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1、综述与评论Com prehensive Review磁流体推进应用基础研究及磁流体推进实用化技术的研究。1961年,赖斯基于液态金属电磁泵工作原理,提出了电磁推进系统即磁流体推进系统的设想,从而拉开了船舶磁流体推进研究的序幕。1966年,韦 研制出由常导线圈构成的双圆柱电磁推进系统,并安置在EM S21潜艇模型上进行试验,首次实现了船 舶磁流体推进。20世纪70年代,超导技术步入实用化阶段,1976年日本神户商船大学佐治吉郎、 岩田章等人将 超导磁体用于磁流体推进器,研制出磁通量密度0. 607T、 推力为0. 015N的SEMD21磁流体推进装 置(船模),并在水槽中进行了试验。 超导材料尤
2、其是高温超导材料的发展和磁流体技术的进步,以及超导磁流体推进船模试验和理论 研究的成果,使人们看到了磁流体推进实用化的前景,并开展了一系列实用化技术的研究。 苏联科学院 高温物理研究所、 卡尔波夫物理化学研究所等单位研制出5. 8T、 直径150mm长800mm的超导螺旋磁流体推进器通道模型,进行了压力分布、 电极压降、 磁流体性能的分析和试验。 美国阿贡国家实验室、 海军水下系统中心和阿夫柯公司等单位,建立了海水 循环回路,对几个不同尺寸通道的线性磁流体推进器的运行性能和关键技术进行理论和试验研究。1985年,日本开始了磁流体推进在船舶上实用化的 研究,并于1992年研制出 “大和一号” 实
3、验船,在海上进行了自航试验,它标志着世界上第一艘无螺旋 桨的磁流体推进船的诞生。我国从20世纪70年代初开始了磁流体推进技 术的研究, 1971年,中国船舶工业总公司武汉船舶设计研究所和武汉船用电力推进装置研究所联合研 制出磁通量密度为0. 075T的外磁流式磁流体推进 器,并安装在潜艇模型上在水池中进行了试验。 近年1尹真,等:船舶磁流体推进技术研究 来,中国科学院电工研究所研制出磁流体推进试验用0. 87T, 35mm50mm300mm的永磁磁体和0. 46T的永磁式磁流体推进器及其船模后,又研制出推进器用磁通密度达4T、 直径200mm、 长300mm的螺管形超导磁体,并且正进行着螺旋型
4、超导磁流体推进器及船模的研究。3 磁流体推进的工作原理和特点磁流体推进是利用海水中电流和磁场间的相互作用力使海水运动而产生的一种推进方法。 具体说,磁流体推进是把海水作为导电体,利用磁体在通道内建立磁场,通过电极向海水供电,此时载流海水就会在与它相垂直的磁场中受到电磁力(洛伦兹力)的作用,其受力方向按左手定则确定。 海水受力时沿电磁力方向运动,其反作用力即推力推进船舶运动。 在磁场一定的情况下,电流大,电磁力大,推力也大,船运动的速度就快;反之,电流小,电磁力小,推力也小,船运动的速度也慢。当电流方向改变时,电极的极性也改变,电磁力和推力的方向也改变,船舶运动的方向也随之改变。这样就可以利用调
5、节电流大小的方法来控制船的速度,利用改变电极的极性来操纵船的方向。船舶采用磁流体推进后,具有以下特点。(1)振动和噪声小。磁流体推进取消了螺旋桨推进使用的螺旋桨、 轴系的减速齿轮,消除了由这些转动机构引起的振动和噪声,其辐射噪声也比螺旋桨推进器小,使得船舶几乎在安静的状态下航行。(2)高效。磁流体推进器是一个静止设备,它既克服了转动机械的功率限制,也克服了螺旋桨高速转动形成的空泡,因而可以大大提高设备的功率。(3)布置方便。磁流体推进器装置中各部件,如发电机、 推进器、 辅助及控制等设备之间没有刚性连接,它可以集中或分散安装在舱室内任何一个位置,布置方便。(4)操纵性好。磁流体推进易于实现由驾
