9船舶動(dòng)力裝置的歷史及未來(lái)發(fā)展

船舶動(dòng)力裝置的歷史及未來(lái)開(kāi)展TheHistoryandFutureofMarinPowerSystem主要內(nèi)容船舶動(dòng)力裝置簡(jiǎn)介船用柴油機(jī)的現(xiàn)狀與未來(lái)開(kāi)展船舶電力推進(jìn)技術(shù)的歷史與開(kāi)展磁流體推進(jìn)技術(shù)的開(kāi)展挑戰(zhàn)與展望世界和中國(guó)都需要大規(guī)模的航運(yùn)。中國(guó)對(duì)外貿(mào)易1.15億USD，其中90%通過(guò)遠(yuǎn)洋航運(yùn)實(shí)現(xiàn)?！瓦M(jìn)口1.2億噸，居世界第二。每天都有以千萬(wàn)噸計(jì)的油輪正在為中國(guó)運(yùn)送石油——礦石進(jìn)口，去年我國(guó)進(jìn)口鐵礦石20799萬(wàn)噸，銅礦石進(jìn)口288萬(wàn)噸，居世界第一。礦石絕大局部自澳大利亞、南非、南美進(jìn)口航運(yùn)業(yè)〔Shipping〕

——一個(gè)長(zhǎng)盛不衰、欣欣向榮的行業(yè)——最大的貼牌生產(chǎn)國(guó)——最大的輕工業(yè)、紡織業(yè)出口國(guó)——世界集裝箱運(yùn)輸量的1/3在中國(guó)。世界前10位集裝箱港口中，中國(guó)的香港、上海、深圳分別名列第一、第三、四位。〔2004年世界集裝箱港口排名〕保障航運(yùn)的平安和暢通才能保障國(guó)防和社會(huì)生活的平安運(yùn)行。中國(guó)的航運(yùn)業(yè)將會(huì)繼續(xù)高速開(kāi)展。船舶動(dòng)力裝置

——船舶的心臟

航運(yùn)的硬件平臺(tái)是船舶和港口。港口是航運(yùn)的起點(diǎn)和終點(diǎn)。它需要能讓大型船舶停泊〔深水〕，并有高效的裝卸設(shè)備和大面積的堆場(chǎng)。船舶是航運(yùn)的主體，穿梭于港口之間，其前進(jìn)和操縱的能力來(lái)自于其推進(jìn)裝置。船舶也相當(dāng)于有人居住的水上島嶼，需要有完整的循環(huán)系統(tǒng)來(lái)保障生產(chǎn)和生活環(huán)境，如供電、供水、供暖〔冷〕、治污等。依據(jù)船舶的用途，船舶有專(zhuān)用的工作機(jī)械：——艦船戰(zhàn)斗系統(tǒng)——鉆井船開(kāi)采系統(tǒng)——挖泥船疏浚系統(tǒng)——漁船捕撈系統(tǒng)通常這些系統(tǒng)都以電力驅(qū)動(dòng)。失去了動(dòng)力，船舶便成為隨風(fēng)浪漂流的死船，處在極端危險(xiǎn)的境地。船舶動(dòng)力系統(tǒng)的類(lèi)型船舶動(dòng)力系統(tǒng)通常有兩種類(lèi)型。一、原動(dòng)機(jī)與推進(jìn)器機(jī)械聯(lián)接構(gòu)成獨(dú)立的推進(jìn)裝置，另有船舶電站，負(fù)責(zé)供給所有輔助機(jī)械及生活系統(tǒng)。推進(jìn)用的原動(dòng)機(jī)又稱(chēng)為主機(jī)〔MainEngine〕現(xiàn)有的船舶80%以上，采用這類(lèi)系統(tǒng)。原動(dòng)機(jī)〔PrimeMotor〕是將燃料的化學(xué)能〔或原子能〕轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)器。原動(dòng)機(jī)常用的為柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽渦輪〔常規(guī)或原子鍋爐〕。推進(jìn)器〔Propeller〕通常為螺旋槳〔螺距固定或可控〕，在小型高速船舶中也有用噴水推進(jìn)〔WaterJetPropulsion〕的。原動(dòng)機(jī)和推進(jìn)器可以直聯(lián)或通過(guò)減速齒輪聯(lián)接。Energysources：FossilAtomic…GeneratorMainengine：DieselTurbine...loadsMechanicalEnergyElectricenergyPropellersEnergysources：FossilPrimeengine：DieselTurbine...MechanicalEnergy原動(dòng)機(jī)的分類(lèi)及用途汽油機(jī)GasolineEngine柴油機(jī)DieselEngine蒸汽渦輪裝置SteamTurbine燃?xì)鉁u輪裝置GasTurbine熱效率較低，功率小于200千瓦，大量用于汽車(chē)，僅游艇等小型船舶使用。

熱效率最高，低速柴油機(jī)可與螺旋槳直聯(lián)。80%以上的民用商船采用柴油機(jī)為主機(jī)，通常小于10萬(wàn)千瓦

由渦輪和鍋爐組成，熱效率較柴油機(jī)低。功率可很大，以煤為燃料的裝置常用于發(fā)電廠，在船舶上常用于核動(dòng)力船及液化天然氣船

重量輕而功率大，常用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，船舶中主要用于軍艦

二、電力推進(jìn)的船舶動(dòng)力裝置〔MarineElectricPropulsion〕電力推進(jìn)船舶有一個(gè)集中的中央電站，向全船供給動(dòng)力，包括推進(jìn)動(dòng)力在內(nèi)。電力推進(jìn)船舶目前大約只占1/6，但未來(lái)將會(huì)成倍增長(zhǎng)。MEPS:WHAT’s&WHYMEPSisapropulsionsysteminwhichpropellersaredrivenbyelectricmotorsEnergysources：FossilAtomic…PropellersMotorGeneratorPrimeengine：DieselTurbine...FuelCellOtherloadsMechanicalEnergyElectricenergy船用柴油機(jī)的現(xiàn)狀與未來(lái)開(kāi)展TheHistoryandfutureofMarineDieselEngine

