專利名稱：不依賴空氣的潛艇推進方法與推進裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及交通運輸技術，尤其涉及到一種不依賴空氣的潛艇推進方法與推進裝置。
背景技術：
潛艇是一種既能在水面，又能在水下一定深度航行，并進行戰斗的艦艇。潛艇是現代海戰中十分重要的高技術主戰兵器，是人類在走向海洋深處的艱苦探 索中所取得的杰出成果之一。第一次世界大戰中，德國潛艇在海戰中大顯神威，令各國海軍刮目相看。此后，世 界各主要海軍大國加快研制潛艇的步伐。第二次世界大戰中，各交戰國都將潛艇作為一支重要海上力量投入使用，使得地 球上各大洋深處充滿殺機，潛艇也就名副其實地被稱為“水下幽靈”。眾所周知，當今世界上，大約有40多個國家和地區擁有800艘左右的潛艇，其中常 規動力潛艇有700余艘。與核動力潛艇相比，常規動力潛艇機動靈活、噪音小、造價低。但 是，它有一個致命的弱點不能在水下作長時間的航行，必須經常浮至海面“呼吸”，即在通 氣管狀態下使用柴油機為蓄電池充電。這樣很容易被對方雷達偵察到，同時，柴油機為蓄電 池充電時的噪聲，也極易被對方水聲器材探測到，因而大大增加了常規動力潛艇的暴露率， 使其生存能力受到嚴重的威脅。為減少常規動力潛艇的暴露率，增加隱蔽性，早在二戰期間，德國和前蘇聯就開始 研究不依賴空氣推進裝置(Air Independent Propulsion)，簡稱AIP裝置，裝備不依賴空氣 推進裝置的潛艇，稱為AIP潛艇。進入21世紀以來，不同結構和工作原理的多種AIP潛艇 陸續研發成功，世界主要海軍大國幾乎都已裝備了 AIP潛艇，使現代常規動力潛艇的攻防 作戰能力得到大幅提升。在亞洲，在2007年中，韓國海軍的214級潛艇“孫元一”號下水，韓國成為亞洲第 一個裝備AIP常規潛艇的國家。韓國214級潛艇的AIP系統，是利用德國的燃料電池獲得 電能，供潛艇使用。在2007年末，日本海上自衛隊“蒼龍”號潛艇下水，其AIP系統采用了 瑞典的“斯特林”發動機。最近在南海，美國調查船不顧中國抗議進行間諜活動，以及臺灣企圖買進外國先 進技術自己造潛艇等一系列事件，都對我國海軍構成極大挑戰。為了建設一支強大的中國海軍，我國對常規動力潛艇的AIP裝置的研究，已進行 多年，并取得了一些重要成果。但是，一些關鍵技術還有待突破，建成我國自己的高性能的 AIP潛艇，尚需時日。目前，國內外常規動力潛艇的AIP裝置，主要有以下四種一、閉式循環柴油機裝置閉式循環柴油機裝置的主要技術特點潛艇使用普通柴油機，潛艇不僅自帶柴油， 而且自帶氧氣，燃燒后的廢氣從柴油機排出后，進入廢氣吸收處理裝置。
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該裝置的優點柴油機技術成熟、壽命長，燃料通用，耗油率低。該裝置的缺點廢氣二氧化碳吸收和排除的難度很大，需要設備多；柴油機運動 部件多，機械噪音大。二、“斯特林”發動機裝置“斯特林”發動機裝置的主要技術特點它使用閉式循環的熱氣機工作，由外部熱 源加熱，潛艇自帶柴油與氧氣。該裝置的優點燃燒過程平穩，發動機的噪音和振動較小；燃燒壓力高，廢氣排放 比較容易。該裝置的缺點“斯特林”發動機的功率較低，發動機部件的加工難度大。三、閉式循環汽輪機裝置閉式循環汽輪機裝置的主要技術特點潛艇自帶的燃料與氧氣在高壓下燃燒，通 過熱交換器，使水加熱變成高溫高壓蒸汽，蒸汽推動汽輪機做功。潛艇自帶的燃料通常是乙 炔。該裝置的優點功率大；可靠性好；燃燒壓力高，廢氣排放比較容易，也可將廢氣 冷凝存在艇內。該裝置的缺點閉式循環汽輪機裝置體積龐大，輔助設備多，燃料乙炔所占容積 大。四、燃料電池裝置燃料電池裝置的主要技術特點燃料電池裝置是用電化學方法，將反應物質氫和 氧的化學能直接轉換為電能，燃料電池本身沒有機械運動部件。該裝置的優點能量轉換效率高；對外熱輻射較少；工作過程安靜，噪音低；不產 生廢氣；過載能力強。該裝置的缺點燃料電池用純氫作燃料，純氫貯存難度大，純氫泄漏危險大；燃料 電池工作壽命短，價格高。上述有關潛艇推進裝置的背景技術，在以下專著中有詳細描述1、張海波，楊金成，現代潛艇技術，哈爾濱哈爾濱工程大學出版社，20022、謝祚水，羅廣恩，現代潛艇，哈爾濱哈爾濱工程大學出版社，20073、邵開文，馬運義，艦艇技術與設計概論，北京國防工業出版社，200
發明內容
本發明的目的是給出一種適用于常規動力潛艇的不依賴空氣的潛艇推進方法與 推進裝置，該推進方法與推進裝置具有簡單、可靠、實用的特點。本發明不依賴空氣的潛艇推進方法，它的具體步驟是1、在潛艇上，利用電石與水生產乙炔，同時產生氫氧化鈣堿性溶液；2、氣體燃料乙炔與潛艇自帶的氧氣按比例充進燃燒室，混合成可燃氣體；3、在燃燒室中，點燃可燃氣體，燃燒爆炸產生高溫高壓燃氣；4、高溫高壓燃氣進入主機做功，即燃氣推動水平管狀主機中的水體形成高速流 水，流水驅動主機渦輪機；5、主機帶動螺旋槳，螺旋槳推動潛艇前進；
