脉动螺旋推进器.pdf

本发明公开了脉动螺旋推进器，由间隔分布的3-15组螺旋桨组成，所述螺旋桨由10-300个叶片组成，叶片的长与宽的比例为20-100: 1。本发明大幅度提高船的推进效率，在同样的航速下大幅度减小发动机的功率，减小发动机的尺寸和重量，减少燃油消耗，减少废气排放；适用于高速航行的船只，解决了高速船只航行效率低下的问题，同时也适合低速船只的使用。本发明使船只提高航速、减少航程时间，同样可以减少能源的消耗，节约时间。本发明同样适用于飞行器，可以极大的减少能量的损耗，减少大气的污染。

权利要求书
1.  脉动螺旋推进器，其特征在于，由3-15组螺旋桨组成，所述螺旋桨由10-300个叶片组成，叶片的长与宽的比例为20-100: 1。

2.  根据权利要求1所述的脉动螺旋推进器，其特征在于，所述螺旋桨采用轻质材料。

3.  根据权利要求1所述的脉动螺旋推进器，其特征在于，所述叶片采用柔性或弹性薄片。

4.  根据权利要求1-3任一所述的脉动螺旋推进器，其特征在于，还应用于飞行器。

说明书脉动螺旋推进器
技术领域
本发明涉及机械设备零件，具体是一种脉动螺旋推进器。
背景技术
船在高速航行时，根据在作用力和反作用力做功时，质量小速度快的一方消耗更多的能量，速度越快能量消耗越大。因为船喷水的速度远大于船的航行速度，喷出水的质量远小于船的质量，因此喷水消耗的能量远大于船推进所需的能量，究竟有多少功率用于船克服阻力保持匀速前进，多少功率变为喷水的动量损失。通过下面的例子可以估算出，总功率中有百分之多少用于船的推进，多少被抛弃在波涛汹涌的尾流中。
根据牛顿第二定律 F=M*A推导：
船：F=M1*A1，M1：船的质量，A1：船的加速度
水：-F=M2*A2，M2：水的质量，A2：水的加速度
其中加速度 A=(v-v0)/t=v/t，因为v0=0；
F= M1*V1/t
-F=M2*V2/t
由于作用力=反作用力，
M1*V1/t=M2*V2/t，因此 M1*V1=M2*V2
假设船质量M1为1000吨，速度V1每秒10米，假如船每秒喷水M2=100吨，那么水速V2=M1*V1/M2=1000*10/100=100米/秒。
因此水的动能为 E=1/2*M2*V2^2=1/2*100000*100^2=500000000公斤/米
船的动能为 E=1/2*M1*V1^2=1/2*1000000*10^2=50000000公斤/米
船所获得的动能只有水动能的1/10。
从这个结论可以看到水所消耗的能量远大于船推进的能量，10000马力的船其中9000马力作用水的动能，1000马力用于船的推进。其中水速越快能量消耗越大，水速以指数的方式增长消耗能量。因此现代的大型商船普遍采用大直径的螺旋桨来增加排水质量，降低排水速度以提高船的航行效率。目前的大型商船采用直径10米的螺旋桨，转速100转/分钟，排水速低于50米/秒。但是大直径的螺旋桨不适合高速航行，一般航速越快螺旋桨排水的速度就需要更快，一般航速超过30节的船只就需要使用喷水速度更快的喷水推进器，这样无疑大量的能量消耗于水的动能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高船的推进效率、减少能耗的脉动螺旋推进器,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：
脉动螺旋推进器，由3-15组螺旋桨组成，所述螺旋桨由10-300个叶片组成，叶片的长与宽的比例为20-100: 1。
作为本发明进一步的方案：螺旋桨采用轻质材料。 
作为本发明进一步的方案：叶片采用柔性或弹性薄片。
作为本发明进一步的方案：所述脉动螺旋推进器还用于飞行器。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明大幅度提高船的推进效率，在同样的航速下大幅度减小发动机的功率，减小发动机的尺寸和重量，减少燃油消耗，减少废气排放。适用于高速航行的船只，解决了高速船只航行效率低下的问题，同时也适合低速船只的使用。船只航行时减少浪花和尾流，特别对内河航行的船只，汹涌的尾流会影响两岸和周边船只的航行，在内河高速航行甚至会掀翻小船破坏岸边的设施。可以使船只提高航速减少航程时间，同样可以减少能源的消耗，同时节约了时间。本发明同样适用于飞行器，可以极大的减少能量的损耗，减少大气的污染。
附图说明
图1是本发明的脉动推力图；
