基于磁流體推進(jìn)技術(shù)的海水離子流船舶推進(jìn)器

錢(qián)兆輝

摘要 為了克服現(xiàn)有船舶推進(jìn)裝置的缺點(diǎn)，提出了一種基于磁流體技術(shù)的海水離子流船舶推進(jìn)器。該裝置利用海水在電場(chǎng)中加速后排出產(chǎn)生的推力來(lái)推進(jìn)，并對(duì)該裝置進(jìn)行Rhino建模。再通過(guò)HEMS-1實(shí)驗(yàn)船對(duì)該裝置進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞 船舶推進(jìn)；離子；新能源；交流電

中圖分類(lèi)號(hào) U6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095—6363（2016）17—0005—02

目前，船舶的推進(jìn)器主要分為以下幾種：噴水推進(jìn)裝置、電力推進(jìn)、螺旋槳。噴水推進(jìn)的推力是通過(guò)推進(jìn)水泵噴出的水流的反作用力來(lái)獲得的，但當(dāng)艦船航速低于20，噴水推進(jìn)的效率比螺旋槳要低一些，由于增加了管路中水的重量，使得艦船損失排水量，而且在水草或雜物較多的水域，進(jìn)口容易出現(xiàn)堵塞想象而影響艦船的航速。電力推進(jìn)卻由于能量的多次轉(zhuǎn)換，需要設(shè)備多、動(dòng)力裝置重、投資大、控制系統(tǒng)一般比較復(fù)雜且與直接由原動(dòng)機(jī)推動(dòng)螺旋槳相比，電力推進(jìn)的能量損耗大，總的推進(jìn)效率低。螺旋槳的應(yīng)用比較廣泛，但當(dāng)使用大功率的主機(jī)后，螺旋槳激振產(chǎn)生局部的不穩(wěn)定空泡導(dǎo)致螺旋槳作用于船體的壓力、振幅和相位都不斷變化，造成船尾振動(dòng)、結(jié)構(gòu)損壞、噪聲、剝蝕等問(wèn)題。

可見(jiàn)，現(xiàn)有對(duì)船舶推進(jìn)器改進(jìn)是十分重要的，為了克服現(xiàn)有船舶推進(jìn)器的缺點(diǎn)，在查閱了國(guó)內(nèi)外磁流體技術(shù)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出并設(shè)計(jì)了一種基于磁流體推進(jìn)技術(shù)的海水離子流船舶推進(jìn)器。

1海水離子流船舶推進(jìn)器原理

海水本身帶有正電荷和負(fù)電荷。海水先通過(guò)離子選擇器，使負(fù)電荷吸附在電板上，而另一端因沒(méi)有直接接觸電板而使正電荷無(wú)法被吸附在電板上。于是海水只帶了正電。只帶正電的海水再通過(guò)進(jìn)口流旋器，使流體由軸向直流運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，然后通過(guò)一個(gè)電場(chǎng)，帶電粒子在電場(chǎng)中加速，帶動(dòng)海水的加速排出，通過(guò)出口整流器，將流體由旋流運(yùn)動(dòng)重新變回軸向流動(dòng)。加速海水被排出后，產(chǎn)生反作用力，推動(dòng)了船的前進(jìn)（如圖1所示）。因?yàn)楫?dāng)負(fù)電荷吸附過(guò)多時(shí)，會(huì)中和電板上的正電。所以當(dāng)離子選擇器通電一段時(shí)間后，需斷電，使普通海水進(jìn)入沖刷走負(fù)離子，于是此時(shí)海水又帶了負(fù)電。而所加電場(chǎng)為交流電，周期為離子選擇器，一次通電加斷電的時(shí)間和。帶負(fù)電的海水又進(jìn)入交換了電勢(shì)的電場(chǎng)，使海水加速排放（如圖2所示）。

（此力也是海水作用于船體的力）。

2對(duì)海水離子流推進(jìn)器的要求

我們根據(jù)HEMS-1實(shí)驗(yàn)船的資料對(duì)我們的作品做出如下要求：

1）因?yàn)閲?guó)際上對(duì)磁流體的推進(jìn)器的研究分為：按型磁體直線(xiàn)式通道推進(jìn)器、螺管磁體螺旋式通道推進(jìn)器，同樣適用于我們的推進(jìn)器，但是我們考慮到新型推進(jìn)器高場(chǎng)強(qiáng)和輕量化是影響推進(jìn)器性能的主要性能，所以我們選擇后者的技術(shù)路線(xiàn)，即螺管磁體螺旋式通道推進(jìn)器（如圖3所示）。

2）根據(jù)HEMS-1實(shí)驗(yàn)船的組成，將作品的推進(jìn)器分成3個(gè)部分：有效段（包括用于離子過(guò)濾的電容器，用于加速的強(qiáng)電場(chǎng)）、進(jìn)口流旋器（使流體由軸向直流運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)流動(dòng)）、出口整流器（將流體由旋流運(yùn)動(dòng)重新變回軸向流動(dòng)）。

3）我們將進(jìn)口旋流器安裝在電容的進(jìn)口處，出口旋流器安裝在加速電場(chǎng)的出口處，它們由若干導(dǎo)流片構(gòu)成，導(dǎo)流片的片數(shù)、形狀及進(jìn)出口的沖角都需要精心設(shè)計(jì)，以減少其水力損失，而在電場(chǎng)電容間需要安裝螺旋片以供海水做旋流運(yùn)動(dòng)。螺旋片與電場(chǎng)，電容用橡皮脛密封。同時(shí)螺旋片由絕緣體制成，而電極板由不銹鋼制成，以防止發(fā)生化學(xué)腐蝕。

3相關(guān)數(shù)據(jù)與計(jì)算公式

因?yàn)镠EMS 1試驗(yàn)船的船載超導(dǎo)磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度為5T，獲得的推力大致在40N～45N，船速達(dá)到0.61m～0.68m，得知其電流大約在300A左右。又因?yàn)樵诖_定船用推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)中有提到內(nèi)電極外徑為60mm，壁厚5mm，長(zhǎng)500mm，外電極為外徑202mm，壁厚5mm，長(zhǎng)500mm的不銹鋼管。因?yàn)榇帕黧w推進(jìn)過(guò)程發(fā)生在內(nèi)外同心圓電極及其間絕緣體的螺旋片組成的有效斷間，所以以推出流體有效切到磁線(xiàn)長(zhǎng)度大約為14cm，即0.14m。所以根據(jù)安培公式F=BIL推算得海水獲得的安培為210N，因?yàn)榇瞬糠钟?jì)算海水體積大約為10所以平均沒(méi)升海水受到21N左右的安培力。

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)每千克海水中大致有6mol的正離子含量，1L的海水，其中大致有576C的電荷，根據(jù)公式F=Exq，E=U/d（F為海水受到的電場(chǎng)力，q為海水帶電量，U為所加電場(chǎng)的電勢(shì)差，d為兩電板間的距離。）以及從前面所提到的數(shù)據(jù)可知僅需加小型電場(chǎng)即可推動(dòng)1L的海水快速前進(jìn)。

4結(jié)論

該海水離子流船舶推進(jìn)裝置，不僅避免了螺旋槳使用時(shí)帶來(lái)的噪音，而且產(chǎn)生的速度大。該推進(jìn)器使用交流電，充分利用了海水本身的化學(xué)能、動(dòng)能，節(jié)約了能源，原理簡(jiǎn)單，操作并不復(fù)雜。但是本裝置在使用電容去離子的時(shí)候可能會(huì)使離子吸附不完全，所以要加大提高海水在電容中去離子化的效率。endprint