新型磁流體推進(jìn)裝置及其在船上的應(yīng)用

1、船舶原理概論論文新型磁流體推進(jìn)裝置及其在船上的應(yīng)用 改進(jìn)船舶推進(jìn)性能的方法探討學(xué) 院 建筑工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 年 級(jí) 2010級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師 2013年 10月 24 日摘 要磁流體推進(jìn)是一種非螺旋槳式的新型的船舶推進(jìn)方式，通過(guò)電磁方法產(chǎn)生電磁力推動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)。具有安靜、快速、布局靈活、操縱方便、航行環(huán)境舒適等優(yōu)點(diǎn)，有望成為21世紀(jì)船舶推進(jìn)的主流形式。 論文系統(tǒng)介紹了船舶推進(jìn)的發(fā)展歷史和磁流體推進(jìn)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對(duì)其基本工作原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了較為全面和深入的研究。詳細(xì)歸納了船舶磁流體推進(jìn)器的類(lèi)型，并對(duì)現(xiàn)有磁流體推進(jìn)形式進(jìn)行了綜合比較，分析了目前公認(rèn)的最佳船舶磁流體推進(jìn)器形式的優(yōu)

2、缺點(diǎn)。描述高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展;并指出船舶磁流體推進(jìn)器的實(shí)用化前景在于高溫超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用。2目 錄第一章 船舶推進(jìn)器的演變與展望11.1船舶推進(jìn)器的演變11.1.1 原始推進(jìn)11.1.2 螺旋槳和噴水推進(jìn)器21.1.3 電力推進(jìn)21.2 新型突進(jìn)方式及展望3第二章 國(guó)內(nèi)外磁流體技術(shù)研究的現(xiàn)狀32.1 國(guó)外磁流體技術(shù)研究的現(xiàn)狀42.2 我國(guó)磁流體技術(shù)研究的現(xiàn)狀62.3 磁流體推進(jìn)器的開(kāi)發(fā)6第三章 磁流體推進(jìn)73.1 磁流體推進(jìn)的原理73.2 磁流體推進(jìn)的分類(lèi)83.3 典型磁流體推進(jìn)器83.4 磁流體推進(jìn)的特點(diǎn)10第四章 磁流體推進(jìn)開(kāi)發(fā)面臨的問(wèn)題114.1 電極問(wèn)題114.2 效率問(wèn)題114.3 關(guān)

3、鍵技術(shù)問(wèn)題11第五章 高溫超導(dǎo)磁流體115.1 超導(dǎo)磁流體推進(jìn)的關(guān)健技術(shù)12結(jié) 論132天津大學(xué) 建工學(xué)院 2010級(jí) 船舶原理概論論文新型磁流體推進(jìn)裝置及其在船上的應(yīng)用改進(jìn)船舶推進(jìn)性能的方法探討第一章 船舶推進(jìn)器的演變與展望推進(jìn)器是船艇的關(guān)鍵部件，是能量轉(zhuǎn)化的設(shè)備，是將主機(jī)發(fā)出的能量轉(zhuǎn)化成船艇推動(dòng)力的設(shè)備提高推進(jìn)器性能，開(kāi)發(fā)高性能推進(jìn)器一直是船艇推進(jìn)器研究領(lǐng)域的主要方向自從19世紀(jì)初期螺旋槳作為一種實(shí)用推進(jìn)器被應(yīng)用于船艇，一直到現(xiàn)在人們以螺旋槳為核心發(fā)展了各種推進(jìn)器形式:如吊艙推進(jìn)器、導(dǎo)管槳、泵噴推進(jìn)器、對(duì)轉(zhuǎn)槳、泵噴推進(jìn)器，同時(shí)也產(chǎn)生了替代螺旋槳的推進(jìn)方式的推進(jìn)器:如噴水推進(jìn)和超導(dǎo)磁流體推講

4、等。1.1 船舶推進(jìn)器的演變從推進(jìn)器的誕生到現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)人們的探索與研究，船艇推進(jìn)器的發(fā)展已經(jīng)逐漸向高性能的方向靠近，從古到今，推進(jìn)器的形式逐漸增多。1.1.1 原始推進(jìn)原始推進(jìn)主要包括人力、畜力和風(fēng)力推進(jìn)這種推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于獨(dú)木舟和木板船的時(shí)代，其效率低、穩(wěn)定性差、降低了船舶的總體性能自19世紀(jì)末第一艘鋼船誕生后，原始推進(jìn)技術(shù)也逐漸被機(jī)器推進(jìn)所取代，船舶行業(yè)開(kāi)始進(jìn)人以鋼船為主的時(shí)代。明輪推進(jìn)明輪船是一種在船的兩側(cè)裝著明輪的蒸汽輪船。它是靠蒸汽機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力帶動(dòng)明輪轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生推進(jìn)力的。明輪船吃水淺，操縱靈活，可以深入大湖沿岸的淺水河灣港漢。明輪船的內(nèi)部空間大，可以搭載更多的貨物;它們行駛起來(lái)也更加平

