錢兆輝
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中加速后排出產(chǎn)生的推力來推進(jìn),并對該裝置進(jìn)行Rhino建模。再通過HEMS-1實(shí)驗(yàn)船對該裝置進(jìn)行優(yōu)化。
關(guān)鍵詞 船舶推進(jìn);離子;新能源;交流電
中圖分類號 U6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 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)的推力是通過推進(jìn)水泵噴出的水流的反作用力來獲得的,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)雜且與直接由原動機(jī)推動螺旋槳相比,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、結(jié)構(gòu)損壞、噪聲、剝蝕等問題。
可見,現(xiàn)有對船舶推進(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。海水先通過離子選擇器,使負(fù)電荷吸附在電板上,而另一端因沒有直接接觸電板而使正電荷無法被吸附在電板上。于是海水只帶了正電。只帶正電的海水再通過進(jìn)口流旋器,使流體由軸向直流運(yùn)動變成旋轉(zhuǎn)流動,然后通過一個電場,帶電粒子在電場中加速,帶動海水的加速排出,通過出口整流器,將流體由旋流運(yùn)動重新變回軸向流動。加速海水被排出后,產(chǎn)生反作用力,推動了船的前進(jìn)(如圖1所示)。因?yàn)楫?dāng)負(fù)電荷吸附過多時,會中和電板上的正電。所以當(dāng)離子選擇器通電一段時間后,需斷電,使普通海水進(jìn)入沖刷走負(fù)離子,于是此時海水又帶了負(fù)電。而所加電場為交流電,周期為離子選擇器,一次通電加斷電的時間和。帶負(fù)電的海水又進(jìn)入交換了電勢的電場,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)船的資料對我們的作品做出如下要求:
1)因?yàn)閲H上對磁流體的推進(jìn)器的研究分為:按型磁體直線式通道推進(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,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個部分:有效段(包括用于離子過濾的電容器,用于加速的強(qiáng)電場)、進(jìn)口流旋器(使流體由軸向直流運(yùn)動變成旋轉(zhuǎn)流動)、出口整流器(將流體由旋流運(yùn)動重新變回軸向流動)。
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,而在電場電容間需要安裝螺旋片以供海水做旋流運(yùn)動。螺旋片與電場,電容用橡皮脛密封。同時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500mm,外電極為外徑202mm,壁厚5mm,長500mm的不銹鋼管。因?yàn)榇帕黧w推進(jìn)過程發(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長度大約為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為海水受到的電場力,q為海水帶電量,U為所加電場的電勢差,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即可推動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帶來的噪音,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、動能,節(jié)約了能源,原理簡單,操作并不復(fù)雜。但是本裝置在使用電容去離子的時候可能會使離子吸附不完全,所以要加大提高海水在電容中去離子化的效率。endprint