腹膜排压式高速低噪音船舶动力推进装置及其布置方式的制作方法

本发明涉及一种船舶推进装置，具体是一种腹膜排压式高速低噪音船舶动力推进装置及其布置方式。
背景技术：
：传统的船舶推进装置主要是螺旋桨，但随着商业交流的加速，甚至军事也对船艇的“快速机动”性要求越来越高，且越来越重要的需求下，虽然传统螺旋桨在对其改进上由‘固定式螺距’改善为‘可变式螺距’结构，以及‘阿基米德’螺旋桨、‘桨舵合一’螺旋桨等多项创新，肯定地说也确实对当时船舶推进系统带来了飞越的发展，但若想再进一步“提速”时，螺旋桨也就暴露出了它本质上的许多致命弱点：①螺旋桨旋转以形成前后水位压差，借以形成船舶前行推动力时，但其螺旋桨叶片横截面的旋转速度，使其相对流速在‘时空’占有比(时间与空隙的占有比)却随转速的提高反而减少直至为零，从而发生“减流”甚至“断流”的负面作用，故出现了《船用螺旋桨设计》(广东工业院造船系编写组编)所述的无推力进程或实效螺距(即，滑脱比概念)。也就是感性认识地说，螺旋桨旋转对水起导通的作用同时，叶片之横截面的旋转却又对水流又起“止”的作用，形成了矛盾对立体；②水虽具有不可压缩性但抗拉与抗剪特性极低，从而使其螺旋桨在高速旋转的情形下，螺旋桨旋转截面出现“低压”横断面的状况，反而使水流出现滞留、反冲拍击的阻航情形；③“低压”横断面情形的出现，致使水流‘空泡’发生，该现象不仅会增加涡旋阻力，而且还会发生“空穴闪爆”的物理与化学破坏作用；④螺旋桨的导通与截流的对立运动不仅使叶轮甚至使水流本体都极易产生很大的振动与噪音，等诸多缺陷。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种腹膜排压式高速低噪音船舶动力推进装置及其布置方式，以解决上述
背景技术：
中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种腹膜排压式高速低噪音船舶动力推进装置，包括滤水罩、第一支撑罩、径角弹变单向膜瓣阀、缸体前罩、推拉式腹膜、鱼形艉舌式结构体、缸体后罩、尾流螺旋板、第二支撑罩和轴角弹变单向膜瓣阀，所述缸体前罩的一端与缸体后罩固定连接，缸体前罩的另一端设有滤水罩，所述推拉式腹膜设置在缸体前罩与缸体后罩内侧，所述鱼形艉舌式结构体设置在推拉式腹膜内腔中，所述推拉式腹膜与缸体前罩连接的一端设有第一支撑罩，第一支撑罩与推拉式腹膜之间设有径角弹变单向膜瓣阀，径角弹变单向膜瓣阀设置在第一支撑罩上，所述尾流螺旋板设置在缸体后罩内并与推拉式腹膜连接，所述缸体后罩的一端与缸体前罩连接，缸体后罩的另一端设有第二支撑罩，第二支撑罩的外端设有轴角弹变单向膜瓣阀。作为本发明进一步的方案：还包括超声波雾化器激发端子，所述超声波雾化器激发端子设置在缸体后罩内。作为本发明再进一步的方案：腹膜压力排除与汽化入口段设置一层单向截流阀，所述推进装置的尾部的喷口为敞开式，或带上网罩结构形式的喷口端子。作为本发明再进一步的方案：所述单向截流阀选用两叶型单向截流阀。作为本发明再进一步的方案：所述的腹膜排压式高速低噪音船舶动力推进装置的布置方式，包括推进装置后置布置方式、推进装置前置布置方式和推进装置前后共同布置方式。与现有技术相比，本发明的有益效果是：减轻了腹膜排挤压力，使功率转换效率显著提高，解决了出口端压力反噬的问题，节约了空间也降低了液体流动阻力。附图说明图1为桨轮叶片运动中的受力分析图。图2为液体受力与流动微观分析图。图3为叶片几何尺寸定义示意图。图4为腹膜排压推式作用图。图5为腹膜排压拉式作用图。图6为腹膜排压卷式作用图。图7为腹膜排压气压或液压式作用图。图8为螺旋桨腔式排压模式简图。图9为推杆对腹膜作用的优化设计的一种方案的正视图。图10为推杆对腹膜作用的优化设计的一种方案的左视图。图11为腹膜排压式高速低噪音船舶动力推进装置实施例1的结构示意图。