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新型磁流体推进装置及其在船上的应用docx

发布时间:2019-07-22 18:45 来源:未知 编辑:admin

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  PAGE \* MERGEFORMAT2 船舶原理概论论文 新型磁流体推进装置及其在船上的应用 ——改进船舶推进性能的方法探讨 学 院 建筑工程学院 专 业 年 级 2010级 学 号 姓 名 指导教师 2013年 10月 24 日 摘 要 磁流体推进是一种非螺旋桨式的新型的船舶推进方式,通过电磁方法 产生电磁力推动船舶运动。具有安静、快速、布局灵活、操纵方便、航行 环境舒适等优点,有望成为21世纪船舶推进的主流形式。 论文系统介绍了船舶推进的发展历史和磁流体推进的国内外研究现状, 并对其基本工作原理和实现技术进行了较为全面和深入的研究。详细归纳了 船舶磁流体推进器的类型,并对现有磁流体推进形式进行了综合比较,分析 了目前公认的最佳船舶磁流体推进器形式的优缺点。描述高温超导技术的发展;并指出船舶磁流体推进器的实用化前景在于高温超导技术的应用。 PAGE \* MERGEFORMAT2 目 录  TOC \o 1-3 \h \z \u  HYPERLINK \l _Toc370380673 第一章 船舶推进器的演变与展望  PAGEREF _Toc370380673 \h 1  HYPERLINK \l _Toc370380674 1.1船舶推进器的演变  PAGEREF _Toc370380674 \h 1  HYPERLINK \l _Toc370380675 1.1.1 原始推进  PAGEREF _Toc370380675 \h 1  HYPERLINK \l _Toc370380676 1.1.2 螺旋桨和喷水推进器  PAGEREF _Toc370380676 \h 2  HYPERLINK \l _Toc370380677 1.1.3 电力推进  PAGEREF _Toc370380677 \h 2  HYPERLINK \l _Toc370380678 1.2 新型突进方式及展望  PAGEREF _Toc370380678 \h 3  HYPERLINK \l _Toc370380679 第二章 国内外磁流体技术研究的现状  PAGEREF _Toc370380679 \h 3  HYPERLINK \l _Toc370380680 2.1 国外磁流体技术研究的现状  PAGEREF _Toc370380680 \h 4  HYPERLINK \l _Toc370380681 2.2 我国磁流体技术研究的现状  PAGEREF _Toc370380681 \h 6  HYPERLINK \l _Toc370380682 2.3 磁流体推进器的开发  PAGEREF _Toc370380682 \h 6  HYPERLINK \l _Toc370380683 第三章 磁流体推进  PAGEREF _Toc370380683 \h 7  HYPERLINK \l _Toc370380684 3.1 磁流体推进的原理  PAGEREF _Toc370380684 \h 7  HYPERLINK \l _Toc370380685 3.2 磁流体推进的分类  PAGEREF _Toc370380685 \h 8  HYPERLINK \l _Toc370380686 3.3 典型磁流体推进器  