新型磁流體推進裝置及其在船上的應用

1、船舶原理概論論文新型磁流體推進裝置及其在船上的應用 改進船舶推進性能的方法探討學 院 建筑工程學院 專 業(yè) 年 級 2010級 學 號 姓 名 指導教師 2013年 10月 24 日摘 要磁流體推進是一種非螺旋槳式的新型的船舶推進方式，通過電磁方法產(chǎn)生電磁力推動船舶運動。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，有望成為21世紀船舶推進的主流形式。 論文系統(tǒng)介紹了船舶推進的發(fā)展歷史和磁流體推進的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對其基本工作原理和實現(xiàn)技術進行了較為全面和深入的研究。詳細歸納了船舶磁流體推進器的類型，并對現(xiàn)有磁流體推進形式進行了綜合比較，分析了目前公認的最佳船舶磁流體推進器形式的優(yōu)

2、缺點。描述高溫超導技術的發(fā)展;并指出船舶磁流體推進器的實用化前景在于高溫超導技術的應用。2目 錄第一章 船舶推進器的演變與展望11.1船舶推進器的演變11.1.1 原始推進11.1.2 螺旋槳和噴水推進器21.1.3 電力推進21.2 新型突進方式及展望3第二章 國內(nèi)外磁流體技術研究的現(xiàn)狀32.1 國外磁流體技術研究的現(xiàn)狀42.2 我國磁流體技術研究的現(xiàn)狀62.3 磁流體推進器的開發(fā)6第三章 磁流體推進73.1 磁流體推進的原理73.2 磁流體推進的分類83.3 典型磁流體推進器83.4 磁流體推進的特點10第四章 磁流體推進開發(fā)面臨的問題114.1 電極問題114.2 效率問題114.3 關

3、鍵技術問題11第五章 高溫超導磁流體115.1 超導磁流體推進的關健技術12結(jié) 論132天津大學 建工學院 2010級 船舶原理概論論文新型磁流體推進裝置及其在船上的應用改進船舶推進性能的方法探討第一章 船舶推進器的演變與展望推進器是船艇的關鍵部件，是能量轉(zhuǎn)化的設備，是將主機發(fā)出的能量轉(zhuǎn)化成船艇推動力的設備提高推進器性能，開發(fā)高性能推進器一直是船艇推進器研究領域的主要方向自從19世紀初期螺旋槳作為一種實用推進器被應用于船艇，一直到現(xiàn)在人們以螺旋槳為核心發(fā)展了各種推進器形式:如吊艙推進器、導管槳、泵噴推進器、對轉(zhuǎn)槳、泵噴推進器，同時也產(chǎn)生了替代螺旋槳的推進方式的推進器:如噴水推進和超導磁流體推講

4、等。1.1 船舶推進器的演變從推進器的誕生到現(xiàn)在，經(jīng)過人們的探索與研究，船艇推進器的發(fā)展已經(jīng)逐漸向高性能的方向靠近，從古到今，推進器的形式逐漸增多。1.1.1 原始推進原始推進主要包括人力、畜力和風力推進這種推進技術應用于獨木舟和木板船的時代，其效率低、穩(wěn)定性差、降低了船舶的總體性能自19世紀末第一艘鋼船誕生后，原始推進技術也逐漸被機器推進所取代，船舶行業(yè)開始進人以鋼船為主的時代。明輪推進明輪船是一種在船的兩側(cè)裝著明輪的蒸汽輪船。它是靠蒸汽機產(chǎn)生的動力帶動明輪轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生推進力的。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;它們行駛起來也更加平

5、穩(wěn)，沒有螺旋槳船只那種單調(diào)的顫動，在湖面風浪較大的時候也可以保持穩(wěn)定，受到旅客們的青睞。從20世紀初開始，安裝大馬力往復式蒸汽機的明輪船就在大湖區(qū)，尤其是伊利湖的船運中牢坐老大的位置。然而，明輪船的明輪有一半在空中轉(zhuǎn)動，不僅增加了船的寬度和航行時的阻力，而且當它在碼頭上?？繒r，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，如果水草一類的纏繞物絞住明輪的葉片或軸，明輪就有失去轉(zhuǎn)動的可能。這些都是早期明輪致命的弱點。到19世紀60年代，用螺旋槳作推進器的輪船已經(jīng)將裝著明輪的蒸汽船淘汰掉了。1.1.2 螺旋槳和噴水推進器螺旋槳推進器 螺旋槳推進器可分為普通螺旋