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6、用氫氧化鈣堿性溶液吸收排放廢氣中的二氧化碳、硫氧化物等不凝氣體。本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置，它包含燃料系統、氧氣系統、燃燒室、主機、 推進器、廢氣系統、電控系統。它們之間的基本關系是由燃料系統供給乙炔氣體，由氧氣系統供給氧氣，分別通 過管路進入燃燒室，乙炔和氧氣燃燒爆炸生成的高溫高壓燃氣，從燃燒室進入主機做功，主 機驅動推進器，推進器推動潛艇前進，燃燒室和主機排出的廢氣進入廢氣系統處理，電控系 統內有控制電路，控制各泵和電動閥門。燃料系統和氧氣系統分別將乙炔氣體燃料和氧氣輸送到燃燒室，燃燒室里的乙炔 燃料被點燃，爆炸燃燒產生高溫高壓燃氣，燃氣從燃燒室進入管狀的主機，推動水體在一段 水平的主機管道中不斷加速，在主機的后部形成高速水流，沖擊渦輪機，帶動艇外的螺旋
ο燃料系統包括電石桶、乙炔發生器、回火防止器，電石桶貯存的電石，分批投入乙 炔發生器，在乙炔發生器內，電石與水反應生成的乙炔，輸出的乙炔通過回火防止器到達燃
燒室ο氧氣系統包括液氧貯箱、液氧泵和加熱器，向燃燒室內供給燃燒用氧氣。燃燒室是高溫壓力容器，它的外形是一個橫放的筒狀壓力容器，由前后封頭和中 間筒體組成。在中間筒體的前部連接氧氣系統、點火器，前封頭連接乙炔進氣管，后封頭連 接排氣管。燃燒室與下面的主機之間有燃氣通道，燃燒室產生的高溫高壓燃氣，通過燃氣通 道進入主機。主機包括壓水箱、進水閥、燃氣閥、渦輪管、渦輪機、疏氣閥、密封口、回水管和回 水閥。壓水箱通過進水閥，向渦輪管內注水；渦輪管前部有燃氣閥與燃燒室相連，渦輪管后 部設有疏氣閥，渦輪管的內部設有軸流式渦輪機，它由一個渦輪軸和幾個渦輪構成，渦輪軸 通過渦輪管尾部的密封口輸出動力。通過渦輪機做完功的水，再通過回水管和回水閥，返回 壓水箱。主機的功能是利用燃氣膨脹推水，水推動渦輪機對外做功。渦輪管沿艇身方向，水 平地設置。渦輪管后部接出的疏氣閥，是一個單向放氣阻水閥，主機中做完功的廢氣通過疏 氣閥，到達冷凝器。推進器包括推進軸、變速器、慣性輪、螺旋槳。主機的渦輪軸，通過密封口輸出動 力，傳遞給推進器的推進軸，推進軸上有一個慣性輪用于穩定輸出，推進軸通過變速器與螺 旋槳耦合連接，螺旋槳旋轉產生推力，推動潛艇前進。廢氣系統包括冷凝器、噴淋室和回氣泵。燃燒室和主機排出的廢氣首先進入冷凝器。冷凝器是間壁式換熱器，管外流動的 是冷卻水，管內流動的是燃燒室和主機排出的廢氣。在冷凝器中，廢氣被降溫，同時廢氣中 的一部分水蒸氣凝結下來，從冷凝器出來的溫度不很高的廢氣接著進入噴淋室。噴淋室是廢氣中所含二氧化碳和硫氧化合物的吸收裝置，它的上方有進液管，下 方有出液管，一側有進氣管，另一側有出氣管；進液管外接乙炔發生器的排液管，內接噴淋 管，進氣管外接冷凝器的排氣管，出液管外接貯液桶；噴淋室內，靠近底部，水平放置一個篩 網，用于截獲固體生成物。噴淋室的作用是利用乙炔發生器中，電石與水反應生成的氫氧 化鈣溶液，在廢氣中噴淋，吸收廢氣中的二氧化碳和硫氧化合物。在噴淋室中廢氣繼續降 溫，又有一部分水蒸氣凝結下來。從噴淋室出來的廢氣，可能含有少量的水蒸氣和部分未參
6加燃燒的氧氣。噴淋室的出口接回氣管，噴淋室出來的含氧氣的廢氣，通過回氣管和回氣管 上的回氣泵，流回燃燒室再次參加燃燒。 電控系統包括控制電路和控制電路的電源，控制電路負責控制各泵和電動閥的開 閉，控制電路的電源是12伏的直流電源。本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置，基本的工作過程是乙炔發生器生產的乙炔氣體，通過回火防止器，經過乙炔閥，進入燃燒室；在燃燒 室里，乙炔與氧氣混合成可燃氣體，并被點火器點燃，瞬間形成高溫高壓燃氣；高溫高壓燃 氣進入水平的管狀的主機，強力擠壓管狀的主機中的水體，管狀的主機中的水體不斷加速， 形成高速射流水，沖擊管狀的主機后部的渦輪機，渦輪機帶動螺旋槳做功。燃燒室排出的廢 氣先進入冷凝器降溫，水蒸氣凝結；再進入噴淋室，在噴淋室內，利用生產乙炔的副產品一 氫氧化鈣溶液，吸收廢氣中的二氧化碳、硫氧化合物。然后，廢氣中僅剩下的水蒸氣和少量 氧氣通過回氣管和回氣泵又回到燃燒室。本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置，具體地啟動過程是1、向乙炔發生器的電石罐里，裝填小球狀電石；2、液氧貯箱經液氧泵和加熱器，向燃燒室供給氧氣。同時，從燃燒室的排氣閥，排 出廢氣，廢氣流過冷凝器和噴淋室；3、電石罐里的小球狀電石，從電石罐出料口，受控向下滑落，投入到乙炔發生器的 發氣桶的水中；4、乙炔發生器生產的乙炔氣體，通過回火防止器，經過乙炔閥，進入燃燒室；5、在燃燒室里，乙炔與氧氣混合成可燃氣體，并被點火器點燃，瞬間形成高溫高壓 燃氣，并從燃燒室進入管狀的主機；6、高壓燃氣推動管狀的主機中的水體不斷加速，最終形成高速水流，沖擊渦輪機 做功；7、主機中做完功的廢氣通過疏氣閥，流過冷凝器，再流過噴淋室；8、流出噴淋室的廢氣僅含水蒸氣和少量氧氣，通過回氣管和回氣泵又回到燃燒室。