船舶電力推進(jìn)技術(shù)

第十一章船舶磁流體電力推進(jìn)

11.1磁流體推進(jìn)簡介11.1.1磁流體推進(jìn)基本概念磁流體推進(jìn)是指利用海水中電流與磁場間的相互作用力使海水運(yùn)動而產(chǎn)生推力的一種推進(jìn)方法，可用于船舶、魚雷等水中裝置的推進(jìn)。示意圖與框圖如下。11.1.2磁流體推進(jìn)原理磁流體（MHD）推進(jìn)有四種型式，按產(chǎn)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(nèi)部設(shè)置管道并在管道內(nèi)形成磁場的內(nèi)磁式。由于交流損耗的問題，目前超導(dǎo)材料還無法在交流電強(qiáng)磁場的狀態(tài)下工作，只能選擇直流電勵磁。為此，直流內(nèi)磁式和直流外磁式成為主要的兩種型式。從目前的技術(shù)水平和研究目標(biāo)來看直流內(nèi)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(jìn)原理：

利用海水中電流和磁場間的相互作用力使海水運(yùn)動而產(chǎn)生推力的一種推進(jìn)方法。具體地說，直流磁流體推進(jìn)是把海水作為導(dǎo)電體，利用磁體在通道內(nèi)建立的磁場，通過電極向海水供電，當(dāng)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(jìn)原理：假設(shè)在海水中通過的電流密度為

，存在的磁通密度為

，那么由費(fèi)萊明（Flemin）左手法則定出電磁力的方向。要產(chǎn)生很大的電磁推進(jìn)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(jìn)原理圖交流磁流體推進(jìn)原理：交流超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器一般由多相交流勵磁的超導(dǎo)線圈構(gòu)成的磁體和通道組成。以平面型磁流體推進(jìn)器為例，將海水作為導(dǎo)電體，由多相交流超導(dǎo)線圈作為磁體產(chǎn)生磁場，由于線圈內(nèi)的電流隨時間而變化，使得它所產(chǎn)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(yīng)出一個電動勢，該電動勢在海水中產(chǎn)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(yùn)動，其反作用力即推力，推進(jìn)船舶運(yùn)動。交流磁流體推進(jìn)原理：

內(nèi)磁式：外磁式：不同時刻磁場分布：11.1.3船舶總體構(gòu)成船舶系統(tǒng)主要構(gòu)成（1）船體系統(tǒng)：船體、航海儀表、錨、鏈及系船裝置、起居設(shè)備、救生設(shè)備等一般船舶所具有的設(shè)置。（2）推進(jìn)系統(tǒng)：原動機(jī)、發(fā)電機(jī)、超導(dǎo)磁體、海水通電電極、蓄電裝置、推進(jìn)控制裝置等。（3）制冷系統(tǒng)：制冷機(jī)、壓縮機(jī)、純化裝置、低溫容器，液氦及液氮冷卻介質(zhì)的傳輸系統(tǒng)、低溫介質(zhì)儲槽等。（4）船上輔助機(jī)械、電氣設(shè)備、燈光照明等的輔助電源設(shè)備。11.1.3船舶總體構(gòu)成超導(dǎo)MHD推進(jìn)系統(tǒng)主要構(gòu)成（1）原動機(jī)，船用燃汽輪機(jī)、船用柴油機(jī)、礦物燃料汽輪機(jī)、核動力汽輪機(jī)、燃料電池等。（2）發(fā)電機(jī)，可以采用超導(dǎo)單極電機(jī)，也可以采用多相整流式交流發(fā)電機(jī)。（3）輸電系統(tǒng)與開關(guān)設(shè)備：電力傳輸要考慮效率、重量、體積、費(fèi)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(shè)備等。11.2磁流體推進(jìn)的性能和特點與傳統(tǒng)的機(jī)械類推進(jìn)相比磁流體推進(jìn)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(dǎo)磁流體關(guān)鍵技術(shù)與總體概念11.3.1推進(jìn)器總體設(shè)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(dǎo)磁體系統(tǒng)

