基本信息
- 项目名称：
- 磁流体推力船
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 为了解决现在船舶的螺旋桨推进装置带来的噪声大震动大，航速低等一系列问题。而设计制作了本磁流体推力船。本作品采用了钕铁硼强磁铁提供磁力，用无线电遥控电路来控制其实验和测量各种数据。这使其既有现在研制的超导磁流体推力船的行驶安静稳定的特点，还避免了高温超导的技术难点。这种技术不仅适用与广大的航海船舶，而且在军事舰艇等特殊船舶上也有广阔前景。
- 详细介绍：
- 一、研究背景 现在的航海船舶绝大部分采用螺旋桨推进装置。常规的螺旋桨和其传动装置在工作中往往会产生噪声大震动大等一系列问题，由此给人们带来了很多不便。考虑到船上工作人员的身体健康，就需要花大价钱安装隔音装置和缓冲装置；同样，高速旋转的螺旋桨会严重伤害到海洋中鱼类，甚至造成其死亡，给海洋生物带来了很大危害；另外，螺旋桨的传动装置必然要受到其机械功率的限制，因而不能达到很高的转速，故航海船舶的航速都很低，这也成为限制海洋船舶业发展的重要因素。因此，对船舶推进装置及其相关技术的革新是当前人们发展海洋空间的一个最为迫切的需要。 故为探索常规螺旋桨航海船舶行驶噪声大，航速低和磁流体推力船实用化等问题而设计研制了新型磁流体推力船，它具有以下特点： 1）有固定的磁体和电极设计，消除了螺旋桨和传动装置造成的噪声和振动大的问题； 2）避免了高速旋转的螺旋桨对海洋生物的伤害； 3）不受转动机械功率的限制，理论上可以达到很高的航速（大约150节）； 4)采用的磁流体推进器可以避免复杂的传动装置，从而节省了船舶上大量的空间； 目前，虽然各国都在进行超导磁流体推进船的研制开发，但还没有投入到批量生产，这主要是高温超导技术的实用化存在一定的难度。本作品利用钕铁硼强磁铁避免了超导的技术难点，这也是磁流体推进船的一种新的研究思路。 二、工作原理 由电流在磁场中受到安培力的作用公式F=BILsin可知：可以通过增加磁场强度（B）和增加电流强度（I）来增加导体受到得安培力，并且当电流与磁场方向垂直时导体受的安培力最大。 本模型工作时由在船的尾部装的磁流体推进器提供动力。它是由三块强磁铁和八块铝合金电极板组成，每两块磁铁间有两对与磁铁垂直的极板，如图1所示。将船放到盐水中时，在极板上加上电压。由于盐水的导电性，使极板间产生与磁场方向垂直的电流；在强磁铁的磁场作用下，相当于通电导体的盐水在安培力的作用下而向后加速运动，从而推动船向前运动。 实验时可利用遥控电路改变不同极板间的电极正负，从而方便实现其各项性能。当极板间都加上正向电压时船向前进，一个加正向电压一个加负向电压或不加电压时船向左右转向。 三、技术分析说明 1.由安培力公式F=BILsin，当取90度时F取最大值。本模型的推进器的极板与磁铁垂直，故取90度；其磁场强度为0.05特斯拉，电流强度为1安培，极板间的距离为0.5厘米。故F=0.2·1·0.5=0.1N。因为有四组极板，所以总推力为0.4N。该模型可以通过增大磁场强度B，电流强度I和导体长度L来增加安培力的大小，如选择磁性能高的永磁体。 2.本模型的最高速度可达到0.1m/s。 3.控制转向时可通过遥控线路控制极板上的电压正负来改变其电流方向，从而改变安培力的方向。如图2所示当遥控开关向上顶，旋转开关顺时针转时，船前进。当只向上顶开关时，只右极板工作船向左转，只顺时针转动开关时只左极板工作船向右转。 四、应用前景 1）本模型采用的磁流体推进器有效地避免了现用船舶螺旋桨和传动装置所带来的噪声大振动大的问题，因此在广大的航海船舶中有很大的应用前景。 2）因为其能安静稳定快速地行驶，所以它在军事上也有很大的用途。比如可用于侦察船舶和潜艇中，可对敌方目标进行秘密侦察而不被发现。 3）由于避免安装螺旋桨及其操控装置，因此具有布置方便、操控灵活的特点。 五、今后的改进方向 以上的模型为初级实验模型，它还存在很多不足。现在第二个磁流体推力船的模型已经制作到中期阶段。它向不仅增加了些军事元素，而且将更好的解决很多问题。 1.行驶的速度将更快，因为它将采用十六个极板共八组磁通道，到时将提供更加强劲的动力。 2.两个独立的磁流体推进器设计将有效的解决现在模型转向慢的问题。 