基本信息
- 項目名稱：
- 磁流體推力船
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 為了解決現(xiàn)在船舶的螺旋槳推進裝置帶來的噪聲大震動大，航速低等一系列問題。而設(shè)計制作了本磁流體推力船。本作品采用了釹鐵硼強磁鐵提供磁力，用無線電遙控電路來控制其實驗和測量各種數(shù)據(jù)。這使其既有現(xiàn)在研制的超導磁流體推力船的行駛安靜穩(wěn)定的特點，還避免了高溫超導的技術(shù)難點。這種技術(shù)不僅適用與廣大的航海船舶，而且在軍事艦艇等特殊船舶上也有廣闊前景。
- 詳細介紹：
- 一、研究背景 現(xiàn)在的航海船舶絕大部分采用螺旋槳推進裝置。常規(guī)的螺旋槳和其傳動裝置在工作中往往會產(chǎn)生噪聲大震動大等一系列問題，由此給人們帶來了很多不便?？紤]到船上工作人員的身體健康，就需要花大價錢安裝隔音裝置和緩沖裝置；同樣，高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳會嚴重傷害到海洋中魚類，甚至造成其死亡，給海洋生物帶來了很大危害；另外，螺旋槳的傳動裝置必然要受到其機械功率的限制，因而不能達到很高的轉(zhuǎn)速，故航海船舶的航速都很低，這也成為限制海洋船舶業(yè)發(fā)展的重要因素。因此，對船舶推進裝置及其相關(guān)技術(shù)的革新是當前人們發(fā)展海洋空間的一個最為迫切的需要。 故為探索常規(guī)螺旋槳航海船舶行駛噪聲大，航速低和磁流體推力船實用化等問題而設(shè)計研制了新型磁流體推力船，它具有以下特點： 1）有固定的磁體和電極設(shè)計，消除了螺旋槳和傳動裝置造成的噪聲和振動大的問題； 2）避免了高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳對海洋生物的傷害； 3）不受轉(zhuǎn)動機械功率的限制，理論上可以達到很高的航速（大約150節(jié)）； 4)采用的磁流體推進器可以避免復雜的傳動裝置，從而節(jié)省了船舶上大量的空間； 目前，雖然各國都在進行超導磁流體推進船的研制開發(fā)，但還沒有投入到批量生產(chǎn)，這主要是高溫超導技術(shù)的實用化存在一定的難度。本作品利用釹鐵硼強磁鐵避免了超導的技術(shù)難點，這也是磁流體推進船的一種新的研究思路。 二、工作原理 由電流在磁場中受到安培力的作用公式F=BILsin?可知：可以通過增加磁場強度（B）和增加電流強度（I）來增加導體受到得安培力，并且當電流與磁場方向垂直時導體受的安培力最大。 本模型工作時由在船的尾部裝的磁流體推進器提供動力。它是由三塊強磁鐵和八塊鋁合金電極板組成，每兩塊磁鐵間有兩對與磁鐵垂直的極板，如圖1所示。將船放到鹽水中時，在極板上加上電壓。由于鹽水的導電性，使極板間產(chǎn)生與磁場方向垂直的電流；在強磁鐵的磁場作用下，相當于通電導體的鹽水在安培力的作用下而向后加速運動，從而推動船向前運動。 實驗時可利用遙控電路改變不同極板間的電極正負，從而方便實現(xiàn)其各項性能。當極板間都加上正向電壓時船向前進，一個加正向電壓一個加負向電壓或不加電壓時船向左右轉(zhuǎn)向。 三、技術(shù)分析說明 1.由安培力公式F=BILsin?，當?取90度時F取最大值。本模型的推進器的極板與磁鐵垂直，故?取90度；其磁場強度為0.05特斯拉，電流強度為1安培，極板間的距離為0.5厘米。故F=0.2·1·0.5=0.1N。因為有四組極板，所以總推力為0.4N。該模型可以通過增大磁場強度B，電流強度I和導體長度L來增加安培力的大小，如選擇磁性能高的永磁體。 2.本模型的最高速度可達到0.1m/s。 3.控制轉(zhuǎn)向時可通過遙控線路控制極板上的電壓正負來改變其電流方向，從而改變安培力的方向。如圖2所示當遙控開關(guān)向上頂，旋轉(zhuǎn)開關(guān)順時針轉(zhuǎn)時，船前進。當只向上頂開關(guān)時，只右極板工作船向左轉(zhuǎn)，只順時針轉(zhuǎn)動開關(guān)時只左極板工作船向右轉(zhuǎn)。 四、應用前景 1）本模型采用的磁流體推進器有效地避免了現(xiàn)用船舶螺旋槳和傳動裝置所帶來的噪聲大振動大的問題，因此在廣大的航海船舶中有很大的應用前景。 2）因為其能安靜穩(wěn)定快速地行駛，所以它在軍事上也有很大的用途。比如可用于偵察船舶和潛艇中，可對敵方目標進行秘密偵察而不被發(fā)現(xiàn)。 3）由于避免安裝螺旋槳及其操控裝置，因此具有布置方便、操控靈活的特點。 五、今后的改進方向 以上的模型為初級實驗模型，它還存在很多不足?，F(xiàn)在第二個磁流體推力船的模型已經(jīng)制作到中期階段。它向不僅增加了些軍事元素，而且將更好的解決很多問題。 1.行駛的速度將更快，因為它將采用十六個極板共八組磁通道，到時將提供更加強勁的動力。 2.兩個獨立的磁流體推進器設(shè)計將有效的解決現(xiàn)在模型轉(zhuǎn)向慢的問題。 3.加上隔磁材料之后它對外界的影響將變得更小，行駛更加自如。