5、穩(wěn)，沒(méi)有螺旋槳船只那種單調(diào)的顫動(dòng)，在湖面風(fēng)浪較大的時(shí)候也可以保持穩(wěn)定，受到旅客們的青睞。從20世紀(jì)初開(kāi)始，安裝大馬力往復(fù)式蒸汽機(jī)的明輪船就在大湖區(qū)，尤其是伊利湖的船運(yùn)中牢坐老大的位置。然而，明輪船的明輪有一半在空中轉(zhuǎn)動(dòng)，不僅增加了船的寬度和航行時(shí)的阻力，而且當(dāng)它在碼頭上?？繒r(shí)，與兩旁的輪船很容易發(fā)生碰撞，既影響自己的安全行駛，也存在著擦傷別的輪船的可能性。另外，如果水草一類(lèi)的纏繞物絞住明輪的葉片或軸，明輪就有失去轉(zhuǎn)動(dòng)的可能。這些都是早期明輪致命的弱點(diǎn)。到19世紀(jì)60年代，用螺旋槳作推進(jìn)器的輪船已經(jīng)將裝著明輪的蒸汽船淘汰掉了。1.1.2 螺旋槳和噴水推進(jìn)器螺旋槳推進(jìn)器 螺旋槳推進(jìn)器可分為普通螺旋

6、槳、導(dǎo)管螺旋槳、可調(diào)距螺旋槳、串列螺旋槳和對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳。 (1)普通螺旋槳的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，船舶在低速航行下效率較高因此普通螺旋槳的制造工藝較為簡(jiǎn)單、安裝方便，但其在推進(jìn)過(guò)程中會(huì)存在相當(dāng)多的能量損失； (2)導(dǎo)管螺旋槳也叫做套筒螺旋槳，它是將一個(gè)環(huán)形的套筒加在螺旋槳的外圍，分為加速型導(dǎo)管(收縮管)和減速型導(dǎo)管(擴(kuò)張管)。 (3)可調(diào)距螺旋槳，主要應(yīng)用于多工況船舶，能夠充分發(fā)揮主機(jī)效率，適應(yīng)各種工況的變化，提高船艇的操縱性。 (4)串列螺旋槳，是將兩只特定的螺旋槳安裝在同一軸上，并且轉(zhuǎn)速相同、方向相同。 (5)對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳，是由兩個(gè)普通螺旋槳分別裝于同心的兩軸上，以相反的方向旋轉(zhuǎn)的一種推進(jìn)方式，也叫做

7、雙反轉(zhuǎn)螺旋槳。噴水推進(jìn)器推進(jìn)機(jī)構(gòu)位于船內(nèi)，利用噴射流體所產(chǎn)生的反作用力推動(dòng)船舶前進(jìn)的推進(jìn)器其原理是利用水泵作為動(dòng)力，將水從船底孔吸人，經(jīng)過(guò)舷部的管子，把水從船后方向排出，依靠水的反作用力來(lái)使船舶行進(jìn)。1.1.3 電力推進(jìn) 電力推進(jìn)器主要由電站、配電板、變壓器、變頻器、推進(jìn)電機(jī)、全回轉(zhuǎn)型推進(jìn)器、服務(wù)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等組成電力推進(jìn)器的主要代表為吊艙式推進(jìn)器。 電站由柴油發(fā)電機(jī)組和一套主配電板組成，通過(guò)柴油機(jī)發(fā)電供電給高壓電網(wǎng)再到中壓電網(wǎng)，為主要設(shè)備進(jìn)行供電中低壓配電板確保電力分配，經(jīng)過(guò)變壓到變頗器再到推進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力供給另外變壓器和高壓電纜的潔凈度、接地保護(hù)、中性點(diǎn)等都有嚴(yán)格的要求，要確

8、保符合標(biāo)準(zhǔn)。變頻器主要是進(jìn)行交流推進(jìn)電機(jī)的控制或變速驅(qū)動(dòng)變頻器內(nèi)部有冷卻單元，通過(guò)專(zhuān)用的外部淡水冷卻系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部熱交換器，將變頻器實(shí)現(xiàn)自我冷卻，除此之外，為了防止各種原因的漏水，設(shè)備還自帶漏水檢測(cè)傳感器。推進(jìn)電動(dòng)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)中的動(dòng)力源，因需要大功率長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，因此需供給外部冷卻水，且為了防止冷卻水在內(nèi)部泄露，通常會(huì)安裝漏水檢測(cè)系統(tǒng)。1.2 新型突進(jìn)方式及展望例如模擬魚(yú)類(lèi)游動(dòng)的水下仿生推進(jìn)器、超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器等 1)各種模擬魚(yú)類(lèi)游動(dòng)的水下仿生推進(jìn)器是將仿生學(xué)與船艇推進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的一種新型推進(jìn)技術(shù)，與傳統(tǒng)的推進(jìn)器相比較，有著低噪音、低擾動(dòng)、高效率等突出優(yōu)點(diǎn)。 2)超導(dǎo)磁流體推進(jìn)是

