船舶電力推進技術

第十一章船舶磁流體電力推進

11.1磁流體推進簡介11.1.1磁流體推進基本概念磁流體推進是指利用海水中電流與磁場間的相互作用力使海水運動而產生推力的一種推進方法，可用于船舶、魚雷等水中裝置的推進。示意圖與框圖如下。11.1.2磁流體推進原理磁流體（MHD）推進有四種型式，按產生磁場所需的勵磁電流類型不同，可有直流磁場型和交流磁場型，按磁場布置的位置不同，有在船體外部形成磁場的外磁式和在船體內部設置管道并在管道內形成磁場的內磁式。由于交流損耗的問題，目前超導材料還無法在交流電強磁場的狀態(tài)下工作，只能選擇直流電勵磁。為此，直流內磁式和直流外磁式成為主要的兩種型式。從目前的技術水平和研究目標來看直流內磁式更適合一些，尤其是漏磁少的特點更吸引人。直流磁流體推進原理：

利用海水中電流和磁場間的相互作用力使海水運動而產生推力的一種推進方法。具體地說，直流磁流體推進是把海水作為導電體，利用磁體在通道內建立的磁場，通過電極向海水供電，當海水中通過電流時，載流海水就會在和它垂直的磁場中受到電磁力（洛倫茲力）的作用，其力的方向按下圖所示的左手定則確定。直流磁流體推進原理：假設在海水中通過的電流密度為

，存在的磁通密度為

，那么由費萊明（Flemin）左手法則定出電磁力的方向。要產生很大的電磁推進力就必須提高電流密度和磁通密度并且使它們形成正交。海水電磁推進原理圖交流磁流體推進原理：交流超導磁流體推進器一般由多相交流勵磁的超導線圈構成的磁體和通道組成。以平面型磁流體推進器為例，將海水作為導電體，由多相交流超導線圈作為磁體產生磁場，由于線圈內的電流隨時間而變化，使得它所產生的磁場也隨時間變化。這一移動的磁場稱為行波磁場。在行波磁場作用下海水便感應出一個電動勢，該電動勢在海水中產生電流，載有電流的海水就會在磁場中受到電磁力的作用而運動，其反作用力即推力，推進船舶運動。交流磁流體推進原理：

內磁式：外磁式：不同時刻磁場分布：11.1.3船舶總體構成船舶系統(tǒng)主要構成（1）船體系統(tǒng)：船體、航海儀表、錨、鏈及系船裝置、起居設備、救生設備等一般船舶所具有的設置。（2）推進系統(tǒng)：原動機、發(fā)電機、超導磁體、海水通電電極、蓄電裝置、推進控制裝置等。（3）制冷系統(tǒng)：制冷機、壓縮機、純化裝置、低溫容器，液氦及液氮冷卻介質的傳輸系統(tǒng)、低溫介質儲槽等。（4）船上輔助機械、電氣設備、燈光照明等的輔助電源設備。11.1.3船舶總體構成超導MHD推進系統(tǒng)主要構成（1）原動機，船用燃汽輪機、船用柴油機、礦物燃料汽輪機、核動力汽輪機、燃料電池等。（2）發(fā)電機，可以采用超導單極電機，也可以采用多相整流式交流發(fā)電機。（3）輸電系統(tǒng)與開關設備：電力傳輸要考慮效率、重量、體積、費用、電磁干擾等因素。（4）輔助系統(tǒng)：低溫冷卻系統(tǒng)，勵磁系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，其它輔助設備等。11.2磁流體推進的性能和特點與傳統(tǒng)的機械類推進相比磁流體推進具有明顯優(yōu)勢，其主要的潛在特點：（1）安靜（2）操縱容易（3）布局靈活（4）高效（5）高速11.3超導磁流體關鍵技術與總體概念11.3.1推進器總體設計（1）安靜（2）操縱容易（3）布局靈活（4）高效（5）高速11.3.2超導磁體系統(tǒng)