PAGEREF _Toc370380686 \h 8  HYPERLINK \l _Toc370380687 3.4 磁流体推进的特点  PAGEREF _Toc370380687 \h 10  HYPERLINK \l _Toc370380688 第四章 磁流体推进开发面临的问题  PAGEREF _Toc370380688 \h 11  HYPERLINK \l _Toc370380689 4.1 电极问题  PAGEREF _Toc370380689 \h 11  HYPERLINK \l _Toc370380690 4.2 效率问题  PAGEREF _Toc370380690 \h 11  HYPERLINK \l _Toc370380691 4.3 关键技术问题  PAGEREF _Toc370380691 \h 11  HYPERLINK \l _Toc370380692 第五章 高温超导磁流体  PAGEREF _Toc370380692 \h 11  HYPERLINK \l _Toc370380693 5.1 超导磁流体推进的关健技术  PAGEREF _Toc370380693 \h 12  HYPERLINK \l _Toc370380694 结 论  PAGEREF _Toc370380694 \h 13  天津大学 建工学院 2010级 船舶原理概论论文 PAGE \* MERGEFORMAT13 新型磁流体推进装置及其在船上的应用 ——改进船舶推进性能的方法探讨 第一章 船舶推进器的演变与展望 推进器是船艇的关键部件,是能量转化的设备,是将主机发出的能量转化成船艇推动力的设备提高推进器性能,开发高性能推进器一直是船艇推进器研究领域的主要方向自从19世纪初期螺旋桨作为一种实用推进器被应用于船艇,一直到现在人们以螺旋桨为核心发展了各种推进器形式:如吊舱推进器、导管桨、泵喷推进器、对转桨、泵喷推进器,同时也产生了替代螺旋桨的推进方式的推进器:如喷水推进和超导磁流体推讲等。 船舶推进器的演变 从推进器的诞生到现在,经过人们的探索与研究,船艇推进器的发展已经逐渐向高性能的方向靠近,从古到今,推进器的形式逐渐增多。 1.1.1 原始推进 原始推进主要包括人力、畜力和风力推进这种推进技术应用于独木舟和木板船的时代,其效率低、稳定性差、降低了船舶的总体性能自19世纪末第一艘钢船诞生后,原始推进技术也逐渐被机器推进所取代,船舶行业开始进人以钢船为主的时代。 明轮推进 明轮船是一种在船的两侧装着明轮的蒸汽轮船。它是靠蒸汽机产生的动力带动明轮转动而产生推进力的。明轮船吃水浅,操纵灵活,可以深入大湖沿岸的浅水河湾港汉。明轮船的内部空间大,可以搭载更多的货物;它们行驶起来也更加平稳,没有螺旋桨船只那种单调的颤动,在湖面风浪较大的时候也可以保持稳定,受到旅客们的青睐。从20世纪初开始,安装大马力往复式蒸汽机的明轮船就在大湖区,尤其是伊利湖的船运中牢坐老大的位置。然而,明轮船的明轮有一半在空中转动,不仅增加了船的宽度和航行时的阻力,而且当它在码头上停靠时,与两旁的轮船很容易发生碰撞,既影响自己的安全行驶,也存在着擦伤别的轮船的可能性。另外,如果水草一类的缠绕物绞住明轮的叶片或轴,明轮就有失去转动的可能。这些都是早期明轮致命的弱点。到19世纪60年代,用螺旋桨作推进器的轮船已经将装着明轮的蒸汽船淘汰掉了。 1.1.2 螺旋桨和喷水推进器 螺旋桨推进器 螺旋桨推进器可分为普通螺旋桨、导管螺旋桨、可调距螺旋桨、串列螺旋桨和对转螺旋桨。 (1)普通螺旋桨的结构最为简单,船舶在低速航行下效率较高因此普通螺旋桨的制造工艺较为简单、安装方便,但其在推进过程中会存在相当多的能量损失; (2)导管螺旋桨也叫做套筒螺旋桨,它是将一个环形的套筒加在螺旋桨的外围,分为加速型导管(收缩管)和减速型导管(扩张管)。 (3)可调距螺旋桨,主要应用于多工况船舶,能够充分发挥主机效率,适应各种工况的变化,提高船艇的操纵性。 (4)串列螺旋桨,是将两只特定的螺旋桨安装在同一轴上,并且转速相同、方向相同。 (5)对转螺旋桨,是由两个普通螺旋桨分别装于同心的两轴上,以相反的方向旋转的一种推进方式,也叫做双反转螺旋桨。 喷水推进器 推进机构位于船内,利用喷射流体所产生的反作用力推动船舶前进的推进器其原理是利用水泵作为动力,将水从船底孔吸人,经过舷部的管子,把水从船后方向排出,依靠水的反作用力来使船舶行进。 1.1.3 电力推进 电力推进器主要由电站、配电板、变压器、变频器、推进电机、全回转型推进器、服务系统、监控系统等组成电力推进器的主要代表为吊舱式推进器。 电站由柴油发电机组和一套主配电板组成,通过柴油机发电供电给高压电网再到中压电网,为主要设备进行供电中低压配电板确保电力分配,经过变压到变颇器再到推进电机,实现推进电机的动力供给另外变压器和高压电缆的洁净度、接地保护、中性点等都有严格的要求,要确保符合标准。 变频器主要是进行交流推进电机的控制或变速驱动变频器内部有冷却单元,通过专用的外部淡水冷却系统,经过内部热交换器,将变频器实现自我冷却,除此之外,为了防止各种原因的漏水,设备还自带漏水检测传感器。 推进电动机是整个系统中的动力源,因需要大功率长时间的运转,导致发热严重,因此需供给外部冷却水,且为了防止冷却水在内部泄露,通常会安装漏水检测系统。 1.2 新型突进方式及展望 例如模拟鱼类游动的水下仿生推进器、超导磁流体推进器等 1)各种模拟鱼类游动的水下仿生推进器是将仿生学与船艇推进技术相结合的一种新型推进技术,与传统的推进器相比较,有着低噪音、低扰动、高效率等突出优点。 2)超导磁流体推进是用电磁力推进船舶运动的一种新颖船舶推进方式,它的设计概念比其它推进技术更为超前,不仅消除了传统螺旋桨推进器产生的巨大噪声,还可以抑制潜艇机械噪声和流体动力噪声的产生超导磁流体推进器去除了一些传统推进装置的部分机构,减轻了总重量,受各类影响程度减小效率得到提高。 进人21世纪以后,推进器船舶的发展和应用更是方兴未艾,异彩纷呈现代航运事业和军事用途的驱动,要求现代船舶必须达到或维持高航速、高适航、高稳定性、高操作性、高适用性和低能耗的高经济性等性能指标。综合船舶推进器的各项性能来看,电力推进系统存在更多的优越性,在未来的十五至二十年后,全电力推进系统在民用远洋船舶的使用率有望从10%升至50%左右掌握船舶全电力推进系统的开发设计以及制造核心是一项技术变革,只有加快民用船舶电力推进系统装备研究及产业化工作,才能在未来的市场竞争中占领制高点。 水下仿生推进器是随着生物流体力学,仿生机电与神经元网络控制等关键技术发展,仿生水下推进去将进一步向高速、高效、大载荷空间、高机动性、低噪声以及长航程方向发展,将会逐步实用化。目前,水下仿生推进器主要在水下机器人上应用,较少作为船舶推进器。 技术最为超前的超导磁流体推进器,在很久以后的将来,克服一些列的技术问题,在船舶上运用,将取得非常好的性能效果。本文主要介绍超导磁流体推进方式。 第二章 国内外磁流体技术研究的现状 早在70年代,美、前苏联、英、日等国就己开展磁流体推进技术在海军舰艇方面的应用研究。磁流体推进技术研究虽然己经取得了一些成果,但目前它的磁场强度还不能满足舰艇推进的要求。随着新型超导材料的出现,有望成为解决这一问题的关键。 