CN101549748A

CN101549748A - 不依赖空气的潜艇推进装置

Info

Publication number: CN101549748A
Application number: CNA2008100883945A
Authority: CN
Inventors: 尚德敏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2009-10-07

Abstract

本发明给出一种适用于常规动力潜艇的不依赖空气的潜艇推进装置，它包括主机系统、电力系统、传动系统、螺旋桨、废气冷凝器等五部分。它的主机系统包括蒸汽锅炉、蒸汽喷水器和水轮机。基本的工作过程是：在蒸汽锅炉炉膛中，乙醇在氧气中燃烧；锅炉生产的高压高温蒸汽，进入蒸汽喷水器做功；循环水箱的水进入蒸汽喷水器，蒸汽使水加压；蒸汽喷水器输出的高压水推动水轮机，水轮机带动发电机，发电机驱动推进电机，推进电机带动潜艇螺旋桨；锅炉排出的烟气可以直接排出艇外，也可以进入废气冷凝器，水蒸气和二氧化碳凝结，存入冷凝贮箱。该装置结构简单、工作可靠、寿命长、造价低、功率大、噪音小。

Description

不依赖空气的潜艇推进装置

技术领域

本发明涉及交通运输技术，尤其涉及到一种不依赖空气的潜艇推进装置。

背景技术

潜艇是一种即能在水面，又能在水下一定深度航行，并进行战斗的舰艇。

潜艇是现代海战中十分重要的高技术主战兵器，是人类在走向海洋深处的艰苦探索中所取得的杰出成果之一。

第一次世界大战中，德国潜艇在海战中大显神威，令各国海军刮目相看。此后，世界各主要海军大国加快研制潜艇的步伐。

第二次世界大战中，各交战国都将潜艇作为一支重要海上力量投入使用，使得地球上各大洋深处充满杀机，潜艇也就名副其实地被称为“水下幽灵”。

众所周知，当今世界上，大约有40多个国家和地区拥有800艘左右的潜艇，其中常规动力潜艇有700余艘。与核动力潜艇相比，常规动力潜艇机动灵活、噪音小、造价低。但是，它有一个致命的弱点：不能在水下作长时间的航行，必须经常浮至海面“呼吸”，即在通气管状态下使用柴油机为蓄电池充电。这样很容易被对方雷达侦察到，同时，柴油机为蓄电池充电时的噪声，也极易被对方水声器材探测到，因而大大增加了常规动力潜艇的暴露率，使其生存能力受到严重的威胁。

为减少常规动力潜艇的暴露率，增加隐蔽性，早在二战期间，德国和前苏联就开始研究不依赖空气推进装置(Air Independent Propulsion)，简称AIP装置，装备不依赖空气推进装置的潜艇，称为AIP潜艇。进入21世纪以来，不同结构和工作原理的多种AIP潜艇陆续研发成功，世界主要海军大国几乎都已装备了AIP潜艇，使现代常规动力潜艇的攻防作战能力得到大幅提升。

在亚洲，在2007年中，韩国海军的214级潜艇“孙元一”号下水，韩国成为亚洲第一个装备AIP常规潜艇的国家。韩国214级潜艇的AIP系统，是利用德国的燃料电池获得电能，供潜艇使用。在2007年末，日本海上自卫队“苍龙”号潜艇下水，其AIP系统采用了瑞典的“斯特林”发动机。

为了建设一支强大的中国海军，我国对常规动力潜艇的AIP装置的研究，已进行多年，并取得了一些重要成果。但是，一些关键技术还有待突破，建成我国自己的高性能的AIP潜艇，尚需时日。

目前，国内外常规动力潜艇的AIP装置，主要有以下四种：

一、闭式循环柴油机装置

闭式循环柴油机装置的主要技术特点：潜艇使用普通柴油机，潜艇不仅自带柴油，而且自带氧气，燃烧后的废气从柴油机排出后，进入废气吸收处理装置。

该装置的优点：柴油机技术成熟、寿命长，燃料通用，耗油率低。

该装置的缺点：废气二氧化碳吸收和排除的难度很大，需要设备多；柴油机运动部件多，机械噪音大。

二、“斯特林”发动机装置

“斯特林”发动机装置的主要技术特点：它使用闭式循环的热气机工作，由外部热源加热，潜艇自带柴油与氧气。

该装置的优点：燃烧过程平稳，发动机的噪音和振动较小；燃烧压力高，废气排放比较容易。

该装置的缺点：“斯特林”发动机的功率较低，发动机部件的加工难度大。

三、闭式循环汽轮机装置

闭式循环汽轮机装置的主要技术特点：潜艇自带的燃料与氧气在高压下燃烧，通过热交换器，使水加热变成高温高压蒸汽，蒸汽推动汽轮机做功。潜艇自带的燃料通常是乙醇。

该装置的优点：功率大；可靠性好；燃烧压力高，废气排放比较容易，也可将废气冷凝存在艇内。

该装置的缺点：闭式循环汽轮机装置体积庞大，辅助设备多，燃料乙醇所占容积大。

四、燃料电池装置

燃料电池装置的主要技术特点：燃料电池装置是用电化学方法，将反应物质氢和氧的化学能直接转换为电能，燃料电池本身没有机械运动部件。

该装置的优点：能量转换效率高；对外热辐射较少；工作过程安静，噪音低；不产生废气；过载能力强。

该装置的缺点：燃料电池用纯氢作燃料，纯氢贮存难度大，纯氢泄漏危险大；燃料电池工作寿命短，价格高。

上述有关潜艇推进装置的背景技术，在以下专著中有详细描述：

1、张海波，杨金成，现代潜艇技术，哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2002

2、谢祚水，罗广恩，现代潜艇，哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007

3、邵开文，马运义，舰船技术与设计概论，北京：国防工业出版社，2005

发明内容

本发明的目的是给出一种适用于常规动力潜艇的不依赖空气的潜艇推进装置，该装置结构简单、工作可靠、寿命长、造价低、功率大、噪音小。

为达到上述目的，本发明不依赖空气的潜艇推进装置，它包括主机系统、电力系统、传动系统、螺旋桨、废气冷凝器等五部分。它的主机系统包括蒸汽发生器、蒸汽喷水装置和水轮机。蒸汽发生器由液氧贮箱、乙醇贮箱、给水箱、蒸汽锅炉和一些管路组成。蒸汽喷水装置由蒸汽喷水器、蒸汽喷水控制器、背压器、循环水箱和一些管路组成。电力系统包括发电机、整流器、配电盘和推进电机。废气冷凝器包括冷凝器和冷凝贮箱。水轮机和发电机的组合，又称作水轮发电机装置。

在本发明不依赖空气的潜艇推进装置中，基本的工作过程是：给水箱向蒸汽锅炉供水，在蒸汽锅炉的高压炉膛中，乙醇在高压氧气中燃烧；燃烧对锅炉水管加热，产生高压高温蒸汽；蒸汽进入蒸汽喷水装置膨胀做功，使循环水箱的水进入蒸汽喷水器，并使水加压，从蒸汽喷水器出口输出高压水；高压水经过背压器进入水轮机，推动水轮机的转子旋转；水轮机带动发电机，发电机输出通过整流器，整流器给出直流电驱动推进电机，推进电机通过传动系统带动潜艇螺旋桨；从锅炉排出的烟气，可以直接排出艇外，也可以进入废气冷凝器，水蒸气和二氧化碳凝结，存入冷凝贮箱，未被凝结的气体重新送回锅炉炉膛再次参与燃烧。

蒸汽喷水器是本发明的一个核心设备，在蒸汽喷水器中实现蒸汽与水的能量转换，蒸汽的热能转换成水的压能和动能。蒸汽喷水器可以看作是一个特殊的三通管，一个进汽口，一个进水口，一个出水口，每个进出口上都有电磁阀，蒸汽喷水控制器控制电磁阀的开闭。蒸汽进入蒸汽喷水器膨胀做功，使进入蒸汽喷水器的水增压后，再经过背压器，输出给水轮机。

