1、船舶动力装置的历史及未来发展 The History and Future of Marin Power System 主要内容 船舶动力装置简介 船用柴油机的现状与未来发展 船舶电力推进技术的历史与发展 磁流体推进技术的发展 挑战与展望 世界和中国都需要大规模的航运。中国对外贸易1.15亿USD，其中90%通过远洋航运实现。石油进口1.2亿吨，居世界第二。每天都有以千万吨计的油轮正在为中国运送石油矿石进口，去年我国进口铁矿石20799万吨，铜矿石进口288万吨，居世界第一。矿石绝大部分自澳大利亚、南非、南美进口航运业（Shipping）一个长盛不衰、欣欣向荣的行业 最大的贴牌生产国最大的轻工
2、业、纺织业出口国世界集装箱运输量的1/3在中国。世界前10位集装箱港口中，中国的香港、上海、深圳分别名列第一、第三、四位。（2004年世界集装箱港口排名）保障航运的安全和畅通才能保障国防和社会生活的安全运行。中国的航运业将会继续高速发展。船舶动力装置 船舶的心脏 航运的硬件平台是船舶船舶和港口港口。港口港口是航运的起点和终点。它需要能让大型船舶停泊（深水），并有高效的装卸设备和大面积的堆场。船舶船舶是航运的主体，穿梭于港口之间，其前进和操纵的能力来自于其推进装置。船舶也相当于有人居住的水上岛屿，需要有完整的循环系统来保障生产和生活环境，如供电、供水、供暖（冷）、治污等。依据船舶的用途，船舶有专
3、用的工作机械：舰船 战斗系统钻井船 开采系统挖泥船 疏浚系统渔船 捕捞系统 通常这些系统都以电力驱动。失去了动力，船舶便成为随风浪漂流的死船，处在极端危险的境地。船舶动力系统的类型 船舶动力系统通常有两种类型。一、原动机与推进器机械联接构成独立的推进装置，另有船舶电站，负责供应所有辅助机械及生活系统。推进用的原动机又称为主机（Main Engine）现有的船舶80%以上，采用这类系统。原动机原动机（Prime Motor）是将燃料的化学能（或原子能）转化为机械能的机器。原动机常用的为柴油机、燃气轮机、蒸汽涡轮（常规或原子锅炉）。推进器推进器（Propeller）通常为螺旋桨（螺距固定或可控），
4、在小型高速船舶中也有用喷水推进（Water Jet Propulsion）的。原动机和推进器可以直联或通过减速齿轮联接。Energysources：FossilAtomicGeneratorMainengine：DieselTurbine.loadsMechanicalEnergyElectricenergyPropellersEnergysources：FossilPrimeengine：DieselTurbine.MechanicalEnergy原动机的分类及用途汽油机Gasoline Engine柴油机Diesel Engine蒸汽涡轮装置Steam Turbine燃气涡轮装置Gas T
5、urbine热效率较低，功率小于200千瓦，大量用于汽车，仅游艇等小型船舶使用。热效率最高，低速柴油机可与螺旋桨直联。80%以上的民用商船采用柴油机为主机，通常小于10万千瓦 由涡轮和锅炉组成，热效率较柴油机低。功率可很大，以煤为燃料的装置常用于发电厂，在船舶上常用于核动力船及液化天然气船 重量轻而功率大，常用于航空发动机，船舶中主要用于军舰 二、电力推进的船舶动力装置（Marine Electric Propulsion）电力推进船舶有一个集中的中央电站，向全船供应动力，包括推进动力在内。电力推进船舶目前大约只占1/6，但未来将会成倍增长。MEPS:WHATs&WHYw MEPS is a
6、propulsion system in which propellers are driven by electric motorsEnergysources：FossilAtomicPropellersMotorGeneratorPrimeengine：DieselTurbine.Fuel CellOther loadsMechanicalEnergyElectricenergy船用柴油机的现状与未来发展The History and future of Marine Diesel Engine w 1893至1897年期间，在德国的奥古斯堡MAN制造厂开发出了第一台可以应用的柴油机。今天