图12为腹膜排压式高速低噪音船舶动力推进装置实施例1的工作流程图。图13为腹膜排压式高速低噪音船舶动力推进装置实施例1的后置布置方式示意图。图14为腹膜排压式高速低噪音船舶动力推进装置实施例1的前置布置方式一示意图。图15为腹膜排压式高速低噪音船舶动力推进装置实施例1的前置布置方式二示意图。图16为腹膜排压式高速低噪音船舶动力推进装置实施例1的前置布置方式一在转弯时推进器的引导作用示意图。图17为腹膜排压式高速低噪音船舶动力推进装置实施例1的前后共同布置方式示意图。图18为膜瓣式单向阀中二叶膜瓣关闭状态图。图19为膜瓣式单向阀中二叶膜瓣单瓣结构形式图。图20为膜瓣式单向阀中三叶膜瓣打开状态(径角弹变)图。图21为膜瓣式单向阀中三叶膜瓣单瓣结构(弹性槽在径角方向)图。图22为膜瓣式单向阀中三叶膜瓣关闭状态(轴角弹变)图。图23为膜瓣式单向阀中三叶膜瓣单瓣结构(弹性槽在轴角方向)图。具体实施方式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做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。数理推导：1、立项依据：据查资料，在仿生学里墨鱼(Cuttlefish)的速度为每秒15米，其峰值速度可达每小时150公里、且喷流噪音也极低。章鱼靠腹腔生物肌腱弹性收缩进行排压，理论上，其腹腔收缩可用一个简化的函数力学模型就可表达，F＝k·△x，对其液流横断面积分可得，为流体介质对章鱼的平均反作用力；k为章鱼腹膜生物肌腱的线性弹性强度；△x为肌腱的线性收缩势位移，为章鱼腹膜肌腱作用于液面的截面弹性强度；△v为肌腱压缩排出的液体体积量，或蓄能收缩的体积量。所以就现代金属或树脂高分子树脂等材料的综合运用(特别是金属基纳米复合材料的运用，可以使其收缩压超过20MPa以上)，为其进行的结构设计的弹性收缩强度k或值就远大于生物肌腱，这是因为金属或高分子树脂材料的弹性模量E，比生物肌腱要大成百上千倍(对比文献《足部相关肌肉、肌腱组织材料弹性模量的测定》)，那么利用等量作用关系式(式中m为章鱼身体质量)，再进一步提高现代舰舶速度3～5倍是不成问题的，更何况还可再利用“等离子”助喷技术，或核动力汽化技术等，以及该专利附属的另一技术“主动式航用劈水引导系统及装置”的运用，对其速度的提升值已是无法估量的。然而，但目前舰船所运用的航海技术单就能突破70Km/h就已经很不错了，就其原因，是它们的根本推行的原理或物理作用机制完全不一样，螺旋桨是利用伯努利方程而形成的轴流压力差来进行推进的，其定性推导过程可见如下。但需说明的是，为简化若螺旋桨叶片分析断面，假定便于数学表达的模型(即非工程性分析)，借此设定中螺旋桨是向下旋转或向下移动(对水来说则是向上流动的)的情形下，水压是怎样实现对叶片向右推力的。在对于亚声速运动，因为声压波的快速扩散，可不考虑其形成的密度向桨轮叶片曲面轮廓法向扩散的干扰，此处以作用介质的密度处处均衡为设定条件，进行桨轮叶片的概念性受力分析，从而推导出它的旋转力矩以定性表达的简化数学初始模型(注，其他著作的工程设计演算虽精确但对非专业人士来说显得有些抽象，难建立其读者的感性认识)，从而定性分析各因素的影响力大小，其推演过程如下：图1中n≤1，当桨轮叶片向下移动时，势必叶片下方出现较高密度梯度的介子。那么根据密度处处均衡其值处处一样的设定，该介质应顺着桨轮的曲线弧面扩散，即形成介质旋转形式的流动。若桨轮向下移动的速度为υ0，那么为满足作用介质的密度恒定不变，那么介质微粒从起点a经左侧到达末点b，和经右侧到达末点b的时间应是相等的。则h/υ1＝s/υ2，所以桨轮叶片右侧弧面的介子流速：υ2=(s/h)×υ1=θ/2sin(θ/2)×υ1...(1)]]>式中h为桨轮叶片高度；s为桨轮叶片弧面侧之曲线弧长；θ该弦弧对应的中心夹角。