在开展磁流体推进研究较为广泛的国家中,美国和前苏联主要注重于基础理论研究及军用舰船,如潜艇的概念设计,而日本则更多注重于应用技术和民船的设计。 2.1 国外磁流体技术研究的现状 (1)美国 美国关于磁流体推进研究主要集中在以下几方面: ①对磁流体推进技术开展了较为深入的理论研究。 ②进行了小规模的试验来验证理论研究的成果。 ③研究能够用于磁流体推进系统的实用化技术。 美国从事MHD推进研究的单位主要有美国海军水下系统中心、戴维?泰勒舰船研究发展中心、阿贡国家实验室和阿夫可公司。前两个单位主要负责研究MHD推进的流体动力性能、结构形式、适用于MHD推进的艇型及其相关的装置。阿贡国家实验室负责MHD推进模型的试验研究,阿夫可公司主要研制磁体结构及其超导材料技术、船舶MHD推进器的概念设计等。各单位配备了必要的实验装置与系统,用以测试磁流体推进中的电磁场与流体力场的特性。 美国在磁流体推进研究中,阿夫可公司曾用磁感应强度为6T的环状磁体,进行潜艇概念设计。计算结果表明,在潜艇航速达到30节时,合理地选取磁流体推进器的形状和数据,电磁推进效率可达到40%。美国在对超导磁流体的研究中,其中大型磁体的磁感应强度可达6-8 (T ),同时指出在潜艇上安装环形磁流体推进器具有高效性。美国多年来主要在基础理论方面做了大量、深入、细致、广泛的研究工作,取得了大量的研究数据和成果。 (2)日本 在民用船舶磁流体推进装置的研究中,日本走在了各国的前列。日本是世界上研究磁流体推进船舶成功的第一个国家,研究的主要目标在于水面船舶。1985年,为发展磁流体推进系统,日本海洋与船舶基金成立了磁流体推进系统的研发委员会,为发展实用的磁流体推进装置制定了一定的研发计划。由于研究的需要,该委员会分为两部分,一部分主要从事船舶流体力学性能方面的研究,另一部分从事电磁设备的研究。 日本主要的研究单位有神户商船大学、日本国立材料科学研究所等机构。日本神户商船大学是最早开始超导磁流体推进船舶的研究机构,并于1991年建成了“大和一号”实验船,排水量280吨,航速达8kn,并在日本神户港下水试航成功,(MHD推进器中心磁场4T,推进器电磁力约8000N o )证明了超导磁流体推进船舶的可行性,引起世界的关注。 图1 日本“大和一号”试验船 总的说来,日本所研制的超导磁流体推进器主要是针对实船应用的。在模型试验的基础上,在研制的过程中解决了众多的实用化问题,如超导磁体的绕制、重量减轻、推进器的整体结构及与船舶的配合安装等。 (3)前苏联 与美国和日本的研究重点均不相同,前苏联主要是在提高磁场强度方面,出了螺旋管道式超导磁体结构。前苏联开展磁流体技术的研究起步很早,投资也很大,前苏联的研究在相当长的一段时间内处于超前的地位,但由于政局的变化,目前还停留在实验阶段中。 前苏联从事MHD推进研究的单位主要有科学院高温物理所、列宁格勒造船学院、克雷洛夫研究院等。高温物理所主要负责磁体的研究,研制的螺管磁体螺旋通道不同于日本的“大和一号”,具有一定的特色。 前苏联在磁流体研究的成果包括已完成了SOKW超导磁流体推进样机的原理研究,并开始研制1200KW的磁流体推进器的研究。 前苏联的螺管磁体推进器大大降低了磁体线圈的绕制难度,大大提高了磁场强度,解决了磁体支撑内壁的强电磁应力。 2.2 我国磁流体技术研究的现状 我国是研究磁流体推进起步较晚的国家。早在70年代,我国海洋船舶研究中心与武汉船用电力推进装置的研究所联合组成一个磁流体推进研究小组,对磁流体推进方式进行了理论和实验研究,最终得出:磁流体推进的原理是正确的,但用一般的导体的磁流体推进的效率太低,只能用超导磁体提高磁场强度,才能够获得高效的磁流体船舶推进效率。进而在1988年研制出第一艘超导螺旋管式MHD推进试验船并完成了该模型船的航行试验研究。