9、用電磁力推進(jìn)船舶運(yùn)動(dòng)的一種新穎船舶推進(jìn)方式，它的設(shè)計(jì)概念比其它推進(jìn)技術(shù)更為超前，不僅消除了傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)器產(chǎn)生的巨大噪聲，還可以抑制潛艇機(jī)械噪聲和流體動(dòng)力噪聲的產(chǎn)生超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器去除了一些傳統(tǒng)推進(jìn)裝置的部分機(jī)構(gòu)，減輕了總重量，受各類(lèi)影響程度減小效率得到提高。進(jìn)人21世紀(jì)以后，推進(jìn)器船舶的發(fā)展和應(yīng)用更是方興未艾，異彩紛呈現(xiàn)代航運(yùn)事業(yè)和軍事用途的驅(qū)動(dòng)，要求現(xiàn)代船舶必須達(dá)到或維持高航速、高適航、高穩(wěn)定性、高操作性、高適用性和低能耗的高經(jīng)濟(jì)性等性能指標(biāo)。綜合船舶推進(jìn)器的各項(xiàng)性能來(lái)看，電力推進(jìn)系統(tǒng)存在更多的優(yōu)越性，在未來(lái)的十五至二十年后，全電力推進(jìn)系統(tǒng)在民用遠(yuǎn)洋船舶的使用率有望從10%升至50%左右掌

10、握船舶全電力推進(jìn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)以及制造核心是一項(xiàng)技術(shù)變革，只有加快民用船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)裝備研究及產(chǎn)業(yè)化工作，才能在未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占領(lǐng)制高點(diǎn)。水下仿生推進(jìn)器是隨著生物流體力學(xué)，仿生機(jī)電與神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制等關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，仿生水下推進(jìn)去將進(jìn)一步向高速、高效、大載荷空間、高機(jī)動(dòng)性、低噪聲以及長(zhǎng)航程方向發(fā)展，將會(huì)逐步實(shí)用化。目前，水下仿生推進(jìn)器主要在水下機(jī)器人上應(yīng)用，較少作為船舶推進(jìn)器。技術(shù)最為超前的超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器，在很久以后的將來(lái)，克服一些列的技術(shù)問(wèn)題，在船舶上運(yùn)用，將取得非常好的性能效果。本文主要介紹超導(dǎo)磁流體推進(jìn)方式。第二章 國(guó)內(nèi)外磁流體技術(shù)研究的現(xiàn)狀早在70年代，美、前蘇聯(lián)、英、日等國(guó)就己開(kāi)展

11、磁流體推進(jìn)技術(shù)在海軍艦艇方面的應(yīng)用研究。磁流體推進(jìn)技術(shù)研究雖然己經(jīng)取得了一些成果，但目前它的磁場(chǎng)強(qiáng)度還不能滿足艦艇推進(jìn)的要求。隨著新型超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，有望成為解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。在開(kāi)展磁流體推進(jìn)研究較為廣泛的國(guó)家中，美國(guó)和前蘇聯(lián)主要注重于基礎(chǔ)理論研究及軍用艦船，如潛艇的概念設(shè)計(jì)，而日本則更多注重于應(yīng)用技術(shù)和民船的設(shè)計(jì)。2.1 國(guó)外磁流體技術(shù)研究的現(xiàn)狀(1)美國(guó)美國(guó)關(guān)于磁流體推進(jìn)研究主要集中在以下幾方面:對(duì)磁流體推進(jìn)技術(shù)開(kāi)展了較為深入的理論研究。進(jìn)行了小規(guī)模的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論研究的成果。研究能夠用于磁流體推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)用化技術(shù)。美國(guó)從事MHD推進(jìn)研究的單位主要有美國(guó)海軍水下系統(tǒng)中心、戴維泰勒艦船研究

12、發(fā)展中心、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和阿夫可公司。前兩個(gè)單位主要負(fù)責(zé)研究MHD推進(jìn)的流體動(dòng)力性能、結(jié)構(gòu)形式、適用于MHD推進(jìn)的艇型及其相關(guān)的裝置。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)MHD推進(jìn)模型的試驗(yàn)研究，阿夫可公司主要研制磁體結(jié)構(gòu)及其超導(dǎo)材料技術(shù)、船舶MHD推進(jìn)器的概念設(shè)計(jì)等。各單位配備了必要的實(shí)驗(yàn)裝置與系統(tǒng)，用以測(cè)試磁流體推進(jìn)中的電磁場(chǎng)與流體力場(chǎng)的特性。美國(guó)在磁流體推進(jìn)研究中，阿夫可公司曾用磁感應(yīng)強(qiáng)度為6T的環(huán)狀磁體，進(jìn)行潛艇概念設(shè)計(jì)。計(jì)算結(jié)果表明，在潛艇航速達(dá)到30節(jié)時(shí)，合理地選取磁流體推進(jìn)器的形狀和數(shù)據(jù)，電磁推進(jìn)效率可達(dá)到40%。美國(guó)在對(duì)超導(dǎo)磁流體的研究中，其中大型磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度可達(dá)6-8 (T )，同時(shí)指出在