1893至1897年期間，在德國(guó)的奧古斯堡MAN制造廠開(kāi)發(fā)出了第一臺(tái)可以應(yīng)用的柴油機(jī)。今天MAN公司仍然是世界上最大的柴油機(jī)制造商之一在最初20年中，柴油機(jī)的根本結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，并在航空、車(chē)輛、航海等方面取得廣泛的應(yīng)用。1912年首臺(tái)柴油機(jī)用于遠(yuǎn)洋船舶，此時(shí)船舶的動(dòng)力還是蒸汽機(jī)的天下〔Titanic，即在該年首航并漂浮)。在此后20余年的競(jìng)爭(zhēng)中，隨著二次世界大戰(zhàn)中“自由輪”的退役，蒸汽機(jī)全面退出了歷史舞臺(tái)，取而代之的是大功率的船用柴油機(jī)。另一方面在航空領(lǐng)域中渦輪機(jī)及噴氣機(jī)的崛起，那么使星型航空發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行動(dòng)力中被淘汰。在數(shù)十年的競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中很多名牌公司被淘汰或兼并，其中包括美國(guó)、英國(guó)、荷蘭、瑞典等興旺國(guó)家的制造商。今天90%以上的遠(yuǎn)洋船市場(chǎng)已被2~3個(gè)大跨國(guó)公司所壟斷。這些處于壟斷地位的大跨國(guó)公司主要是MAN-B&W公司以及Watshila-Sulzer公司，世界主要的造機(jī)或造船廠都是購(gòu)置了他們的專(zhuān)利許可證生產(chǎn)他們的產(chǎn)品在韓國(guó)生產(chǎn)的MANB&WS90市場(chǎng)的需求引導(dǎo)著技術(shù)進(jìn)步的方向經(jīng)濟(jì)的全球一體化需要大規(guī)模的跨洋物流，從而要求船舶大型化、快速化。這就要求柴油機(jī)的功率迅速增長(zhǎng)〔因?yàn)椴裼蜋C(jī)的功率必需與螺旋槳轉(zhuǎn)速的三次方成正比〕——特別是集裝箱船,不僅裝箱數(shù)增多,而且航速要求提高到24~25kn。例如建造裝運(yùn)TEU12000個(gè)，航速23~24kn的集裝箱船，要求單機(jī)功率近100,000kWTheHamburgExpress，theworld'slargestcontainership，carriesuptoTEU7500，poweredbyahuge12K98MC，70,000kWDieselEngine—遠(yuǎn)洋輪的需求導(dǎo)致低速柴油機(jī)巨人的出現(xiàn)由于螺旋槳轉(zhuǎn)速低時(shí)，效率較高，而較低的轉(zhuǎn)速也有利于燃料的燃燒。因此出現(xiàn)了60~70rpm/min的低速柴油機(jī)，柴油機(jī)的高度到達(dá)15米以上，這種機(jī)型稱(chēng)為低速二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，廣泛地用于遠(yuǎn)洋船舶?！娛律系男枨髮?dǎo)致了增壓技術(shù)的開(kāi)展：在有限的空間和重量下發(fā)出最大功率早期的柴油機(jī)都是自然吸氣的，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)，有限的空氣只能燃燒有限的油，從而只能發(fā)出有限的功率。增壓(Supercharging)是指把空氣壓縮，密度增大后再進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸。如此，氣多、油多，功率自然增加增壓技術(shù)的突破是在50年代初，至今非增壓的柴油機(jī)除了在局部車(chē)輛上還有使用外，在船舶上已經(jīng)絕跡燃燒的技術(shù)是柴油機(jī)最重要的核心技術(shù)——燃燒必須及時(shí)，并在以毫秒計(jì)的時(shí)間內(nèi)結(jié)束——燃燒必須完全，不能有黑煙、CO、NOx等有害排放——燃燒必須平順，以減少振動(dòng)和噪聲——對(duì)于燃燒過(guò)程的認(rèn)識(shí)并未窮盡，對(duì)于燃燒的控制也遠(yuǎn)未到達(dá)完善能源危機(jī)與重油的應(yīng)用在運(yùn)價(jià)劇烈的競(jìng)爭(zhēng)中，船東提出了降低燃料費(fèi)用的要求。降低燃料費(fèi)用一個(gè)重要措施是使用低品質(zhì)的燃料油(FuelOil)，柴油(DieselOil)和燃料油的價(jià)格相差一倍以上。這就導(dǎo)致了重油技術(shù)的誕生，今天這一技術(shù)已經(jīng)從低速機(jī)普及到中速機(jī)。船用柴油機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

TheStateoftheArtofMarineDieselEngine自從柴油機(jī)誕生以來(lái)，技術(shù)性能已經(jīng)發(fā)生了極大的變化：——效率已經(jīng)從25%提高到50%，在近十年來(lái)，每年提高1%。這意味著用同樣的油現(xiàn)在可以產(chǎn)生一倍以上的馬力——平均壓力從0.5~0.6MPa提高到2.5MPa，這意味著同樣大小的柴油機(jī)現(xiàn)在可以產(chǎn)生四倍的馬力新的技術(shù)和方法