(采用螺旋式通道推进器,孔径0.44米,中心磁场ST,磁场储能880万J)。 研制成功螺旋式超导磁流体推进试验船(HEMS -1)。中科院电工所研制的螺管超导磁体系统,磁场强度5特斯拉,室温下的孔径为0.2米,外径0.65米,总长1.1米,总重494公斤,液氦贮量“升,一次充满液氦能连续运行6昼夜。电工所与船舶研究院702所合作研制成功了螺旋式超导磁流体推进试验船。船长3.2米,宽0.85米,船深0.95米,排水量约1吨。在实验室的盐水池中对试验船的特性参数进行了综合性试验和试航行,船速达0.65米/秒。在试航阶段,有近百名专家到现场参观,作为我国第一次螺旋式超导磁流体船舶推进的原理验证的成功,己经引起海军和船舶研究院的专家和领导的兴趣和关注。 多年来,中科院电工所主要从事螺管磁体螺旋通道推进器的研究,在理论分析和试验研究方面积累了丰富的经验。相对而言,高场强、大孔径的螺管磁体的制造更为现实。日本国立材料科学研究所的高场强实验室成功研制了最高场强为15特斯拉的螺管超导磁体,为我们进行高场强条件下磁流体船舶推进的试验研究提供了难得的机会。经中国科学院电工研究所的提议,得到日本神户商船大学和日本国立材料科学研究所的响应,两国三方的科研人员于1999年8月~9月在日本筑波首次完成了14特斯拉高场强条件下的螺旋通道磁流体船舶推进器的合作试验研究。将螺旋式磁流体推进器在日本国立金属材料技术研究所强场开放实验室的强磁场设备中进行试验,试验很成功。试验中磁场强度14特斯拉,平均磁场13.4特斯拉,电极电流达到700A,电流密度达到1000A/m2,电磁力密度20000牛顿/米,,电效率最高达40 % ,推进器的电磁效率达到了23%,其技术性能指标较‘`HEMS-1”试验船及日本研制的“大和一号”试验船提高了一个数量级,某些技术指标已接近实用水平。 2.3 磁流体推进器的开发 日本船舶和海洋财团电磁推进船研发委员会开发的“大和一号”试验船是首例超导磁流体推进器试验船,该全船排水量185 t,超导磁流体推进器两台,船舰左右对称位置安装,海水通电功率3420 kW,于1992年完成系舶试验。 中国中科院电工所开发的“HEMS-1号”试验船是第一艘螺旋通道超导磁流体推进试验船。该船建成于1998年,排水量1吨。进行了性能综合试验和航试后,并于1999年11月通过了中科院科技成果鉴定。 英国牛津大学和Space Cryomagnetics公司开发了第一艘高温超导磁流体推进模型试验船。试验船尺寸为1.2 m长X0.6 m宽。2004年3月进行了航行试验。 美国国防先进研究工程局,基于JanesFighting Ships攻击型核潜,发起了一项潜艇磁流体推进系统研究项目。研究结论为:如果采用全新的潜艇设计,而不只是把MHD推进器融入现存潜艇设计之中,则有提高MHD推进器性能和潜艇有效性的可能。 第三章 磁流体推进 3.1 磁流体推进的原理 磁流体推进是利用海水中电流和磁场间的相互作用力使海水运动而产生的一种推进方法。具体地说,磁流体推进时把海水作为导电体,利用磁体在通道内建立磁场,通过电极向海水供电,此时载流海水就会在与它相垂直的磁场中受到电磁力(洛仑兹力)的作用,其受力方向按左手定则确定。海水受力时沿电磁力方向运动,其反作用力即推力推进船舶运动。在磁场一定的情况下,电流大,电磁力大,推力也大,船舶运动的速度就快;反之,电流小,电磁力就小,推力也就小,船舶运动的速度就慢。当电流方向改变时,电磁力与推力的方向也改变,船舶运动的方向也随之改变。这样可以通过调节电流大小的方法来控制船的速度,通过改变电流的方向来操纵船舶航行的方向。 