13、潛艇上安裝環(huán)形磁流體推進(jìn)器具有高效性。美國(guó)多年來(lái)主要在基礎(chǔ)理論方面做了大量、深入、細(xì)致、廣泛的研究工作，取得了大量的研究數(shù)據(jù)和成果。(2)日本 在民用船舶磁流體推進(jìn)裝置的研究中，日本走在了各國(guó)的前列。日本是世界上研究磁流體推進(jìn)船舶成功的第一個(gè)國(guó)家，研究的主要目標(biāo)在于水面船舶。1985年，為發(fā)展磁流體推進(jìn)系統(tǒng)，日本海洋與船舶基金成立了磁流體推進(jìn)系統(tǒng)的研發(fā)委員會(huì)，為發(fā)展實(shí)用的磁流體推進(jìn)裝置制定了一定的研發(fā)計(jì)劃。由于研究的需要，該委員會(huì)分為兩部分，一部分主要從事船舶流體力學(xué)性能方面的研究，另一部分從事電磁設(shè)備的研究。日本主要的研究單位有神戶商船大學(xué)、日本國(guó)立材料科學(xué)研究所等機(jī)構(gòu)。日本神戶商船大學(xué)是最

14、早開(kāi)始超導(dǎo)磁流體推進(jìn)船舶的研究機(jī)構(gòu)，并于1991年建成了“大和一號(hào)”實(shí)驗(yàn)船，排水量280噸，航速達(dá)8kn，并在日本神戶港下水試航成功，(MHD推進(jìn)器中心磁場(chǎng)4T，推進(jìn)器電磁力約8000N o )證明了超導(dǎo)磁流體推進(jìn)船舶的可行性，引起世界的關(guān)注。圖1 日本“大和一號(hào)”試驗(yàn)船 總的說(shuō)來(lái)，日本所研制的超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器主要是針對(duì)實(shí)船應(yīng)用的。在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在研制的過(guò)程中解決了眾多的實(shí)用化問(wèn)題，如超導(dǎo)磁體的繞制、重量減輕、推進(jìn)器的整體結(jié)構(gòu)及與船舶的配合安裝等。(3)前蘇聯(lián) 與美國(guó)和日本的研究重點(diǎn)均不相同，前蘇聯(lián)主要是在提高磁場(chǎng)強(qiáng)度方面，出了螺旋管道式超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)。前蘇聯(lián)開(kāi)展磁流體技術(shù)的研究起步很早，

15、投資也很大，前蘇聯(lián)的研究在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)處于超前的地位，但由于政局的變化，目前還停留在實(shí)驗(yàn)階段中。 前蘇聯(lián)從事MHD推進(jìn)研究的單位主要有科學(xué)院高溫物理所、列寧格勒造船學(xué)院、克雷洛夫研究院等。高溫物理所主要負(fù)責(zé)磁體的研究，研制的螺管磁體螺旋通道不同于日本的“大和一號(hào)”，具有一定的特色。 前蘇聯(lián)在磁流體研究的成果包括已完成了SOKW超導(dǎo)磁流體推進(jìn)樣機(jī)的原理研究，并開(kāi)始研制1200KW的磁流體推進(jìn)器的研究。 前蘇聯(lián)的螺管磁體推進(jìn)器大大降低了磁體線圈的繞制難度，大大提高了磁場(chǎng)強(qiáng)度，解決了磁體支撐內(nèi)壁的強(qiáng)電磁應(yīng)力。2.2 我國(guó)磁流體技術(shù)研究的現(xiàn)狀 我國(guó)是研究磁流體推進(jìn)起步較晚的國(guó)家。早在70年代，我

16、國(guó)海洋船舶研究中心與武漢船用電力推進(jìn)裝置的研究所聯(lián)合組成一個(gè)磁流體推進(jìn)研究小組，對(duì)磁流體推進(jìn)方式進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，最終得出:磁流體推進(jìn)的原理是正確的，但用一般的導(dǎo)體的磁流體推進(jìn)的效率太低，只能用超導(dǎo)磁體提高磁場(chǎng)強(qiáng)度，才能夠獲得高效的磁流體船舶推進(jìn)效率。進(jìn)而在1988年研制出第一艘超導(dǎo)螺旋管式MHD推進(jìn)試驗(yàn)船并完成了該模型船的航行試驗(yàn)研究。(采用螺旋式通道推進(jìn)器，孔徑0.44米，中心磁場(chǎng)ST，磁場(chǎng)儲(chǔ)能880萬(wàn)J)。 研制成功螺旋式超導(dǎo)磁流體推進(jìn)試驗(yàn)船(HEMS -1)。中科院電工所研制的螺管超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度5特斯拉，室溫下的孔徑為0.2米，外徑0.65米，總長(zhǎng)1.1米，總重494公斤，