本發明的不依賴空氣的潛艇推進裝置的乙炔氣體燃料在現場由電石制取。Ikg高 品質的電石大約可以制取0. 4kg的乙炔氣體。常壓下，20°C時，乙炔氣體的密度是1. 17kg/ m3,0. 4kg的乙炔體積為0. 342m3。電石的密度是2220kg/m3，Ikg電石體積是0. 00045m3, Ikg 高品質的電石制取的乙炔氣體的體積是Ikg電石本身體積的760倍。Im3高品質的電石的質量為2220kg，大約可以制取888kg的乙炔氣體，折合成體 積為759m3。乙炔的低熱值為52700kJ/m3，燃油的低熱值為42000kJ/kg，即Im3乙炔相當于 1. 25kg燃油。759m3的乙炔氣體相當于949kg燃油。燃油的密度為800kg/m3，949kg燃油的體積是1. 19m3。即Im3高品質的電石的熱值 相當于1.19m3燃油的熱值。高品質電石的出廠價約為每噸3000元，折合每m3電石為6660元，1. 19m3燃油的 加油站價格為7140元。1. 19m3燃油的質量為952kg，Im3高品質的電石的質量為2220kg。本發明的優點是1、本發明的不依賴空氣的潛艇推進裝置不使用石油燃料和生物燃料；
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2、本發明的不依賴空氣的潛艇推進裝置的乙炔燃料是由電石制取的，而電石是用 石灰和焦碳為原料，經過電加熱生產的。所以，本發明的不依賴空氣的潛艇推進裝置的燃料 的生產工藝簡單，原料來源廣泛，生產成本低廉。乙炔代替石油作為潛艇燃料，有利于保障 國家能源安全和國防安全；3、本發明的不依賴空氣的潛艇推進裝置總體結構簡單，故障率低，沒有笨重的部 件，加工制造容易，成本低，操作與維修方便；4、本發明的不依賴空氣的潛艇推進裝置沒有往復運動部件，機械磨損小，振動小， 壽命長，噪音小，隱蔽性好。5、乙炔氣體的毒性輕微，乙炔在氧氣中的燃燒迅速而徹底，燃燒產物中的硫氧化 合物極少，經過噴淋室后，廢氣中的二氧化碳、硫氧化合物等不凝氣體被吸收，有利于潛艇 長時間水下潛伏。
圖1是本發明不依賴空氣的潛艇推進方法的原理說明圖；圖2是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的總體示意圖；圖3是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的主機結構圖；圖4是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例主機的壓水箱的結構圖；圖5是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的燃燒室的結構圖；圖6是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的乙炔發生器的結構圖；圖7是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的液氧貯箱的結構圖；圖8是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的廢氣處理設備的結構圖；圖9是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的推進器的結構圖；圖10是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的控制電路圖；圖11是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例在潛艇上的具體設置示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明作進一步詳細描述。圖1是本發明不依賴空氣的潛艇推進方法的原理說明圖。本發明不依賴空氣的潛艇推進方法是乙炔發生器50利用電石與水生產乙炔，向燃燒室供給乙炔，液氧貯箱100向燃燒
室供給純氧氣；在燃燒室250中，乙炔與純氧混合成可燃氣體，被點火器270點燃，燃燒爆炸產生 高溫高壓燃氣；高壓燃氣進入水平的管狀的主機300，推動主機內水體不斷加速，在管狀的主機 300中形成高壓高速流水，流水沖擊渦輪機，使渦輪機旋轉做功；渦輪機帶動主機后邊的螺旋槳350，螺旋槳350在水中旋轉產生推力，推動潛艇前 進；在冷凝器200中，利用冷卻水冷卻來自燃燒室250和主機300排放的廢氣，廢氣中 的部分水蒸氣凝結下來，較低溫度的廢氣再進入噴淋室150 ；