在蒸汽喷水控制器内部，有控制蒸汽喷水器的热水阀、蒸汽阀、进水阀和出水阀等四个电磁阀开闭的控制电路，四个电磁阀开闭的顺序是固定的，每个电磁阀开闭时间的长短，可根据实际情况，通过改变电路中元件参数进行调整。

当使循环水箱的水进入蒸汽喷水器后，向蒸汽喷水器内的水体上表面供给少量热水，在水体上表面形成热水薄层。当蒸汽进入蒸汽喷水装置膨胀做功，由于水体上表面与蒸汽间热水层的隔离作用，仅有少量蒸汽溶入水中，大部分高温高压蒸汽对蒸汽喷水器中的水体做功，使水体产生高压，并推动高压水体从蒸汽喷水器出口流出，经过背压器，到达水轮机。

蒸汽喷水装置供给的高压水，依次进入水轮机的蜗壳、导水机构，流经转轮，完成能量传递，推动水轮机做功。

本发明的优点是：

1、本发明不依赖空气的潜艇推进装置的设备大部分都是耐用的通用设备，例如：蒸汽锅炉、水泵、水轮机、发电机、整流器、推进电机。所以，本发明不依赖空气的潜艇推进装置工作可靠、使用寿命长。

2、本发明不依赖空气的潜艇推进装置的设备中，专用设备是液氧贮箱、乙醇贮箱、给水箱、蒸汽喷水装置、废气冷凝器，它们都是由管子、阀门和压力容器所构成，大部分是常用材料。所以，本发明不依赖空气的潜艇推进装置的结构简单、造价比较低。

3、本发明不依赖空气的潜艇推进装置，利用蒸汽膨胀过程，蒸汽直接推动水体，带动水轮机做功，与国外的闭式循环汽轮机装置相比，同样具有功率大的特点，但本发明不依赖空气的潜艇推进装置的重量轻、体积小。

4、本发明不依赖空气的潜艇推进装置的主要设备中，蒸汽锅炉的燃料燃烧及进燃料、进水、输出蒸汽和排放烟气都是定压而连续的，水泵、热水泵、水轮机及发电机都是匀速旋转的，没有往复运动的机械装置。所以，本发明不依赖空气的潜艇推进装置的工作噪音较小。

附图说明

图1是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的总体组成图；

图2是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的蒸汽发生器的组成图；

图3是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的液氧贮箱的结构图；

图4是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的乙醇贮箱的结构图；

图5是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的蒸汽锅炉的结构图；

图6是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的蒸汽喷水装置组成图；

图7是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的蒸汽喷水器的结构图；

图8是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的蒸汽喷水器工作原理图；

图9是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的蒸汽喷水控制器电路图；

图10是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的背压器的结构图；

图11是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的水轮发电机装置结构图

图12是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的水轮机的结构图；

图13是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的发电机的结构图；

图14是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的推进电机的结构图；

图15是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的传动系统的结构图；

图16是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的废气冷凝器的结构图；

图17是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例在潜艇中的布置方案。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。

图1给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的总体组成图。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例总体组成由主机系统、电力系统、传动系统、螺旋桨、废气冷凝器等五部分。

主机系统包括蒸汽发生器、蒸汽喷水装置和水轮机230。

电力系统包括发电机210、整流器220和推进电机270。

蒸汽发生器由液氧贮箱1、乙醇贮箱2、给水箱3、蒸汽锅炉4和几个泵组成。

蒸汽喷水装置由第一个蒸汽喷水器100、第二个蒸汽喷水器101、蒸汽喷水控制器102、背压器250和循环水箱103组成。

水轮发电机由水轮机230和发电机210组成。

废气冷凝器由冷凝器301和冷凝贮箱302组成。

基本的工作过程是：

给水箱3通过给水泵11，向蒸汽锅炉4供水；在蒸汽锅炉4的高压炉膛中，乙醇在氧气中燃烧；乙醇通过乙醇泵9，来自乙醇贮箱2，氧气通过液氧泵8，来自液氧贮箱1；燃烧对锅炉水管加热，产生高压高温蒸汽；

高压高温蒸汽轮流进入第一个蒸汽喷水器100和第二个蒸汽喷水器101，并膨胀做功，使循环水箱103的水进入蒸汽喷水器，并使水加压，第一个蒸汽喷水器100和第二个蒸汽喷水器101轮流通过出口输出高压水，经过背压器250后，进入水轮机；

高压水进入水轮机，通过蜗壳和导水机构，推动水轮机230的转轮旋转，水轮机230带动发电机210，发电机210输出交流电，通过整流器220变成直流电，用以驱动推进电机270。推进电机270通过螺旋桨轴274等传动机构，带动潜艇螺旋桨280。螺旋桨280在水中旋转，产生推力，推动船舶前进；

通过水轮机做过功的水，进入尾水管235，再流入尾水槽240。在尾水槽240内有一个盘管式散热器239，带走由于蒸汽凝结给予动力循环水的热量，使动力循环水维持常温，然后，动力循环水通过连通管241进入循环水箱103。

锅炉烟气可以直接向艇外排出；锅炉烟气也可以进入废气冷凝器，水蒸气和二氧化碳在冷凝器301中凝结，存入冷凝贮箱302，未被凝结的气体重新送回锅炉炉膛再次参与燃烧。

图2给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的蒸汽发生器组成图。

蒸汽发生器由液氧贮箱1、乙醇贮箱2、给水箱3、蒸汽锅炉4、高压气瓶5和几个泵组成。

在高压气瓶5内，装有压力为20MPa、处于常温的氮气。在启动蒸汽发生器之前，先要给液氧贮箱1增压，具体作法是：打开启动阀6，高压气瓶5输出的高压氮气通过启动阀6，再通过减压器7后，氮气压力变为0.5MPa，从液氧贮箱1的上部进口进入，使原来为常压的液氧贮箱1产生并保持0.5MPa的表压力。给液氧贮箱增压的目的，是为了防止液氧泵8工作时，发生泵的气蚀。

乙醇贮箱2内的乙醇处于常温常压，乙醇在常压下的沸点为78.4℃，乙醇泵9工作时不会发生泵的气蚀。

液氧从液氧贮箱1的下部出口流出，通过液氧泵8，到达加热器12。加热器12位于蒸汽锅炉4的烟道内，液氧受热蒸发汽化，随后，气态的氧气进入燃烧器10。乙醇从乙醇贮箱2的下部出口流出，经过乙醇泵9，也进入燃烧器10。乙醇和氧气在燃烧器10中混合后，向蒸汽锅炉4的高压炉膛内喷射并燃烧，生成火焰加热蒸汽锅炉4的受热面后，烟气进入烟道17。进入烟道17的烟气，可以通过排放管13直接向艇外排放，或进行冷凝处理。若烟气进行冷凝处理，处理后剩余少量不凝气体是氧气、一氧化碳、碳氢化合物等，这些气体经过烟气泵15，注入到蒸汽锅炉4的高压炉膛内重新参加燃烧。蒸汽锅炉4的前后水冷壁等受热面中的水，被加热产生蒸汽，汇入到汽包14，汽包14上有蒸汽输出管。供水箱3输出管通过供水泵11，接到蒸汽锅炉4的省煤器16，向蒸汽锅炉4供给补给水。

图3给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的液氧贮箱的结构图。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例中的燃料是乙醇，氧化剂是氧气。为了能在液氧贮箱中的有限的空间，储存尽可能多的氧气，又不希望储氧容器承受过高的压力，需要低温储存液态氧。在常压下，氧气的沸点是-183℃，因此，对储氧容器的要求是：能耐受低温、绝热保持低温、抗氧化，同时，也要有足够的强度。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的液氧贮箱的外形是一个横放的圆筒形压力容器，壳体及两端封头的材质选用不锈钢板，而且，均为双层不锈钢板，双层不锈钢板中间填充绝热材料。