超導磁體系統(tǒng)包括超導磁體、低溫容器及其附件，它是超導船最重要的部件之一，也是體現(xiàn)超導船運行特征和可靠性的決定性因素。（1）超導磁體，基本要求是工作穩(wěn)定、能產生很強的磁場強度、磁通分布均勻且與管道垂直、結構緊湊可靠。有直管式通道和螺管式超導磁體兩種。螺管式見圖。11.3.2超導磁體系統(tǒng)（2）低溫容器，特點是：內膽盛滿液氦并存儲低溫超導磁體，以維持超導磁體始終處于零電阻的超導狀態(tài)下；在內外膽之間至少保持10-3Pa真空度和設置良好的絕熱層以防止漏熱和減少液氦的蒸發(fā)；低溫容器夾層之間利用液氮或冷氦氣設置熱屏蔽層以進一步減少從周圍高溫環(huán)境直接向深低溫區(qū)傳入熱量；應具有適合于MHD推進要求且與船體緊密結合的異型低溫容器結構；各部件尺寸結構要采用有限元計算結果來確定，要考慮正常和失超情況下的電磁力作用的影響，以及失超時磁場迅速發(fā)生變化在低溫容器內產生渦流的影響；在低溫容器上方還應該設置一定容積的液氦儲罐，以備內膽內由于漏熱蒸發(fā)而進行液氦補充。11.3.2超導磁體系統(tǒng)（3）磁屏蔽，磁屏蔽課題與低溫容器的結構及材料緊密相關，也與磁體的設計有關。超導磁體的設計必須保證在管道中形成強磁場，在不形成電磁力的位置應使之磁場減弱，然后對其難以避免的漏磁場進行屏蔽。

國外正在開發(fā)可澆注的輕量聚合凝結物磁屏蔽，用它可以澆注成任何尺寸形狀、質輕、機械強度大、不透水并具有磁屏蔽性能的部件。它比鑄鐵、鋼有更好的減震特性，在電磁屏蔽應用中具有足夠的導電能力。另外的一種設想，考慮超導體所具有的完全抗磁性，可以利用超導薄膜（或板材）的這種邁斯納（Meissner）效應進行磁屏蔽。11.3.3低溫制冷系統(tǒng)

低溫超導磁體浸泡在4.2K的液氦中工作，才具有超導電性。超導磁體的預冷和第一次灌裝液氦，可以考慮利用岸上的大型氦液化裝置生產的液氦來解決。

但在航行中，環(huán)境的外部熱量會通過傳導、輻射、對流等形式浸入超導磁體，而且磁體聯(lián)接接頭等部位也會產生一些熱量，使得液氦蒸發(fā)成氦氣，為此，需要船上的低溫制冷設備生產的液氦給予補充。11.3.3低溫制冷系統(tǒng)

作為船用的低溫制冷系統(tǒng)，必須具備體積小、可靠性高、操作方便等特性，至于哪一些設備可以安裝在船上或陸地上最終必須從船舶總體功能和系統(tǒng)需求角度出發(fā)進行優(yōu)化。圖為部分低溫設備設置在陸地上的超導船MHD推進器系統(tǒng)框圖示例。11.3.4海水通電電極要使直流電通過MHD推進器管道中的海水，使用的電極的材料至少必須具備如下的兩個條件：其一是海水電解的生成物不應造成海洋污染；其二是電極板表面的電化學腐蝕輕微、使用壽命長。海水的電導率將影響海水通電，曾經研究使用添加離子的辦法使海水導電性增強，以此提高內磁式MHD推進裝置的效率。11.3.5推進用電力系統(tǒng)