7、MAN公司仍然是世界上最大的柴油机制造商之一w 在最初20年中，柴油机的基本结构已经形成，并在航空、车辆、航海等方面取得广泛的应用。1912年首台柴油机用于远洋船舶，此时船舶的动力还是蒸汽机的天下（Titanic，即在该年首航并沉没)。w 在 此后20余年的竞争中，随着二次世界大战中“自由轮”的退役，蒸汽机全面退出了历史舞台，取而代之的是大功率的船用柴油机。w 另一方面在航空领域中涡轮机及喷气机的崛起，则使星型航空发动机在飞行动力中被淘汰。w 在数十年的竞争过程中很多名牌公司被淘汰或兼并，其中包括美国、英国、荷兰、瑞典等发达国家的制造商。今天90%以上的远洋船市场已被23个大跨国公司所垄断。w
8、 这些处于垄断地位的大跨国公司主要是MAN-B&W公司以及Watshila-Sulzer公司，世界主要的造机或造船厂都是购买了他们的专利许可证生产他们的产品在韩国生产的MAN B&W S90w市场的需求引导着技术进步的方向 经济的全球一体化需要大规模的跨洋物流，从而要求船舶大型化、快速化。这就要求柴油机的功率迅速增长（因为柴油机的功率必需与螺旋桨转速的三次方成正比）特别是集装箱船,不仅装箱数增多,而且航速要求提高到2425kn。例如建造装运TEU12000个，航速2324kn的集装箱船，要求单机功率近100,000kW w The Hamburg Express，the worlds larg
9、est container ship，carries up to TEU7500，powered by a huge 12K98MC，70,000kW Diesel Engine远洋轮的需求导致低速柴油机巨人的出现 由于螺旋桨转速低时，效率较高，而较低的转速也有利于燃料的燃烧。因此出现了6070rpm/min的低速柴油机，柴油机的高度达到15米以上，这种机型称为低速二冲程发动机，广泛地用于远洋船舶。军事上的需求导致了增压技术的发展：在有限的空间和重量下发出最大功率 早期的柴油机都是自然吸气的，在发动机气缸内，有限的空气只能燃烧有限的油，从而只能发出有限的功率。增压(Supercharging)
10、是指把空气压缩，密度增大后再进入发动机气缸。如此，气多、油多，功率自然增加 增压技术的突破是在50年代初，至今非增压的柴油机除了在部分车辆上还有使用外，在船舶上已经绝迹w 燃烧的技术是柴油机最重要的核心技术燃烧必须及时，并在以毫秒计的时间内结束燃烧必须完全，不能有黑烟、CO、NOx等有害排放燃烧必须平顺，以减少振动和噪声对于燃烧过程的认识并未穷尽，对于燃烧的控制也远未达到完善w 能源危机与重油的应用 在运价激烈的竞争中，船东提出了降低燃料费用的要求。降低燃料费用一个重要措施是使用低品质的燃料油(Fuel Oil)，柴油(Diesel Oil)和燃料油的价格相差一倍以上。这就导致了重油技术的诞生
11、，今天这一技术已经从低速机普及到中速机。船用柴油机技术现状The State of the Art of Marine Diesel Enginew 自从柴油机诞生以来，技术性能已经发生了极大的变化：效率已经从25%提高到50%，在近十年来，每年提高1%。这意味着用同样的油现在可以产生一倍以上的马力平均压力从0.50.6MPa提高到2.5MPa，这意味着同样大小的柴油机现在可以产生四倍的马力新的技术和方法New Technologies&Solutions高新技术正在改变着传统柴油机的面貌。w 电子控制及IT技术常规的机械控制装置被取代各种芯片、传感器、控制器、执行器成为 发动机运行的灵魂遥控
