基于磁流体推进技术的海水离子流船舶推进器

钱兆辉

摘要 为了克服现有船舶推进装置的缺点，提出了一种基于磁流体技术的海水离子流船舶推进器。该装置利用海水在电场中加速后排出产生的推力来推进，并对该装置进行Rhino建模。再通过HEMS-1实验船对该装置进行优化。

关键词 船舶推进；离子；新能源；交流电

中图分类号 U6 文献标识码 A 文章编号 2095—6363（2016）17—0005—02

目前，船舶的推进器主要分为以下几种：喷水推进装置、电力推进、螺旋桨。喷水推进的推力是通过推进水泵喷出的水流的反作用力来获得的，但当舰船航速低于20，喷水推进的效率比螺旋桨要低一些，由于增加了管路中水的重量，使得舰船损失排水量，而且在水草或杂物较多的水域，进口容易出现堵塞想象而影响舰船的航速。电力推进却由于能量的多次转换，需要设备多、动力装置重、投资大、控制系统一般比较复杂且与直接由原动机推动螺旋桨相比，电力推进的能量损耗大，总的推进效率低。螺旋桨的应用比较广泛，但当使用大功率的主机后，螺旋桨激振产生局部的不稳定空泡导致螺旋桨作用于船体的压力、振幅和相位都不断变化，造成船尾振动、结构损坏、噪声、剥蚀等问题。

可见，现有对船舶推进器改进是十分重要的，为了克服现有船舶推进器的缺点，在查阅了国内外磁流体技术文献的基础上，提出并设计了一种基于磁流体推进技术的海水离子流船舶推进器。

1海水离子流船舶推进器原理

海水本身带有正电荷和负电荷。海水先通过离子选择器，使负电荷吸附在电板上，而另一端因没有直接接触电板而使正电荷无法被吸附在电板上。于是海水只带了正电。只带正电的海水再通过进口流旋器，使流体由轴向直流运动变成旋转流动，然后通过一个电场，带电粒子在电场中加速，带动海水的加速排出，通过出口整流器，将流体由旋流运动重新变回轴向流动。加速海水被排出后，产生反作用力，推动了船的前进（如图1所示）。因为当负电荷吸附过多时，会中和电板上的正电。所以当离子选择器通电一段时间后，需断电，使普通海水进入冲刷走负离子，于是此时海水又带了负电。而所加电场为交流电，周期为离子选择器，一次通电加断电的时间和。带负电的海水又进入交换了电势的电场，使海水加速排放（如图2所示）。

（此力也是海水作用于船体的力）。

2对海水离子流推进器的要求

我们根据HEMS-1实验船的资料对我们的作品做出如下要求：

1）因为国际上对磁流体的推进器的研究分为：按型磁体直线式通道推进器、螺管磁体螺旋式通道推进器，同样适用于我们的推进器，但是我们考虑到新型推进器高场强和轻量化是影响推进器性能的主要性能，所以我们选择后者的技术路线，即螺管磁体螺旋式通道推进器（如图3所示）。

2）根据HEMS-1实验船的组成，将作品的推进器分成3个部分：有效段（包括用于離子过滤的电容器，用于加速的强电场）、进口流旋器（使流体由轴向直流运动变成旋转流动）、出口整流器（将流体由旋流运动重新变回轴向流动）。

3）我们将进口旋流器安装在电容的进口处，出口旋流器安装在加速电场的出口处，它们由若干导流片构成，导流片的片数、形状及进出口的冲角都需要精心设计，以减少其水力损失，而在电场电容间需要安装螺旋片以供海水做旋流运动。螺旋片与电场，电容用橡皮胫密封。同时螺旋片由绝缘体制成，而电极板由不锈钢制成，以防止发生化学腐蚀。

3相关数据与计算公式

因为HEMS 1试验船的船载超导磁体磁场强度为5T，获得的推力大致在40N～45N，船速达到0.61m～0.68m，得知其电流大约在300A左右。又因为在确定船用推进器的结构中有提到内电极外径为60mm，壁厚5mm，长500mm，外电极为外径202mm，壁厚5mm，长500mm的不锈钢管。因为磁流体推进过程发生在内外同心圆电极及其间绝缘体的螺旋片组成的有效断间，所以以推出流体有效切到磁线长度大约为14cm，即0.14m。所以根据安培公式F=BIL推算得海水获得的安培为210N，因为此部分计算海水体积大约为10所以平均没升海水受到21N左右的安培力。

经计算发现每千克海水中大致有6mol的正离子含量，1L的海水，其中大致有576C的电荷，根据公式F=Exq，E=U/d（F为海水受到的电场力，q为海水带电量，U为所加电场的电势差，d为两电板间的距离。）以及从前面所提到的数据可知仅需加小型电场即可推动1L的海水快速前进。

4结论

该海水离子流船舶推进装置，不仅避免了螺旋桨使用时带来的噪音，而且产生的速度大。该推进器使用交流电，充分利用了海水本身的化学能、动能，节约了能源，原理简单，操作并不复杂。但是本装置在使用电容去离子的时候可能会使离子吸附不完全，所以要加大提高海水在电容中去离子化的效率。endprint