经过计算，如果乙醇与氧气按化学反应计量进行完全燃烧，所消耗的氧气与乙醇的质量比为2.09，消耗的液氧与乙醇的容积比为1.47。关于如何决定液氧贮箱与乙醇贮箱的容积大小，要考虑工程上的需要，并参照、借鉴有关资料的实际数据。闭式循环蒸汽轮机装置与本发明同属蒸汽动力循环，当两者的蒸汽参数相同时，两者的热效率应该很接近。因此，闭式循环蒸汽轮机装置与本发明具有可比性，在用的国外闭式循环蒸汽轮机装置的实际数据可以借鉴。

已知国外200kW闭式循环蒸汽轮机装置，每小时消耗乙醇燃料144kg，若3周即21天连续运转，所消耗乙醇为

144*24*21＝72576(kg)

乙醇的密度为789kg/m³，则其容积为

72576/789＝92(m³)

所需液氧容积为

92*1.47＝135(m³)

功率为200kW的发动机，连续工作21天消耗液氧的容积为135m³。借鉴这些数据，圆筒形液氧贮箱的内径确定为1.6m，长度为34m，每个液氧贮箱的容积为68m³，选用两个液氧贮箱，总容积为136m³，液氧贮箱壳体内部受压，抗压强度为0.5MPa。

液氧贮箱1的具体结构如本图3所示：横放的圆筒形液氧贮箱1的上部有加注口31、加压口32、排气口33，底部有液氧的输出口34、泄液口37。液氧贮箱1的壳体外圆上，等距离地固定有加强环板36。液氧贮箱1有支架35，依靠多个这样的支架，两个相同的液氧贮箱并排横放在基础平面上。

加注口31用于加注液氧；加压口32与高压气瓶的输出管相连，接受高压氮气对液氧贮箱增压，使液氧贮箱内由原来的0表压力，产生并维持0.5MPa表压力；排气口33及时排除因受热蒸发产生的氧气，防止液氧贮箱超压。液氧贮箱1的下部，有液氧的输出口34、泄液口37，泄液口37用于排放无用的废液。

图4给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的乙醇贮箱的结构图。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例中的燃料用的是乙醇，在常压下，乙醇的沸点是78.4℃，因此，在常温下，乙醇是液态。

对乙醇贮箱的要求是：能耐受乙醇作用，绝热保持常温，同时，也要有足够的强度。乙醇贮箱在潜艇上的安装位置，是在潜艇的耐压壳体的外侧，当潜艇的外壳体进水，乙醇贮箱要承受海水的压力。所以，乙醇贮箱的抗压强度设计，要考虑潜艇的最大下潜深度，乙醇贮箱外部受压，其抗压强度设计可以与潜艇的耐压壳体抗压强度设计相同，定为6MPa。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的乙醇贮箱的外形是一个横放的圆筒形压力容器，壳体及两端封头的材质均选用不锈钢板，而且，均为双层不锈钢板，双层不锈钢板中间填充绝热材料。

如上所述，参照有关资料，与本发明具有可比性的国外200kW闭式循环蒸汽轮机装置，每小时消耗乙醇燃料144kg，若3周即21天连续运转，所消耗乙醇为72576kg，其容积为92m³。所以，本发明潜艇推进装置实施例的乙醇贮箱的内径确定为1.6m，长度为23m，每个乙醇贮箱的容积为46m³，选用两个乙醇贮箱，总容积为92m³。

乙醇贮箱2的具体结构如本图4所示：横放的圆筒形乙醇贮箱2的上部有加注口51、排气口53，底部有乙醇的输出口54、泄液口57。乙醇贮箱2的壳体外圆上，等距离地固定有加强环板56。乙醇贮箱2有支架55，依靠多个这样的支架，两个相同的乙醇贮箱并排横放在基础平面上。

加注口51用于加注乙醇；排气口53是在加注口51加注乙醇时，用于排除乙醇贮箱内残存气体。乙醇贮箱2的下部，有乙醇的输出口54、泄液口57，泄液口57用于排放无用的废液。

图5给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的蒸汽锅炉的结构图。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的蒸汽锅炉，向蒸汽喷水装置供应蒸汽。所述蒸汽锅炉包括：省煤器、汽包、燃烧器、炉膛、受热管、过热器和蒸汽管，受热管包括对流管和水冷壁。

蒸汽锅炉4的给水泵11，连接在供水箱3和蒸汽锅炉的省煤器16之间，负责向蒸汽锅炉提供给水。蒸汽锅炉4的受热管73的水，被加热产生蒸汽，汇入到汽包14，汽包14输出的饱和蒸汽进入过热器91，从过热器91出口得到的过热蒸汽经过蒸汽管92输出。所说的受热管73包括了对流管和前后水冷壁。

燃烧器10向锅炉高压炉膛93内喷进火焰，燃料乙醇在氧气中燃烧。燃烧器10是由外套管85和内管86组成。由液氧贮箱来的液氧，经过位于烟道17内的加热器变成气态氧气，再经过氧气管88进入内管86。由乙醇贮箱来的乙醇，经过乙醇管89进入燃烧器10的外套管85。在燃烧器10的出口87内，燃烧器10内管86喷出高速氧气流，将外套管85中的乙醇流吹散并雾化，从燃烧器10的出口87高速喷进锅炉高压炉膛93并燃烧。

乙醇在氧气中燃烧时，锅炉高压炉膛93内有6MPa的压力，这个压力最终传递到蒸汽锅炉的外壳80和蒸汽锅炉的上下封头83、78，因此，蒸汽锅炉的外壳和上下封头的抗压强度为6MPa。

蒸汽锅炉的排烟有两个去向可供选择，一个去向是通过烟道17到达废气冷凝器，经过废气冷凝器未凝结的气体，通过烟气泵15加压，再通过复燃器79进入锅炉高压炉膛93再次参加燃烧；另一个去向是通过烟道17，再通过直排管13后，经过一个气泡分裂装置处理后，排到海水中。由于锅炉炉膛93内有6MPa的压力，同样压力的烟气，可以直接排到潜艇外面的海水中。

蒸汽锅炉的供水箱3上，有水位计90，供水箱3的进水管上，有进水泵75。

下面具体说明蒸汽锅炉的额定容量如何确定。

蒸汽锅炉4生产过热蒸汽，压力为20MPa，温度为500℃，锅炉出口的新蒸汽的焓值为3239kJ/kg，新蒸汽在蒸汽喷水装置内绝热膨胀到背压器压力，背压器内的压力为0.02MPa。每千克蒸汽可逆绝热焓降为1224kJ，按绝热膨胀效率为90％计算，每千克蒸汽可实际做功1102kJ。

前已说明，本发明不依赖空气的潜艇推进装置的基本能量转换环节是蒸汽膨胀推动水，水再推动水轮机。因此，实质上，水轮机是依靠蒸汽做功。

用本发明建立一个潜艇电站，用于驱动潜艇螺旋桨，其输出电功率为200kW，水轮机效率85％，发电机效率90％，则水轮机输入功率N应为

N＝200/(0.85*0.90)＝261(kW)

每秒钟需要做功的蒸汽量m为

m＝261/1102＝0.237(kg)

该潜艇电站的水轮发电机每小时需要的蒸汽量M为

M＝0.237*3600＝853(kg)