12、、无人机舱、一人船桥（One Man Bridge）智能发动机及中央能量管理系统（Intelligent Engine）新的世纪：电子控制的智能发动机的时代已经来临，MAN的智能发动机2000年11月已经在挪威的一艘37500dwt化学品船上试用船舶电力推进技术的历史与发展 传统的船舶动力系统 柴油机与推进器机械连接的缺点：1、主机的功率必须按船舶最高航速配置，当工作在低速时，柴油机的效率迅速降低。原动机负载低时效率低是不可避免的，这就象大马拉小车一样。因而机动性要求高的船舶，例如军舰、邮轮、各种工作船舶，其油耗高成为难以解决的顽症。2、柴油机不能工作在最低稳定转速之下（当转速太低时，柴油机会
13、失火）。对于操纵性要求高，需要动态定位的船舶无法满足要求（海上钻井、电缆敷设、海上输油）。另外在低转速下也发不出大的扭矩（破冰船），没有制动功能和迅速正倒车。3、主机与推进器刚性连接，制约了机舱优化布置，占据了巨大空间，传统的舵螺旋桨的推进效率低于电力推进船舶的吊舱推进器。以上缺点，正好是电力推进船舶的优点。电力推进船舶的优点 机动性：巡航时，可以关闭部分或大部分发电机组。操纵性：现代控制器驱动的推进器可以在零转速附近工作，并具有大扭矩，并有制动功能。柔性布置：可以把推进电机放在艉水下吊舱内和螺旋桨连接，吊舱可以360旋转。舒适性：振动、噪声小、隐蔽性好电力推进船舶的市场趋势w 包括核动力在内
14、的新一代军用舰船将无一例外地采用电力推进及综合电力系统。美国会已经通过听证，同意弗吉尼亚级核潜艇采用综合电力系统。美海军部长美海军部长Danzig说：说：“Changes in propulsion systems are fundamental and offundamental importance.Thus,we are moving forward to embrace a technology,electric drive technology,and.the integrated power system that comes with it,to drive Navy ships
15、.This is a very fundamental step.Were taking it because weve judged that the technology is ripe enough to reach it.”w 油价的高企可能使电力推进迅速用于新的领域w 将广泛应用于滚装船、邮轮、集装箱船、化学品及LNG船、高速船、离岸工作船（钻井船）等w 在民用船方面，电力推进系统的产值目前仍约占15左右，约USD800M。但至2013年预测电力推进系统的产值将增长56倍，达到USD4bn5bn，约为现有动力系统总产值的7080 尽管如此，船舶电力推进发展的历史却颇为曲折。由于结构简
16、单的交流电机其转速取决于电网的工作频率，而变频问题长期来未能解决。因此几十年来船舶电力推进只是用在军舰及特种用途船舶上，而未成为推进动力的主流。交流电机最简单的的原理概括如下：将交流电导入电机的定子绕组，可产生旋转的磁场，该磁场将以与交流电频率相应的角速度旋转。当转子也产生磁场时，这二个磁场磁力的作用将使转子跟随定子磁场旋转而旋转。如果交流电的频率不变则电机转速不变。船舶电力推进技术的发展史 人们在200年前发现了电，在150年前发明了发动机，其原理简单地说来即为电生磁、磁生力。通过磁场的媒介，电能可以转变为机械能反之亦然。1795年，富兰克林发现电流 1800年，伏尔泰发明电池，人类第一次有
17、了可使用的电能1831年，法拉第发现电磁感应，打开了电能与机械能的转换之门1834年，Davenport发明了第一台使用电刷及半圆环（机械换流器）的直流电动机，并用伏尔泰电池为电源作了电力机车模型，正是这个模型使卡尔.马克思欣喜若狂1882年，爱迪生采用同样的原理用蒸汽机作为原动机发电，并将直流电用于照明1886年，William Stanley发明变压器18821892年，Nikola Telsa发现旋转磁场原理，发明无刷的交流感应电动机及发电机，并实现了多相功率配送，开始了爱迪生与威斯汀豪斯的交、直流之战：The War of Currents。最终爱迪生失败 1900年10月12日，第一
