20的行进阻力。在本实施例中，金属燃料可以存储在燃料室3内。
34.此外，在本实施例中，喷嘴8内具有单向阀5，以通过单向阀5控制氧化剂的供给量。进水口41内具有单向阀5，以控制水管4内的水流量及流速。
35.上述船只以一定速度航行时，进水段44从基于热效应减阻的船用推进装置20头部经由进水口41内的单向控制阀引入海水。海水沿进水段44流动进入燃烧室吸热段461，少量海水经由燃烧室91的喷嘴8喷入燃烧室91作为氧化剂参与燃烧反应产生热动力推动船只前
进，其余海水在燃烧室吸热段461和尾喷管吸热段462，吸收燃烧室91和尾喷管92外壁的热量，达到冷却和减少烧蚀的作用，为基于热效应减阻的船用推进装置20提供热管理功能。
36.之后，海水继续在水管4内部流动至散热段45，在此处高温海水散热加热触水面71，高温触水面71使得基于热效应减阻的船用推进装置20表面产生蒸汽层（如图4莱顿弗罗斯特效应），为基于热效应减阻的船用推进装置20航行减少粘性阻力。散热后的海水仍有部分余热，通过具有单向控制阀的第二排水口711排放出基于热效应减阻的船用推进装置20，提高基于热效应减阻的船用推进装置20周围液体的基础温度，使得基于热效应减阻的船用推进装置20周围海水更易达到沸点温度产生莱顿弗罗斯特效应。基于热效应减阻的船用推进装置20内海水流量可通过多处单向阀门协同控制。第二排水口711可通过不同组合排放，对基于热效应减阻的船用推进装置20行产生非对称力矩，改变船只姿态，实现姿态微控。
37.以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种基于热效应减阻的船用推进装置，其特征在于，包括：热源；水管，部分布置于所述热源的散热区，并具有进水口及第一排水口；壳体，具有与水接触的触水面，且所述触水面具有第二排水口；所述水管至少部分位于所述壳体的内侧，且所述第一排水口与所述第二排水口连通。2.如权利要求1所述的基于热效应减阻的船用推进装置，其特征在于，所述基于热效应减阻的船用推进装置还包括第一吸热层、绝热层及第二吸热层，所述水管具有吸热段及散热段，且所述散热段具有所述第一排水口；所述第一吸热层位于所述热源与所述吸热段之间，所述绝热层位于所述吸热段与所述散热段之间，所述第二吸热层位于所述散热段与所述触水面之间。3.如权利要求1所述的基于热效应减阻的船用推进装置，其特征在于，沿所述基于热效应减阻的船用推进装置的航行方向，所述进水口位于所述基于热效应减阻的船用推进装置的前方。4.如权利要求1所述的基于热效应减阻的船用推进装置，其特征在于，每一所述第一排水口或每一所述第二排水口内具有单向阀。5.如权利要求4所述的基于热效应减阻的船用推进装置，其特征在于，所述水管布置于所述散热区的部分相对所述热源呈行星式布置。6.如权利要求1所述的基于热效应减阻的船用推进装置，其特征在于，所述水管布置于所述散热区的部分相对所述热源螺旋布置。7.如权利要求1所述的基于热效应减阻的船用推进装置，其特征在于，所述热源包括燃烧室，且所述燃烧室的内壁具有喷嘴，所述水管对应所述喷嘴的位置设有喷射口，每一所述喷射口与每一所述喷嘴连通。8.如权利要求7所述的基于热效应减阻的船用推进装置，其特征在于，所述喷嘴内具有单向阀。9.如权利要求1所述的基于热效应减阻的船用推进装置，其特征在于，所述热源包括尾喷管。10.如权利要求1所述的基于热效应减阻的船用推进装置，其特征在于，所述进水口内具有单向阀。

技术总结
本发明实施例公开了一种基于热效应减阻的船用推进装置，包括热源、水管及壳体；水管的部分布置于热源的散热区，并具有进水口及第一排水口；壳体具有与水接触的触水面，且触水面具有第二排水口；水管至少部分位于壳体的内侧，且第一排水口与第二排水口连通。水管布置在热源的散热区，水管内的水从进水口流向第一排水口的过程中能够吸收热源的热量，使得水管内的水升温。同时，升温后的水能够加热壳体外侧的触水面，以在触水面产生莱顿弗罗斯特效应，从而在触水面形成蒸汽层，以减小触水面与水接触的面积，从而减小航行时水产生的阻力。经第一排水口和第二排水口排出的水能够提升触水面周围液体的基础温度，以更容易产生莱顿弗罗斯特效应。弗罗斯特效应。弗罗斯特效应。


技术研发人员：李思宁 齐辉 郭晶 吴昊 姚东
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/4/18