17、液氦貯量“升，一次充滿液氦能連續(xù)運(yùn)行6晝夜。電工所與船舶研究院702所合作研制成功了螺旋式超導(dǎo)磁流體推進(jìn)試驗(yàn)船。船長(zhǎng)3.2米，寬0.85米，船深0.95米，排水量約1噸。在實(shí)驗(yàn)室的鹽水池中對(duì)試驗(yàn)船的特性參數(shù)進(jìn)行了綜合性試驗(yàn)和試航行，船速達(dá)0.65米/秒。在試航階段，有近百名專(zhuān)家到現(xiàn)場(chǎng)參觀，作為我國(guó)第一次螺旋式超導(dǎo)磁流體船舶推進(jìn)的原理驗(yàn)證的成功，己經(jīng)引起海軍和船舶研究院的專(zhuān)家和領(lǐng)導(dǎo)的興趣和關(guān)注。多年來(lái)，中科院電工所主要從事螺管磁體螺旋通道推進(jìn)器的研究，在理論分析和試驗(yàn)研究方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。相對(duì)而言，高場(chǎng)強(qiáng)、大孔徑的螺管磁體的制造更為現(xiàn)實(shí)。日本國(guó)立材料科學(xué)研究所的高場(chǎng)強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室成功研制了最高場(chǎng)強(qiáng)

18、為15特斯拉的螺管超導(dǎo)磁體，為我們進(jìn)行高場(chǎng)強(qiáng)條件下磁流體船舶推進(jìn)的試驗(yàn)研究提供了難得的機(jī)會(huì)。經(jīng)中國(guó)科學(xué)院電工研究所的提議，得到日本神戶商船大學(xué)和日本國(guó)立材料科學(xué)研究所的響應(yīng)，兩國(guó)三方的科研人員于1999年8月9月在日本筑波首次完成了14特斯拉高場(chǎng)強(qiáng)條件下的螺旋通道磁流體船舶推進(jìn)器的合作試驗(yàn)研究。將螺旋式磁流體推進(jìn)器在日本國(guó)立金屬材料技術(shù)研究所強(qiáng)場(chǎng)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的強(qiáng)磁場(chǎng)設(shè)備中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)很成功。試驗(yàn)中磁場(chǎng)強(qiáng)度14特斯拉，平均磁場(chǎng)13.4特斯拉，電極電流達(dá)到700A,電流密度達(dá)到1000A/m2，電磁力密度20000牛頓/米，電效率最高達(dá)40 % ,推進(jìn)器的電磁效率達(dá)到了23%，其技術(shù)性能指標(biāo)較HE

19、MS-1”試驗(yàn)船及日本研制的“大和一號(hào)”試驗(yàn)船提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，某些技術(shù)指標(biāo)已接近實(shí)用水平。2.3 磁流體推進(jìn)器的開(kāi)發(fā) 日本船舶和海洋財(cái)團(tuán)電磁推進(jìn)船研發(fā)委員會(huì)開(kāi)發(fā)的“大和一號(hào)”試驗(yàn)船是首例超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器試驗(yàn)船，該全船排水量185 t，超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器兩臺(tái)，船艦左右對(duì)稱(chēng)位置安裝，海水通電功率3420 kW，于1992年完成系舶試驗(yàn)。 中國(guó)中科院電工所開(kāi)發(fā)的“HEMS-1號(hào)”試驗(yàn)船是第一艘螺旋通道超導(dǎo)磁流體推進(jìn)試驗(yàn)船。該船建成于1998年，排水量1噸。進(jìn)行了性能綜合試驗(yàn)和航試后，并于1999年11月通過(guò)了中科院科技成果鑒定。 英國(guó)牛津大學(xué)和Space Cryomagnetics公司開(kāi)發(fā)了第一艘高

20、溫超導(dǎo)磁流體推進(jìn)模型試驗(yàn)船。試驗(yàn)船尺寸為1.2 m長(zhǎng)X0.6 m寬。2004年3月進(jìn)行了航行試驗(yàn)。美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究工程局，基于JanesFighting Ships攻擊型核潛，發(fā)起了一項(xiàng)潛艇磁流體推進(jìn)系統(tǒng)研究項(xiàng)目。研究結(jié)論為:如果采用全新的潛艇設(shè)計(jì)，而不只是把MHD推進(jìn)器融入現(xiàn)存潛艇設(shè)計(jì)之中，則有提高M(jìn)HD推進(jìn)器性能和潛艇有效性的可能。第三章 磁流體推進(jìn)3.1 磁流體推進(jìn)的原理 磁流體推進(jìn)是利用海水中電流和磁場(chǎng)間的相互作用力使海水運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的一種推進(jìn)方法。具體地說(shuō)，磁流體推進(jìn)時(shí)把海水作為導(dǎo)電體，利用磁體在通道內(nèi)建立磁場(chǎng)，通過(guò)電極向海水供電，此時(shí)載流海水就會(huì)在與它相垂直的磁場(chǎng)中受到電磁力(洛侖茲

