基于磁流體推進技術的海水離子流船舶推進器

錢兆輝

摘要 為了克服現有船舶推進裝置的缺點，提出了一種基于磁流體技術的海水離子流船舶推進器。該裝置利用海水在電場中加速后排出產生的推力來推進，并對該裝置進行Rhino建模。再通過HEMS-1實驗船對該裝置進行優化。

關鍵詞 船舶推進；離子；新能源；交流電

中圖分類號 U6 文獻標識碼 A 文章編號 2095—6363（2016）17—0005—02

目前，船舶的推進器主要分為以下幾種：噴水推進裝置、電力推進、螺旋槳。噴水推進的推力是通過推進水泵噴出的水流的反作用力來獲得的，但當艦船航速低于20，噴水推進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，進口容易出現堵塞想象而影響艦船的航速。電力推進卻由于能量的多次轉換，需要設備多、動力裝置重、投資大、控制系統一般比較復雜且與直接由原動機推動螺旋槳相比，電力推進的能量損耗大，總的推進效率低。螺旋槳的應用比較廣泛，但當使用大功率的主機后，螺旋槳激振產生局部的不穩定空泡導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、結構損壞、噪聲、剝蝕等問題。

可見，現有對船舶推進器改進是十分重要的，為了克服現有船舶推進器的缺點，在查閱了國內外磁流體技術文獻的基礎上，提出并設計了一種基于磁流體推進技術的海水離子流船舶推進器。

1海水離子流船舶推進器原理

海水本身帶有正電荷和負電荷。海水先通過離子選擇器，使負電荷吸附在電板上，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口流旋器，使流體由軸向直流運動變成旋轉流動，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，將流體由旋流運動重新變回軸向流動。加速海水被排出后，產生反作用力，推動了船的前進（如圖1所示）。因為當負電荷吸附過多時，會中和電板上的正電。所以當離子選擇器通電一段時間后，需斷電，使普通海水進入沖刷走負離子，于是此時海水又帶了負電。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。帶負電的海水又進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對海水離子流推進器的要求

我們根據HEMS-1實驗船的資料對我們的作品做出如下要求：

1）因為國際上對磁流體的推進器的研究分為：按型磁體直線式通道推進器、螺管磁體螺旋式通道推進器，同樣適用于我們的推進器，但是我們考慮到新型推進器高場強和輕量化是影響推進器性能的主要性能，所以我們選擇后者的技術路線，即螺管磁體螺旋式通道推進器（如圖3所示）。

2）根據HEMS-1實驗船的組成，將作品的推進器分成3個部分：有效段（包括用于離子過濾的電容器，用于加速的強電場）、進口流旋器（使流體由軸向直流運動變成旋轉流動）、出口整流器（將流體由旋流運動重新變回軸向流動）。

3）我們將進口旋流器安裝在電容的進口處，出口旋流器安裝在加速電場的出口處，它們由若干導流片構成，導流片的片數、形狀及進出口的沖角都需要精心設計，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，以防止發生化學腐蝕。

3相關數據與計算公式

因為HEMS 1試驗船的船載超導磁體磁場強度為5T，獲得的推力大致在40N～45N，船速達到0.61m～0.68m，得知其電流大約在300A左右。又因為在確定船用推進器的結構中有提到內電極外徑為60mm，壁厚5mm，長500mm，外電極為外徑202mm，壁厚5mm，長500mm的不銹鋼管。因為磁流體推進過程發生在內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。所以根據安培公式F=BIL推算得海水獲得的安培為210N，因為此部分計算海水體積大約為10所以平均沒升海水受到21N左右的安培力。

經計算發現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據可知僅需加小型電場即可推動1L的海水快速前進。

4結論

該海水離子流船舶推進裝置，不僅避免了螺旋槳使用時帶來的噪音，而且產生的速度大。該推進器使用交流電，充分利用了海水本身的化學能、動能，節約了能源，原理簡單，操作并不復雜。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