以上分析与图2中液体(或气体)介质向上流动时桨轮叶片的受力情形是一样的。此时再借鉴伯努利方程，有分支流动液体流动形式进行压力推导，如下：由图2的液体微观受力分析图可推导出，有沿途能量损失的多支流形式下的伯努利方程：图2及上式中，Q为流量；υ为液体流速；s为通道截面积；P为压强；液体密度为ρ；∑ΔPζi为各支流的沿途压力损失总和。图1中可知υ0＝υ1、P0＝P1、Q0＝Q1+Q2，对于桨轮穿过无限大空间时，则可认定h0＝h1＝h2，且桨轮移动过程中可视为绝热过程，故取定∑ΔPζi＝0，将各等式带入(3)式，并结合(2)式可得：P0+12ρυ02=12(P1+12ρυ12)+12(P2+12ρυ22)⇒ΔP=P1-P2=[(θ/2sin(θ/2))2-12]ρυ12...(3)]]>也就是说，图1中叶片向下旋转时，对叶片就有压力差的作用△P，且其上水位压强为P1，下水位压力为P2。定性分析△P其值随叶片‘展度’的扩大(即图1中θ值的增大)而非线性增大。但就在△P作用下带动叶片右移时，却又因其‘展度’的结构尺寸nR产生了极大的“水阻”或“断水”现象，见下定性分析：以叶片竖直平行运动(非旋转运动)为例，设定叶片长度为e，两相邻叶片的“周距”为c，叶片高度为图1中所示的h，水流增变速度值设为Δv，如图3所示。叶片以υ1速度下移时，在(3)式中△P作用下，叶片带动的水流是向左移动的，那么两个叶片所形成的水流“窗口”的面积为：e×(c-h)，这个窗口类似于电影胶片，其窗口是有移动速度的。为简化分析，令水流初始流动速度为零，则由伯努利方程可推导，故可得静态水在△P作用下产生水的流速为：Δv=k2×ΔPρ...(4)]]>(4)式中k是叶片对水流的作用因子，显然由(3)式可知它是正比于h/c的，那么水流在nR长度的‘通道’里的“瞬间窗口”下，瞬态流量Q＝e×(c-h)×Δv。我们取图3中水断面层dl0来分析，如其dl0断面层，其对应的线速度为dl0/dt，当叶片下移速度加快时，则会出现从dl0水断面层还没通过nR通道时就被切断，其切断时间长度为(c-h)/υ1(即图3中叶片从b层断面到a层断面所耗的时间)，那么取其临界点来建立等式关系，此时可得：(c-h)/υ1＝nR/Δv……………………………(4)则，一个“周距”内(即一个c值跨度内)其平均流量为：Q‾=∫0TQ(t)′d(t)=∫0(c-h)/υ1Q(t)′d(t)+∫(c-h)/υ1(h)/υ1Q(t)′d(t)...(5)]]>并建立临界点瞬态流量关系式：Q＝e·nR·υ1，对其进行时间求导可得Q′(t)＝e·nR·d(υ1)，υ1在窗口处发生阶跃，且在(c-h)/υ1至h/υ1时域段，流水被叶片遮挡其υ1为零，故可得Q′(t)＝e·nR·δ(t)·dt，所以将其带入(5)式则最终可得临界状态时，液体的临态平均流量：Q‾=e·nR·(c-h)/υ1...(5)]]>这里可以对(5)式再进行角度求导时，即转换成螺旋桨旋转所产生的临界状态流量函数表达式，此处从略。所以从(5)式可以说明叶片引导水的流量，随其叶片宽度h的加大，以及叶片数的增多(导致窗口c值的降低)与叶片转速υ1的提高，反而是下降的。但，从(3)式可知，其推力是显著加大的，由于流量与压强的乘积是功率，说明流水对船体做的功是随叶片转速加快而加大的，但是叶片使其流水瞬间断速时，其功率也就会瞬间下降。虽然，螺旋桨在结构改进上，出现了如图2所示将两叶片错开的情形，以形成H螺距，将图1仅有的一个水平窗口，再拓展出另一个顺螺旋升角的斜窗口，使其液体的流动窗口加大，以至于叶片转速可得到进一步的提升，但叶片式螺旋桨这种“推”、“阻”的相互“掣肘”的现象，依然存在，这就注定了它不能再进一步提升船舶航速的关键。转言归述，(3)式也就从根本上说明了，桨轮的旋转形成了前后水位的压力差的伯努利方程推进机制的本质。