21、力)的作用，其受力方向按左手定則確定。海水受力時(shí)沿電磁力方向運(yùn)動(dòng)，其反作用力即推力推進(jìn)船舶運(yùn)動(dòng)。在磁場(chǎng)一定的情況下，電流大，電磁力大，推力也大，船舶運(yùn)動(dòng)的速度就快;反之，電流小，電磁力就小，推力也就小，船舶運(yùn)動(dòng)的速度就慢。當(dāng)電流方向改變時(shí)，電磁力與推力的方向也改變，船舶運(yùn)動(dòng)的方向也隨之改變。這樣可以通過(guò)調(diào)節(jié)電流大小的方法來(lái)控制船的速度，通過(guò)改變電流的方向來(lái)操縱船舶航行的方向。圖2 磁流體推進(jìn)原理具體說(shuō)就是在海水的某一區(qū)域建立磁場(chǎng)，通過(guò)電極在海水上施加電場(chǎng)并產(chǎn)生電流。若以J示電流密度矢量，萬(wàn)示磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量，則所產(chǎn)生的單位體積海水受到的洛侖茲力F由下式確定: F=JxB 洛侖茲力F的方向垂直于J

22、和B構(gòu)成的平面，實(shí)際中電流密度矢量和磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量方向是相互垂直的。通電海水受到洛侖茲力向船尾方向噴射，由此對(duì)船產(chǎn)生反作用，推進(jìn)船舶。磁流體推進(jìn)器是直接由電能通過(guò)磁場(chǎng)的作用將其轉(zhuǎn)換成機(jī)械能來(lái)推進(jìn)船舶前進(jìn)的，它的運(yùn)行機(jī)理涉及到電磁學(xué)、流體力學(xué)和電化學(xué)等方面的內(nèi)容，特別是在推進(jìn)器管道內(nèi)，即存在磁場(chǎng)，也有電極產(chǎn)生的電流場(chǎng)，以及海水在管道內(nèi)流動(dòng)形成的流速場(chǎng)，這些現(xiàn)象相互作用，相互影響，形成了磁流體推進(jìn)器的工作機(jī)理。只有透徹地了解磁流體推進(jìn)器的工作機(jī)理，才有可能設(shè)計(jì)出高速高效的磁流體推進(jìn)器。3.2 磁流體推進(jìn)的分類(lèi) 按照產(chǎn)生勵(lì)磁的電流類(lèi)型，可分為直流磁場(chǎng)方式和交流磁場(chǎng)式。在直流磁場(chǎng)方式下，在海水區(qū)域施加

23、的外磁場(chǎng)與對(duì)海水所施加的直流電流相互作用，產(chǎn)生電磁推力。在交流磁場(chǎng)方式下，對(duì)海水區(qū)域施加的外磁場(chǎng)與在該區(qū)域感生的感應(yīng)電流相互作用，產(chǎn)生電磁推力。 按照磁場(chǎng)區(qū)域與船體的位置關(guān)系，可分為內(nèi)磁式和外磁式。外磁式就是在船體周?chē)浇暮Ｋ挟a(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)和電場(chǎng)，因而電磁場(chǎng)近乎開(kāi)放式。內(nèi)磁式就是在船體內(nèi)的管道內(nèi)的海水中產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)和電場(chǎng)，因而磁場(chǎng)相對(duì)容易屏蔽。 按照海水通道形狀可分為直管型和螺旋型。3.3 典型磁流體推進(jìn)器直管馬鞍型超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器此種推進(jìn)器屬于直流內(nèi)磁式，因其磁體形狀如馬鞍而得名，海水通道為直管型。例如，新里斯本大學(xué)理工學(xué)院電氣工程系A(chǔ).Leao.Rodrigues研究的船用推進(jìn)超導(dǎo)磁流體推進(jìn)

24、器，就清晰的顯示了這種推進(jìn)器的基本結(jié)構(gòu)。圖3 自管馬鞍型超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器基本結(jié)構(gòu)圖直管環(huán)面超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器 此種推進(jìn)器的磁體線圈基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)形狀類(lèi)似賽場(chǎng)跑道的超導(dǎo)線圈磁體，將數(shù)個(gè)跑道形超導(dǎo)磁體部件沿圓周環(huán)面均勻布置，從而形成環(huán)面型結(jié)構(gòu)。磁體(2)產(chǎn)生合成磁場(chǎng)(3)，從直管環(huán)面推進(jìn)器結(jié)構(gòu)(1)外觀看，有類(lèi)似于定了的骨架(5)，介于外殼(7)和內(nèi)芯(6)之問(wèn)，跑道線圈置于其中。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是磁場(chǎng)的大小隨著距離環(huán)面中心線的距離而變化。顯然，離中心越近，磁場(chǎng)越強(qiáng)。圖4 自管環(huán)而超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器結(jié)構(gòu)螺旋通道磁流體推進(jìn)器 螺管磁體的磁場(chǎng)(1)從螺管內(nèi)環(huán)面穿出，沿外環(huán)面反向。而電場(chǎng)(5)沿徑向穿出環(huán)狀管