图2 磁流体推进原理 具体说就是在海水的某一区域建立磁场,通过电极在海水上施加电场并产生电流。若以J示电流密度矢量,万示磁感应强度矢量,则所产生的单位体积海水受到的洛仑兹力F由下式确定: F=JxB 洛仑兹力F的方向垂直于J和B构成的平面,实际中电流密度矢量和磁感应强度矢量方向是相互垂直的。通电海水受到洛仑兹力向船尾方向喷射,由此对船产生反作用,推进船舶。 磁流体推进器是直接由电能通过磁场的作用将其转换成机械能来推进船舶前进的,它的运行机理涉及到电磁学、流体力学和电化学等方面的内容,特别是在推进器管道内,即存在磁场,也有电极产生的电流场,以及海水在管道内流动形成的流速场,这些现象相互作用,相互影响,形成了磁流体推进器的工作机理。只有透彻地了解磁流体推进器的工作机理,才有可能设计出高速高效的磁流体推进器。 3.2 磁流体推进的分类 按照产生励磁的电流类型,可分为直流磁场方式和交流磁场式。在直流磁场方式下,在海水区域施加的外磁场与对海水所施加的直流电流相互作用,产生电磁推力。在交流磁场方式下,对海水区域施加的外磁场与在该区域感生的感应电流相互作用,产生电磁推力。 按照磁场区域与船体的位置关系,可分为内磁式和外磁式。外磁式就是在船体周围附近的海水中产生强磁场和电场,因而电磁场近乎开放式。内磁式就是在船体内的管道内的海水中产生强磁场和电场,因而磁场相对容易屏蔽。 按照海水通道形状可分为直管型和螺旋型。 3.3 典型磁流体推进器 直管马鞍型超导磁流体推进器 此种推进器属于直流内磁式,因其磁体形状如马鞍而得名,海水通道为直管型。例如,新里斯本大学理工学院电气工程系A.Leao.Rodrigues研究的船用推进超导磁流体推进器,就清晰的显示了这种推进器的基本结构。 图3 自管马鞍型超导磁流体推进器基本结构图 直管环面超导磁流体推进器 此种推进器的磁体线圈基本结构是一个形状类似赛场跑道的超导线圈磁体,将数个跑道形超导磁体部件沿圆周环面均匀布置,从而形成环面型结构。磁体(2)产生合成磁场(3),从直管环面推进器结构(1)外观看,有类似于定了的骨架(5),介于外壳(7)和内芯(6)之问,跑道线圈置于其中。这种结构的特点是磁场的大小随着距离环面中心线的距离而变化。显然,离中心越近,磁场越强。 图4 自管环而超导磁流体推进器结构 螺旋通道磁流体推进器 螺管磁体的磁场(1)从螺管内环面穿出,沿外环面反向。而电场(5)沿径向穿出环状管道(3) , (2)为内部环状通道。由于磁场是沿轴向的,电场是径向的,根据螺旋法则,此时洛仑兹力就是沿圆周切向方向的。所需要的海水受力方向应该是轴向的,为了轴向推动海水,巧妙设计了称之为螺旋通道的结构,即在直管(3)内设置有起隔离作用的螺旋壁(4)。螺旋壁与内外电极共同形成了螺旋状的海水通道,海水流就沿(6)箭头所指方向,沿圆周和螺旋穿过推进器向下推动。这种方式海水在推进器内的流动情况倒是与螺旋桨方式有些相似之处,不同的是螺旋桨是旋转的,而螺旋壁不动,水流在其中受力而旋转。 U形超导磁流体推进器 在船体外部周围布置超导线圈,成U形,电极则在该U形上交替布置,并在电极问产生拱形电场,电磁场在船体附近正交,产生洛仑兹力。 图5 螺旋通道磁流体推进器结构 3.4 磁流体推进的特点 结构特点 磁流体推进器与传统螺旋桨推进器截然不同:无螺旋桨,无驱动轴,无减速齿轮。从流体动力学看,超导磁流体推进器与喷水推进器类似。不同之处在于动力源。喷水推进器动力源于泵,泵产生的是机械压力,而超导磁流体推进器动力源是电磁洛仑兹力,是电磁相互作用。 