18、艘美海军潜水艇下水，采用汽油机和电动机驱动，载重64吨，航速6节 1911年，第一艘柴油机船下水（二冲程4x250/370）1913年，第一艘柴油电力推进船Tynemount下水，1644吨，300HP/400RPM。但因起动负载过大而未成功，1914年改装，1916年被击沉于大西洋1917年，世界大战爆发刺激了海军的发展，期间电力推进在舰船中得到了很快的发展。电力推进的德国潜艇击沉了共650万吨商船；美新墨西哥级战斗舰为蒸汽透平电力推进，功率已达40，000HP1918年电力在世界的迅速应用，使得列宁说出了“共产主义等于苏维埃+电气化”的名言 1920年，S/S NOMANDY 邮轮下水，功
19、率达到29MW，采用蒸汽透平为原动机，以同步发电机及同步电动机组成的电力传动来带动螺旋桨。而同期使用电力推进的航空母舰其功率已达到180，000HP 1934年，第一艘使用变距浆的船只下水。在其专利问世30年以后的这项技术，使交流电机可能用于电力推进。第二次世界大战期间：约有300艘水面舰艇采用电力推进技术。而主要的技术方案或为交流同步电力传动，或为直流发电、直流电动机驱动。由于其固有缺点，因而限制了其应用。在民用船方面，除了豪华轮及破冰船之外，很少采用。而柴油机潜艇只有采用电力推进，因为在水下航行电池是唯一的能源。在二战中惨烈的大西洋之战，德国有千余艘潜艇击沉。而其水下航速仅6节/小时。此后
20、在军用方面，1960年美建造了电力推进的Tullibee号核潜艇（1988年退役），1974年建造了Lipscomb号核潜艇。但这些传统的电力推进装置维修困难，性能不佳，并不成功。1947年，美贝尔实验室发现半导体。这是二十世纪最伟大的发明之一，以至于我们可以把二十世纪的后五十年称为硅世纪。期间，半导体的应用向着两个极端的领域迅猛发展。在微电子方面，大规模集成电路的硅芯片（wafer core）是构成全部的绚烂的信息世界的基础；而在强电的转换和传递方面，可控硅的应用使大功率电能的电子控制得以实现，产生了一门新的学科Power Electronics 今天，由于大功率可控硅技术的突破，人们可以用
21、毫安级的微电流来控制几千安的强大电流，并且在微秒级的时间内使之导通或关闭。利用这些高速的大功率电子开关，人们可以轻易地改变交流电的瞬态波形。包括频率、电压和相位。用这样的变频器来驱动推进电机，可以满足任何需要，包括转速和扭矩。船舶推进电机通常是和螺旋桨直联，最大功率已达43,000kW(43 MW)。电压通常为6600伏11000伏，电流达数千安以上。当强大的电流通过时，即使优良的铜导线也会产生大量的热，大电流成为电机功率最主要的制约因素，此时只有增加电缆截面积和增加散热面积。而这将引起电机重量和体积的增大。目前2万千瓦推进电机的外径都在3米以上。此外，减少电能与机械能转换中的损失也一直是技术
22、进步的目标。超导技术的突破可以大大提高传统电机的性能。这对舰艇尤为重要。高温超导（HTS：High Temperature Superconductor）技术 将超导体用于电机以减少铜损和铁损并缩小电机的体积与重量，在上世纪末取得了重大的突破。这主要是基于高温超导体材料的最新成果。人类早在1911年就发现水银在4K时有超导特性，但直至1986年以后才发现了某些氧化物陶瓷可以在较高温度下具有超导特性。其中包含美籍华人科学家Daul.Chu的功绩。所谓高温超导体是指在50K以上，在临界电流临界磁通以下，电阻为零的导体。由于其临界温度高于液氮的温度43K，因而可以用液氮冷却来保持材料的超导。目前以氧
23、化铜为基的Ti2Ba2Ca2Cu3O10的临界温度为125K，而其电流密度约为铜导线的140倍，1000A/mm2。第二代HTS导线是一种约4厘米的宽带。到2007年12月美国超导公司将具有30万米生产能力。美国海军大力投资发展HTS电机。2003年投资AS7000万美元以制造36.5MW的HTS马达，投资GE制造100MVA的GENSETS；法国阿尔斯通则制造20MWHTS马达。而5800HP/1800RPM的HTS Motor则已经成功运行。美国AS公司制造的5MW的HTS电机HTS Motor的优点包括：w 重量和体积缩小，重量减轻1/3以上。在大功率电机中可减少2/3。w 铜损和铁损减