在大型氦液化裝置及相關設備安裝在岸上的情況下，船舶推進用電力系統(tǒng)由兩個供電系統(tǒng)組成，其中一個供電系統(tǒng)給設置在海水管道中的電極提供直流電，而另一個供電系統(tǒng)則給船上各種輔助推進系統(tǒng)提供電源，其中包括船上供電系統(tǒng)、推力控制系統(tǒng)及監(jiān)控與測量系統(tǒng)。11.3.6超導MHD推進船設計概要首先選擇對船舶最合適的MHD推進裝置類型，并選擇（或初步設計）船形。其次是要按照船速和推力的要求來確定磁場和電場的分布圖形、設計超導磁體和電極。在設計低溫容器和電源系統(tǒng)之前，詳細地計算推進特性，并對照船舶規(guī)范進行校驗。最后再根據船舶設計來檢查系統(tǒng)的總體布置情況。設計過程框圖如右圖所示。11.4發(fā)展應用11.4.1發(fā)展歷程及前景自1961年以來，美國、日本、前蘇聯(lián)、中國等先后開展了磁流體推進的研究。到目前為止，這方面的研究大致分為三個階段：磁流體推進原理性研究、磁流體推進應用基礎研究和磁流體推進實用化技術的研究。（1）磁流體推進原理性研究（2）磁流體推進應用基礎研究（3）磁流體推進實用化技術的研究11.4.1發(fā)展歷程及前景（3）磁流體推進實用化技術的研究日本“大和一號”：美國“海影”：11.4.1發(fā)展歷程及前景（3）磁流體推進實用化技術的研究俄羅斯，早在70年代，前蘇聯(lián)科學院高溫物理研究所、卡爾波夫物理化學研究所等單位就開展了潛艇磁流體推進的研究，并在此基礎上，進行了7T、10002200mm的超導螺旋型磁流體推進器及其推進的潛艇概念設計計算；此外，俄羅斯科學院高溫研究所克雷洛夫研究院和圣彼得堡造船學院提出了新型螺旋通道推進器——1200kW超導電磁推進器，中心磁場是7T，用于潛艇。11.4.1發(fā)展歷程及前景（3）磁流體推進實用化技術的研究我國于1996年開始進入超導電力推進技術的研究，研究的目標是一艘由超導螺管磁體和螺旋通道推進器推動的模型船，其長度為3m，一人駕駛，航速為1kn。圖為我國研制成功的世界上第一艘超導螺旋式電磁流體推進實驗船。11.4.2潛在應用示例超導MHD推進的應用，在技術上尚未成熟，仍然處于探索階段。無論是實驗室的關鍵技術研究與基礎研究、試驗船的試制和潛在應用船只的概念設計都將有助于該項技術的實用化進程。11.4.2潛在應用示例1．“大和一號”（日）超導MHD推進試驗船“大和一號”超導船的總體布置圖；表為其主要參數。項目參數總長

/m30.00型寬

/m10.39吃水

/m2.69標稱排水量

/t185航行海區(qū)靜水區(qū)域設計航速

/kn約8推進器形式6連環(huán)內磁式×2只輸出洛倫茲力

/kN總計約16通電功率

/kW約3600船上制冷裝置冷制機渦輪膨脹制冷式×2臺氦壓縮機油壓螺旋式×1臺主發(fā)電機/kW2000×2臺輔助發(fā)電機/kW180×1臺定員乘務員3名其他7名11.4.2潛在應用示例2．潛艇超導MHD推進方案為提高隱蔽性，需要限制磁場泄漏，以減小船舶的外磁場，這排除了采用磁場暴露在船體外面的外磁式結構。對于MHD推進器的圓筒形管道幾何形狀，在同一推進裝置上裝多個MHD推進器，可提供最大的推進效率和最小的磁場泄漏，同時體現(xiàn)更好的推進特性。如果某一分推進器損壞，還可保持“受傷”潛艇的戰(zhàn)斗能力。美國曾經根據這種推進器的特點提出一種潛艇的設計方案，其性能參數見表。2．潛艇超導MHD推進方案基本參數：海水電導率б/1/oh·m4.5電場強度E/kV/m1磁通密度B/T15潛艇長度L/m100阻尼系數

C0.001海水密度ρ/kg/m31024磁體串聯(lián)級數N3潛艇性能：輸入功率密度P/kW/m32370效率η（%）47.4推進器功率密度PT/kW/m3

1120噴口速度VT/kn67.8電流密度J/A/m22370推力密度

F/kN/m335.5潛艇直徑D/m10超導線圈重W/t150潛艇排水量Q/t5630推進器內半徑r1/m4推進器外半徑r2/m5推進器截面積A/m222.6推進器長度L1/m3總表面積S/m24710推進器有效體積VI/m367.9總推力F1/kN2410推進器功率P11/MW76總輸入功率P1/MW1613.破冰船超導MHD推進方案

破冰船要求其推進裝置具有最大的輸出功率和最小的推進阻力，而在破冰時要求產生2-3倍的額