6、驶人员在驾驶室中通过控制推进器的输入电压或电流对船舶进行操纵,通常通过调节电压(电流)的大小来控制船舶的推力及速度;通过改变电压的极性,即电流的方向,来操纵船舶的运行方向。4 关键技术指标4. 1 电磁力与工作压力在电磁力作用的区域,海水受到的电磁力为:Fe=VdJBsinedV,式中 Vd通道的有效体积;J电流密度;B磁通量密度; e电流与磁通量的夹角。当电流密度与磁通量密度均匀分布且相互垂直 的情况下,上式积分得Fe=JBVd。在理想情况下,推进器的工作压力等于单位面积上的电磁力,即P=Fe?Ad=JBL,式中 Ad通道的有效面积;L通道的有效长度。 上式表明,推进器的工作压力P与电磁力F
7、e成 正比。 电磁力越大,工作压力也越大;电磁力越小,工作压力越小。4. 2 喷速与流速 流速是指海水流动的速度。喷速是按相对运动 的观点,海水在通道出口处相对于通道的流速。 图1 表示喷速Vn与船速Vs的关系。图1表明,在船速一定的情况下,电磁力Fe大,喷速就大。图1 流速特性(Fe1,Fe2)4. 3 磁流体的效率其公式:=1 0 式中 船磁流体推进效率; 1磁流体推进器效率;0船舶影响系数。图2中B为磁通量密度,Vs为船速,为效率。磁流体推进器的效率与磁通密度、 电流密度、 通道损 失以及电导率等因素有关。 图2表明,采用较低的电 流密度和较高的磁通密度可以提高效率。4. 4 推力与阻力
8、 图3表示了推进器推力FT、 阻力FR与船速VS之间的关系,推力FT随船速增大而减小;阻力FR随 船速增大而增大,a点为它的稳定工作点。2造 船 技 术 2002年第1期(总第245期)图2 磁流体推进效率特性(B1,B2)3 磁流体推进运行图5 常导直流磁流体推进器的试验研究为了能更好地验证磁流体推进原理,观察磁流 体推进时的物理和化学现象,总结推进的运行性能, 我们进行了常导直流磁流体推进器的试验研究。5. 1 常导直流的试验研究模型 我们建立了如图4所示常导直流磁流体推进器试验的循环回路,在磁流体推进器和水泵的压力作 用下,海水在回路中循环流动,以单体小水线面水翼 复合船作为我们的试验船
9、型。为了能得到确切的试 验数据,我们把磁流体推进单体水翼复合船模型放 在水槽中进行试验。当给模型加上36V的电压、2A的电流时,模型就会在水槽中缓慢地运动。图4 常导直流磁流体推进器模型试验示意图5. 2 常导直流磁流体推进器试验中的电解现象在进行常导直流磁流体推进器的试验中,发现会发生一些物理和化学现象,如电解、 气泡、 电解腐蚀,等等。这里我们着重介绍一下电解现象。直流磁流体推进器有两个电极,它们分别与电压的正、 负两端相连,与正端连接的电极称为阳极,与负端连接的电极称为阴极。由于电极一般由金属材料制成并浸泡在海水中,而海水是一种可电解的氯化钠(N aCl) 溶液,它含有大量的离子,如钠离
10、子、 氯离子、 氢离 子、 氢氧离子,等等。 在外施电场作用下,带正电荷的 钠离子(N a+)向阴极移动,带负电荷的氯离子(Cl-) 向阳极移动。当Cl-接触到阳极时,会失去电子而被 氧化;当N a+接触到阴极时,会接受电子而被还原。 人们把前者称为氧化反应,又称阳极反应;把后者称 为还原反应,又称阴极反应。 这两种反应均在电流通 过溶液时进行,并分别在两个金属电极溶液界面上发生,电解就是这一电化学反应的过程,其反应式为 在阳极:2Cl-Cl2+ 2e-2H2OO2+ 4H+ 4e-在阴极:2H+ 2e-H22H2O + 2e-2OH+ H2N a+ e-N a2N a+ 2H2O + 2e-
11、2N aOH+ H2 在海水溶液:2N aOH+ Cl2N aClO + N aCl+ H2OCl2+ H2OHClO + Cl-+ H+HClOClO-+ H+值 得 注 意 的 是,电 解 所 生 成 的 次 氯 酸 钠(N aClO)会污染环境,影响海藻、 贝类等海洋生物的生长,所析出的氯(Cl)、 氢(H2)等气体渗入水中便成为气泡,气泡随水从口喷出时又会形成痕迹;气泡 的破裂和振荡还会引起噪声。 此外,电解还将引起电 极的腐蚀和电解电势,并且还将消耗电能和降低推 进器效率。5. 3 电极的腐蚀电化学反应除了析出气体外,还将引起电极的 腐蚀,使得电极材料变质和破坏。 影响电极腐蚀的因