24、小，使效率提高，尤其是在部分负荷时。永磁（PM：Permanent Magnetic）电机 大功率的推进电机也需要强大的磁场，转动螺旋桨的扭矩正是由磁力所产生。传统电机中的磁场都是由带有铁芯的线圈（绕组）通电后产生的。但是向转动着的绕组通电是很困难的事。在永磁材料方面的突破，可以轻易地克服这一困难。永磁材料就是一旦充磁后就不会退磁的材料。w 永磁电机是美国人Howard Johnson在1979年发明的，当时美国专利局对其专利申请的评审员认为其发明违背了能量守恒定律，不过这一专利最终还是获得了通过。永磁马达也被称为HJmotor。在永磁材料方面也有很大突破。过去永磁性材料是以钴、铂等为主要材料
25、，价格昂贵，钴的主要产地在刚果（扎伊尔），主要用于信息产业。1983年发现以稀土金属铷为主要元素的铷铁硼材料具有极其优越的抗矫磁性。而这一材料十分便宜，其资源主要在中国内蒙，中国永磁材料的生产量2000年已经占1/3以上。而在2001年更占稀土矿生产的70。w 永磁材料也可以和其它技术相结合用于船舶电力推进。2003年ABB公布已经可以生产5000kW的吊舱永磁电机。在海军正在建造的高温超导体电机中很多都同时采用了永磁材料。2002年西南交大成功研制了磁悬浮永磁、高温超导机车。永磁电机的优点：w 转子无铁芯，转动惯量小，响应快；w 无电刷即集流环。吊舱推进技术的发展（Podded Propul
26、sion）Pod指吊于船外的水下舱室，室内有推进电机，通过轴系及推进轴承和推进器，电机与母船只有动力电缆及通信电缆相连接。Fix Pod与Azipod：Azipod指可沿Z轴360旋转动的吊舱，其中Azi指Azimurth。Azimurth传动过去由锥齿轮系组成的Zdrive实现，后来又用于侧推器（Thruster）。在九十年代中期ABB率先将Azimurth概念用于主电力推进。其后又提出了对向反转吊舱推进装置的概念。生产吊舱系统的著名公司：ABB Industry（Azipod）Rolls-Royce（Mermaid）Schottel-Siemens（SSP）John Cranelips（D
27、olphin）Azipod技术充分发挥了电力推进系统的优势，因此几年来得到了飞速的发展。吊舱的结构如图所示。超导磁流体推进技术 w 对于海上交通运输，人们日益关注其对全球环境的影响、运输的效率、速度和旅途的舒适性等。然而，现有的螺旋桨推进船舶由于技术局限性，无法实现真正安静型高速航行，很难满足人们日益提高的要求。作为船舶推进新技术之一的超导磁流体船舶推进是将电能直接转换成海水动能推动船舶前进。由于推进系统中没有高速旋转部件，消除了传统螺旋桨推进的“空泡”现象和传动机构产生的振动和噪声，能实现真正安静型高速航行。该项技术已引起造船界的关注，被认为是二十一世纪船舶推进技术的发展新方向，其实用化将引
28、起船舶推进的重大变革，对高速舰船、远洋轮、破冰船和军事用途舰艇都有重大的实用意义。磁流体推进技术的基本原理 w 由于海水是导电流体，给推进器管道中的海水施加一个磁场和一个与磁场正交的电场，管道中的海水就会受到一个与电场和磁场垂直的电磁力（洛沦兹力）的作用。当这个力的方向沿着船尾方向时，海水将向船尾方向运动，同时，海水的运动给船体一个反作用力，使船体向前运动。超导磁流体推进技术的特点 w1）.安静。安静。由于超导磁流体推进取消了常规的螺旋桨、喷水推进、泵喷等转动机构，因而可大大降低由转动机构引起的噪声和振动。尤其在高速船舶中，螺旋桨推进不可避免地会产生空泡。空泡的产生不仅会引起船舶的振动，产生噪