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在噴淋室150中，利用氫氧化鈣堿性溶液，吸收排放廢氣中的二氧化碳、硫氧化物 等不凝氣體，然后含有部分氧氣的廢氣，再回到燃燒室250，再次參加燃燒。氫氧化鈣堿性溶 液是在乙炔發生器50中，用電石和水生產乙炔過程產生的。原則上，本發明不依賴空氣的潛艇推進方法不向潛艇外排放任何廢氣，減少了潛
艇暴露率。圖2是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的總體示意圖。壓水箱320通過進水閥305，向主機300的渦輪管303注水后，關閉進水閥305。液氧從液氧貯箱100的下部出口流出，通過液氧泵，到達加熱器，加熱器位于燃燒 室內，液氧在加熱器內受熱蒸發汽化，隨后，氣態的氧氣進入燃燒室250內部空間。乙炔從 乙炔發生器50的出口流出，通過回火防止器，通過乙炔閥，進入到燃燒室250中。乙炔和氧氣在燃燒室250中混合成可燃氣體被點燃，打開燃氣閥324，爆炸燃燒產 生高壓高溫燃氣，強力向下擠壓并進入管狀的主機300的渦輪管303中。主機渦輪管303中的水體受到從燃燒室進入的高壓燃氣擠壓推動，在渦輪管303 中加速，形成的高速水流沖擊推動渦輪機302，渦輪機302輸出軸通過變速器370帶動螺旋 槳 350。燃燒室和主機排出的廢氣通過冷凝器200進入噴淋室150，電石與水反應產生的 氫氧化鈣堿性溶液也從上邊進入噴淋室150，并噴淋室150內從上向下噴灑。氫氧化鈣堿性 溶液吸收廢氣中的二氧化碳，最后，從噴淋室150的流出的含有水蒸氣和部分氧氣的廢氣， 通過回氣管和回氣泵，再流回燃燒室250參加燃燒。在主機內，高壓水流沖擊并推動渦輪機302做功后，產生的低壓水流通過回水管 304和回水閥306，返回壓水箱320。回水閥306是單向水閥。本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的具體工作流程為1、經過液氧泵和加熱器，氧氣進入燃燒室250 ；2、從電石桶450中提取小球狀電石，通過乙炔發生器50的進料口，向乙炔發生器 50里投入電石；3、在乙炔發生器50中，電石與水反應，生產乙炔氣體，通過回火防止器，經過乙炔 閥進入燃燒室250 ；4、在燃燒室250里，乙炔與氧氣混合成可燃氣體，乙炔的容積成分在5 30%范圍 內進行調節和控制，乙炔的容積成分越高，燃燒產生的燃氣溫度和壓力越高；5、可燃氣體被點火器點燃，燃燒爆炸形成高溫高壓燃氣，打開燃氣閥324，利用高 壓推動作用，燃氣進入下部的主機300。6、壓水箱320通過進水閥305，向主機300的渦輪管303中注水后，水平的渦輪管 303中的水體受高壓燃氣推動，在管內加速，高速水流沖擊渦輪機302，渦輪機302帶動螺旋 槳，螺旋槳推動潛艇。7、主機300和燃燒室250排出的廢氣，通過管路進入冷凝器200，部分水蒸氣被凝 結，再進入噴淋室150，廢氣中的二氧化碳被吸收，剩余廢氣基本是由氧氣和水蒸氣組成，通 過回氣管和回氣泵，返回燃燒室250 ；8、做過功的水通過回水管、回水閥306返回壓水箱320。本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例是利用燃氣膨脹噴水，噴水推動渦輪
9機，渦輪機帶動螺旋槳，螺旋槳推動潛艇前進。在其他場合下，也可以利用噴水的作用力，向 外輸出動力帶動水泵抽水，或帶動機床加工零件，或帶動發電機發電。所以，本發明實質上 它是可以廣泛用于各行業的通用發動機。圖3是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的主機的結構圖。本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的主機的結構包括壓水箱320、進水 閥305、燃氣閥324、渦輪管303、渦輪機302、疏氣閥315、密封口 314、回水管304和回水閥 306。壓水箱320通過進水閥305，向渦輪管303內注水；渦輪管303前部有燃氣閥324與 燃燒室相連，渦輪管303后部設有疏氣閥315，渦輪管303的內部設有軸流式渦輪機302，它 由一個渦輪軸和幾個渦輪構成，渦輪軸通過渦輪管303尾部的密封口 314輸出動力。通過 渦輪機302做過功的水，再通過回水管304和回水閥306，返回壓水箱320。主機的功能是 利用燃氣膨脹推水，水推動渦輪機對外做功。渦輪管303沿艇身方向，水平地設置。渦輪管 303后部接出的疏氣閥315，是一個單向放氣阻水閥，主機中做過功的廢氣通過疏氣閥315， 到達冷凝器。本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的主機是完成能量轉換的基本裝置。它 的工作過程分為兩步的動力循環1，打開電動的進水閥305，壓水箱將水壓入主機，充滿主機的渦輪管303，在渦輪 管303中原有的廢氣通過疏氣閥315進入冷凝器。然后，關閉電動的進水閥305。2，打開電動的燃氣閥324，高溫高壓燃氣從燃燒室通過燃氣閥324，進入主機。