2、基本方案提出：而‘墨氏’推进方式(墨鱼喷流式推进方式的谐称命名)则是将吸进的水，作为对本体反作用的介质，在高压排出后来推行本体前进的，它是直接利用了牛顿冲量原理，其通用表达方程为：Ft＝mΔv，那么对于‘墨氏’推进方式的数学表达式，则其冲量方程应改写为：Fct＝ΔmΔv……………………………(6)Δm—排出的高压水的质量；Δv—排出高压水流速度的相对差值；Fc—排出水对章鱼在t作用时间段的反作用力；t—排出水的排流(作用)时间。同时(6)式也给出了结构设计的一个基本暗示，那就是“进水口宜宽，以利于更多的推进介质质量Δm吸入腔内，而排水出口宜窄，以利于流动介质的Δv以高速形式排除”。借此，此案鉴于‘墨氏’推进方式，提出了流体无横截面扰流的(相对于螺旋桨来说的)“腹膜排压式推进方式”。特别是，金属基纳米复合材料的问世，使其腹膜排压式推进方式产生更高的，大于15MPa以上的压力差成为可能。金属基纳米复合材料具有高弹、高韧性，以及很高的耐温、耐腐蚀特性，是“腹膜”最佳的选用材料。用其作为机构设计时，其基本结构如下，其中所示为机构对腹膜作用有：推式排压、拉式排压与卷式排压，以及压力排压四种基本方式。同样，对腹膜的回位也是对应的是该四种，即：推式复位、拉式复位、卷式复位，以及负压复位，其中形成正压与负压的控制介质可以是气体也可以是液体。那么对应的腹膜结构也就有卷式的、推拉式的、膨胀式的等多种，如图4-7所示。图4-7中，各例采用的单向阀是一种“截流阀”结构(ZL2015105775203)，若采用传统的“塞流阀”结构，则推进器的工程设计较难实现其理论上的功能。传统结构的塞流阀不仅是悬浮结构，阻挡了液体流动出口(特别是对推进器尾口喷流的阻挡)，而且更主要是响应频率特性低，一般工作于20∽30Hz以下，而膜片式截流阀理论上工作频率可达150Hz以上，对于反向抗负压能力很高的场合，可采用高弹模量、轻质、耐高温，类质玻璃钢的金属基纳米复合材料(低压场合可使用塑料或橡胶等)，这与腹膜材料所要求的较高弹模量类质高密橡胶的金属基纳米复合材料有所不同。所以其提供的压力可比塞流阀可至少高出6∽8倍，乃至10倍以上。同时，后续中一个模拟实例工程的设计方案中，可以看出：‘三瓣膜截流阀’是一个三瓣呈三个弧形三角面鼎力的结构，所以抗正压力高，而且反压作用时又不会锁死(或象塞流阀那样被塞死)。当然，在实际工程设计时为了避免压力‘反噬’，还可进行分段、多级单向截流阀的运用，在腹膜压力排除与汽化入口段可再设置一层单向截流阀，并且优选两叶型单向截流阀。3、隔膜舱室的布置与缸体结构及其组合方式：图5还展示了‘隔膜分开的独立舱室’结构，图6展示了‘隔膜联通的单一舱室’结构，如果把图4-7的结构定义为一个腔体或缸体，那么在实际运用时，也可以采用几个缸体铸一体的‘整合式结构’，或几个缸体组合固联成一体的‘分离式结构’，以达成如汽车燃油发动机一样的多缸平衡式排压的目的。当然，也可利用螺旋桨旋转时窗口关闭的特性，以用作活塞来进行压缩排压(即实现如柱塞式活塞泵那样的功能)，不仅提高了目前螺旋泵的驱动能力，而且该方案对其目前已普遍使用的螺旋桨的改装，也是很方便且是有利的。如图8所示。如图8所指的阀门位置，由于该单向阀由于位于喷头缩口的下方，即压力低势能区，所以当螺旋桨回拉时，其喷射内口压力的下降不会导致，对该腔体已排除的推动介质，发生回流而越过高势能的缩口区，从而引发所谓的射流‘倒吞’现象。而只能迫使其腔内机件运作的是：该处的单向阀在压力差的作用下，迅速被打开，以‘及时’进行其压力与介质的补偿。这里所说的‘及时’是由于直通道内，液体的‘易拉’特性(抗剪性低)，而发生的有一定程度的弹性滞后现象，所以并非真正概念意义上的及时。实施例1请参阅图9～17，是图4略加改动的一种腹膜排压式推进器模拟实例工程的设计方案，由于对腹膜的作用方式有多种。