29、声，而且严重影响螺旋桨的推进效率，缩短使用寿命。而超导磁流体推进将不受此种危害，使舰船真正实现安静航行。（所谓螺旋桨的空泡现象是指：螺旋桨在水中工作时，桨叶的叶背压力降低形成吸力面，若某处的压力降低至临界值以下时，导致爆发式的气化，水汽通过界面，进入气核并使之膨胀，形成气泡，称为空泡。）w2）.高速。高速。由于超导磁流体推进的动力输出装置，如磁体、电极等都是相对静止的，这样就可大大提高船舶主机的功率级，不再受转动机械的功率限制，从而可制造出超大功率的高航速舰船。w3）.布置灵活。布置灵活。由于超导磁流体推进器的一切设备无固定地安装在机舱内某个位置的要求，因此可以在舰船的设计中有效地利用舱室空间
30、，供给设备安装的灵活性。w4）.操纵性好。操纵性好。通过改变磁流体推进器中电极的极性或电流的大小即可改变推力的方向或推力的大小，而改变电极的极性或电流的大小较机械逆转或变速更容易实现，并容易做到平滑调速，从而提高了舰船的灵活性，改善了舰船的操纵性能。w此外，使用磁流体推进还有一个重要的优点，即可能利用磁流体推进器产生的强大水动力发射水下武器（鱼雷和导弹），这样不仅省去了传统的鱼雷发射装置，而且也避免了传统水下发射时存在的巨大噪声。超导磁流体推进器的组成及结构形式 w 超导磁流体推进器主要由超导磁体、通道、电极以及电源和控制测量系统等组成。其中，超导磁体为推进器提供所要求的磁场；通道是指由电极和
31、绝缘壁组成并承受电磁力的推进器筒体，电极给推进器提供电场，一般选用具有良好电化学性能的材料（如金属氧化物DSA、镀铂或钛等）制成。w 目前，磁流体推进器主要有线型通道磁流体推进器，螺旋型通道磁流体推进器和环形通道磁流体推进器三种基本结构形式。线型通道磁流体推进器线型通道磁流体推进器 w 线型通道磁流体推进器的通道是直线形，管道的截面一般为矩形、圆形和环形。它的磁体一般是由鞍型线圈绕制的二极或四极磁体。这种推进器的通道结构简单，海水阻力小，水动力功率转换效率高。它的磁场方向与电流方向垂直，同时推进器中电磁力的作用方向与流体流动方向一致，因此，其磁场强度利用率高，电磁功率转换效率高。不足之处是鞍形
32、磁体的结构复杂，加工工艺和技术要求高。螺旋型通道磁流体推进器螺旋型通道磁流体推进器 w螺旋型通道磁流体推进器磁体内部安装一对圆筒形电极，其中一个为内电极，另一个为外电极。两电极之间设置由非导磁的绝缘材料制成的螺旋壁，电极与螺旋壁形成螺旋型通道，在通道的进口处设置有导流器，将海水的轴向流动转换成螺旋运动，在通道的出口处设置有整流器，以将海水的螺旋运动转换成轴向运动。w在螺旋型通道推进器中采用了螺管超导磁体，和鞍型超导磁体相比，螺管超导磁体具有结构简单，磁场强度高等优点。如采用多螺管组合式布置，这种结构形式的推进器在效率、磁场、磁体结构等方面都有其潜在优势环型通道磁流体推进器环型通道磁流体推进器
33、w 环型通道磁流体推进器的通道为圆环形，这种推进器一般布置在潜艇的壳体上，它不仅可安装成单段结构，也可以分散安置成两段或更多段的结构，它与总长相等、输入功率相当的其它形式的磁流体推进器相比，不仅克服了由于磁体及通道太长而导致推进器结构复杂和制造工艺困难等问题，而且还能使它的推力和效率有所提高。另外，这种推进器形式可以节约潜艇的内部空间。超导磁流体推进技术的发展 w 1961年，美国人赖斯提出磁流体推进系统的设想；1963年，多拉格提出“直流内磁式超导磁流体”推进器，这种方案与赖斯最早的设想区别在于磁体磁场对海水作用的电磁力区域处于推进器内部而非其外。在随后的10多年间，人们设计和制作了多种磁流
34、体推进系统，但由于当时超导技术不够成熟，只能采用常规磁体（磁场强度较低）进行试验，磁流体推进的研究主要停留在原理阶段。w 80年代后，船舶磁流体推进的研究逐步向实用化阶段迈进。美国、日本、俄罗斯和中国等相继开展了一系列超导磁流体推进关键技术及实用化研究，包括高场强超导磁体和磁流体推进器的结构形式及其最佳设计计算方法，性能分析，试验装置及方法，物理和化学现象，推进器的辅助和控制设备以及最佳船型的设计等等。美国 w 美国磁流体推进研究的目标是QT磁流体推进技术。主要研究单位有：美国海军水下系统中心，戴维泰勒舰船研究发展中心，阿贡国家实验室，阿夫可公司。他们在推进器的结构形式，推进通道内部流场特性等