图2是本发明的脉动速度图；
图3是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，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。
请参阅图3，本发明实施例中，脉动螺旋推进器，由间隔分布的3-15组螺旋桨组成。每一组螺旋桨由密集细窄叶片组成。螺旋桨及其叶片用轻质材料制成，叶片可用柔性或弹性薄片制作。本发明采用多叶大直径螺旋桨，因为螺旋桨不是以螺旋划水推进为主，而是以脉动冲击推水为主，所以其性质与传统的螺旋桨不同。其形状也与传统螺旋桨不同，脉动螺旋推进器采用窄叶、多叶结构，窄叶可以减少对水的作用时间，使水速降低，多叶是为了增加推水的作用面积，增加推进力。脉动螺旋推进器的直径可以比传统的螺旋桨大，因为脉动螺旋推进器的螺旋桨转速很低，所以直径可以适当加大。由于大直径螺旋桨不适合高速船只航行，所以可以采用多个小直径螺旋桨间隔串联使用，以适合高速船只的推进。
脉动螺旋推进器采用间歇式的力作用于水，就像电锤冲击钻一样，在螺旋桨旋转的过程中不断的对螺旋桨施加一个轴向的冲击力，将螺旋桨推向后方，以获得反作用力将船推向前方。这个锤击力非常大但是作用时间短，在水还未被加速到很高的速度就停止了。因此水速很低但推进力很大，推进力可以是原来的2-3倍，虽然推进力是脉动的，间歇的，但是其平均推力可以保持原来的水平。由于平均推力与原先相同，因此船前进的速度与原先一样处在高速航行状态，但是喷水的速度变了，变得很小。假如将原来100米/秒的喷水速度降低到20米/秒，那么
水的动能为E=1/2*M2*V2^2=1/2*100000*20^2=20000000公斤/米；
船的动能为E=1/2*M1*V1^2=1/2*1000000*10^2=50000000公斤/米；
船和水的动能比为5：2，那么原来1000马力用于船的推进,加上2/5水加速所需的动力400马力，现在1400马力就可以使船与原来10000马力的船以相同的速度航行。通过脉动推进节省了80%以上的功率。
如何降低水的流速，根据牛顿第二定律：
F=M*A；其中A=(V-V0)/T, 假设V0=0，那么A=V/T；
F=M*V/T；
V=F*T/M。
从这个公式可以看到调节T和F值可以降低速度V，假如原来的水速为100米/秒，现在将T由原来的1秒降到0.1秒，那么水速就降低到10米/秒,但是间隙式的推进方式推力是断续的，因此需要将瞬时的推力加倍才能产生一个平均推力保持与原来的推力相同，这样F的加倍使水速增加，最后以20米/秒速度排放。由于平均推力与原先相同，船的航速不变，但是能耗大幅度的降低了。
从图1-图2中可以看到，螺旋桨排水的速度为10米/秒，脉动次数每秒5次，脉动速度最大30米/秒，最小为10米/秒。合成的平均速度为20米/秒。这就实现了低速喷水，大力推进的效果。
本发明具有以下优点：
1、大幅度提高船的推进效率，在同样的航速下大幅度减小发动机的功率，减小发动机的尺寸和重量，减少燃油消耗，减少废气排放。
2、适用于高速航行的船只，解决了高速船只航行效率低下的问题，同时也适合低速船只的使用。
3、船只航行时减少浪花和尾流，特别对内河航行的船只，汹涌的尾流会影响两岸和周边船只的航行，在内河高速航行甚至会掀翻小船破坏岸边的设施。
4、可以使船只提高航速减少航程时间，同样可以减少能源的消耗，同时节约了时间。
本发明同样适用于飞行器，如直升机，喷气机。目前的飞行器特别是喷气机尾流的速度一般可达5-7个马赫，也就是将高温高压的空气以接近2000米/秒速度从机尾喷出，假如每秒喷出1公斤的空气，那么根据Ek=1/2*M*V^2=1/2*1*2000^2=2000000公斤/米，这1公斤空气具有极高的动能。高温，高压，高速的空气是一个能量团，被抛弃在无尽的天空，留下一条跨越天空的尾迹。如果采用本发明，可以极大的减少能量的损耗，减少大气的污染。
本发明在空气中应用与其在水中应用有所不同，因为空气具有弹性，因此在空气中螺旋桨的脉动幅度要大，频率要低。在空气中螺旋桨的直径可以达到2-4米，叶片有几十甚至上百片。这些叶片围绕着轴心转动，但是在飞行原理上是类似的。
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。 
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。