12、素很多,如电极材料、 海水成分、 电流密度、 磁场强 度、 极性交替交换工作的时间等等。 上述各种因素对 电极腐蚀的影响程度,可依靠试验来确定。 磁流体推进器电极的腐蚀过程是电极在海水中的电化学反应 过程,它可分为腐蚀的阳极过程和腐蚀的阴极过程。 试验表明,电流密度越高,腐蚀速度越快。在一定的 含盐量及温度范围内,随着海水的含盐量减少和温 度的升高,腐蚀的速率增快;但在上述范围之外,其速率反而变慢。腐蚀速率还与磁场及流速等因素有 关。 随着电极材料的不同,上述各因素对电极腐蚀的 影响也不同。下转第10页3尹真,等:船舶磁流体推进技术研究 口角隅疲劳损伤,根据两个船级社规范推荐的疲劳 强度简化计
13、算方法算得的疲劳损伤值有较大的差 异。其主要原因是,在GL和ABS规范中,除了所采 用S2N曲线、 平均应力等影响参数的考虑、 应力范 围长期W eibull分布形状参数的取值等不同之外,作用在结构上的各外载荷分量及其组合所产生的应 力范围各分量考虑也不尽相同。 然而,疲劳损伤的计 算对这些参数的取值非常敏感,所以两者在计算结 果上存在较大的差异。另外,对于本算例,计算得到 的最大疲劳损伤值所出现的位置是不同的,根据GL规范算得的结果是在机舱前端(44号肋位)的舱 口角隅处,而根据ABS算得的结果是在船舯附近(119号肋位)的舱口角隅处。4 结论通过上述分析比较,不难发现,两个船级社规范 在集
14、装箱船舱口角隅疲劳强度校核方法上存在如下较大的差别。 (1)所采用S2N曲线的数据不同(见表1), GL规范考虑了材料、 平均应力、 焊接和构件重要性等因 素的影响(见(2)式),并以修正参考强度替代参考强 度;而ABS未考虑材料和平均应力的影响,构件的影响在W eibull分布形状参数取值中体现(见表2)。 (2)在GL和ABS规范中,应力范围长期W eibull分布形状参数 的取值有明显的不同,而 对结构疲劳强度评定结果的影响是很显著的。(3)在GL和ABS规范中,计算最大应力范围的各外载荷分量及其组合的计算方法存在较大差 异。 (4)GL DECKFRAM E软件中没有考虑应力释放孔(钥
15、匙孔)对舱口角隅应力集中的影响,这样必然导致算得的应力偏大。 因此,尽管GL和ABS规范中的疲劳强度简化 计算方法,都是基于S2N曲线和M iner线性累积损 伤理论,且均采用双线性S2N曲线,规范中允许应 力范围的导出也都是结合了船舶设计寿命一生中出现该应力范围的超越概率,但是,由于各有关参数的 取值和最大应力范围计算方法的差异,必然导致计 算结果存在一定差异,甚至对有些结构进行疲劳强 度校核时可能出现不同的评价结论。也就是存在满 足一个船级社规范疲劳强度要求的舱口角隅,而有可能不满足另一个船级社规范要求的情况,这由表7疲劳损伤度的值可以更直观地看出。 所以,在集装箱船舱口角隅结构设计中,考
16、虑其 疲劳强度时,应注意到相关船级社规范的有关规定。 当然,考虑到疲劳强度校核简化方法的近似性和不同船级社规范的差异,在允许的条件下,最好采用更 为准确的直接计算方法来评定集装箱船舱口角隅的 疲劳强度。5 参考文献1 Germanischer L loyd. Rules for Classification and Con2struction(I . Ship Technology1. Seagoing Ships1.Hull Structures). 19982 ABS. Rules forBuilding and Classing, SteelV essels(Part5, SpecificV essel TypesChapter 5). 2000.3 Payer H G, FrickeW. Rational di mensioning and analysisof complexshipstructures .SNA & M