性能特点 ①振动和噪声小 由于磁流体推进器中没有传统推进器的螺旋桨、转动轴和变速齿轮等转动机???,也取消了喷水推进器使用的水泵等转动机构,所以大大消除了由这些转动机构引起的振动和噪声,其辐射噪声也比由转动机构引起的噪声低得多,而且避免了螺旋桨的空泡现象,从而可以使船舶在安静的状态下航行。对于鱼雷、潜水艇等军用舰艇来说,噪声和空泡的降低可以增强它们的隐蔽性。 ②高效性 由于磁流体推进器的动力输出装置,如磁体、电极等都是相对静止的,这样它既克服了高速旋转的转动机构的功率限制,也克服了螺旋桨高速转动形成的空泡,因而可以大大提高船舶推进设备的功率,使磁流体推进船舶具有比传统船舶高得多的速度。 ③布局方便 因为磁流体推进器的各部件,如发电机、推进器、辅助控制等设备之间没有刚性连接,所以这些部件可以根据设计的需要分散或集中地安置在船舶舱室的任何位置,因此可以在设计船舶时有效地利用舱室空间,使设备安装更加灵活。 ④操纵性灵活、机动性好 磁流体推进器的工作原理与传统的螺旋桨推进器不同,传统的螺旋桨推进器通过变速齿轮改变螺旋桨的转速来改变推进器的推力。而磁流体推进器可以通过调节电极电压的大小和电流的方向来控制推进器的推力大小和方向,并以此来控制船舶的速度和航行方向。由于螺旋桨、传动轴、变速齿轮为机械装置,机械装置的反应时间要远远小于电流的反应时间,所以与传统的螺旋桨推进器相比,磁流体推进器具有操纵性能灵活,机动性好的优点。 由于磁流体推进具有无可比拟的优越性,因此作为新型的船舶推进方式,尤其作为海洋军事装备的推进和动力,将使海军装备在战术、技术性能上发生质的飞跃。自20世纪60年代首次被提出以来受到了世界各国造船界的广泛关注。目前许多造船大国纷纷对此技术进行详细研究,并预测该技术有望成为21世纪船舶推进方式的主流。 第四章 磁流体推进开发面临的问题 4.1 电极问题 海水中有氯离了(C1- ) ,钠离了(Na+)、镁离了(M g+)等。海水通电后,海水与通电电极发生电解反应,阴极反应生成氢气,阳极反应生成次氯酸钠(有害)和氢氧化镁(附着在阳极上)。由此带来两大问题:气泡生成和电极腐蚀。气泡产生的舰迹效应影响军用隐蔽性;气泡形成的蒸汽层产生电压降,影响效率。目前未见有效解决办法。对于电极腐蚀,通常采用电极镀铂办法。 4.2 效率问题 电磁推力是电流密度与磁场的矢量积,要保持一定的推力,可从电流密度和磁场两方面来考虑。 在一定的电流密度下,提高电导率可以有效降低电阻,降低焦耳热,从而提高效率。向海水中掺杂,可以提高海水电导率。1989年,美国海军研究局(ONR)委托宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室开展在海水中添加溶液对海水电导率的研究。对盐酸、硫酸、和氢氧化钠溶液对海水电导率的影响进行理论研究,发现三种溶液中,硫酸对对提高海水电导率的效果最大。 提高效率的另一种途径就是增大磁场。在一定推力下,通过增大磁场,降低电流密度减少焦耳热,提高效率。 4.3 关键技术问题 强磁体及其支撑、制冷系统、艇体贯穿等关键技术尚需开发。 第五章 高温超导磁流体 效率问题是影响工程应用的关键问题,特别是在能源紧张的今天。目前来看,大幅度提高效率的办法是提高磁场强度。高温超导技术的神奇进步,为强磁体开发提供了很好机遇。 实际上,早在1979年,Hummert评价海水直流电磁推进器时,就得出了要增加其效率,需要磁通密度达到ST的结论。1983年,日本科学家Tada和Saji进行研究,进一步认为只有超导技术的突破,才能使电磁推进进展。英国研究者认为要到达效率能与螺旋桨推进效率可比,需要高达20-30T的强磁场。因此,开发强磁磁体是一项关键技术。在低温超导时代这是不现实的,因为制冷系统体积和效率都是不现实的。解决这一问题只有依靠高温超导体的进步。