NewTechnologies&Solutions高新技術(shù)正在改變著傳統(tǒng)柴油機(jī)的面貌。電子控制及IT技術(shù)——常規(guī)的機(jī)械控制裝置被取代——各種芯片、傳感器、控制器、執(zhí)行器成為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的靈魂——遙控、無(wú)人機(jī)艙、一人船橋〔OneManBridge〕

——智能發(fā)動(dòng)機(jī)及中央能量管理系統(tǒng)〔IntelligentEngine〕——新的世紀(jì)：電子控制的智能發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，MAN的智能發(fā)動(dòng)機(jī)2000年11月已經(jīng)在挪威的一艘37500dwt化學(xué)品船上試用船舶電力推進(jìn)技術(shù)的歷史與開(kāi)展傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力系統(tǒng)柴油機(jī)與推進(jìn)器機(jī)械連接的缺點(diǎn)：1、主機(jī)的功率必須按船舶最高航速配置，當(dāng)工作在低速時(shí)，柴油機(jī)的效率迅速降低。原動(dòng)機(jī)負(fù)載低時(shí)效率低是不可防止的，這就象大馬拉小車(chē)一樣。因而機(jī)動(dòng)性要求高的船舶，例如軍艦、郵輪、各種工作船舶，其油耗高成為難以解決的頑癥。2、柴油機(jī)不能工作在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之下〔當(dāng)轉(zhuǎn)速太低時(shí)，柴油時(shí)機(jī)失火〕。對(duì)于操縱性要求高，需要?jiǎng)討B(tài)定位的船舶無(wú)法滿(mǎn)足要求〔海上鉆井、電纜敷設(shè)、海上輸油〕。另外在低轉(zhuǎn)速下也發(fā)不出大的扭矩〔破冰船〕，沒(méi)有制動(dòng)功能和迅速正倒車(chē)。3、主機(jī)與推進(jìn)器剛性連接，制約了機(jī)艙優(yōu)化布置，占據(jù)了巨大空間，傳統(tǒng)的舵—螺旋槳的推進(jìn)效率低于電力推進(jìn)船舶的吊艙推進(jìn)器。