高 壓燃氣壓迫和推動管狀主機中的水體，在渦輪管303內運動，形成高壓高速水流，沖擊渦輪 機302，渦輪機軸通過密封口 314輸出動力。通過渦輪機302做過功的水，再通過回水管304 和回水閥306，返回壓水箱320。然后，關閉燃氣閥324。上述1和2兩過程反復進行，是工作過程分為兩步的動力循環。圖4是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例主機的壓水箱的結構圖。壓水箱是一個壓力容器，它包括一個立放的筒體307，和上下兩個封頭。上封頭安 裝壓力表309，下封頭接出一個排污管311。筒體307內的中上部，有一個水平放置的彈性 膜片308，彈性膜片308上方是空氣，彈性膜片308下方是水。彈性膜片308的材質為不銹 鋼波紋板。彈性膜片308的上方筒體外接進氣管，進氣管上有一個進氣閥310。彈性膜片 308下方筒體外接兩個管上面的是出水管，出水管上有主機的進水閥305 ；下面的是回水 管，回水管上有回水閥306。進氣管外接高壓氣源，通過進氣閥310，向壓水箱供氣，保證壓水箱維持一個額定 的壓力。出水管通過主機的進水閥305向主機供水，回水管通過回水閥306，吸納主機中做 過功的水。圖5是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的燃燒室的結構圖。燃燒室是水平放置的耐高溫壓力容器，它的外形是由前后封頭和中間筒體組成， 在中間筒體上部有氧氣管、回氣管、點火器。氧氣管上有液氧泵110、加熱器253，加熱器253設置在燃燒室內，液氧在流過加熱 器253時，吸收燃燒室熱量而氣化后，進入燃燒室內部空間。回氣管上有回氣泵252，從噴淋室流出的廢氣，通過回氣泵252回到燃燒室。在前封頭上安裝乙炔管，乙炔管上有乙炔閥256。在后封頭上，有一個排氣管，其上
10有廢氣閥257。燃燒室與下面的管狀的主機之間有燃氣通道，燃氣通道上有燃氣閥324。乙炔發 生器生產的乙炔氣體，通過乙炔閥256進入燃燒室；在燃燒室里，乙炔與氧氣混合成可燃氣 體，并被點火器270點燃，瞬間形成高溫高壓燃氣，通過燃氣通道和燃氣閥254進入管狀的 主機。圖6是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的乙炔發生器的結構圖。乙炔發生器的主體是由電石罐52和發氣桶62兩部分組成，電石罐52坐落在發氣 桶62上邊，電石罐52內的小顆粒圓球形電石53受到出料口處的一個杠桿活門系統的控 制，按照一定的流量從下部的出料口向下滾落，落入發氣桶62的水中。在發氣桶62中，電 石與水發生化學反應，產生乙炔氣體，經過發氣桶62的出氣管55，再通過回火防止器56輸 出。這種電石入水式乙炔發生器，電石與水作用比較完全，電石有效利用率高，生產效率高， 發氣量大。電石罐52是一個豎放的圓筒，圓筒的上端是加料口和加料口壓蓋51。圓筒的下 端是一個錐形的漏斗，漏斗口即出料口，出料口被一個活門54部分遮擋。活門54可以上下 升降，從而改變出料口的出口面積，調節小球狀電石的出料速度。活門54的升降是受支桿 60、支點63和可以移動的重錘59的控制。移動重錘59的位置，出料口和活門54的間隙大 小就發生變化，影響小球狀電石的出料速度。發氣桶62在電石罐52的下邊，發氣桶62的直徑比電石罐52的直徑大許多。發 氣桶62內是發氣室，發氣室內的下部是水，水占發氣室內一半以上的空間。發氣桶62的桶 體的中下部，有進水管64、排液管58，發氣桶62的桶體的上部有出氣管55，還有一個較大的 防爆門61。防爆門61上有防爆膜，當發氣桶62內部發生爆炸時，氣浪沖破防爆膜，使發氣 桶62內迅速卸壓，達到保護發氣桶62的目的。防爆膜卸壓所排放的乙炔氣體，應該妥善處 理，不能在環境中擴散。排液管58用于排放氫氧化鈣堿性溶液。氫氧化鈣堿性溶液是在用 電石和水生產乙炔過程中同時產生的，氫氧化鈣堿性溶液通過排液管58送到噴淋室，用于 吸收二氧化碳和硫氧化合物等不凝氣體。發氣桶62內的水中，在靠近底部，有一個水平設置的載料網57，其作用一是托住 小球狀電石，使小球狀電石的上下充分與水接觸，徹底進行反應生成乙炔，二是防止小球狀 電石下落堵塞排液管58。當載料網57上的垃圾積累較多時，打開防爆門61，進行人工清除。電石罐52內的電石是小顆粒圓球形電石，其直徑為5mm。電石與水反應生成乙炔 過程中，向水中釋放熱量。按照有關規定，發氣室內，乙炔氣體溫度不得超過90°C，水溫不得 超過60°C。在乙炔發生器的發氣桶62外壁上，設置有一個安全閥65，它的泄氣壓力為 150kPa。當超壓時，安全閥65迅速向外排氣降壓。所排放的乙炔氣體，應該妥善收集起來， 不能在環境中擴散。從發氣桶的出氣管55輸出的乙炔氣，通過回火防止器56輸出。回火防止器56是 為了防止乙炔火焰，從燃燒室通過管路向乙炔發生器中反向燃燒。圖7是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的液氧貯箱的結構圖。本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例中的燃料是乙炔，氧化劑是氧氣。為了 能在液氧貯箱中的有限的空間，儲存盡可能多的氧氣，又不希望儲氧容器承受過高的壓力，