关键是超导线年代发现高温超导体以来,其超导线材方面取得很大成就,并已经应用在大型项目。 (1)美国成功开发了被称为“第二代”高温超导线月起,停止生成第一代高温超导线材,实现了向第二代高温超导线材的完全转变。为强磁应用铺平了道路。 (2)高温超导电机工程开发取得重大突破。美国海军36.5 MW高温超导电机于2009年1月完成了满载试验。西门了公司4MW高温超导发电机开发成功。 (3)美国Superpower公司完成电缆工程项目,在纽约州的Albany国家电网上安装了350 m长的第二代线材电缆,进行首次试运行。 (4)美国、英国、新西兰、意大利等多个国家都在积极开展强磁体研究。美国国家强磁场实验室采用Superpower公司采用第二代HTS线材制作了高温超导磁体,于2007年7月进行试验,实现了26.8 T的强磁场(背景磁场19 T, 4 K)o若无背景磁场,则可实现9.5 T的强磁。 5.1 超导磁流体推进的关健技术 超导磁流体推进的研究涉及的专业面广,难度大,技术要求高,需要由众多学科联合攻关.在叙述超导磁流体推进关键技术以前,先简单叙述其主要构成部伴. 超导磁流体推进系统主要包括: 原动机(柴油机、核反应堆、燃气轮机、燃料电池); 发电机(整流式交流发电机、超导单极电机、磁流体发电机); MHD推进器,包括超导磁体、低温容器、电极、管道: 辅助装置,包括致冷装置(液氦回收装置、氦液化器)、开关设备、控制设备、润滑冷却装置、输电装置等。 从超导磁流体推进系统的构成可以看出,作为舰船用的推进系统必须作一体化考虑,这就要求系统具有高功率密度、重量轻、耐风浪、耐冲击、耐振动、持久和极少维修.对于原动机和发电机先可不列入关键技术研究。 对于超导磁流体推进器的要求主要是: (1)具有可接受的推进效率:(2)稳定可靠;(3)无其他不利影响,如船外磁场泄漏,电解气泡引起的航迹,对海洋环境污染危害等。根据这些要求超导磁流体推进器的关键技术主要有: 超导磁体结构型式及其轻量化技术 主要解决产生高均匀的磁场强度问题、线圈的绕制安装技术问题、承受强电磁应力的支持结构技术问题、失超的保护及回复技术问题和磁场泄漏问题等。 低损失、高性能的推进器管道设计技术 主要解决低摩擦阻力、高推进喷射效率问题和船身的最佳配合问题. 超导磁体的低温容器的结构及轻量化技术 主要解决低液氦挥发,适合舰船装载;耐风浪、耐冲击、振动以及重量轻等问题。 高效电极技术 主要解决电极的耐久性、电解气泡的产生和消除以及电极表面的压降问题。 高性能船型设计技术 主要解决高航速(50kn)的低阻腊型、磁流体推进器和船身的结合及相互作用、高船身效率和操纵性等问题. 提高海水电导率的技术 主要解决减少焦耳热的产生和提高电磁效率问题。 超导磁流体推进的模型试验及其测量技术 主要解决模型试验方法及其相关技术,试验的模拟及其测试方法等问题。 结 论 船舶磁流体推进是一种新型安静型推进方式,具有很好的军用潜力,目前仍处于研究与试验阶段。该种新型推进方式的发展和工程应用,很大程度上依赖于强磁体的开发,而强磁体的成功开发只能依赖高温超导技术。当今高温超导技术的突破,为船舶新型高温超导磁流体推进的实用化提供了必要条件。世界多个国家,包括中国在内,虽然一直在研究船舶超导磁流体推进???但对高温超导磁流体推进的技术和工程开发仍很不足。在舰船电力推进方式繁荣发展的今天,加大船舶新型高温超导推进技术的研发力度,无疑丰富了船舶电力推进方式,应引起我国业界的重视,促进其船舶应用,尤其是在军用领域的应用。

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