6、槳、導管螺旋槳、可調(diào)距螺旋槳、串列螺旋槳和對轉(zhuǎn)螺旋槳。 (1)普通螺旋槳的結(jié)構(gòu)最為簡單，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單、安裝方便，但其在推進過程中會存在相當多的能量損失； (2)導管螺旋槳也叫做套筒螺旋槳，它是將一個環(huán)形的套筒加在螺旋槳的外圍，分為加速型導管(收縮管)和減速型導管(擴張管)。 (3)可調(diào)距螺旋槳，主要應用于多工況船舶，能夠充分發(fā)揮主機效率，適應各種工況的變化，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)對轉(zhuǎn)螺旋槳，是由兩個普通螺旋槳分別裝于同心的兩軸上，以相反的方向旋轉(zhuǎn)的一種推進方式，也叫做

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

8、保符合標準。變頻器主要是進行交流推進電機的控制或變速驅(qū)動變頻器內(nèi)部有冷卻單元，通過專用的外部淡水冷卻系統(tǒng)，經(jīng)過內(nèi)部熱交換器，將變頻器實現(xiàn)自我冷卻，除此之外，為了防止各種原因的漏水，設備還自帶漏水檢測傳感器。推進電動機是整個系統(tǒng)中的動力源，因需要大功率長時間的運轉(zhuǎn)，導致發(fā)熱嚴重，因此需供給外部冷卻水，且為了防止冷卻水在內(nèi)部泄露，通常會安裝漏水檢測系統(tǒng)。1.2 新型突進方式及展望例如模擬魚類游動的水下仿生推進器、超導磁流體推進器等 1)各種模擬魚類游動的水下仿生推進器是將仿生學與船艇推進技術相結(jié)合的一種新型推進技術，與傳統(tǒng)的推進器相比較，有著低噪音、低擾動、高效率等突出優(yōu)點。 2)超導磁流體推進是

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

10、握船舶全電力推進系統(tǒng)的開發(fā)設計以及制造核心是一項技術變革，只有加快民用船舶電力推進系統(tǒng)裝備研究及產(chǎn)業(yè)化工作，才能在未來的市場競爭中占領制高點。水下仿生推進器是隨著生物流體力學，仿生機電與神經(jīng)元網(wǎng)絡控制等關鍵技術發(fā)展，仿生水下推進去將進一步向高速、高效、大載荷空間、高機動性、低噪聲以及長航程方向發(fā)展，將會逐步實用化。目前，水下仿生推進器主要在水下機器人上應用，較少作為船舶推進器。技術最為超前的超導磁流體推進器，在很久以后的將來，克服一些列的技術問題，在船舶上運用，將取得非常好的性能效果。本文主要介紹超導磁流體推進方式。第二章 國內(nèi)外磁流體技術研究的現(xiàn)狀早在70年代，美、前蘇聯(lián)、英、日等國就己開展

11、磁流體推進技術在海軍艦艇方面的應用研究。磁流體推進技術研究雖然己經(jīng)取得了一些成果，但目前它的磁場強度還不能滿足艦艇推進的要求。隨著新型超導材料的出現(xiàn)，有望成為解決這一問題的關鍵。在開展磁流體推進研究較為廣泛的國家中，美國和前蘇聯(lián)主要注重于基礎理論研究及軍用艦船，如潛艇的概念設計，而日本則更多注重于應用技術和民船的設計。2.1 國外磁流體技術研究的現(xiàn)狀(1)美國美國關于磁流體推進研究主要集中在以下幾方面:對磁流體推進技術開展了較為深入的理論研究。進行了小規(guī)模的試驗來驗證理論研究的成果。研究能夠用于磁流體推進系統(tǒng)的實用化技術。美國從事MHD推進研究的單位主要有美國海軍水下系統(tǒng)中心、戴維泰勒艦船研究