11需要低溫儲存液態氧。在常壓下，氧氣的沸點是-183°C，因此，對儲氧容器的要求是能耐 受低溫、絕熱保持低溫、抗氧化，同時，也要有足夠的強度。本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的液氧貯箱的外形是一個水平放置的 圓筒形壓力容器，殼體及兩端封頭的材質選用不銹鋼板，而且，均為雙層不銹鋼板，雙層不 銹鋼板中間填充絕熱材料。液氧貯箱的具體結構如本圖所示水平放置的圓筒形液氧貯箱的上部有加注口 101、加壓口 102、排氣口 103，底部有液氧的輸出口 104、泄液口 107。液氧貯箱的殼體外圓 上，等距離地固定有加強環板106。液氧貯箱有支架105，液氧貯箱水平放置在基礎平面上。加注口 101用于加注液氧；加壓口 102與高壓氮氣瓶的輸出管相連，接受高壓氮氣 對液氧貯箱增壓，使液氧貯箱內維持0. 5MPa表壓力；排氣口 103及時排除因受熱蒸發產生 的氧氣，防止液氧貯箱超壓。液氧貯箱的下部，有液氧的輸出口 104、泄液口 107，泄液口 107 用于排放無用的廢液。圖8是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的廢氣處理設備的結構圖。廢氣處理設備包括冷凝器、噴淋室、回氣泵。廢氣處理設備的流程是主機和燃燒室排出的廢氣，通過管路進入冷凝器，在冷凝器中，利用冷卻水冷卻來 自燃燒室和主機排放的廢氣，廢氣中的部分水蒸氣凝結下來，冷凝器流出的較低溫度的廢 氣再進入噴淋室。在噴淋室內，利用生產乙炔的副產品一氫氧化鈣溶液，從上向下噴淋，吸 收廢氣中的二氧化碳、硫氧化合物等不凝氣體。從噴淋室流出的廢氣僅含有水蒸氣和少量 氧氣，通過回氣管和回氣泵又回到燃燒室，再次參加燃燒。冷凝器是一個水平放置的壓力容器，兩個封頭和一個筒體。在前封頭205上，有進 氣管206，燃燒室和主機排出的廢氣通過進氣管206進入冷凝器。冷凝器是間壁式換熱器， 橫管203外流動的是冷卻水，橫管203內流動的是燃燒室和主機排出的廢氣。冷卻水從下 方的進水口 207進入，經過兩個折流板，從上方的出水口 202流出。在冷凝器中，廢氣被降 溫，同時廢氣中的一部分水蒸氣凝結下來，凝結水從后封頭201，經疏水器208，從出水口流 出。被冷凝器冷卻了的溫度不很高的廢氣通過廢氣管155進入噴淋室。噴淋室是壓力容器，它的上封頭152有進液管151，下封頭160有出液管161，筒體 157 一側有進氣管，即廢氣管155，另一側有出氣管156 ；進液管151外接乙炔發生器的排液 管，內接噴淋管153，出液管161外接貯液桶；噴淋室內，靠近底部，水平放置一個篩網159， 用于截獲固體生成物，筒體157上有一個清理門158，用于清理篩網159截獲的固體生成物。 噴淋室的作用是利用乙炔發生器中，電石與水反應生成的氫氧化鈣溶液，在廢氣中噴淋， 吸收廢氣中的二氧化碳和硫氧化合物。在噴淋室中，氫氧化鈣與二氧化碳反應生成的固體 碳酸鈣，留在了篩網上，其余溶液，包括生成的可溶解的碳酸氫鈣，進入外接貯液桶，或處理 后回到乙炔發生器。工業電石含有70%碳化鈣，其余雜質是金屬氧化物，主要是氧化鈣。理論上，電石 與水反應生成的氫氧化鈣堿性流體，可以完全吸收同一反應生成的乙炔燃燒生成的二氧化 碳。氫氧化鈣堿性流體吸收二氧化碳后的產物，是固體的碳酸鈣和少量的可溶性碳酸氫鈣。圖9是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的推進器的結構圖。本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的推進器包括推進軸362、推進軸承
12365和366、慣性輪360、變速器370、變速器軸承368、螺旋槳350、螺旋槳軸承348。渦輪機軸通過密封口 314輸出動力，傳遞給推進軸362，推進軸362與渦輪機軸間 利用法蘭連接。推進軸362上有一個慣性輪360，慣性輪360用于穩定輸出，克服主機內不 連續的噴水沖擊對推進軸362旋轉穩定性的影響。變速器370是一個減速器，可以是皮帶 輪變速器或齒輪變速器，它在高速的推進軸362和低速的螺旋槳軸間工作。螺旋槳軸承348 是止推軸承，它能承受螺旋槳350的軸向推力。圖10是本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的控制電路圖。控制電路是一個兩級時序定時器，按順序驅動兩個磁力電開關，一個磁力電開關 啟動燃燒室的點火器、燃氣閥，另一個磁力電開關啟動燃燒室的乙炔閥、廢氣閥、液氧泵和 主機的進水閥。采用兩個555集成電路，構成兩個定時器，產生兩個順序脈沖，第二個555 集成電路的輸出端接到第一個555集成電路的觸發端，實現非穩態工作。