以上缺點(diǎn)，正好是電力推進(jìn)船舶的優(yōu)點(diǎn)。電力推進(jìn)船舶的優(yōu)點(diǎn)機(jī)動(dòng)性：巡航時(shí)，可以關(guān)閉局部或大局部發(fā)電機(jī)組。操縱性：現(xiàn)代控制器驅(qū)動(dòng)的推進(jìn)器可以在零轉(zhuǎn)速附近工作，并具有大扭矩，并有制動(dòng)功能。柔性布置：可以把推進(jìn)電機(jī)放在艉水下吊艙內(nèi)和螺旋槳連接，吊艙可以360°旋轉(zhuǎn)。舒適性：振動(dòng)、噪聲小、隱蔽性好電力推進(jìn)船舶的市場(chǎng)趨勢(shì)包括核動(dòng)力在內(nèi)的新一代軍用艦船將無(wú)一例外地采用電力推進(jìn)及綜合電力系統(tǒng)。美國(guó)會(huì)已經(jīng)通過(guò)聽(tīng)證，同意弗吉尼亞級(jí)核潛艇采用綜合電力系統(tǒng)。美海軍部長(zhǎng)Danzig說(shuō)：“Changesinpropulsionsystemsarefundamentalandoffundamentalimportance."Thus,"wearemovingforwardtoembraceatechnology,electricdrivetechnology,and...theintegratedpowersystemthatcomeswithit,todriveNavyships.Thisisaveryfundamentalstep....We'retakingitbecausewe'vejudgedthatthetechnologyisripeenoughtoreachit...."”油價(jià)的高企可能使電力推進(jìn)迅速用于新的領(lǐng)域?qū)V泛應(yīng)用于滾裝船、郵輪、集裝箱船、化學(xué)品及LNG船、高速船、離岸工作船〔鉆井船〕等在民用船方面，電力推進(jìn)系統(tǒng)的產(chǎn)值目前仍約占15％左右，約USD800M。但至2013年預(yù)測(cè)電力推進(jìn)系統(tǒng)的產(chǎn)值將增長(zhǎng)5～6倍，到達(dá)USD4bn～5bn，約為現(xiàn)有動(dòng)力系統(tǒng)總產(chǎn)值的70～80％盡管如此，船舶電力推進(jìn)開(kāi)展的歷史卻頗為曲折。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的交流電機(jī)其轉(zhuǎn)速取決于電網(wǎng)的工作頻率，而變頻問(wèn)題長(zhǎng)期來(lái)未能解決。因此幾十年來(lái)船舶電力推進(jìn)只是用在軍艦及特種用途船舶上，而未成為推進(jìn)動(dòng)力的主流。交流電機(jī)最簡(jiǎn)單的的原理概括如下：將交流電導(dǎo)入電機(jī)的定子繞組，可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將以與交流電頻率相應(yīng)的角速度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子也產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)，這二個(gè)磁場(chǎng)磁力的作用將使轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。如果交流電的頻率不變那么電機(jī)轉(zhuǎn)速不變。船舶電力推進(jìn)技術(shù)的開(kāi)展史人們?cè)?00年前發(fā)現(xiàn)了電，在150年前創(chuàng)造了發(fā)動(dòng)機(jī)，其原理簡(jiǎn)單地說(shuō)來(lái)即為電生磁、磁生力。通過(guò)磁場(chǎng)的媒介，電能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能反之亦然。－1795年，富蘭克林發(fā)現(xiàn)電流－1800年，伏爾泰創(chuàng)造電池，人類(lèi)第一次有了可使用的電能－1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)，翻開(kāi)了電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換之門(mén)－1834年，Davenport創(chuàng)造了第一臺(tái)使用電刷及半圓環(huán)〔機(jī)械換流器〕的直流電動(dòng)機(jī)，并用伏爾泰電池為電源作了電力機(jī)車(chē)模型，正是這個(gè)模型使卡爾.馬克思欣喜假設(shè)狂－1882年，愛(ài)迪生采用同樣的原理用蒸汽機(jī)作為原動(dòng)機(jī)發(fā)電，并將直流電用于照明－1886年，WilliamStanley創(chuàng)造變壓器－1882～1892年，NikolaTelsa發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理，創(chuàng)造無(wú)刷的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了多相功率配送，開(kāi)始了愛(ài)迪生與威斯汀豪斯的交、直流之戰(zhàn)：TheWarofCurrents。最終愛(ài)迪生失敗—1900年10月12日，第一艘美海軍潛水艇下水，采用汽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，載重64噸，航速6節(jié)－1911年，第一艘柴油機(jī)船下水〔二沖程4x250/370〕－1913年，第一艘柴油－電力推進(jìn)船Tynemount下水，1644噸，300HP/400RPM。但因起動(dòng)負(fù)載過(guò)大而未成功，1914年改裝，1916年被擊沉于大西洋－1917年，世界大戰(zhàn)爆發(fā)刺激了海軍的開(kāi)展，期間電力推進(jìn)在艦船中得到了很快的開(kāi)展。電力推進(jìn)的德國(guó)潛艇擊沉了共650萬(wàn)噸商船；美新墨西哥級(jí)戰(zhàn)斗艦為蒸汽透平電力推進(jìn)，功率已達(dá)40，000HP－1918年電力在世界的迅速應(yīng)用，使得列寧說(shuō)出了“共產(chǎn)主義等于蘇維埃+電氣化”的名言－1920年，S/SNOMANDY郵輪下水，功率到達(dá)29MW，采用蒸汽透平為原動(dòng)機(jī)，以同步發(fā)電機(jī)及同步電動(dòng)機(jī)組成的電力傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)螺旋槳。而同期使用電力推進(jìn)的航空母艦其功率已到達(dá)180，000HP－1934年，第一艘使用變距漿的船只下水。在其專(zhuān)利問(wèn)世30年以后的這項(xiàng)技術(shù)，使交流電機(jī)可能用于電力推進(jìn)。－第二次世界大戰(zhàn)期間：約有300艘水面艦艇采用電力推進(jìn)技術(shù)。而主要的技術(shù)方案或?yàn)榻涣魍诫娏鲃?dòng)，或?yàn)橹绷靼l(fā)電、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于其固有缺點(diǎn)，因而限制了其應(yīng)用。