35、方面进行了大量的理论分析和试验研究。提出了鞍型磁体直线通道和D型磁体环形通道两种不同结构形式的磁流体推进器。并针对洛杉矶号攻击型核QT进行了QT的磁流体推进的概念设计。其结果表明，当磁场强度为6特斯拉，航速为30节时，通过合理地选取推进器的形状和电场数据，电磁推进效率可达到40%（如图5所示）。同时，在阿贡国家实验室和美国海军水下作战中心各建有一套大型的超导磁流体推进器的试验装置，用于研究推进器性能，如压力增加效率与磁场强度、电极电压、电导率、通道流速、环境压力等相互关系。同时，进行了电极性能及材料，磁流体推进器与机械泵振动的对比试验及声学特性的研究等。目前的研究工作据说已进入秘密研究阶段，进
36、展详情不知。美国磁流体推进QT概念设计 俄罗斯 w 俄罗斯在上世纪70年代，前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开展了QT磁流体推进的研究，研制出5.8特斯拉、150800毫米的超导螺旋型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，并在此基础上，进行了7特斯拉、10002200毫米的超导螺旋型磁流体推进器及其推进的QT概念设计计算；此外，还进行了电极的腐蚀机理及其试验研究。俄罗斯磁流体推进回路试验装置 日本 w 日本鉴于具有超导磁流体推进船模的理论和试验研究基础，具有大型超导磁体的制造能力。在1985年，日本成立了“超导电磁推进船的开发研究委员会
37、”，决定建立超导电磁推进船，即超导磁流体推进试验船，并以实际海域航行试验为目的，从而开始了磁流体推进在船舶实用化的研究。研究的主要内容包括：磁流体推进器和船的结构型式及最佳配合，超导磁体的强磁场和轻量化及其可靠性，电极材料及其电化学性能，磁流体推进器及其动力，制冷和控制设备的合理布局，船舶的航行及操纵性能，等等。经过理论分析计算和模型试验，于1992年研制出“大和一号”试验船，该船总长为30米，排水量为185 吨，设计航速为8节，采用直流内磁式推进器，并在海上进行自航试验。在试验中，进行了航速试验、操舵试验、回旋试验等，获得了相当的成功。它标志着世界上第一艘超导磁流体推进船的诞生。日本“大和一
38、号”我国磁流体推进技术的研究 w 我国于70年代开展了对磁流体推进技术的研究。七二所曾经研究过常规导体的磁流体推进技术，但由于常规导体产生的磁场强度较弱，回转体水下模型的外磁式磁流体推进自航试验结果表明，其推进效率极低。它是我国进行磁流体推进技术研究的开端。w 作为国家研究发展项目，磁流体推进技术在1992年开始得到中科院的支持，列入中科院“八五”重点攻关项目，在电工所进行基础研究，成功地研制了永磁磁体的磁流体推进QT模型，并进行了演示试验。w 在“九五”期间，中科院电工所在863 计划的支持下，进行了超导磁流体推进技术的研究，已建成了较为完整的超导磁流体船舶推进实验室，包括盐水循环试验系统，
39、航行试验池以及计算机数据采集和处理系统、激光测速系统等；建立了一套磁流体船舶推进的数学分析方法和计算模型及相应的数据库。超导磁流体推进器回路试验装置的研制 w 其目的是研究影响螺旋型通道推进器性能的各种损失因素以及各种性能参数之间的关系，验证螺旋型通道推进器性能预测和设计的理论分析方法，同时，建立螺旋型通道推进器设计和计算时与机械损失相关的数据库。w 超导磁流体推进试验装置由循环海水试验主回路，辅助回路，超导磁体及低温系统、数据测量及计算机采集系统等组成。其中主回路包括可拆卸的螺旋型通道试验段、T超导磁体、便于观察气泡的透明段、气体分离器、带变频调速的循环泵以及不锈钢的联接管件，辅助回路的目的
40、是将主回路海水（盐水）泵入贮罐中，以便多次使用，并能清除主回路的沉淀物。试验中各物理量通过传感器转换成模拟信号，进入计算机的数据采集系统，从而实现试验过程的数据实时显示、存盘和监控，大大方便了试验操作，提高了试验数据的准确性和精度，同时也使实验数据库的建立和后期分析变得可能。超导磁流体推进试验装置 磁流体推进发展w 在超导磁流体推进器中，船舶的推力是由电磁力产生，为了获得大的推力和高的效率，就要求提供高的磁场。初步的理论分析表明，当磁场强度为10特斯拉以上，磁流体船舶推进将具有实用价值。在以往的研究中，更多的研究工作主要集中在直线通道鞍形磁体推进器的研究和试验。由于鞍形磁体结构复杂，加工工艺要