12、發(fā)展中心、阿貢國家實驗室和阿夫可公司。前兩個單位主要負責研究MHD推進的流體動力性能、結(jié)構(gòu)形式、適用于MHD推進的艇型及其相關的裝置。阿貢國家實驗室負責MHD推進模型的試驗研究，阿夫可公司主要研制磁體結(jié)構(gòu)及其超導材料技術、船舶MHD推進器的概念設計等。各單位配備了必要的實驗裝置與系統(tǒng)，用以測試磁流體推進中的電磁場與流體力場的特性。美國在磁流體推進研究中，阿夫可公司曾用磁感應強度為6T的環(huán)狀磁體，進行潛艇概念設計。計算結(jié)果表明，在潛艇航速達到30節(jié)時，合理地選取磁流體推進器的形狀和數(shù)據(jù)，電磁推進效率可達到40%。美國在對超導磁流體的研究中，其中大型磁體的磁感應強度可達6-8 (T )，同時指出在

13、潛艇上安裝環(huán)形磁流體推進器具有高效性。美國多年來主要在基礎理論方面做了大量、深入、細致、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裝置的研究中，日本走在了各國的前列。日本是世界上研究磁流體推進船舶成功的第一個國家，研究的主要目標在于水面船舶。1985年，為發(fā)展磁流體推進系統(tǒng)，日本海洋與船舶基金成立了磁流體推進系統(tǒng)的研發(fā)委員會，為發(fā)展實用的磁流體推進裝置制定了一定的研發(fā)計劃。由于研究的需要，該委員會分為兩部分，一部分主要從事船舶流體力學性能方面的研究，另一部分從事電磁設備的研究。日本主要的研究單位有神戶商船大學、日本國立材料科學研究所等機構(gòu)。日本神戶商船大學是最

14、早開始超導磁流體推進船舶的研究機構(gòu)，并于1991年建成了“大和一號”實驗船，排水量280噸，航速達8kn，并在日本神戶港下水試航成功，(MHD推進器中心磁場4T，推進器電磁力約8000N o )證明了超導磁流體推進船舶的可行性，引起世界的關注。圖1 日本“大和一號”試驗船 總的說來，日本所研制的超導磁流體推進器主要是針對實船應用的。在模型試驗的基礎上，在研制的過程中解決了眾多的實用化問題，如超導磁體的繞制、重量減輕、推進器的整體結(jié)構(gòu)及與船舶的配合安裝等。(3)前蘇聯(lián) 與美國和日本的研究重點均不相同，前蘇聯(lián)主要是在提高磁場強度方面，出了螺旋管道式超導磁體結(jié)構(gòu)。前蘇聯(lián)開展磁流體技術的研究起步很早，

15、投資也很大，前蘇聯(lián)的研究在相當長的一段時間內(nèi)處于超前的地位，但由于政局的變化，目前還停留在實驗階段中。 前蘇聯(lián)從事MHD推進研究的單位主要有科學院高溫物理所、列寧格勒造船學院、克雷洛夫研究院等。高溫物理所主要負責磁體的研究，研制的螺管磁體螺旋通道不同于日本的“大和一號”，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超導磁流體推進樣機的原理研究，并開始研制1200KW的磁流體推進器的研究。 前蘇聯(lián)的螺管磁體推進器大大降低了磁體線圈的繞制難度，大大提高了磁場強度，解決了磁體支撐內(nèi)壁的強電磁應力。2.2 我國磁流體技術研究的現(xiàn)狀 我國是研究磁流體推進起步較晚的國家。早在70年代，我

16、國海洋船舶研究中心與武漢船用電力推進裝置的研究所聯(lián)合組成一個磁流體推進研究小組，對磁流體推進方式進行了理論和實驗研究，最終得出:磁流體推進的原理是正確的，但用一般的導體的磁流體推進的效率太低，只能用超導磁體提高磁場強度，才能夠獲得高效的磁流體船舶推進效率。進而在1988年研制出第一艘超導螺旋管式MHD推進試驗船并完成了該模型船的航行試驗研究。(采用螺旋式通道推進器，孔徑0.44米，中心磁場ST，磁場儲能880萬J)。 研制成功螺旋式超導磁流體推進試驗船(HEMS -1)。中科院電工所研制的螺管超導磁體系統(tǒng)，磁場強度5特斯拉，室溫下的孔徑為0.2米，外徑0.65米，總長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磁流體推進試驗船。船長3.2米，寬0.85米，船深0.95米，排水量約1噸。在實驗室的鹽水池中對試驗船的特性參數(shù)進行了綜合性試驗和試航行，船速達0.65米/秒。在試航階段，有近百名專家到現(xiàn)場參觀，作為我國第一次螺旋式超導磁流體船舶推進的原理驗證的成功，己經(jīng)引起海軍和船舶研究院的專家和領導的興趣和關注。多年來，中科院電工所主要從事螺管磁體螺旋通道推進器的研究，在理論分析和試驗研究方面積累了豐富的經(jīng)驗。相對而言，高場強、大孔徑的螺管磁體的制造更為現(xiàn)實。日本國立材料科學研究所的高場強實驗室成功研制了最高場強