蒸汽锅炉4的额定容量设定为每小时生产1吨过热蒸汽，过热蒸汽压力为20MPa，温度为500℃。

图6给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的蒸汽喷水装置的组成图。

蒸汽喷水装置由五部分组成：第一个蒸汽喷水器100、第二个蒸汽喷水器101、蒸汽喷水控制器102、背压器250、循环水箱103。

蒸汽喷水装置包括第一个蒸汽喷水器100和第二个蒸汽喷水器101等两个蒸汽喷水器，两个蒸汽喷水器竖立于循环水箱103上，其下端的进水口，位于循环水箱103的水面下，在蒸汽喷水控制器102的控制下，锅炉蒸汽和循环水箱103的水轮流从上下进入两个蒸汽喷水器，水被蒸汽加压后从蒸汽喷水器出口流出，经过背压器250，输送到水轮机。

第一个蒸汽喷水器100的外形是由一个竖管和一个水平管构成的一个三通管，水平管与竖管垂直相接。水平管上有出水116阀和出水口117。竖管上有进水阀111和进水口113。竖管上头的端板外接两个管，一个是热水管109，其上有热水阀，另一个蒸汽管110，其上有蒸汽阀。

第二个蒸汽喷水器101与第一个蒸汽喷水器100的结构完全相同，是两个具有同样功能的能量转换器件。第一个蒸汽喷水器100与第二个蒸汽喷水器101在出水口117之前相连通，即，两个蒸汽喷水器有一个共同的出水口117。

蒸汽喷水控制器102用来控制第一个蒸汽喷水器100与第二个蒸汽喷水器101。蒸汽喷水控制器102的输出信号，分别控制第一个蒸汽喷水器100与第二个蒸汽喷水器101的蒸汽阀、热水阀、进水阀和出水阀的开闭时序。

背压器250有一个入水口和一个出水口，它的入水口连接两个蒸汽喷水器的共同的出水口117，背压器250的出水口连接水轮机的入水口。背压器250的具体结构和功能，后面有详细说明。

循环水箱103是一个装水的箱体，箱体内部装有动力循环用水，箱体上部有一开口与环境大气相通。第一个蒸汽喷水器100与第二个蒸汽喷水器101被固定在循环水箱103中，两个蒸汽喷水器彼此平行，与水面垂直。进水口113深入循环水箱103水面以下，进水阀111及水平管位于箱体上表面上方。

在水轮机的尾水槽和循环水箱103之间，有水管连通，在压差作用下，动力循环用水连续地从尾水槽流向循环水箱103。

图7给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的蒸汽喷水器结构图。

本图中的7-1图的说明如下：

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的第一个蒸汽喷水器100的本体由一个竖管和一个水平管构成，水平管的一头与竖管垂直相接，水平管的另一头是出水口117，水平管上有出水116阀。竖管上，靠近下端有进水阀111，竖管的下端口是进水口113，进水口113深入到循环水箱的水面以下。竖管上端板外接出两个管，一个是热水管109，另一个蒸汽管110。热水管109上设有热水阀43，蒸汽管110与蒸汽锅炉连通，该管上设有蒸汽阀41。

竖管上的进水阀111，其上缘紧贴水平管与竖管的垂直接口，进水阀111将竖管上下分成两部分：竖管的端板115到进水阀111，称作竖管上段；从进水阀111到进水口113，称作竖管下段。

第二个蒸汽喷水器101与第一个蒸汽喷水器100的结构完全相同，蒸汽喷水器是成对设置的，对应一个水轮发电机，有两个或两组相同的蒸汽喷水器轮流供水发电。第一个蒸汽喷水器100与第二个蒸汽喷水器101被固定在循环水箱中，两个蒸汽喷水器彼此平行，并与水面垂直。两个或两组蒸汽喷水器在出水口117之前相连通，它们共用一个出水口117。

从竖管的端板115到进水阀111，即竖管上段，是蒸汽喷水器的进水管道兼贮水空间。在此管道中，设有击水器47。热水阀、蒸汽阀、进水阀、出水阀都是电磁阀，都有全开和全闭两个状态，都受蒸汽喷水控制器102控制。当出水阀处于全开状态时，阀孔内通流面积与阀孔前后管道通流面积相等。

蒸汽喷水器竖管上段的内径及长度，是蒸汽喷水器的关键结构尺寸，它与蒸汽喷水器的贮水容积有关，需要根据蒸汽喷水器的输出功率和蒸汽参数来计算。竖管下段长度约为1.0m～1.5m，竖管内的进水阀111距离循环水箱的水面的高度约为0.5m。水平管的内径不能过细，以免影响出水时间；水平管的长度不要过长，由现场情况决定。

蒸汽喷水器的关键结构尺寸如何决定，说明如下：

前面提到，用本发明建立一个潜艇电站，蒸汽锅炉生产过热蒸汽，压力为20MPa，温度为500℃，绝热膨胀到0.02MPa压力，输出电功率为200kW，每秒钟需要做功的蒸汽量m为0.237kg。

每一个蒸汽喷水器的喷水过程和上水过程是交替的，设定喷水过程为3秒，一个喷水过程需要的蒸汽量a为

a＝0.237*3＝0.711(kg)

查表得知，压力为20MPa，温度为500℃的过热蒸汽的比容v1是0.0148m³/kg，一个3秒钟的喷水过程需要的蒸汽量a的体积b为

b＝0.0148*0.711＝0.0105(m³)

压力为20MPa，温度为500℃的过热蒸汽，可逆绝热膨胀到0.02MPa压力，此时的比容v2为5.8m³/kg，膨胀比为

v2/v1＝5.8/0.0148＝392

3秒钟的喷水过程消耗的蒸汽量，可逆绝热膨胀到0.1MPa压力时的体积c为

c＝b*392＝0.0105*392＝4.11(m³)

这也是蒸汽喷水器3秒钟喷水过程的喷出水的总体积。

从竖管的端板115到进水口113，全部竖管是等截面的圆管，竖管上段是贮水有效容积。蒸汽喷水器3秒钟喷水过程的喷水体积4.11m³，在蒸汽喷水器的竖管上段贮水有效容积内，需要容纳3秒钟的喷水体积，也就是贮水有效容积为4.11m³，确定采用蒸汽喷水器的竖管的内径为1.2m，竖管上段长度为3.64m，需用两个相同的蒸汽喷水器轮流喷水。

两个蒸汽喷水器的结构完全相同，两个蒸汽喷水器的各个阀门开闭时序，由蒸汽喷水控制器102分别控制，两个蒸汽喷水器有一个共同的出水口117，轮流交替喷水3秒钟。蒸汽喷水器利用蒸汽水击上水，进水阀111的阀孔较大，其所用上水时间不到3秒钟。

本图中的7-2图的说明如下：

击水器47由固定杆112及其上垂直固定的多个击水盘构成。击水盘114是带孔圆盘，圆盘上均匀分布直径为30～50mm的通孔，通孔总面积占圆盘表面积的三分之一。圆盘外径等于蒸汽喷水器竖管内径的三分之一，圆盘沿固定杆112上下均匀设置，圆盘间距等于蒸汽喷水器竖管内径。固定杆112在蒸汽喷水器竖管上段中心线上固定，其长度从进水阀111，一直端板到115。固定杆112从全部击水盘中心穿过，并相固定。

图8给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的蒸汽喷水器的工作原理图。

第一个蒸汽喷水器100的工作原理可分解为四个过程来说明，对应地用8-1、8-2、8-3、8-4等四个图来表示。

8-1图表示的是启动第一过程，关闭出水阀116，打开进水阀111，再打开蒸汽阀41，蒸汽管110向第一个蒸汽喷水器100内注入高温高压蒸汽，吹扫蒸汽喷水器的竖管内的积水和漏入的空气，通过进水阀111，从蒸汽喷水器的进水口113排出。然后，关闭进水阀111和蒸汽阀41。在进水口113处，进水口113内的高温蒸汽迅速溶入进水口113下边的常温水，进水口113下边的水向进水口113内涌入，很快就占据了从进水口113到进水阀111的管内空间。