在设计细节上，对于腹膜作用方式的最佳化方案，需做一点必要说明，那就是：尽量避免两腹膜对流进腔内的水挤压(因有空气，故可能还会产生拍打的作用)时，因两水压对撞而产生过度的气泡(即气化现象)，或在腔内形成水平盘桓的旋流，从而导致水流阻塞，既加大了腹膜排挤压力，又使功率转换效率显著降低。据此，图9-10对推杆既倾斜了一个角度θ，使盘桓旋流变成螺旋流，又对推杆设置了一个偏移量δ，以避免水压对撞在腔内产生气泡。当然对于气泡我们只希望它是在喷口产生的，而不是腹膜腔内。本发明实施例中，一种腹膜排压式高速低噪音船舶动力推进装置，包括滤水罩1、第一支撑罩2、径角弹变单向膜瓣阀3、缸体前罩4、推拉式腹膜5、鱼形艉舌式结构体6、缸体后罩7、超声波雾化器激发端子8、尾流螺旋板9、第二支撑罩10和轴角弹变单向膜瓣阀11，所述缸体前罩4的一端与缸体后罩7固定连接，缸体前罩4的另一端设有滤水罩1，所述推拉式腹膜5设置在缸体前罩4与缸体后罩7内侧，所述鱼形艉舌式结构体6设置在推拉式腹膜5内腔中，所述推拉式腹膜5与缸体前罩4连接的一端设有第一支撑罩2，第一支撑罩2与推拉式腹膜5之间设有径角弹变单向膜瓣阀3，径角弹变单向膜瓣阀3设置在第一支撑罩2上，所述超声波雾化器激发端子8设置在缸体后罩7内，所述尾流螺旋板9设置在缸体后罩7内并与推拉式腹膜5连接，所述缸体后罩7的一端与缸体前罩4连接，缸体后罩7的另一端设有第二支撑罩10，第二支撑罩10的外端设有轴角弹变单向膜瓣阀11。本发明的缸体前罩4、缸体后罩7和鱼形艉舌式结构体6的设计，均体现了“阔口而入，缩口而出”的设计理念。其中分流弧功能起到将入口的水往旁侧腹膜腔引导的作用，正由于该功能故还可再开导引螺旋槽或削流凸茎，不仅使槽中水柱产生陀螺运动的自旋而且还要顺着鱼形艉舌式结构体6产生公旋运动，避免出现入口流水喷溅的现象。并借用液体抗剪能力差的特性，使该螺旋槽或削流凸茎的引导，以形成液体螺旋流动或多屡旋流运动为最佳。另外，为了进一步提高该装置的推行动力，使该装置的潜质达到最大化，并结合现有技术，图11相对图4又再一步增设了‘超声波雾化器’激发端子的设计，但作为多方案的选择，还可以是‘等离子雾化器’激发端子(以及包含一对出现的正、负双极头)，和‘核热’激发的蒸汽发生器(如：使用钠液作为热传导介质的散热器)等多种雾化或汽化装置。但正由于该装置的提出，也就必然会出显新的，我们势必必须要解决的问题：即出口端压力反噬的问题。这是因为，雾化器是水流在该处瞬时产生加大的压力，当喷口的液体喷出流速小于雾化助推扩散速度时，即发生压力反噬。这个反噬不仅使液体喷出效率降低，还会给腹膜带来较大损害的作用。虽然以‘抗噬’锥台的结构设计，以示明其抵抗压力反噬的功能意图，但作为另一种较好的设计方案，还可在此处采用截流阀，并以“双叶型单向截流阀”为最佳。为便于读者对本文内容的快速读阅与理解，本案此处有必要给出ZL2015105775203提出的三叶型与双叶型单向截流阀的基本图形，以及所提到的轴角弹变结构，如图18-23所示。所述推进装置在船体上的布置方式：(1)推进装置后置布置方式：推进装置后置式布置方式使船首有较大的直线保持惯性，特别是有球鼻艏构体，虽然该构体降低了兴波阻力，但其对水流的引导使该直线保持惯性更加突出，所以它的转弯特性较差；(2)推进装置前置布置方式：推进装置采用前置式布置方式，其推进器的椭圆形外廓可代替球鼻艏的外廓，从而可以起到分水与降低兴波阻力的作用，同时该推进器对中心流水直接的导入，更有利于航行阻力的降低与螺旋流的形成；推进装置前置式布置方式，使转弯由原来船尾舵作用的“被动式”变换成，由推进器一定引导作用的“主动式”模式。这是因为推进装置可相对船体旋转，这也是球鼻艏无法比拟的优点。(3)推进装置前后共同布置方式。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。当前第1页1 2 3