超導(dǎo)磁體系統(tǒng)包括超導(dǎo)磁體、低溫容器及其附件，它是超導(dǎo)船最重要的部件之一，也是體現(xiàn)超導(dǎo)船運(yùn)行特征和可靠性的決定性因素。（1）超導(dǎo)磁體，基本要求是工作穩(wěn)定、能產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場強(qiáng)度、磁通分布均勻且與管道垂直、結(jié)構(gòu)緊湊可靠。有直管式通道和螺管式超導(dǎo)磁體兩種。螺管式見圖。11.3.2超導(dǎo)磁體系統(tǒng)（2）低溫容器，特點是：內(nèi)膽盛滿液氦并存儲低溫超導(dǎo)磁體，以維持超導(dǎo)磁體始終處于零電阻的超導(dǎo)狀態(tài)下；在內(nèi)外膽之間至少保持10-3Pa真空度和設(shè)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(shè)置熱屏蔽層以進(jìn)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(yīng)具有適合于MHD推進(jìn)要求且與船體緊密結(jié)合的異型低溫容器結(jié)構(gòu)；各部件尺寸結(jié)構(gòu)要采用有限元計算結(jié)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(nèi)產(chǎn)生渦流的影響；在低溫容器上方還應(yīng)該設(shè)置一定容積的液氦儲罐，以備內(nèi)膽內(nèi)由于漏熱蒸發(fā)而進(jìn)行液氦補(bǔ)充。11.3.2超導(dǎo)磁體系統(tǒng)（3）磁屏蔽，磁屏蔽課題與低溫容器的結(jié)構(gòu)及材料緊密相關(guān)，也與磁體的設(shè)計有關(guān)。超導(dǎo)磁體的設(shè)計必須保證在管道中形成強(qiáng)磁場，在不形成電磁力的位置應(yīng)使之磁場減弱，然后對其難以避免的漏磁場進(jìn)行屏蔽。

國外正在開發(fā)可澆注的輕量聚合凝結(jié)物磁屏蔽，用它可以澆注成任何尺寸形狀、質(zhì)輕、機(jī)械強(qiáng)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(yīng)用中具有足夠的導(dǎo)電能力。另外的一種設(shè)想，考慮超導(dǎo)體所具有的完全抗磁性，可以利用超導(dǎo)薄膜（或板材）的這種邁斯納（Meissner）效應(yīng)進(jìn)行磁屏蔽。11.3.3低溫制冷系統(tǒng)

低溫超導(dǎo)磁體浸泡在4.2K的液氦中工作，才具有超導(dǎo)電性。超導(dǎo)磁體的預(yù)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(chǎn)的液氦來解決。

但在航行中，環(huán)境的外部熱量會通過傳導(dǎo)、輻射、對流等形式浸入超導(dǎo)磁體，而且磁體聯(lián)接接頭等部位也會產(chǎn)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(shè)備生產(chǎn)的液氦給予補(bǔ)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(shè)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(jìn)行優(yōu)化。圖為部分低溫設(shè)備設(shè)置在陸地上的超導(dǎo)船MHD推進(jìn)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(jìn)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(yīng)造成海洋污染；其二是電極板表面的電化學(xué)腐蝕輕微、使用壽命長。海水的電導(dǎo)率將影響海水通電，曾經(jīng)研究使用添加離子的辦法使海水導(dǎo)電性增強(qiáng)，以此提高內(nèi)磁式MHD推進(jìn)裝置的效率。11.3.5推進(jìn)用電力系統(tǒng)