8-2图表示的是启动第二过程，打开出水阀116，打开蒸汽阀41，向蒸汽喷水器内注入高温高压蒸汽，吹扫蒸汽喷水器的水平管内的积水和漏入的空气，从出水口117排出。然后关闭出水阀116，关闭蒸汽阀41。

8-3图表示的是蒸汽喷水器做功两冲程的进水冲程：打开热水阀43，同时打开进水阀111。进水阀111下面是常温水，进水阀111内部是高温蒸汽，蒸汽溶于水，蒸汽喷水器内蒸汽压力下降，水迅速涌入进水阀111。由于蒸汽与水之间的溶解与进水过程的循环促进，很快就激起强烈的蒸汽水击，进水阀111以外的水迅速冲进蒸汽喷水器。蒸汽喷水器的竖管内设置的击水器，与进水相撞击，加强了蒸汽水击过程，从进水阀111进来的水，几乎瞬间就占据了竖管内的全部空间，然后关闭进水阀111。在上述蒸汽喷水器的竖管内进水期间，通过热水阀43，热水管109向蒸汽管110上蒸汽阀41到竖管端板的末端蒸汽管段内，注入少量高温热水后，关闭热水阀43。

8-4图表示的是蒸汽喷水器做功两冲程的做功冲程：打开出水阀116，同时打开蒸汽阀41。高温高压蒸汽通过蒸汽阀41，先将上述被注入末端蒸汽管段内的高温热水推进蒸汽喷水器的竖管内，再向蒸汽喷水器的竖管内注入定量高温高压蒸汽后，关闭蒸汽阀41。蒸汽喷水器竖管内的高温热水，在蒸汽与常温水之间形成一个热水层，由于热水层的阻碍作用，高温高压蒸汽基本不会溶入竖管内的常温水。在竖管内，高温高压蒸汽的进汽和膨胀过程做功，推动热水层和竖管内的常温水加压、加速流动，通过出水阀116，冲过出水口117。当流动水体全部从出水口117流出时，关闭出水阀116。

启动后的第一个蒸汽喷水器100反复进行两冲程循环，即进水冲程和做功冲程。

第二个蒸汽喷水器101与第一个蒸汽喷水器100的结构及工作原理完全相同，但是，两者在工作的时间相位上相差180度。即当第一个蒸汽喷水器100从进水口进水时，第二个蒸汽喷水器101从出水口向外喷水，而当第二个蒸汽喷水器101从进水口进水时，第一个蒸汽喷水器100从出水口向外喷水。正是由于两个蒸汽喷水器的连续交替喷水，确保两者共同的出水口117不间断地向外喷水。两个蒸汽喷水器这种精确地配合喷水动作，是由蒸汽喷水控制器来控制完成的。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的蒸汽喷水器的进水阀、出水阀、蒸汽阀、热水阀等阀门都是依靠电磁力动作的电磁阀，通电时开启，断电时关闭。启动的第一过程和第二过程是利用手动电开关控制阀门进行的，而进入循环做功时，两个蒸汽喷水器各自两冲程循环的启停时序及其配合是由蒸汽喷水控制器自动控制相关阀门来完成的。

图9给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的蒸汽喷水控制器的电路图。

这是利用一个四级时序定时器，按顺序驱动四个磁力电开关，控制两个(分别称作第一个和第二个)蒸汽喷水器的八个电磁阀的电路。采用四个555集成电路，产生四个顺序脉冲，第四个555集成电路的输出端接到第一个555集成电路的触发端，实现非稳态工作。

第一个555集成电路120，为了能可靠复位，防止干扰的影响，其复位端(管脚4)和电源端(管脚8)都直接与V+电源相接。集成电路120的接地端(管脚1)接地，控制端125(管脚5)通过一个电容接地，防止干扰信号影响脉冲的脉宽。其触发端122(管脚2)的触发信号，来自第四个555集成电路150的输出信号，经由电阻121和电容124所组成的微分电路产生的触发脉冲，脉宽约1微秒，下跳沿起作用。当触发端122(管脚2)被触发，且脉冲电压低于V+/3时，内部触发比较器翻转，输出端(管脚3)输出高电平。放电端127(管脚7)内部开路，电源V+开始通过定时电阻128向定时电容129充电。定时电容129上充电到2V+/3时，阈值端126(管脚6)内部的阈值比较器翻转，定时电容129迅速放电到地电位，输出端回到低电平。定时时间约为1.1*定时电阻*定时电容。定时电阻128为1兆欧姆，定时电容129为1微法拉，定时时间约为1秒。其输出端123的输出信号通过电阻162接到电流放大管160的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关161，控制第一个蒸汽喷水器100的热水阀，进热水1秒钟；同时控制第二个蒸汽喷水器101的蒸汽阀，进蒸汽1秒钟。

第二个555集成电路130，其触发端132(管脚2)的触发信号，来自第一个555集成电路120的输出信号，经由电阻和电容所组成的微分电路产生的触发脉冲。定时时间取2秒。

第一个555集成电路120的输出端123和第二个555集成电路130的输出端133分别通过整流管后，合并连接到电阻167的一端，而电阻167的另一端接到电流放大管165的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关162，用于同时控制第一个蒸汽喷水器100的进水阀和第二个蒸汽喷水器101的出水阀，其定时时间等于第一和第二两个集成电路定时时间之和，即为3秒。也就是第一个蒸汽喷水器100通过进水阀，进水3秒钟；同时，第二个蒸汽喷水器101通过出水阀，向外喷水3秒钟。

第三个555集成电路140，其触发端142(管脚2)的触发信号，来自第二个555集成电路130的输出信号，经由电阻和电容所组成的微分电路产生的触发脉冲。定时时间取1秒。其输出端143的输出信号通过电阻177接到电流放大管175的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关172控制第一个蒸汽喷水器100的蒸汽阀，进蒸汽1秒钟；同时，控制第二个蒸汽喷水器101的热水阀，进热水1秒钟。

第四个555集成电路150，其触发端152(管脚2)的触发信号，来自第三个555集成电路140的输出信号，经由电阻和电容所组成的微分电路产生的触发脉冲。定时时间取2秒。

第三个555集成电路140的输出端143和第四个555集成电路150的输出端153分别通过整流管后，合并连接到电阻182的一端，而电阻182的另一端接到电流放大管180的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关181，用于同时控制第一个蒸汽喷水器100的出水阀和第二个蒸汽喷水器101的进水阀，其定时时间等于第三和第四两个集成电路定时时间之和，即为3秒。也就是第一个蒸汽喷水器100通过出水阀，向外喷水3秒钟；同时，第二个蒸汽喷水器101通过进水阀，进水3秒钟。

图10是本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的背压器的结构图。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的背压器250的主体结构由射流器251和抽气器261两部分组成。

射流器251的外观是一段短管，它由一个外管和外管内设置的一个喷管和一个扩压管组成。射流器251的一端是入口法兰253，另一端是出口法兰252。从入口法兰253向里看，是一个渐缩的喷管254。沿着从进口到出口方向，渐缩的喷管254的出口正对着的是缩放的扩压管257的进口，在喷管254出口、扩压管257进口和射流器251的外管之间是一有限空间，扩压管257的出口与出口法兰252相接。

抽气器261是一个压力容器，它位于射流器251的上方，两者之间有一个垂直的连通管262。在抽气器261内有一个冷却盘管262，在抽气器261的上封头接一个抽气管，抽气管上有一个抽气泵263。