18、為15特斯拉的螺管超導磁體，為我們進行高場強條件下磁流體船舶推進的試驗研究提供了難得的機會。經(jīng)中國科學院電工研究所的提議，得到日本神戶商船大學和日本國立材料科學研究所的響應，兩國三方的科研人員于1999年8月9月在日本筑波首次完成了14特斯拉高場強條件下的螺旋通道磁流體船舶推進器的合作試驗研究。將螺旋式磁流體推進器在日本國立金屬材料技術研究所強場開放實驗室的強磁場設備中進行試驗，試驗很成功。試驗中磁場強度14特斯拉，平均磁場13.4特斯拉，電極電流達到700A,電流密度達到1000A/m2，電磁力密度20000牛頓/米，電效率最高達40 % ,推進器的電磁效率達到了23%，其技術性能指標較HE

19、MS-1”試驗船及日本研制的“大和一號”試驗船提高了一個數(shù)量級，某些技術指標已接近實用水平。2.3 磁流體推進器的開發(fā) 日本船舶和海洋財團電磁推進船研發(fā)委員會開發(fā)的“大和一號”試驗船是首例超導磁流體推進器試驗船，該全船排水量185 t，超導磁流體推進器兩臺，船艦左右對稱位置安裝，海水通電功率3420 kW，于1992年完成系舶試驗。 中國中科院電工所開發(fā)的“HEMS-1號”試驗船是第一艘螺旋通道超導磁流體推進試驗船。該船建成于1998年，排水量1噸。進行了性能綜合試驗和航試后，并于1999年11月通過了中科院科技成果鑒定。 英國牛津大學和Space Cryomagnetics公司開發(fā)了第一艘高

20、溫超導磁流體推進模型試驗船。試驗船尺寸為1.2 m長X0.6 m寬。2004年3月進行了航行試驗。美國國防先進研究工程局，基于JanesFighting Ships攻擊型核潛，發(fā)起了一項潛艇磁流體推進系統(tǒng)研究項目。研究結(jié)論為:如果采用全新的潛艇設計，而不只是把MHD推進器融入現(xiàn)存潛艇設計之中，則有提高MHD推進器性能和潛艇有效性的可能。第三章 磁流體推進3.1 磁流體推進的原理 磁流體推進是利用海水中電流和磁場間的相互作用力使海水運動而產(chǎn)生的一種推進方法。具體地說，磁流體推進時把海水作為導電體，利用磁體在通道內(nèi)建立磁場，通過電極向海水供電，此時載流海水就會在與它相垂直的磁場中受到電磁力(洛侖茲

21、力)的作用，其受力方向按左手定則確定。海水受力時沿電磁力方向運動，其反作用力即推力推進船舶運動。在磁場一定的情況下，電流大，電磁力大，推力也大，船舶運動的速度就快;反之，電流小，電磁力就小，推力也就小，船舶運動的速度就慢。當電流方向改變時，電磁力與推力的方向也改變，船舶運動的方向也隨之改變。這樣可以通過調(diào)節(jié)電流大小的方法來控制船的速度，通過改變電流的方向來操縱船舶航行的方向。圖2 磁流體推進原理具體說就是在海水的某一區(qū)域建立磁場，通過電極在海水上施加電場并產(chǎn)生電流。若以J示電流密度矢量，萬示磁感應強度矢量，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，實際中電流密度矢量和磁感應強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，由此對船產(chǎn)生反作用，推進船舶。磁流體推進器是直接由電能通過磁場的作用將其轉(zhuǎn)換成機械能來推進船舶前進的，它的運行機理涉及到電磁學、流體力學和電化學等方面的內(nèi)容，特別是在推進器管道內(nèi)，即存在磁場，也有電極產(chǎn)生的電流場，以及海水在管道內(nèi)流動形成的流速場，這些現(xiàn)象相互作用，相互影響，形成了磁流體推進器的工作機理。只有透徹地了解磁流體推進器的工作機理，才有可能設計出高速高效的磁流體推進器。3.2 磁流體推進的分類 按照產(chǎn)生勵磁的電流類型，可分為直流磁場方式和交流磁場式。在直流磁場方式下，在海水區(qū)域施加