在民用船方面，除了豪華輪及破冰船之外，很少采用。而柴油機(jī)潛艇只有采用電力推進(jìn)，因?yàn)樵谒潞叫须姵厥俏ㄒ坏哪茉?。在二?zhàn)中慘烈的大西洋之戰(zhàn)，德國(guó)有千余艘潛艇擊沉。而其水下航速僅6節(jié)/小時(shí)。此后在軍用方面，1960年美建造了電力推進(jìn)的Tullibee號(hào)核潛艇〔1988年退役〕，1974年建造了Lipscomb號(hào)核潛艇。但這些傳統(tǒng)的電力推進(jìn)裝置維修困難，性能不佳，并不成功。－1947年，美貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體。這是二十世紀(jì)最偉大的創(chuàng)造之一，以至于我們可以把二十世紀(jì)的后五十年稱(chēng)為硅世紀(jì)。期間，半導(dǎo)體的應(yīng)用向著兩個(gè)極端的領(lǐng)域迅猛開(kāi)展。在微電子方面，大規(guī)模集成電路的硅芯片〔wafercore〕是構(gòu)成全部的絢爛的信息世界的根底；而在強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和傳遞方面，可控硅的應(yīng)用使大功率電能的電子控制得以實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生了一門(mén)新的學(xué)科PowerElectronics今天，由于大功率可控硅技術(shù)的突破，人們可以用毫安級(jí)的微電流來(lái)控制幾千安的強(qiáng)大電流，并且在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)使之導(dǎo)通或關(guān)閉。利用這些高速的大功率電子開(kāi)關(guān)，人們可以輕易地改變交流電的瞬態(tài)波形。包括頻率、電壓和相位。用這樣的變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)，可以滿(mǎn)足任何需要，包括轉(zhuǎn)速和扭矩。船舶推進(jìn)電機(jī)通常是和螺旋槳直聯(lián)，最大功率已達(dá)43,000kW(43MW)。電壓通常為6600伏~11000伏，電流達(dá)數(shù)千安以上。當(dāng)強(qiáng)大的電流通過(guò)時(shí)，即使優(yōu)良的銅導(dǎo)線(xiàn)也會(huì)產(chǎn)生大量的熱，大電流成為電機(jī)功率最主要的制約因素，此時(shí)只有增加電纜截面積和增加散熱面積。而這將引起電機(jī)重量和體積的增大。目前2萬(wàn)千瓦推進(jìn)電機(jī)的外徑都在3米以上。此外，減少電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換中的損失也一直是技術(shù)進(jìn)步的目標(biāo)。超導(dǎo)技術(shù)的突破可以大大提高傳統(tǒng)電機(jī)的性能。這對(duì)艦艇尤為重要。高溫超導(dǎo)〔HTS：HighTemperatureSuperconductor〕技術(shù)將超導(dǎo)體用于電機(jī)以減少銅損和鐵損并縮小電機(jī)的體積與重量，在上世紀(jì)末取得了重大的突破。這主要是基于高溫超導(dǎo)體材料的最新成果。人類(lèi)早在1911年就發(fā)現(xiàn)水銀在4K時(shí)有超導(dǎo)特性，但直至1986年以后才發(fā)現(xiàn)了某些氧化物陶瓷可以在較高溫度下具有超導(dǎo)特性。其中包含美籍華人科學(xué)家Daul.Chu的功績(jī)。所謂高溫超導(dǎo)體是指在50K以上，在臨界電流臨界磁通以下，電阻為零的導(dǎo)體。由于其臨界溫度高于液氮的溫度43K，因而可以用液氮冷卻來(lái)保持材料的超導(dǎo)。目前以氧化銅為基的Ti2Ba2Ca2Cu3O10的臨界溫度為125K，而其電流密度約為銅導(dǎo)線(xiàn)的140倍，1000A/mm2。第二代HTS導(dǎo)線(xiàn)是一種約4厘米的寬帶。到2007年12月美國(guó)超導(dǎo)公司將具有30萬(wàn)米生產(chǎn)能力。美國(guó)海軍大力投資開(kāi)展HTS電機(jī)。2003年投資AS7000萬(wàn)美元以制造36.5MW的HTS馬達(dá)，投資GE制造100MVA的GENSETS；法國(guó)阿爾斯通那么制造20MWHTS馬達(dá)。而5800HP/1800RPM的HTSMotor那么已經(jīng)成功運(yùn)行。美國(guó)AS公司制造的5MW的HTS電機(jī)HTSMotor的優(yōu)點(diǎn)包括：重量和體積縮小，重量減輕1/3以上。在大功率電機(jī)中可減少2/3。銅損和鐵損減小，使效率提高，尤其是在局部負(fù)荷時(shí)。永磁〔PM：PermanentMagnetic〕電機(jī)大功率的推進(jìn)電機(jī)也需要強(qiáng)大的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋槳的扭矩正是由磁力所產(chǎn)生。傳統(tǒng)電機(jī)中的磁場(chǎng)都是由帶有鐵芯的線(xiàn)圈〔繞組〕通電后產(chǎn)生的。但是向轉(zhuǎn)動(dòng)著的繞組通電是很困難的事。在永磁材料方面的突破，可以輕易地克服這一困難。永磁材料就是一旦充磁后就不會(huì)退磁的材料。永磁電機(jī)是美國(guó)人HowardJohnson在1979年創(chuàng)造的，當(dāng)時(shí)美國(guó)專(zhuān)利局對(duì)其專(zhuān)利申請(qǐng)的評(píng)審員認(rèn)為其創(chuàng)造違背了能量守恒定律，不過(guò)這一專(zhuān)利最終還是獲得了通過(guò)。永磁馬達(dá)也被稱(chēng)為HJmotor。在永磁材料方面也有很大突破。過(guò)去永磁性材料是以鈷、鉑等為主要材料，價(jià)格昂貴，鈷的主要產(chǎn)地在剛果〔扎伊爾〕，主要用于信息產(chǎn)業(yè)。1983年發(fā)現(xiàn)以稀土金屬銣為主要元素的銣鐵硼材料具有極其優(yōu)越的抗矯磁性。而這一材料十分廉價(jià)，其資源主要在中國(guó)內(nèi)蒙，中國(guó)永磁材料的生產(chǎn)量2000年已經(jīng)占1/3以上。而在2001年更占稀土礦生產(chǎn)的70％。永磁材料也可以和其它技術(shù)相結(jié)合用于船舶電力推進(jìn)。2003年ABB公布已經(jīng)可以生產(chǎn)5000kW的吊艙永磁電機(jī)。在海軍正在建造的高溫超導(dǎo)體電機(jī)中很多都同時(shí)采用了永磁材料。2002年西南交大成功研制了磁懸浮永磁、高溫超導(dǎo)機(jī)車(chē)。永磁電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)子無(wú)鐵芯，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)快；無(wú)電刷即集流環(huán)。吊艙推進(jìn)技術(shù)的開(kāi)展