在大型氦液化裝置及相關(guān)設(shè)備安裝在岸上的情況下，船舶推進(jìn)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(shè)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(jìn)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(dǎo)MHD推進(jìn)船設(shè)計概要首先選擇對船舶最合適的MHD推進(jìn)裝置類型，并選擇（或初步設(shè)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(shè)計超導(dǎo)磁體和電極。在設(shè)計低溫容器和電源系統(tǒng)之前，詳細(xì)地計算推進(jìn)特性，并對照船舶規(guī)范進(jìn)行校驗。最后再根據(jù)船舶設(shè)計來檢查系統(tǒng)的總體布置情況。設(shè)計過程框圖如右圖所示。11.4發(fā)展應(yīng)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(jìn)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(jìn)原理性研究、磁流體推進(jìn)應(yīng)用基礎(chǔ)研究和磁流體推進(jìn)實用化技術(shù)的研究。（1）磁流體推進(jìn)原理性研究（2）磁流體推進(jìn)應(yīng)用基礎(chǔ)研究（3）磁流體推進(jìn)實用化技術(shù)的研究11.4.1發(fā)展歷程及前景（3）磁流體推進(jìn)實用化技術(shù)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(jìn)實用化技術(shù)的研究俄羅斯，早在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)研究所等單位就開展了潛艇磁流體推進(jìn)的研究，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了7T、10002200mm的超導(dǎo)螺旋型磁流體推進(jìn)器及其推進(jìn)的潛艇概念設(shè)計計算；此外，俄羅斯科學(xué)院高溫研究所克雷洛夫研究院和圣彼得堡造船學(xué)院提出了新型螺旋通道推進(jìn)器——1200kW超導(dǎo)電磁推進(jìn)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(jìn)實用化技術(shù)的研究我國于1996年開始進(jìn)入超導(dǎo)電力推進(jìn)技術(shù)的研究，研究的目標(biāo)是一艘由超導(dǎo)螺管磁體和螺旋通道推進(jìn)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(dǎo)螺旋式電磁流體推進(jìn)實驗船。11.4.2潛在應(yīng)用示例超導(dǎo)MHD推進(jìn)的應(yīng)用，在技術(shù)上尚未成熟，仍然處于探索階段。無論是實驗室的關(guān)鍵技術(shù)研究與基礎(chǔ)研究、試驗船的試制和潛在應(yīng)用船只的概念設(shè)計都將有助于該項技術(shù)的實用化進(jìn)程。11.4.2潛在應(yīng)用示例1．“大和一號”（日）超導(dǎo)MHD推進(jìn)試驗船“大和一號”超導(dǎo)船的總體布置圖；表為其主要參數(shù)。項目參數(shù)總長

/m30.00型寬

/m10.39吃水

/m2.69標(biāo)稱排水量

/t185航行海區(qū)靜水區(qū)域設(shè)計航速

/kn約8推進(jìn)器形式6連環(huán)內(nèi)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(jī)渦輪膨脹制冷式×2臺氦壓縮機(jī)油壓螺旋式×1臺主發(fā)電機(jī)/kW2000×2臺輔助發(fā)電機(jī)/kW180×1臺定員乘務(wù)員3名其他7名11.4.2潛在應(yīng)用示例2．潛艇超導(dǎo)MHD推進(jìn)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(jié)構(gòu)。對于MHD推進(jìn)器的圓筒形管道幾何形狀，在同一推進(jìn)裝置上裝多個MHD推進(jìn)器，可提供最大的推進(jìn)效率和最小的磁場泄漏，同時體現(xiàn)更好的推進(jìn)特性。如果某一分推進(jìn)器損壞，還可保持“受傷”潛艇的戰(zhàn)斗能力。美國曾經(jīng)根據(jù)這種推進(jìn)器的特點提出一種潛艇的設(shè)計方案，其性能參數(shù)見表。2．潛艇超導(dǎo)MHD推進(jìn)方案基本參數(shù)：海水電導(dǎo)率б/1/oh·m4.5電場強(qiáng)度E/kV/m1磁通密度B/T15潛艇長度L/m100阻尼系數(shù)

C0.001海水密度ρ/kg/m31024磁體串聯(lián)級數(shù)N3潛艇性能：輸入功率密度P/kW/m32370效率η（%）47.4推進(jìn)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(dǎo)線圈重W/t150潛艇排水量Q/t5630推進(jìn)器內(nèi)半徑r1/m4推進(jìn)器外半徑r2/m5推進(jìn)器截面積A/m222.6推進(jìn)器長度L1/m3總表面積S/m24710推進(jìn)器有效體積VI/m367.9總推力F1/kN2410推進(jìn)器功率P11/MW76總輸入功率P1/MW1613.破冰船超導(dǎo)MHD推進(jìn)方案

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