第一個555集成電路520，為了能可靠復位，防止干擾的影響，其復位端(管腳4) 和電源端(管腳8)都直接與V+電源相接。接地端(管腳1)接地，控制端525(管腳5)通 過一個電容接地，防止干擾信號影響脈沖的脈寬。其觸發端522(管腳2)的觸發信號，來自 第二個555集成電路530的輸出信號，經由電阻521和電容524所組成的微分電路產生的 觸發脈沖，脈寬約1微秒，下跳沿起作用。當觸發端522(管腳2)被觸發，且脈沖電壓低于 V+/3時，內部觸發比較器翻轉，輸出端523(管腳3)輸出高電平。放電端527(管腳7)內部 開路，電源V+開始通過定時電阻528向定時電容529充電。定時電容529上充電到2V+/3 時，閾值端526 (管腳6)內部的閾值比較器翻轉，定時電容529迅速放電到地電位，輸出端 523回到低電平。定時時間約為1.1*定時電阻*定時電容。其輸出端523的輸出信號，通 過電阻562接到電流放大管560的基極，啟動磁力電開關561，啟動燃燒室的點火器、燃氣 閥，點燃可燃氣體，打開燃氣通道，按定時時間向主機內供給高溫高壓燃氣。第二個555集成電路530，其觸發端532 (管腳2)的觸發信號，來自第一個555集 成電路520的輸出信號，經由電阻和電容所組成的微分電路產生的觸發脈沖。定時時間約 為1. 1*定時電阻*定時電容。輸出端533通過電阻567接到電流放大管565的基極，啟動 磁力電開關566，啟動燃燒室的乙炔閥、廢氣閥、液氧泵和主機的進水閥，按定時時間向燃燒 室內供給乙炔、氧氣和排廢氣，按定時時間向主機內供水。集成電路530的輸出端533的輸 出信號的另一路，接到第一個555集成電路的觸發端，實現非穩態工作。兩級時序定時器的每一級的定時時間的選擇，須要通過實驗確定。圖11給出了本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例在潛艇上的具體設置示意 圖。本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置實施例的燃燒室250，安裝在潛艇的前端中部 位置。燃燒室250的乙炔進氣管通過乙炔閥和回火防止器，接到安放在靠后位置的乙炔發 生器50。燃燒室250的氧氣來源于潛艇壓力艙下面的液氧貯箱100。壓水箱320維持主機 內的正常水循環供應。燃燒室250輸出的高壓燃氣，進入到管狀的主機300推動水流，沖擊 渦輪機，帶動螺旋槳，推動潛艇前進。在燃燒室250的上方，前后排列的是噴淋室200和冷 凝器150。主機300和燃燒室250排出的廢氣，通過管路進入冷凝器150，利用冷卻水冷卻 廢氣，廢氣中的部分水蒸氣凝結下來，較低溫度的廢氣再進入噴淋室200。在噴淋室200內， 利用生產乙炔的副產品-氫氧化鈣溶液，吸收廢氣中的二氧化碳、硫氧化合物等不凝氣體。
13然后，僅含有水蒸氣和少量氧氣的廢氣，通過回氣管和回氣泵又回到燃燒室250，再次參加燃燒。一艘潛艇可以配備乙炔發生器一臺，配備燃燒室2 4個，主機2 4個。因為燃 燒室是間歇工作，主機是間歇噴水推動渦輪機帶動螺旋槳，多配備幾個燃燒室和主機，可以 使工作更穩定，出力更大，這和多缸內燃機的工作原理相同。乙炔發生器50放在靠后位置，是因為如下原因在潛艇的靠后位置，靠進駕駛室， 乙炔發生器添加電石和調節乙炔產氣量，比較方便。潛艇的靠后位置相對比較寬敞，便于安 裝乙炔發生器50的散熱氣扇。駕駛員調節乙炔發生器50的乙炔產氣量的方法，可以直接 調節乙炔發生器50的重錘位置，也可以加以改進，進行電控調節，使之更方便。乙炔發生器 50的防爆門連接卸壓管，通往艇外。電石桶450放在乙炔發生器50后部，電石桶里裝的是 電石燃料，要求通氣良好，不能進水，還要注意固定和減振。乙炔發生器50的發氣桶的外壁 上有一個溫度傳感器、一個液位傳感器和一個壓力傳感器，它們的終端顯示儀表和電控系 統都安放在駕駛室600內，在便于駕駛員查看和操作的位置上。作戰指揮室650緊靠駕駛 室600，位于潛艇中部位置。
1權利要求
一種潛艇推進方法，該方法由下列步驟組成(1)在潛艇上，將氣體燃料與氧氣按比例充進燃燒室，混合成可燃氣體；(2)在燃燒室中，點燃可燃氣體，燃燒爆炸產生高溫高壓燃氣；(3)高溫高壓燃氣進入主機做功；(4)主機帶動螺旋槳，螺旋槳推動潛艇前進；(5)用氫氧化鈣堿性溶液吸收排放廢氣中的二氧化碳、硫氧化物等不凝氣體，該方法的特征在于(1)所述氣體燃料是乙炔氣體；(2)所述燃氣進入主機做功，即燃氣推動水平管狀主機中的水體形成高速流水，流水驅動主機渦輪機。
2.一種潛艇推進裝置，它包含燃料系統、氧氣系統、燃燒室、主機、推進器、廢氣系統 和電控系統，由燃料系統供給乙炔氣體，由氧氣系統供給氧氣，分別通過管路進入燃燒室， 乙炔和氧氣燃燒爆炸生成高溫高壓燃氣，從燃燒室進入主機做功，主機驅動推進器，推進器 推動潛艇前進，燃燒室和主機排出的廢氣進入廢氣系統，電控系統內有控制電路，其特征在 于所述主機包括壓水箱、進水閥、燃氣閥、渦輪管、渦輪機、疏氣閥、密封口、回水管和回 水閥，壓水箱通過進水閥向渦輪管內注水，渦輪管前部有燃氣閥，渦輪管后部有疏氣閥，渦 輪管內有軸流式渦輪機，通過渦輪管尾部的密封口輸出動力，做過功的水通過回水管和回 水閥返回壓水箱，主機中的廢氣通過疏氣閥排出。