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 1.基本原理：通電導體在磁場中受安培力的作用。海水通過加電壓的極板時，由于海水的導電性而在海水中產(chǎn)生電流。這時海水在磁場中受到安培力的作用，把海水加速從推進器后面快速噴出而推動船前進。 2.發(fā)明目的：為探索常規(guī)螺旋槳航海船舶行駛噪聲大，航速低和超導磁流體推力船實用化困難等問題而設(shè)計研制了新型磁流體推力船。 3.基本思路：為了解決現(xiàn)在現(xiàn)在船舶噪聲大，航速低的問題；還根據(jù)現(xiàn)在還在研發(fā)階段的“超導磁流體推進器”改造而來的船舶實驗模型。 4.創(chuàng)新點：采用的磁流體推進器，可使船舶更加安靜穩(wěn)定快速航行；用常規(guī)的強磁鐵提供磁力，避免了高溫超導提供磁力而帶來的技術(shù)難度。 5.技術(shù)關(guān)鍵：如何提高其推力大小，怎樣克服外界磁場對其的影響和其無線電控制線路的設(shè)計。 6.技術(shù)指標：磁場強度:0.2T;磁推力:0.4N;航速:0.1m/s。
科學性、先進性
- 本磁流體推進船是利用通電導體在磁場中受安培力的作用[1]把電能直接轉(zhuǎn)換成海水流體的動能，然后把海水從后面噴射出以獲取反推力來推動船前進。 1.這與傳統(tǒng)的螺旋槳推進技術(shù)相比，它沒有了復雜的傳動裝置，故消除了因機械振動而產(chǎn)生的巨大的噪聲和振動[2]，所以可以安靜穩(wěn)定的航行，還節(jié)省了船舶上大量的空間。而且它不受轉(zhuǎn)動機械功率的限制[3]，所以理論上還可以達到很高的航速。 2.和已有的超導磁流體推力船相比。它采用了強磁鐵提供磁力 ，避免了高溫超導產(chǎn)生磁場的技術(shù)難點[4]。 參考文獻： [1]楊硯儒主編.應用物理學.北京市：高等教育出版社,2007 [2]徐筱欣主編. 船舶動力裝置. 上海市：上海交通大學出版社, 2007. [3] 李宏，李波，張欽良主編.工程機械維修工實用技術(shù)手冊.南京市：江蘇科學技術(shù)出版社,2009.07 [4]王秋良著.高磁場超導磁體科學.北京市：科學出版社,2008.
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 模型實驗階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 模型、現(xiàn)場演示、圖片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明：該作品為原理實驗模型，在進行實驗演示時要放在鹽度為3%左右的鹽水中以模擬海水。實驗時，把船放到鹽水中。然后，同時順時針轉(zhuǎn)動和向上頂起遙控器上的開關(guān)，就可以看到推進器后有兩道水流噴出，船前進。當松開旋轉(zhuǎn)開關(guān)時，船向左轉(zhuǎn)。松開頂起的開關(guān)時，船向右轉(zhuǎn)。 技術(shù)特點：本磁流體推進船的固定磁極和極板設(shè)計，消除了傳統(tǒng)螺旋槳推進裝置的震動噪聲大和航速慢的問題。而且采用的常規(guī)強磁鐵避免了高溫超導產(chǎn)生磁場的技術(shù)難點。 推廣前景：故此技術(shù)可以廣泛的應用于各種航海船舶。而且其安靜穩(wěn)定高速航行的特性，在軍事和其他特殊領(lǐng)域上也有很大應用價值。 經(jīng)濟效益預測：此技術(shù)很可能像噴氣式飛機取代螺旋槳飛機引起航空技術(shù)的飛躍一樣，引發(fā)航海船舶業(yè)的技術(shù)革命。這必將帶來巨大的經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 自1961年以來，美國、日本、蘇聯(lián)、中國等先后開展了磁流體推進的研究。到目前為止，這方面的研究大致可分為三個階段：磁流體推進原理性研究；磁流體推進應用基礎(chǔ)研究及磁流體推進實用化技術(shù)的研究。超導材料尤其是高溫超導材料的發(fā)展和磁流體技術(shù)的進步以及超導磁流體推進船模試驗和理論研究的成果，使人們看到了磁流體推進實用化的前景，并開展了一系列實用化技術(shù)的研究。l985年，日本開始了磁流體推進在船舶上實用化的研究，并于1992年研制出“大和一號”實驗船，在海上進行了自航試驗，它標志著世界上第一艘無螺旋槳的磁流體推進船的誕生。 我國從20世紀70年代初開始了磁流體推進技術(shù)的研究，1971年，中國船舶工業(yè)總公司武漢船舶設(shè)計研究所和武漢船用電力推進裝置研究所聯(lián)合研制出磁通量密度為0.075T的外磁流式磁流體推進器，并安裝在潛艇模型上在水池中進行了試驗。從1996年開始從事超導磁流體推進技術(shù)的研究，研制成功世界上第一艘超導螺旋式電磁流體推進實驗船，2000年獲中科院科技進步二等獎。建成了用于磁流體推進器水動力學研究的海水循環(huán)試驗裝置和用于試驗船綜合性能研究的航試水池。上述成功的研究實例標志著此種推進方式很可能將成為本世紀最有希望的船舶推進方式之一。