背压器250的工作原理是：蒸汽喷水器的出口输出的高压水，从背压器250的入口进入，经过喷管254形成高速射流，穿过背压器250内的有限空间后，进入扩压管257。在扩压管257的出口，也就是背压器250的出口，水流压力恢复到接近背压器250的入口，即喷管254的入口的压力。水流在穿越背压器250内的有限空间时，水流中的水蒸汽和空气扩散出来，通过连通管264向抽气器261内流动，水蒸汽在冷却盘管262的表面凝结下来，滴落并流回射流器251，空气则被抽气泵263抽出，排往大气。蒸汽喷水器输出的高压水进入背压器250时，其中所含的水蒸汽和空气的量都很少，冷却盘管262的热负荷很小，抽气泵263的功率消耗也很小。

通过冷却盘管262和抽气泵263的连续工作，背压器250的有限空间内可以维持较低的绝对压力，当然不会低于水流水温对应的饱和蒸汽压。本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的背压器250内绝对压力为0.02MPa。在蒸汽喷水器的出口，设置背压器250的目的，就是为了高温高压的蒸汽在蒸汽喷水器内膨胀做功时，有一个较低的背压，以获得较大的焓降、较大的功率和较大的效率。

图11给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的水轮发电机装置结构图。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的水轮发电机装置由水轮机和发电机两部分组成，水轮机的主轴与发电机的主轴连接，并传递动力。

水轮发电机的水轮机是卧轴的混流式水轮机，混流式水轮机的主要部件有水轮机主轴231、转轮232、导叶233、蜗壳234、尾水管235等。其工作过程是：水流经过蜗壳234引入，再经过导叶233调整流量，流过转轮232的叶片，实现能量的转换，水的流动能量转变成转轮旋转的机械能，带动水轮机主轴231旋转。

水轮发电机装置的发电机是交流无刷同步发电机，主要有发电机转子211、发电机定子212和发电机主轴215。

发电机转子211主要包括转子铁心、转子磁极绕组。发电机定子212主要包括机座、定子铁心、定子电枢绕组。

发电机的主轴215被水轮机的主轴231带动旋转，发电机的转子磁极的磁场扫过定子绕组，亦即扫过电枢绕组。由于转子磁场与定子绕组导线的相对运动，导线切割磁力线，定子的电枢绕组产生感应电压，向外输出电流。

图12给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的水轮机的结构图。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的水轮机结构的选型依据，主要考虑水头的大小。

前已说明，利用本发明建设一个200kW的潜艇电站。蒸汽锅炉生产过热蒸汽，压力为20MPa，温度为500℃，蒸汽膨胀做功时，绝热膨胀到0.02MPa压力。利用蒸汽驱动蒸汽喷水器，蒸汽喷水器3秒钟喷水体积为4.11m³。

按照水轮机功率计算式

N＝9.81*H*Q

式中，N为水轮机输入功率，H为水头，Q为流量。

Q＝4.11/3＝1.37(m³/s)

N＝261(kW)

水头为

H＝19.4(m)

水头为19.4m，流量为1.37m³/s，水轮机输入功率为261kW。根据这些参数，查找相应水轮机产品，得到的结果是：可以选择混流式水轮机，产品型号是HL260-WJA-50，该混流式水轮机的转轮代号为260，卧轴，金属蜗壳，转轮公称直径为50cm。

混流式水轮机的水流由径向流入、从轴向流出转轮。混流式水轮机为固定叶片式水轮机，转轮由上冠、叶片和下环等三部分构成一个整体。混流式水轮机结构简单，强度高，效率高。混流式水轮机是利用水流的压力能和动能做功的反击式水轮机。

本图为混流式卧轴水轮机结构简图，它由压力水管、蜗壳、导水机构、转轮、主轴等组成。从压力水管237引来压力水流，进入称作蜗壳234的引水室，蜗壳234中的水流一方面作圆周运动，另一方面作径向运动，使水流均匀地进入水轮机导水机构。导水机构包括座环236和导叶233，它的作用是引导一定量的水流按一定方向进入转轮232。具体的操作就是转动导叶233到某一角度，改变导叶间的开度，调节进入水轮机并通过转轮232的水流的流量。转轮232又称工作轮，它是水轮机的核心，其作用是将水流的能量转换为水轮机的旋转机械能。转轮232的叶片呈复杂空间扭曲状，断面形状为翼形，在转轮232转动过程中，其叶片完成与水流间径向、轴向的能量转换，混流式水轮机的主轴231旋转时，它就带动联轴的发电机发电。流过转轮232的水流，进入水轮机的尾水管235。做完功的水，经过尾水管235，最后返回循环水箱。

图13给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的发电机的结构图。

本发明的发电机是交流无刷旋转磁极式同步发电机，旋转磁极式发电机的电枢是固定的，而磁极是旋转的。磁极绕组在转子铁心槽内，电枢绕组均匀分布在整个定子铁心槽内，电枢绕组输出的交流电流可直接送往负载。

交流无刷旋转磁极式同步发电机的具体结构主要有发电机转子211、发电机定子212和发电机主轴215。

发电机转子211包括发电机转子铁心、转子磁极绕组、转轴、励磁机转子213、旋转整流器216。

发电机定子212包括机座、定子铁心、定子电枢绕组、端盖、轴承盖、励磁机定子214。

交流励磁机产生的交流电，经过旋转整流器整流后，供同步发电机的转子磁极励磁用。交流励磁机的定子为磁极，而转子为电枢。

发电机运行时会产生多种损耗而引起发热，在发电机转子上，装有风扇217对发电机进行通风冷却，以保证发电机的温升控制在允许的范围内。

发电机的主轴215被水轮机的主轴带动旋转，发电机的转子磁极的磁场扫过定子绕组，亦即扫过电枢绕组。由于转子磁场与定子绕组导线的相对运动，导线切割磁力线，定子的电枢绕组产生感应电压，可以向外输出电流。

图14给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的推进电机结构图。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的推进电机是直流电机，它具有一般直流电机的结构。但是，潜艇的直流电机与一般直流电机相比，它的工作状态多，工作环境条件恶劣。为此，要求潜艇的直流推进电机功率要大，尺寸要小，重量要轻，调速范围要宽，噪音要小，效率要高，使用方便等。

如图所示，潜艇的推进电机由两部分组成，即定子部分和转子部分。

定子部分包括：主磁极铁心285、励磁绕组286、换向极铁心292、换向极绕组291、机座293、电刷289。

转子部分包括：电枢铁心287、电枢绕组288、换向器290、转轴295。

定子部分的主磁极铁心285上的励磁绕组286接通直流电后，定子部分的主磁极产生固定的磁场，作用与定子和转子之间的气隙中，而转子部分的电枢铁心287上的电枢绕组288，在此磁场的作用下，产生感应电动势和电磁转矩，带动转轴295旋转。

推进电机的输出功，用于驱动螺旋桨，推进电机的电源为：从水轮发电机或柴油发电机来的交流电，经过整流器，交流电变成直流电，到达配电盘，再到达推进电机；或从蓄电池组来的直流电经过配电盘，再到达推进电机。配电盘上有选择切换水轮发电机、柴油发电机来或蓄电池组的开关。

图15给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的传动系统的结构。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的传动系统包括：螺旋桨轴274、推力轴承273、中间轴承277、轴系密封278。

在螺旋桨轴274上，在推进电机270到螺旋桨280之间，依次有推力轴承273、中间轴承277、轴系密封278。推进电机270发出的动力，通过螺旋桨轴274传递到螺旋桨280，螺旋桨280转动过程中，与水相作用，产生推力，推动船舶前进。

图16给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的废气冷凝器的结构图。

本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的废气冷凝器主要由冷凝器301和冷凝贮箱302组成。冷凝器301位于冷凝贮箱302的上方，两者之间有连通管。

冷凝器301是一个压力容器，立放的圆筒，上下两个封头，能承受6MPa压力。冷凝器301的功能，是对流入冷凝器的锅炉烟气中的二氧化碳和水蒸气进行冷凝。它的圆筒壁上方有一个烟气导入管306，与锅炉烟道相连。冷凝器301的内部有一个通冷却水的冷却盘管303。冷凝器301的下封头向下接出连通管305，通到冷凝贮箱302。

