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2目 录第一章 船舶推进器的演变与展望 11.1船舶推进器的演变 11.1.1 原始推进 11.1.2 螺旋桨和喷水推进器 21.1.3 电力推进 21.2 新型突进方式及展望 3第二章 国内外磁流体技术研究的现状 32.1 国外磁流体技术研究的现状 42.2 我国磁流体技术研究的现状 62.3 磁流体推进器的开发 6第三章 磁流体推进 73.1 磁流体推进的原理 73.2 磁流体推进的分类 83.3 典型磁流体推进器 83.4 磁流体推进的特点 10第四章 磁流体推进开发面临的问题 114.1 电极问题 114.2 效率问题 114.3 关键技术问题 11第五章 高温超导磁流体 115.1 超导磁流体推进的关健技术 12结 论 132天津大学 建工学院 2010级 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。
1.1 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。