23、的外磁場與對海水所施加的直流電流相互作用，產(chǎn)生電磁推力。在交流磁場方式下，對海水區(qū)域施加的外磁場與在該區(qū)域感生的感應電流相互作用，產(chǎn)生電磁推力。 按照磁場區(qū)域與船體的位置關系，可分為內(nèi)磁式和外磁式。外磁式就是在船體周圍附近的海水中產(chǎn)生強磁場和電場，因而電磁場近乎開放式。內(nèi)磁式就是在船體內(nèi)的管道內(nèi)的海水中產(chǎn)生強磁場和電場，因而磁場相對容易屏蔽。 按照海水通道形狀可分為直管型和螺旋型。3.3 典型磁流體推進器直管馬鞍型超導磁流體推進器此種推進器屬于直流內(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，新里斯本大學理工學院電氣工程系A.Leao.Rodrigues研究的船用推進超導磁流體推進

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

25、道(3) , (2)為內(nèi)部環(huán)狀通道。由于磁場是沿軸向的，電場是徑向的，根據(jù)螺旋法則，此時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該是軸向的，為了軸向推動海水，巧妙設計了稱之為螺旋通道的結(jié)構(gòu)，即在直管(3)內(nèi)設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，沿圓周和螺旋穿過推進器向下推動。這種方式海水在推進器內(nèi)的流動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，水流在其中受力而旋轉(zhuǎn)。U形超導磁流體推進器 在船體外部周圍布置超導線圈，成U形，電極則在該U形上交替布置，并在電極問產(chǎn)生拱形電場，電磁場在船體附

26、近正交，產(chǎn)生洛侖茲力。圖5 螺旋通道磁流體推進器結(jié)構(gòu)3.4 磁流體推進的特點結(jié)構(gòu)特點磁流體推進器與傳統(tǒng)螺旋槳推進器截然不同:無螺旋槳，無驅(qū)動軸，無減速齒輪。從流體動力學看，超導磁流體推進器與噴水推進器類似。不同之處在于動力源。噴水推進器動力源于泵，泵產(chǎn)生的是機械壓力，而超導磁流體推進器動力源是電磁洛侖茲力，是電磁相互作用。性能特點振動和噪聲小 由于磁流體推進器中沒有傳統(tǒng)推進器的螺旋槳、轉(zhuǎn)動軸和變速齒輪等轉(zhuǎn)動機構(gòu)，也取消了噴水推進器使用的水泵等轉(zhuǎn)動機構(gòu)，所以大大消除了由這些轉(zhuǎn)動機構(gòu)引起的振動和噪聲，其輻射噪聲也比由轉(zhuǎn)動機構(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。對于魚雷、潛水艇等軍用艦艇來說，噪聲和空泡的降低可以增強它們的隱蔽性。高效性 由于磁流體推進器的動力輸出裝置，如磁體、電極等都是相對靜止的，這樣它既克服了高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動機構(gòu)的功率限制，也克服了螺旋槳高速轉(zhuǎn)動形成的空泡，因而可以大大提高船舶推進設備的功率，使磁流體推進船舶具有比傳統(tǒng)船舶高得多的速度。布局方便 因為磁流體推進器的各部件，如發(fā)電機、推進器、輔助控制等設備之間沒有剛性連接，所以這些部件可以根據(jù)設計的需要分散或集中地安置在船舶艙室的任何位置，因此可以在設計船舶時有效地利用艙室空間，使設備安裝更加靈活。操縱性靈活、機動性好 磁流體推進器的工作原理與傳統(tǒng)的螺旋槳推進器不同，傳統(tǒng)的螺旋槳