根据二氧化碳和水蒸气的热物理性质，当冷凝器301的内部空间压力为6MPa时，只要冷却盘管303的表面温度不高于20℃，进入到冷凝器301的二氧化碳和水蒸气就能陆续凝结下来。凝结成液态的二氧化碳和凝结生成的水，通过连通管305流入到冷凝贮箱302。冷凝器301的圆筒壁下方有一个气体导出管304，未凝气体经此管送回锅炉，再次参加燃烧。

冷凝贮箱302是一个压力容器，水平横放的圆筒，左右两个封头，内侧能承受6MPa压力。冷凝贮箱302在潜艇上的安装位置，是在潜艇的耐压壳体的外侧，当潜艇的外壳体进水，冷凝贮箱302的外表面要承受海水的压力。所以，冷凝贮箱302的外侧抗压强度设计，要考虑潜艇的最大下潜深度，冷凝贮箱302的外侧抗压强度设计可以与潜艇的耐压壳体抗压强度设计相同，定为6MPa。

液态的二氧化碳和水的密度明显不同，在20℃时，二氧化碳与水的密度比为0.77；此外，液态的二氧化碳和水的互溶性很低，在深海可以储存液态的二氧化碳就说明了这一点。所以，冷凝贮箱302内，液态的二氧化碳和水是分层的，在20℃时，二氧化碳在上，水在下。

在冷凝贮箱302的圆筒底部有一个排水管307，在冷凝贮箱302的圆筒侧下方，有一个液态的二氧化碳的排出管308。流入冷凝贮箱302凝结水，沉入冷凝贮箱302的底部，可以随时通过出水管307排出。但不要过度放水，以免液态的二氧化碳随着水流从出水管307一同排出。

冷凝贮箱302的圆筒的直径为1.6m，圆筒的长度为30m，内部容积为60m³。冷凝贮箱302能容纳液态二氧化碳的量，相当于本发明提出的200kW的潜艇电站连续工作10昼夜，即运转240小时，蒸汽锅炉排出的二氧化碳。

冷凝贮箱302有支架309，若干个支架托起冷凝贮箱302的圆筒，水平地布置在潜艇内部。

图17给出了本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例在潜艇中的布置方案。

采用本发明不依赖空气的潜艇推进装置实施例的潜艇，长约70m，高约13m，双壳体结构，内壳体为耐压壳体408，耐压壳体408的直径为6.5m。

潜艇的作战中心403位于潜艇中部，作战中心403的后边，有两个压力容器呈上下布置，上边的是高压气瓶5，下边的是冷凝器301。

在冷凝器301下边，在耐压壳体408内部的最低处，沿潜艇纵向布置的是34m长的液氧贮箱1，它几乎占据了潜艇总长的前一半。在耐压壳体408的下边，内外壳体之间，23m长的乙醇贮箱2和30m长的冷凝贮箱302，首尾相接，沿潜艇纵向布置。前边的是冷凝贮箱302，后边的是乙醇贮箱2。

在高压气瓶5和冷凝器301的后边，有蒸汽锅炉4、蒸汽喷水器100、水轮机230。蒸汽锅炉4几乎和耐压壳体408的内部空间等高。水轮机230带动发电机，发电机输出的交流电，通过整流器变成直流电，用于驱动推进电机270，推进电机270带动潜艇螺旋桨280。

在水轮机230后方的空间中，安放的是潜艇的常规动力装置，其中包括柴油发电机405、柴油贮箱404和通气管409。

有一个电源转换开关410，用于推进电机270的供电选择，可以选择常规的柴油发电机，或选择具有AIP功能的本发明闭式蒸汽-水轮发电机，或选择潜艇的蓄电池组。

Claims

1、一种不依赖空气的潜艇推进装置，它包括主机系统、电力系统、传动系统、螺旋桨、废气冷凝器等五部分，它的主机系统包括蒸汽发生器，蒸汽发生器由液氧贮箱、乙醇贮箱、给水箱、蒸汽锅炉、高压气瓶和几个泵组成，电力系统包括发电机、整流器和推进电机，废气冷凝器由冷凝器和冷凝贮箱组成，其特征在于：

(1)所述主机系统还包括蒸汽喷水装置和水轮机；

(2)所述蒸汽喷水装置由第一个蒸汽喷水器、第二个蒸汽喷水器、蒸汽喷水控制器、背压器和循环水箱组成，两个蒸汽喷水器竖立于循环水箱上，其下端的进水口，位于循环水箱的水面下，在蒸汽喷水控制器的控制下，锅炉蒸汽和循环水箱的水轮流从上下进入两个蒸汽喷水器，水被蒸汽加压后从蒸汽喷水器出口流出，经过背压器，输送给水轮机。

2、按照权利要求1所述的一种不依赖空气的潜艇推进装置，其特征在于：

所述液氧贮箱的外形是一个横放的圆筒形压力容器，壳体及两端封头的材质选用不锈钢板，均为双层不锈钢板，双层不锈钢板中间填充绝热材料，圆筒形液氧贮箱的内径为1.6m，长度为34m，每个液氧贮箱的容积为68m³，两个液氧贮箱，总容积为136m³，液氧贮箱壳体内部受压，抗压强度为0.5MPa；

横放的圆筒形液氧贮箱的上部有加注口、加压口、排气口，底部有液氧的输出口、泄液口，液氧贮箱的壳体外圆上，等距离地固定有加强环板，依靠多个支架，两个相同的液氧贮箱并排横放布置。

3、按照权利要求1所述的一种不依赖空气的潜艇推进装置，其特征在于：

所述乙醇贮箱的外形是一个横放的圆筒形压力容器，壳体及两端封头的材质均选用不锈钢板，均为双层不锈钢板，双层不锈钢板中间填充绝热材料；

乙醇贮箱的内径为1.6m，长度为23m，每个乙醇贮箱的容积为46m³，两个乙醇贮箱，总容积为92m³，乙醇贮箱壳体外部受压，抗压强度为6MPa；

横放的圆筒形乙醇贮箱的上部有加注口、排气口，底部有乙醇的输出口、泄液口，乙醇贮箱的壳体外圆上，等距离地固定有加强环板，依靠多个支架，两个相同的乙醇贮箱并排横放布置。

4、按照权利要求1所述的一种不依赖空气的潜艇推进装置，其特征在于：

所述蒸汽锅炉包括：省煤器、汽包、燃烧器、炉膛、受热管、过热器和蒸汽管，受热管包括对流管和水冷壁，燃烧器是由外套管和内管组成；

蒸汽锅炉向蒸汽喷水器装置供应蒸汽，给水泵连接在供水箱和蒸汽锅炉的省煤器之间，蒸汽锅炉的受热管的水，被加热产生蒸汽，汇入到汽包，汽包输出的饱和蒸汽进入过热器，从过热器出口得到的过热蒸汽，通过蒸汽管输出；

由液氧贮箱来的液氧，经过位于烟道内的加热器变成气态氧气，再经过氧气管进入燃烧器的内管，由乙醇贮箱来的乙醇，进入燃烧器的外套管，高速氧气将乙醇吹散雾化，从燃烧器的出口喷进锅炉高压炉膛燃烧，锅炉高压炉膛内有6MPa的压力；

蒸汽锅炉的排烟一个去向是到达废气冷凝器，另一个去向是通过直排管，再经过一个气泡分裂装置，排到海水中；

蒸汽锅炉的额定容量为每小时生产1.1吨过热蒸汽，过热蒸汽压力为20MPa，温度为500℃，蒸汽锅炉的外壳和上下封头的抗压强度为6MPa。

5、按照权利要求1所述的一种不依赖空气的潜艇推进装置，其特征在于

所述蒸汽喷水器的本体由一个竖管和一个水平管构成，水平管的一头与竖管垂直相接，水平管的另一头是出水口，水平管上有出水阀，竖管上，靠近下端有进水阀，竖管的下端口是进水口，竖管上端板外接出空气管和蒸汽管，空气管上有空气泵、气压罐、空气阀，蒸汽管与蒸汽锅炉连通，该管上设有蒸汽阀，空气阀、蒸汽阀、进水阀、出水阀都是电磁阀，由蒸汽喷水控制器控制；