〔PoddedPropulsion〕Pod指吊于船外的水下艙室，室內(nèi)有推進(jìn)電機(jī)，通過(guò)軸系及推進(jìn)軸承和推進(jìn)器，電機(jī)與母船只有動(dòng)力電纜及通信電纜相連接。FixPod與Azipod：Azipod指可沿Z軸360o旋轉(zhuǎn)動(dòng)的吊艙，其中Azi－指Azimurth。Azimurth傳動(dòng)過(guò)去由錐齒輪系組成的Z－drive實(shí)現(xiàn)，后來(lái)又用于側(cè)推器〔Thruster〕。在九十年代中期ABB率先將Azimurth概念用于主電力推進(jìn)。其后又提出了對(duì)向反轉(zhuǎn)吊艙推進(jìn)裝置的概念。生產(chǎn)吊艙系統(tǒng)的著名公司：ABBIndustry〔Azipod〕Rolls-Royce〔Mermaid〕Schottel-Siemens〔SSP〕JohnCranelips〔Dolphin〕Azipod技術(shù)充分發(fā)揮了電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，因此幾年來(lái)得到了飛速的開(kāi)展。吊艙的結(jié)構(gòu)如下圖。超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)對(duì)于海上交通運(yùn)輸，人們?nèi)找骊P(guān)注其對(duì)全球環(huán)境的影響、運(yùn)輸?shù)男?、速度和旅途的舒適性等。然而，現(xiàn)有的螺旋槳推進(jìn)船舶由于技術(shù)局限性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正安靜型高速航行，很難滿(mǎn)足人們?nèi)找嫣岣叩囊?。作為船舶推進(jìn)新技術(shù)之一的超導(dǎo)磁流體船舶推進(jìn)是將電能直接轉(zhuǎn)換成海水動(dòng)能推動(dòng)船舶前進(jìn)。由于推進(jìn)系統(tǒng)中沒(méi)有高速旋轉(zhuǎn)部件，消除了傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)的“空泡”現(xiàn)象和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，能實(shí)現(xiàn)真正安靜型高速航行。該項(xiàng)技術(shù)已引起造船界的關(guān)注，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)船舶推進(jìn)技術(shù)的開(kāi)展新方向，其實(shí)用化將引起船舶推進(jìn)的重大變革，對(duì)高速艦船、遠(yuǎn)洋輪、破冰船和軍事用途艦艇都有重大的實(shí)用意義。磁流體推進(jìn)技術(shù)的根本原理由于海水是導(dǎo)電流體，給推進(jìn)器管道中的海水施加一個(gè)磁場(chǎng)和一個(gè)與磁場(chǎng)正交的電場(chǎng)，管道中的海水就會(huì)受到一個(gè)與電場(chǎng)和磁場(chǎng)垂直的電磁力〔洛淪茲力〕的作用。當(dāng)這個(gè)力的方向沿著船尾方向時(shí)，海水將向船尾方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，海水的運(yùn)動(dòng)給船體一個(gè)反作用力，使船體向前運(yùn)動(dòng)。超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)的特點(diǎn)1〕.安靜。由于超導(dǎo)磁流體推進(jìn)取消了常規(guī)的螺旋槳、噴水推進(jìn)、泵噴等轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而可大大降低由轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)引起的噪聲和振動(dòng)。尤其在高速船舶中，螺旋槳推進(jìn)不可防止地會(huì)產(chǎn)生空泡?？张莸漠a(chǎn)生不僅會(huì)引起船舶的振動(dòng)，產(chǎn)生噪聲，而且嚴(yán)重影響螺旋槳的推進(jìn)效率，縮短使用壽命。而超導(dǎo)磁流體推進(jìn)將不受此種危害，使艦船真正實(shí)現(xiàn)安靜航行。〔所謂螺旋槳的空泡現(xiàn)象是指：螺旋槳在水中工作時(shí)，槳葉的葉背壓力降低形成吸力面，假設(shè)某處的壓力降低至臨界值以下時(shí)，導(dǎo)致爆發(fā)式的氣化，水汽通過(guò)界面，進(jìn)入氣核并使之膨脹，形成氣泡，稱(chēng)為空泡。〕2〕.高速。由于超導(dǎo)磁流體推進(jìn)的動(dòng)力輸出裝置，如磁體、電極等都是相對(duì)靜止的，這樣就可大大提高船舶主機(jī)的功率級(jí)，不再受轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的功率限制，從而可制造出超大功率的高航速艦船。3〕.布置靈活。由于超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的一切設(shè)備無(wú)固定地安裝在機(jī)艙內(nèi)某個(gè)位置的要求，因此可以在艦船的設(shè)計(jì)中有效地利用艙室空間，供給設(shè)備安裝的靈活性。4〕.操縱性好。通過(guò)改變磁流體推進(jìn)器中電極的極性或電流的大小即可改變推力的方向或推力的大小，而改變電極的極性或電流的大小較機(jī)械逆轉(zhuǎn)或變速更容易實(shí)現(xiàn)，并容易做到平滑調(diào)速，從而提高了艦船的靈活性，改善了艦船的操縱性能。此外，使用磁流體推進(jìn)還有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，即可能利用磁流體推進(jìn)器產(chǎn)生的強(qiáng)大水動(dòng)力發(fā)射水下武器〔魚(yú)雷和導(dǎo)彈〕，這樣不僅省去了傳統(tǒng)的魚(yú)雷發(fā)射裝置，而且也防止了傳統(tǒng)水下發(fā)射時(shí)存在的巨大噪聲。超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的組成及結(jié)構(gòu)形式超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器主要由超導(dǎo)磁體、通道、電極以及電源和控制測(cè)量系統(tǒng)等組成。其中，超導(dǎo)磁體為推進(jìn)器提供所要求的磁場(chǎng)；通道是指由電極和絕緣壁組成并承受電磁力的推進(jìn)器筒體，電極給推進(jìn)器提供電場(chǎng)，一般選用具有良好電化學(xué)性能的材料〔如金屬氧化物DSA、鍍鉑或鈦等〕制成。目前，磁流體推進(jìn)器主要有線(xiàn)型通道磁流體推進(jìn)器，螺旋型通道磁流體推進(jìn)器和環(huán)形通道磁流體推進(jìn)器三種根本結(jié)構(gòu)形式。線(xiàn)型通道磁流體推進(jìn)器