28、推進器通過變速齒輪改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速來改變推進器的推力。而磁流體推進器可以通過調(diào)節(jié)電極電壓的大小和電流的方向來控制推進器的推力大小和方向，并以此來控制船舶的速度和航行方向。由于螺旋槳、傳動軸、變速齒輪為機械裝置，機械裝置的反應時間要遠遠小于電流的反應時間，所以與傳統(tǒng)的螺旋槳推進器相比，磁流體推進器具有操縱性能靈活，機動性好的優(yōu)點。由于磁流體推進具有無可比擬的優(yōu)越性，因此作為新型的船舶推進方式，尤其作為海洋軍事裝備的推進和動力，將使海軍裝備在戰(zhàn)術、技術性能上發(fā)生質(zhì)的飛躍。自20世紀60年代首次被提出以來受到了世界各國造船界的廣泛關注。目前許多造船大國紛紛對此技術進行詳細研究，并預測該技術有望成為2

29、1世紀船舶推進方式的主流。第四章 磁流體推進開發(fā)面臨的問題4.1 電極問題 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，陰極反應生成氫氣，陽極反應生成次氯酸鈉(有害)和氫氧化鎂(附著在陽極上)。由此帶來兩大問題:氣泡生成和電極腐蝕。氣泡產(chǎn)生的艦跡效應影響軍用隱蔽性;氣泡形成的蒸汽層產(chǎn)生電壓降，影響效率。目前未見有效解決辦法。對于電極腐蝕，通常采用電極鍍鉑辦法。4.2 效率問題 電磁推力是電流密度與磁場的矢量積，要保持一定的推力，可從電流密度和磁場兩方面來考慮。 在一定的電流密度下，提高電導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，可以提高海水電導率。1989年，美國海軍研究局（ONR）委托賓夕法尼亞州立大學應用研究實驗室開展在海水中添加溶液對海水電導率的研究。對鹽酸、硫酸、和氫氧化鈉溶液對海水電導率的影響進行理論研究，發(fā)現(xiàn)三種溶液中，硫酸對對提高海水電導率的效果最大。 提高效率的另一種途徑就是增大磁場。在一定推力下，通過增大磁場，降低電流密度減少焦耳熱，提高效率。4.3 關鍵技術問題 強磁體及其支撐、制冷系統(tǒng)、艇體貫穿等關鍵技術尚需開發(fā)。第五章 高溫超導磁流體 效率問題是影響工程應用的關鍵問題，特別是在能源緊張的今天。目前來看，大幅度提高效率的辦法是提高磁場強度。高溫超導技術的神奇進步，為強磁體開發(fā)

31、提供了很好機遇。實際上，早在1979年，Hummert評價海水直流電磁推進器時，就得出了要增加其效率，需要磁通密度達到ST的結(jié)論。1983年，日本科學家Tada和Saji進行研究，進一步認為只有超導技術的突破，才能使電磁推進進展。英國研究者認為要到達效率能與螺旋槳推進效率可比，需要高達20-30T的強磁場。因此，開發(fā)強磁磁體是一項關鍵技術。在低溫超導時代這是不現(xiàn)實的，因為制冷系統(tǒng)體積和效率都是不現(xiàn)實的。解決這一問題只有依靠高溫超導體的進步。關鍵是超導線材的開發(fā)。從上個世紀80年代發(fā)現(xiàn)高溫超導體以來，其超導線材方面取得很大成就，并已經(jīng)應用在大型項目。 (1)美國成功開發(fā)了被稱為“第二代”高溫超導

32、線材(型號344)0 2006年5月起，停止生成第一代高溫超導線材，實現(xiàn)了向第二代高溫超導線材的完全轉(zhuǎn)變。為強磁應用鋪平了道路。 (2)高溫超導電機工程開發(fā)取得重大突破。美國海軍36.5 MW高溫超導電機于2009年1月完成了滿載試驗。西門了公司4MW高溫超導發(fā)電機開發(fā)成功。 (3)美國Superpower公司完成電纜工程項目，在紐約州的Albany國家電網(wǎng)上安裝了350 m長的第二代線材電纜，進行首次試運行。(4)美國、英國、新西蘭、意大利等多個國家都在積極開展強磁體研究。美國國家強磁場實驗室采用Superpower公司采用第二代HTS線材制作了高溫超導磁體，于2007年7月進行試驗，實現(xiàn)了26.8 T的強磁場(背景磁場19 T, 4 K)o若無背景磁場，則可實現(xiàn)9.5 T的強磁。5.1 超導磁流體推進