竖管上的进水阀，其上缘紧贴水平管与竖管的垂直接口，进水阀将竖管上下分成两部分：竖管的端板到进水阀，称作竖管上段，从进水阀到进水口，称作竖管下段；

蒸汽喷水器是成对设置的，对应一个水轮发电机，有两个或两组相同的蒸汽喷水器轮流供水发电，两个蒸汽喷水器彼此平行，并与水面垂直，被固定在循环水箱中，两个或两组蒸汽喷水器在出水口之前相连通，它们共用一个出水口；

竖管上段是蒸汽喷水器的进水管道兼贮水空间，其中设有击水器，击水器由固定杆及其上垂直固定的多个击水盘构成，击水盘是带孔圆盘，圆盘上均匀分布直径为30～50mm的通孔，通孔总面积占圆盘表面积的三分之一，圆盘外径等于蒸汽喷水器竖管内径的三分之一，圆盘沿固定杆上下均匀设置，圆盘间距等于蒸汽喷水器竖管内径，固定杆在蒸汽喷水器竖管上段中心线上固定，其长度从进水阀，一直到端板，固定杆从击水器的全部圆盘中心穿过，并相固定；

竖管下段长度约为1.0m～1.5m，竖管内的进水阀距离循环水箱的水面的高度约为0.5m。

6、按照权利要求1所述的一种不依赖空气的潜艇推进装置，其特征在于：

所述蒸汽喷水控制器是利用一个四级时序定时器，按顺序驱动四个磁力电开关，控制两个蒸汽喷水器的八个电磁阀的电路，采用四个555集成电路，产生四个顺序脉冲，第四个集成电路的输出端接到第一个集成电路的触发端，实现非稳态工作；

第一个集成电路，其复位端和电源端都直接与V+电源相接。接地端接地，控制端通过一个电容接地，触发端的触发信号，来自第四个集成电路的输出信号，定时时间约为1.1*定时电阻*定时电容，定时电阻为1兆欧姆，定时电容为1微法拉，定时约为1秒，其输出端通过电阻接到电流放大管的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关，控制第一个蒸汽喷水器的空气阀，进空气1秒钟；同时控制第二个蒸汽喷水器的蒸汽阀，进蒸汽1秒钟；

第二个集成电路触发端的触发信号，来自第一个集成电路的输出信号，定时时间取2秒；

第一个集成电路的输出端和第二个集成电路的输出端，分别通过整流管后，合并连接到电阻的一端，而电阻的另一端接到电流放大管的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关，用于同时控制第一个蒸汽喷水器的进水阀和第二个蒸汽喷水器的出水阀，其定时时间等于第一和第二两个集成电路定时之和，即为3秒，第一个蒸汽喷水器通过进水阀，进水3秒钟，同时，第二个蒸汽喷水器通过出水阀，向外喷水3秒钟；

第三个集成电路触发端的触发信号，来自第二个集成电路的输出信号，定时为1秒，其输出端的输出信号通过电阻接到电流放大管的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关控制第一个蒸汽喷水器的蒸汽阀，进蒸汽1秒钟，同时，控制第二个蒸汽喷水器的空气阀，进空气1秒钟；

第四个集成电路触发端的触发信号，来自第三个集成电路的输出信号，定时时间为2秒；

第三个集成电路的输出端和第四个集成电路的输出端分别通过整流管后，合并连接到电阻的一端，而电阻的另一端接到电流放大管的基极，这是一个3DK4管，它的集电极回路中，有一个磁力电开关，用于同时控制第一个蒸汽喷水器的出水阀和第二个蒸汽喷水器的进水阀，其定时时间等于第三和第四两个集成电路定时时间之和，即为3秒，第一个蒸汽喷水器通过出水阀出水3秒钟，同时，第二个蒸汽喷水器通过进水阀进水3秒钟。

7、按照权利要求1所述的一种不依赖空气的潜艇推进装置，其特征在于：

所述背压器的主体结构由射流器和抽气器两部分组成：

射流器的外观是一段短管，它由一个外管和外管内设置的一个喷管和一个扩压管组成，射流器的一端是入口法兰，另一端是出口法兰，从入口法兰向里看，是一个渐缩的喷管，沿着从进口到出口方向，渐缩的喷管的出口正对着的是缩放的扩压管的进口，在喷管出口、扩压管进口和射流器的外管之间是一有限空间，扩压管的出口与出口法兰相接；

抽气器是一个压力容器，它位于射流器的上方，两者之间有一个垂直的连通管，在抽气器内有一个冷却盘管，在抽气器的上封头接一个抽气管，抽气管上有一个抽气泵。

8、按照权利要求1所述的一种不依赖空气的潜艇推进装置，其特征在于：

所述水轮机为混流式卧轴水轮机，它由压力水管、蜗壳、导水机构、转轮等组成；从压力水管引来压力水流，进入称作蜗壳的引水室，蜗壳中的水流，均匀地进入水轮机导水机构，改变导叶间的开度，调节通过转轮的水流的流量，转轮的叶片呈复杂空间扭曲状，断面形状为翼形，转轮完成与水流间的能量转换。

9、按照权利要求1所述的一种不依赖空气的潜艇推进装置，其特征在于：

所述电力系统包括发电机、整流器和推进电机；

发电机是交流无刷旋转磁极式同步发电机，主要结构有发电机转子、发电机定子和发电机主轴，发电机转子包括发电机转子铁心、转子磁极绕组、转轴、励磁机转子、旋转整流器，发电机定子包括机座、定子铁心、定子电枢绕组、端盖、轴承盖、励磁机定子；

整流器使交流电变成直流电；

推进电机是直流电机，由两部分组成，即定子部分和转子部分，定子部分包括：主磁极铁心、励磁绕组、换向极铁心、换向极绕组、机座、电刷，转子部分包括：电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴。

10、按照权利要求1所述的一种不依赖空气的潜艇推进装置，其特征在于：

所述传动系统包括：螺旋桨轴、推力轴承、中间轴承、轴系密封；

在螺旋桨轴上，在推进电机到螺旋桨之间，依次有推力轴承、中间轴承、轴系密封。

11、按照权利要求1所述的一种不依赖空气的潜艇推进装置，其特征在于：

所述废气冷凝器由冷凝器和冷凝贮箱组成，冷凝器位于冷凝贮箱的上方，两者之间有连通管；

冷凝器是一个压力容器，立放的圆筒，上下两个封头，能承受6MPa压力，冷凝器对锅炉烟气中的二氧化碳和水蒸气进行冷凝，它的圆筒壁上方有一个烟气导入管，它的内部有一个通冷却水的冷却盘管，冷凝器的下封头向下接出连通管，通到冷凝贮箱，冷凝器的圆筒壁下方有一个气体导出管，未凝气体经此管送回锅炉，再次参加燃烧；

冷凝贮箱是一个压力容器，水平横放的圆筒，左右两个封头，内侧能承受6MPa压力，冷凝贮箱在潜艇上安装在潜艇的耐压壳体的外侧，冷凝贮箱的外侧抗压强度也为6MPa；

在冷凝贮箱的圆筒底部有排水管，在冷凝贮箱的圆筒侧下方，有液态的二氧化碳的排出管，冷凝贮箱的圆筒的直径为1.6m，圆筒的长度为30m，内部容积为60m³，若干个支架托起冷凝贮箱的圆筒，水平地布置在潜艇内。