線(xiàn)型通道磁流體推進(jìn)器的通道是直線(xiàn)形，管道的截面一般為矩形、圓形和環(huán)形。它的磁體一般是由鞍型線(xiàn)圈繞制的二極或四極磁體。這種推進(jìn)器的通道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，海水阻力小，水動(dòng)力功率轉(zhuǎn)換效率高。它的磁場(chǎng)方向與電流方向垂直，同時(shí)推進(jìn)器中電磁力的作用方向與流體流動(dòng)方向一致，因此，其磁場(chǎng)強(qiáng)度利用率高，電磁功率轉(zhuǎn)換效率高。缺乏之處是鞍形磁體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝和技術(shù)要求高。

螺旋型通道磁流體推進(jìn)器

螺旋型通道磁流體推進(jìn)器磁體內(nèi)部安裝一對(duì)圓筒形電極，其中一個(gè)為內(nèi)電極，另一個(gè)為外電極。兩電極之間設(shè)置由非導(dǎo)磁的絕緣材料制成的螺旋壁，電極與螺旋壁形成螺旋型通道，在通道的進(jìn)口處設(shè)置有導(dǎo)流器，將海水的軸向流動(dòng)轉(zhuǎn)換成螺旋運(yùn)動(dòng)，在通道的出口處設(shè)置有整流器，以將海水的螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成軸向運(yùn)動(dòng)。在螺旋型通道推進(jìn)器中采用了螺管超導(dǎo)磁體，和鞍型超導(dǎo)磁體相比，螺管超導(dǎo)磁體具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，磁場(chǎng)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。如采用多螺管組合式布置，這種結(jié)構(gòu)形式的推進(jìn)器在效率、磁場(chǎng)、磁體結(jié)構(gòu)等方面都有其潛在優(yōu)勢(shì)環(huán)型通道磁流體推進(jìn)器