3.按照權利要求1所述的一種潛艇推進方法，其特征在于所述氫氧化鈣堿性溶液，是 潛艇上利用電石與水生產乙炔過程中產生的。
4.按照權利要求2所述的一種潛艇推進裝置，其特征在于所述燃料系統包括電石桶、 乙炔發生器、回火防止器；電石桶電石，分批投入乙炔發生器，乙炔發生器由電石罐和發氣 桶兩部分組成，電石罐坐落在發氣桶上邊，電石罐內的小顆粒圓球形電石受到出料口處的 杠桿活門的控制，電石與水發生反應產生的乙炔氣體，經過發氣桶的出氣管，再通過回火防 止器輸出，生產乙炔過程中同時產生的氫氧化鈣堿性溶液通過排液管輸出。
5.按照權利要求2所述的一種潛艇推進裝置，其特征在于所述氧氣系統包括液氧貯 箱、液氧泵和加熱器，液氧貯箱的外形是一個水平放置的圓筒形壓力容器，液氧貯箱的上部 有加注口、加壓口、排氣口，底部有泄液口和液氧的輸出口，加熱器位于燃燒室內，液氧的輸 出口通過液氧泵和加熱器，向燃燒室內供給氧氣。
6.按照權利要求2所述的一種潛艇推進裝置，其特征在于所述燃燒室是水平放置的 耐高溫壓力容器，它的外形是由前后封頭和中間筒體組成，在筒體上有氧氣管、回氣管、點 火器，在前封頭上有乙炔管，乙炔管上有乙炔閥，在后封頭上，有排氣管，排氣管上有廢氣 閥，燃燒室與下面的主機之間有燃氣通道。
7.按照權利要求2所述的一種潛艇推進裝置，其特征在于所述壓水箱是一個壓力容 器，它包括一個立放的筒體，和上下兩個封頭，上封頭安裝壓力表，下封頭接出一個排污管， 筒體內的中上部，有一個水平放置的彈性膜片，彈性膜片上方是空氣，下方是水，彈性膜片 的材質為不銹鋼波紋板，彈性膜片的上方筒體外接進氣管，進氣管上有一個進氣閥，彈性膜 片的下方筒體外接兩個管上面的是出水管，出水管上有主機的進水閥，下面的是回水管， 回水管上有回水閥。
8.按照權利要求2所述的一種潛艇推進裝置，其特征在于所述推進器包括推進軸、 慣性輪、變速器和螺旋槳，主機輸出動力給推進器的推進軸，推進軸上有一個慣性輪，推進 軸通過變速器與螺旋槳耦合連接，螺旋槳旋轉產生推力，推動潛艇前進。
9.按照權利要求2所述的一種潛艇推進裝置，其特征在于所述廢氣系統包括冷凝器、噴淋室和回氣泵；燃燒室和主機排出的廢氣進入冷凝器，冷凝器是間壁式換熱器，管外流動 的是冷卻水，管內流動的是燃燒室和主機排出的廢氣；從冷凝器出來的廢氣進入噴淋室，噴 淋室是廢氣中所含二氧化碳和硫氧化合物的吸收裝置，它的上方有進液管，下方有出液管， 一側有進氣管，另一側有出氣管；進液管外接乙炔發生器的排液管，內接噴淋管，進氣管外 接冷凝器的排氣管，出液管外接貯液桶；噴淋室內，靠近底部，水平放置一個篩網，用于截獲 固體生成物；噴淋室的出氣管接回氣管，噴淋室出來的廢氣，通過回氣管和回氣管上的回氣 泵，回到燃燒室再次參加燃燒。
10.按照權利要求2所述的一種潛艇推進裝置，其特征在于所述電控系統包括控制電 路和控制電路的電源，控制電路的電源是12伏的直流電源，控制電路是一個兩級時序定時 器，采用兩個555集成電路，按順序驅動兩個磁力電開關；第一個555集成電路，其復位端和 電源端都直接與電源相接，接地端接地，控制端通過一個電容接地，其觸發端的觸發信號， 來自第二個555集成電路的輸出信號，定時時間約為1. 1*定時電阻*定時電容，其輸出端 的輸出信號，通過電阻接到電流放大管的基極，啟動磁力電開關，啟動燃燒室的點火器、燃 氣閥，點燃可燃氣體，打開燃氣通道，按定時時間向主機內供給高溫高壓燃氣；第二個555 集成電路的觸發端的觸發信號，來自第一個555集成電路的輸出信號，定時時間約為1.1* 定時電阻*定時電容，輸出端通過電阻接到電流放大管的基極，啟動磁力電開關，啟動燃燒 室的乙炔閥、廢氣閥、主機的進水閥和液氧泵，輸出端的輸出信號的另一路，接到第一個555 集成電路的觸發端，實現非穩態工作。
全文摘要
本發明不依賴空氣的潛艇推進方法利用電石與水生產乙炔，同時產生氫氧化鈣堿性溶液；乙炔與氧氣混合可燃氣體，燃燒爆炸產生高壓燃氣；高壓燃氣推動水平管狀主機中的水體，形成高速流水驅動主機渦輪機，渦輪機帶動螺旋槳；氫氧化鈣堿性溶液吸收廢氣中的二氧化碳、硫氧化物等不凝氣體。本發明不依賴空氣的潛艇推進裝置包含燃料系統、氧氣系統、燃燒室、主機、推進器、廢氣系統、電控系統；燃料系統供給乙炔，氧氣系統供給氧氣，進入燃燒室燃燒，生成高壓燃氣進入主機，主機利用燃氣膨脹推水，水推動渦輪機，帶動推進器，推動潛艇前進；燃燒室和主機排出的廢氣進入廢氣系統，廢氣中的二氧化碳和硫氧化合物被氫氧化鈣堿性溶液所吸收。
文檔編號F02C7/00GK101879938SQ20091013835
公開日2010年11月10日 申請日期2009年5月9日 優先權日2009年5月9日
發明者尚德敏 申請人:尚德敏