25、道(3) , (2)為內(nèi)部環(huán)狀通道。由于磁場(chǎng)是沿軸向的，電場(chǎng)是徑向的，根據(jù)螺旋法則，此時(shí)洛侖茲力就是沿圓周切向方向的。所需要的海水受力方向應(yīng)該是軸向的，為了軸向推動(dòng)海水，巧妙設(shè)計(jì)了稱(chēng)之為螺旋通道的結(jié)構(gòu)，即在直管(3)內(nèi)設(shè)置有起隔離作用的螺旋壁(4)。螺旋壁與內(nèi)外電極共同形成了螺旋狀的海水通道，海水流就沿(6)箭頭所指方向，沿圓周和螺旋穿過(guò)推進(jìn)器向下推動(dòng)。這種方式海水在推進(jìn)器內(nèi)的流動(dòng)情況倒是與螺旋槳方式有些相似之處，不同的是螺旋槳是旋轉(zhuǎn)的，而螺旋壁不動(dòng)，水流在其中受力而旋轉(zhuǎn)。U形超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器 在船體外部周?chē)贾贸瑢?dǎo)線圈，成U形，電極則在該U形上交替布置，并在電極問(wèn)產(chǎn)生拱形電場(chǎng)，電磁場(chǎng)在船體附

26、近正交，產(chǎn)生洛侖茲力。圖5 螺旋通道磁流體推進(jìn)器結(jié)構(gòu)3.4 磁流體推進(jìn)的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)磁流體推進(jìn)器與傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)器截然不同:無(wú)螺旋槳，無(wú)驅(qū)動(dòng)軸，無(wú)減速齒輪。從流體動(dòng)力學(xué)看，超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器與噴水推進(jìn)器類(lèi)似。不同之處在于動(dòng)力源。噴水推進(jìn)器動(dòng)力源于泵，泵產(chǎn)生的是機(jī)械壓力，而超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器動(dòng)力源是電磁洛侖茲力，是電磁相互作用。性能特點(diǎn)振動(dòng)和噪聲小 由于磁流體推進(jìn)器中沒(méi)有傳統(tǒng)推進(jìn)器的螺旋槳、轉(zhuǎn)動(dòng)軸和變速齒輪等轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，也取消了噴水推進(jìn)器使用的水泵等轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以大大消除了由這些轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)引起的振動(dòng)和噪聲，其輻射噪聲也比由轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)引起的噪聲低得多，而且避免了螺旋槳的空泡現(xiàn)象，從而可以使船舶在安靜的狀態(tài)下

27、航行。對(duì)于魚(yú)雷、潛水艇等軍用艦艇來(lái)說(shuō)，噪聲和空泡的降低可以增強(qiáng)它們的隱蔽性。高效性 由于磁流體推進(jìn)器的動(dòng)力輸出裝置，如磁體、電極等都是相對(duì)靜止的，這樣它既克服了高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的功率限制，也克服了螺旋槳高速轉(zhuǎn)動(dòng)形成的空泡，因而可以大大提高船舶推進(jìn)設(shè)備的功率，使磁流體推進(jìn)船舶具有比傳統(tǒng)船舶高得多的速度。布局方便 因?yàn)榇帕黧w推進(jìn)器的各部件，如發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器、輔助控制等設(shè)備之間沒(méi)有剛性連接，所以這些部件可以根據(jù)設(shè)計(jì)的需要分散或集中地安置在船舶艙室的任何位置，因此可以在設(shè)計(jì)船舶時(shí)有效地利用艙室空間，使設(shè)備安裝更加靈活。操縱性靈活、機(jī)動(dòng)性好 磁流體推進(jìn)器的工作原理與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)器不同，傳統(tǒng)的螺旋槳

28、推進(jìn)器通過(guò)變速齒輪改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速來(lái)改變推進(jìn)器的推力。而磁流體推進(jìn)器可以通過(guò)調(diào)節(jié)電極電壓的大小和電流的方向來(lái)控制推進(jìn)器的推力大小和方向，并以此來(lái)控制船舶的速度和航行方向。由于螺旋槳、傳動(dòng)軸、變速齒輪為機(jī)械裝置，機(jī)械裝置的反應(yīng)時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電流的反應(yīng)時(shí)間，所以與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)器相比，磁流體推進(jìn)器具有操縱性能靈活，機(jī)動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)。由于磁流體推進(jìn)具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，因此作為新型的船舶推進(jìn)方式，尤其作為海洋軍事裝備的推進(jìn)和動(dòng)力，將使海軍裝備在戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)性能上發(fā)生質(zhì)的飛躍。自20世紀(jì)60年代首次被提出以來(lái)受到了世界各國(guó)造船界的廣泛關(guān)注。目前許多造船大國(guó)紛紛對(duì)此技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究，并預(yù)測(cè)該技術(shù)有望成為2