41、求高，目前的水平很难制造出适用于磁流体船舶推进使用的场强高，尺寸大，重量轻的鞍形超导磁体。因此，试验研究的推进器几何尺寸和磁场强度均处于较低的水平，推进器的效率和推力很难达到实用。中日高场强磁流体推进器的试验研究 w多年来，中科院电工所主要从事螺管磁体螺旋型通道推进器的研究，在理论分析和试验研究方面积累了丰富的经验。相对而言，高场强，大温孔的螺管磁体的制造更为现实。经中国科学院电工研究所的提议，得到日本神户商船大学和日本国立材料科学研究所的响应，两国三方的科研人员于1999年8月9月在日本筑波首次完成了14特斯拉高场强条件下的螺旋型通道磁流体船舶推进器的合作试验研究。w试验结果表明，其性能指标
42、较“HEMS1”试验船及日本研制的“大和一号”试验船提高了一个数量级。这是世界上首次进行的高场强情况下的磁流体推进器的试验研究，中科院电工所承担了试验核心部件磁流体推进器的研制工作，研制和试验中解决了一系列重要技术问题，w当电流密度为1000安培/平方米，推进器电效率为22%，比“大和一号”提高了近10倍，电磁力密度约为10000牛顿/平方米，比“大和一号”高出一个数量级。这次试验的成功，不仅获得了颇有价值的实验数据，而且显示了我国已具备进行大型船舶的磁流体推进系统概念设计的能力和必要的技术基础，也确立了我国在该领域的国际先进地位。磁流体推进的展望w 超导磁流体推进技术是一项涉及电磁学、流体力
43、学、电化学等多学科，并且综合性很强的高技术。该技术难度很大，需要解决的问题很多，有些问题已经解决，有些问题正在研究，但还有些问题有待未来高新技术，尤其是超导材料及磁体技术的解决。近几年来，磁流体推进技术在其他领域的应用研究也得到扩展，如微流体泵，人工心脏辅助装置，超音速飞机、海水流动控制以及油污海水的分离回收等技术的研究。可以预言，随着科学的发展、技术的进步、新材料和新工艺的出现，超导磁流体推进技术将在不远的将来得到更大的发展，并走向实用化。面临的挑战The Challenges船舶动力装置所面临的挑战：1、安全 Safety 船舶及其货值愈益昂贵，常以10亿元计；出现事故时伴随着重大污染；船
44、员数量减少，现场处理几乎不可能。解决方案 Solutions：（1）驾驶遥控，无人值班机舱。（2）智能化的监控系统及故障诊断。（3）故障出现后的自我保护。2、节能 Engine Saving 化石燃料的供应，全球性不足的时代已经来临。全球油价高企，燃料成本已经超过全部开销的30%。解决方案 Solutions：（1）船舶大型化；根据船舶的用途，采用先进的船舶动力系统。（2）科学用能：船舶是一个独立的能岛，要建立科学的能量管理系统，以杜绝浪费。例如要杜绝以电供热，以电致冷。3、环保 人类正在面临全球气候突变的威胁。CO2的过量排放，温室效应，全球变暖，是罪魁祸首。中国每年排放40亿吨CO2，仅次
45、于美国。京都议定书要求各国降低CO2排放。NOx及SOx都是化石燃料燃烧的产物，会引起酸雨、光化学烟雾等后果，国际公约对其排放均有要求。水污染方面，各国对油污水排放都有严格标准。对于压载水，为避免不同水域中生态破坏，要求在深海中交换压截水。解决方案 Solutions：（1）各种进化器的使用（2）排放的控制技术对未来的展望 人类在取得先进文明的同时，大大地透支了在地质年代中形成和浓缩的太阳能化石燃料。在人类的历史长河中化石燃料（石油、煤炭、天然气）只能是短暂的昙花一现。能够长期使用的只能是可再生能源。例如太阳能、风能、水能、生物能等。但是这些能量大都密度很小。它可以用于陆上的发电装置，但不适于用作航海。液体燃料和核燃料（其资源也极有限）仍然作为高密度的能源被长期使用，直到可再生的高强度储能装置被发明为止。谢谢大家2009