3.加上隔磁材料之后它对外界的影响将变得更小，行驶更加自如。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.基本原理：通电导体在磁场中受安培力的作用。海水通过加电压的极板时，由于海水的导电性而在海水中产生电流。这时海水在磁场中受到安培力的作用，把海水加速从推进器后面快速喷出而推动船前进。 2.发明目的：为探索常规螺旋桨航海船舶行驶噪声大，航速低和超导磁流体推力船实用化困难等问题而设计研制了新型磁流体推力船。 3.基本思路：为了解决现在现在船舶噪声大，航速低的问题；还根据现在还在研发阶段的“超导磁流体推进器”改造而来的船舶实验模型。 4.创新点：采用的磁流体推进器，可使船舶更加安静稳定快速航行；用常规的强磁铁提供磁力，避免了高温超导提供磁力而带来的技术难度。 5.技术关键：如何提高其推力大小，怎样克服外界磁场对其的影响和其无线电控制线路的设计。 6.技术指标：磁场强度:0.2T;磁推力:0.4N;航速:0.1m/s。
科学性、先进性
- 本磁流体推进船是利用通电导体在磁场中受安培力的作用[1]把电能直接转换成海水流体的动能，然后把海水从后面喷射出以获取反推力来推动船前进。 1.这与传统的螺旋桨推进技术相比，它没有了复杂的传动装置，故消除了因机械振动而产生的巨大的噪声和振动[2]，所以可以安静稳定的航行，还节省了船舶上大量的空间。而且它不受转动机械功率的限制[3]，所以理论上还可以达到很高的航速。 2.和已有的超导磁流体推力船相比。它采用了强磁铁提供磁力 ，避免了高温超导产生磁场的技术难点[4]。 参考文献： [1]杨砚儒主编.应用物理学.北京市：高等教育出版社,2007 [2]徐筱欣主编. 船舶动力装置. 上海市：上海交通大学出版社, 2007. [3] 李宏，李波，张钦良主编.工程机械维修工实用技术手册.南京市：江苏科学技术出版社,2009.07 [4]王秋良著.高磁场超导磁体科学.北京市：科学出版社,2008.
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 模型实验阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型、现场演示、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：该作品为原理实验模型，在进行实验演示时要放在盐度为3%左右的盐水中以模拟海水。实验时，把船放到盐水中。然后，同时顺时针转动和向上顶起遥控器上的开关，就可以看到推进器后有两道水流喷出，船前进。当松开旋转开关时，船向左转。松开顶起的开关时，船向右转。 技术特点：本磁流体推进船的固定磁极和极板设计，消除了传统螺旋桨推进装置的震动噪声大和航速慢的问题。而且采用的常规强磁铁避免了高温超导产生磁场的技术难点。 推广前景：故此技术可以广泛的应用于各种航海船舶。而且其安静稳定高速航行的特性，在军事和其他特殊领域上也有很大应用价值。 经济效益预测：此技术很可能像喷气式飞机取代螺旋桨飞机引起航空技术的飞跃一样，引发航海船舶业的技术革命。这必将带来巨大的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 自1961年以来，美国、日本、苏联、中国等先后开展了磁流体推进的研究。到目前为止，这方面的研究大致可分为三个阶段：磁流体推进原理性研究；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。超导材料尤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。l985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。从1996年开始从事超导磁流体推进技术的研究，研制成功世界上第一艘超导螺旋式电磁流体推进实验船，2000年获中科院科技进步二等奖。建成了用于磁流体推进器水动力学研究的海水循环试验装置和用于试验船综合性能研究的航试水池。上述成功的研究实例标志着此种推进方式很可能将成为本世纪最有希望的船舶推进方式之一。