29、1世紀(jì)船舶推進(jìn)方式的主流。第四章 磁流體推進(jìn)開(kāi)發(fā)面臨的問(wèn)題4.1 電極問(wèn)題 海水中有氯離了(C1- ) ,鈉離了(Na+)、鎂離了(M g+)等。海水通電后，海水與通電電極發(fā)生電解反應(yīng)，陰極反應(yīng)生成氫氣，陽(yáng)極反應(yīng)生成次氯酸鈉(有害)和氫氧化鎂(附著在陽(yáng)極上)。由此帶來(lái)兩大問(wèn)題:氣泡生成和電極腐蝕。氣泡產(chǎn)生的艦跡效應(yīng)影響軍用隱蔽性;氣泡形成的蒸汽層產(chǎn)生電壓降，影響效率。目前未見(jiàn)有效解決辦法。對(duì)于電極腐蝕，通常采用電極鍍鉑辦法。4.2 效率問(wèn)題 電磁推力是電流密度與磁場(chǎng)的矢量積，要保持一定的推力，可從電流密度和磁場(chǎng)兩方面來(lái)考慮。 在一定的電流密度下，提高電導(dǎo)率可以有效降低電阻，降低焦耳熱，從而提高

30、效率。向海水中摻雜，可以提高海水電導(dǎo)率。1989年，美國(guó)海軍研究局（ONR）委托賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展在海水中添加溶液對(duì)海水電導(dǎo)率的研究。對(duì)鹽酸、硫酸、和氫氧化鈉溶液對(duì)海水電導(dǎo)率的影響進(jìn)行理論研究，發(fā)現(xiàn)三種溶液中，硫酸對(duì)對(duì)提高海水電導(dǎo)率的效果最大。 提高效率的另一種途徑就是增大磁場(chǎng)。在一定推力下，通過(guò)增大磁場(chǎng)，降低電流密度減少焦耳熱，提高效率。4.3 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 強(qiáng)磁體及其支撐、制冷系統(tǒng)、艇體貫穿等關(guān)鍵技術(shù)尚需開(kāi)發(fā)。第五章 高溫超導(dǎo)磁流體 效率問(wèn)題是影響工程應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題，特別是在能源緊張的今天。目前來(lái)看，大幅度提高效率的辦法是提高磁場(chǎng)強(qiáng)度。高溫超導(dǎo)技術(shù)的神奇進(jìn)步，為強(qiáng)磁體開(kāi)發(fā)

31、提供了很好機(jī)遇。實(shí)際上，早在1979年，Hummert評(píng)價(jià)海水直流電磁推進(jìn)器時(shí)，就得出了要增加其效率，需要磁通密度達(dá)到ST的結(jié)論。1983年，日本科學(xué)家Tada和Saji進(jìn)行研究，進(jìn)一步認(rèn)為只有超導(dǎo)技術(shù)的突破，才能使電磁推進(jìn)進(jìn)展。英國(guó)研究者認(rèn)為要到達(dá)效率能與螺旋槳推進(jìn)效率可比，需要高達(dá)20-30T的強(qiáng)磁場(chǎng)。因此，開(kāi)發(fā)強(qiáng)磁磁體是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在低溫超導(dǎo)時(shí)代這是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)橹评湎到y(tǒng)體積和效率都是不現(xiàn)實(shí)的。解決這一問(wèn)題只有依靠高溫超導(dǎo)體的進(jìn)步。關(guān)鍵是超導(dǎo)線材的開(kāi)發(fā)。從上個(gè)世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)體以來(lái)，其超導(dǎo)線材方面取得很大成就，并已經(jīng)應(yīng)用在大型項(xiàng)目。 (1)美國(guó)成功開(kāi)發(fā)了被稱(chēng)為“第二代”高溫超導(dǎo)

32、線材(型號(hào)344)0 2006年5月起，停止生成第一代高溫超導(dǎo)線材，實(shí)現(xiàn)了向第二代高溫超導(dǎo)線材的完全轉(zhuǎn)變。為強(qiáng)磁應(yīng)用鋪平了道路。 (2)高溫超導(dǎo)電機(jī)工程開(kāi)發(fā)取得重大突破。美國(guó)海軍36.5 MW高溫超導(dǎo)電機(jī)于2009年1月完成了滿載試驗(yàn)。西門(mén)了公司4MW高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)開(kāi)發(fā)成功。 (3)美國(guó)Superpower公司完成電纜工程項(xiàng)目，在紐約州的Albany國(guó)家電網(wǎng)上安裝了350 m長(zhǎng)的第二代線材電纜，進(jìn)行首次試運(yùn)行。(4)美國(guó)、英國(guó)、新西蘭、意大利等多個(gè)國(guó)家都在積極開(kāi)展強(qiáng)磁體研究。美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室采用Superpower公司采用第二代HTS線材制作了高溫超導(dǎo)磁體，于2007年7月進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了26.8 T的強(qiáng)磁場(chǎng)(背景磁場(chǎng)19 T, 4 K)o若無(wú)背景磁場(chǎng)，則可實(shí)現(xiàn)9.5 T的強(qiáng)磁。5.1 超導(dǎo)磁流體推進(jìn)