環(huán)型通道磁流體推進(jìn)器的通道為圓環(huán)形，這種推進(jìn)器一般布置在潛艇的殼體上，它不僅可安裝成單段結(jié)構(gòu)，也可以分散安置成兩段或更多段的結(jié)構(gòu)，它與總長(zhǎng)相等、輸入功率相當(dāng)?shù)钠渌问降拇帕黧w推進(jìn)器相比，不僅克服了由于磁體及通道太長(zhǎng)而導(dǎo)致推進(jìn)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜和制造工藝?yán)щy等問(wèn)題，而且還能使它的推力和效率有所提高。另外，這種推進(jìn)器形式可以節(jié)約潛艇的內(nèi)部空間。超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)的開(kāi)展1961年，美國(guó)人賴(lài)斯提出磁流體推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)想；1963年，多拉格提出“直流內(nèi)磁式超導(dǎo)磁流體”推進(jìn)器，這種方案與賴(lài)斯最早的設(shè)想?yún)^(qū)別在于磁體磁場(chǎng)對(duì)海水作用的電磁力區(qū)域處于推進(jìn)器內(nèi)部而非其外。在隨后的10多年間，人們?cè)O(shè)計(jì)和制作了多種磁流體推進(jìn)系統(tǒng)，但由于當(dāng)時(shí)超導(dǎo)技術(shù)不夠成熟，只能采用常規(guī)磁體〔磁場(chǎng)強(qiáng)度較低〕進(jìn)行試驗(yàn)，磁流體推進(jìn)的研究主要停留在原理階段。80年代后，船舶磁流體推進(jìn)的研究逐步向?qū)嵱没A段邁進(jìn)。美國(guó)、日本、俄羅斯和中國(guó)等相繼開(kāi)展了一系列超導(dǎo)磁流體推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)用化研究，包括高場(chǎng)強(qiáng)超導(dǎo)磁體和磁流體推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)形式及其最正確設(shè)計(jì)計(jì)算方法，性能分析，試驗(yàn)裝置及方法，物理和化學(xué)現(xiàn)象，推進(jìn)器的輔助和控制設(shè)備以及最正確船型的設(shè)計(jì)等等。美國(guó)美國(guó)磁流體推進(jìn)研究的目標(biāo)是QT磁流體推進(jìn)技術(shù)。主要研究單位有：美國(guó)海軍水下系統(tǒng)中心，戴維泰勒艦船研究開(kāi)展中心，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，阿夫可公司。他們?cè)谕七M(jìn)器的結(jié)構(gòu)形式，推進(jìn)通道內(nèi)部流場(chǎng)特性等方面進(jìn)行了大量的理論分析和試驗(yàn)研究。提出了鞍型磁體直線(xiàn)通道和D型磁體環(huán)形通道兩種不同結(jié)構(gòu)形式的磁流體推進(jìn)器。并針對(duì)洛杉磯號(hào)攻擊型核QT進(jìn)行了QT的磁流體推進(jìn)的概念設(shè)計(jì)。其結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為6特斯拉，航速為30節(jié)時(shí)，通過(guò)合理地選取推進(jìn)器的形狀和電場(chǎng)數(shù)據(jù)，電磁推進(jìn)效率可到達(dá)40%〔如圖5所示〕。同時(shí)，在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)海軍水下作戰(zhàn)中心各建有一套大型的超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器的試驗(yàn)裝置，用于研究推進(jìn)器性能，如壓力增加效率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、電極電壓、電導(dǎo)率、通道流速、環(huán)境壓力等相互關(guān)系。同時(shí)，進(jìn)行了電極性能及材料，磁流體推進(jìn)器與機(jī)械泵振動(dòng)的比照試驗(yàn)及聲學(xué)特性的研究等。目前的研究工作據(jù)說(shuō)已進(jìn)入秘密研究階段，進(jìn)展詳情不知。美國(guó)磁流體推進(jìn)QT概念設(shè)計(jì)俄羅斯俄羅斯在上世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)科學(xué)院高溫物理研究所、卡爾波夫物理化學(xué)研究所等單位開(kāi)展了QT磁流體推進(jìn)的研究，研制出5.8特斯拉、φ150′800毫米的超導(dǎo)螺旋型磁流體推進(jìn)器通道模型，進(jìn)行了壓力分布、電極壓降、磁流體性能的分析和試驗(yàn)，并在此根底上，進(jìn)行了7特斯拉、φ1000′2200毫米的超導(dǎo)螺旋型磁流體推進(jìn)器及其推進(jìn)的QT概念設(shè)計(jì)計(jì)算；此外，還進(jìn)行了電極的腐蝕機(jī)理及其試驗(yàn)研究。俄羅斯磁流體推進(jìn)回路試驗(yàn)裝置日本日本鑒于具有超導(dǎo)磁流體推進(jìn)船模的理論和試驗(yàn)研究根底，具有大型超導(dǎo)磁體的制造能力。在1985年，日本成立了“超導(dǎo)電磁推進(jìn)船的開(kāi)發(fā)研究委員會(huì)”，決定建立超導(dǎo)電磁推進(jìn)船，即超導(dǎo)磁流體推進(jìn)試驗(yàn)船，并以實(shí)際海域航行試驗(yàn)為目的，從而開(kāi)始了磁流體推進(jìn)在船舶實(shí)用化的研究。研究的主要內(nèi)容包括：磁流體推進(jìn)器和船的結(jié)構(gòu)型式及最正確配合，超導(dǎo)磁體的強(qiáng)磁場(chǎng)和輕量化及其可靠性，電極材料及其電化學(xué)性能，磁流體推進(jìn)器及其動(dòng)力，制冷和控制設(shè)備的合理布局，船舶的航行及操縱性能，等等。經(jīng)過(guò)理論分析計(jì)算和模型試驗(yàn)，于1992年研制出“大和一號(hào)”試驗(yàn)船，該船總長(zhǎng)為30米，排水量為185噸，設(shè)計(jì)航速為8節(jié)，采用直流內(nèi)磁式推進(jìn)器，并在海上進(jìn)行自航試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，進(jìn)行了航速試驗(yàn)、操舵試驗(yàn)、盤(pán)旋試驗(yàn)等，獲得了相當(dāng)?shù)某晒?。它?biāo)志著世界上第一艘超導(dǎo)磁流體推進(jìn)船的誕生。日本“大和一號(hào)”我國(guó)磁流體推進(jìn)技術(shù)的研究我國(guó)于70年代開(kāi)展了對(duì)磁流體推進(jìn)技術(shù)的研究。七〇二所曾經(jīng)研究過(guò)常規(guī)導(dǎo)體的磁流體推進(jìn)技術(shù)，但由于常規(guī)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度較弱，回轉(zhuǎn)體水下模型的外磁式磁流體推進(jìn)自航試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，其推進(jìn)效率極低。它是我國(guó)進(jìn)行磁流體推進(jìn)技術(shù)研究的開(kāi)端。作為國(guó)家研究開(kāi)展工程，磁流體推進(jìn)技術(shù)在1992年開(kāi)始得到中科院的支持，列入中科院“八五”重點(diǎn)攻關(guān)工程，在電工所進(jìn)行根底研究，成功地研制了永磁磁體的磁流體推進(jìn)QT模型，并進(jìn)行了演示試驗(yàn)。在“九五”期間，中科院電工所在863方案的支持下，進(jìn)行了超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)的研究，已建成了較為完整的超導(dǎo)磁流體船舶推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，包括鹽水循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)，航行試驗(yàn)池以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、激光測(cè)速系統(tǒng)等；建立了一套磁流體船舶推進(jìn)的數(shù)學(xué)分析方法和計(jì)算模型及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器回路試驗(yàn)裝置的研制其目的是研究影響螺旋型通道推進(jìn)器性能的各種損失因素以及各種性能參數(shù)之間的關(guān)系，驗(yàn)證螺旋型通道推進(jìn)器性能預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)的理論分析方法，同時(shí)，建立螺旋型通道推進(jìn)器設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)與機(jī)械損失相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)。超導(dǎo)磁流體推進(jìn)試驗(yàn)裝置由循環(huán)海水試驗(yàn)主回路，輔助回路，超導(dǎo)磁體及低溫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量及計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)等組成。其中主回路包括可拆卸的螺旋型通道試驗(yàn)段、５T超導(dǎo)磁體、便于觀察氣泡的透明段、氣體別離器、帶變頻調(diào)速的循環(huán)泵以及不銹鋼的聯(lián)接管件，輔助回路的目的是將主回路海水〔鹽水〕泵入貯罐中，以便屢次使用，并能去除主回路的沉淀物。試驗(yàn)中各物理量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，進(jìn)入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、存盤(pán)和監(jiān)控，大大方便了試驗(yàn)操作，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度，同時(shí)也使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和后期分析變得可能。超導(dǎo)磁流體推進(jìn)試驗(yàn)裝置磁流體推進(jìn)開(kāi)展在超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器中，船舶的推力是由電磁力產(chǎn)生，為了獲得大的推力和高的效率，就要求提供高的磁場(chǎng)。初步的理論分析說(shuō)明，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為10特斯拉以上，磁流體船舶推進(jìn)將具有實(shí)用價(jià)值。在以往的研究中，更多的研究工作主要集中在直線(xiàn)通道鞍形磁體推進(jìn)器的研究和試驗(yàn)。由于鞍形磁體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝要求高，目前的水平很難制造出適用于磁流體船舶推進(jìn)使用的場(chǎng)強(qiáng)高，尺寸大，重量輕的鞍形超導(dǎo)磁體。因此，試驗(yàn)研究的推進(jìn)器幾何尺寸和磁場(chǎng)強(qiáng)度均處于較低的水平，推進(jìn)器的效率和推力很難到達(dá)實(shí)用。中日高場(chǎng)強(qiáng)磁流體推進(jìn)器的試驗(yàn)研究多年來(lái)，中科院電工所主要從事螺管磁體螺旋型通道推進(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)，大溫孔的螺管磁體的制造更為現(xiàn)實(shí)。經(jīng)中國(guó)科學(xué)院電工研究所的提議，得到日本神戶(hù)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