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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 磁流體推力船
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 為了解決現(xiàn)在船舶的螺旋槳推進(jìn)裝置帶來(lái)的噪聲大震動(dòng)大，航速低等一系列問(wèn)題。而設(shè)計(jì)制作了本磁流體推力船。本作品采用了釹鐵硼強(qiáng)磁鐵提供磁力，用無(wú)線電遙控電路來(lái)控制其實(shí)驗(yàn)和測(cè)量各種數(shù)據(jù)。這使其既有現(xiàn)在研制的超導(dǎo)磁流體推力船的行駛安靜穩(wěn)定的特點(diǎn)，還避免了高溫超導(dǎo)的技術(shù)難點(diǎn)。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(xì)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(jìn)裝置。常規(guī)的螺旋槳和其傳動(dòng)裝置在工作中往往會(huì)產(chǎn)生噪聲大震動(dòng)大等一系列問(wèn)題，由此給人們帶來(lái)了很多不便。考慮到船上工作人員的身體健康，就需要花大價(jià)錢安裝隔音裝置和緩沖裝置；同樣，高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳會(huì)嚴(yán)重傷害到海洋中魚類，甚至造成其死亡，給海洋生物帶來(lái)了很大危害；另外，螺旋槳的傳動(dòng)裝置必然要受到其機(jī)械功率的限制，因而不能達(dá)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(duì)船舶推進(jìn)裝置及其相關(guān)技術(shù)的革新是當(dāng)前人們發(fā)展海洋空間的一個(gè)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(shí)用化等問(wèn)題而設(shè)計(jì)研制了新型磁流體推力船，它具有以下特點(diǎn)： 1）有固定的磁體和電極設(shè)計(jì)，消除了螺旋槳和傳動(dòng)裝置造成的噪聲和振動(dòng)大的問(wèn)題； 2）避免了高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳對(duì)海洋生物的傷害； 3）不受轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械功率的限制，理論上可以達(dá)到很高的航速（大約150節(jié)）； 4)采用的磁流體推進(jìn)器可以避免復(fù)雜的傳動(dòng)裝置，從而節(jié)省了船舶上大量的空間； 目前，雖然各國(guó)都在進(jìn)行超導(dǎo)磁流體推進(jìn)船的研制開(kāi)發(fā)，但還沒(méi)有投入到批量生產(chǎn)，這主要是高溫超導(dǎo)技術(shù)的實(shí)用化存在一定的難度。本作品利用釹鐵硼強(qiáng)磁鐵避免了超導(dǎo)的技術(shù)難點(diǎn)，這也是磁流體推進(jìn)船的一種新的研究思路。 二、工作原理 由電流在磁場(chǎng)中受到安培力的作用公式F=BILsin?可知：可以通過(guò)增加磁場(chǎng)強(qiáng)度（B）和增加電流強(qiáng)度（I）來(lái)增加導(dǎo)體受到得安培力，并且當(dāng)電流與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)導(dǎo)體受的安培力最大。 本模型工作時(shí)由在船的尾部裝的磁流體推進(jìn)器提供動(dòng)力。它是由三塊強(qiáng)磁鐵和八塊鋁合金電極板組成，每?jī)蓧K磁鐵間有兩對(duì)與磁鐵垂直的極板，如圖1所示。將船放到鹽水中時(shí)，在極板上加上電壓。由于鹽水的導(dǎo)電性，使極板間產(chǎn)生與磁場(chǎng)方向垂直的電流；在強(qiáng)磁鐵的磁場(chǎng)作用下，相當(dāng)于通電導(dǎo)體的鹽水在安培力的作用下而向后加速運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)船向前運(yùn)動(dòng)。 實(shí)驗(yàn)時(shí)可利用遙控電路改變不同極板間的電極正負(fù)，從而方便實(shí)現(xiàn)其各項(xiàng)性能。當(dāng)極板間都加上正向電壓時(shí)船向前進(jìn)，一個(gè)加正向電壓一個(gè)加負(fù)向電壓或不加電壓時(shí)船向左右轉(zhuǎn)向。 三、技術(shù)分析說(shuō)明 1.由安培力公式F=BILsin?，當(dāng)?取90度時(shí)F取最大值。本模型的推進(jìn)器的極板與磁鐵垂直，故?取90度；其磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.05特斯拉，電流強(qiáng)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?yàn)橛兴慕M極板，所以總推力為0.4N。該模型可以通過(guò)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度B，電流強(qiáng)度I和導(dǎo)體長(zhǎng)度L來(lái)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(dá)到0.1m/s。 3.控制轉(zhuǎn)向時(shí)可通過(guò)遙控線路控制極板上的電壓正負(fù)來(lái)改變其電流方向，從而改變安培力的方向。如圖2所示當(dāng)遙控開(kāi)關(guān)向上頂，旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)順時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)，船前進(jìn)。當(dāng)只向上頂開(kāi)關(guān)時(shí)，只右極板工作船向左轉(zhuǎn)，只順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)只左極板工作船向右轉(zhuǎn)。 四、應(yīng)用前景 1）本模型采用的磁流體推進(jìn)器有效地避免了現(xiàn)用船舶螺旋槳和傳動(dòng)裝置所帶來(lái)的噪聲大振動(dòng)大的問(wèn)題，因此在廣大的航海船舶中有很大的應(yīng)用前景。 2）因?yàn)槠淠馨察o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(duì)敵方目標(biāo)進(jìn)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(diǎn)。 五、今后的改進(jìn)方向 以上的模型為初級(jí)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停€存在很多不足?，F(xiàn)在第二個(gè)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(wèn)題。 1.行駛的速度將更快，因?yàn)樗鼘⒉捎檬鶄€(gè)極板共八組磁通道，到時(shí)將提供更加強(qiáng)勁的動(dòng)力。 2.兩個(gè)獨(dú)立的磁流體推進(jìn)器設(shè)計(jì)將有效的解決現(xiàn)在模型轉(zhuǎn)向慢的問(wèn)題。 3.加上隔磁材料之后它對(duì)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(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1.基本原理：通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受安培力的作用。海水通過(guò)加電壓的極板時(shí)，由于海水的導(dǎo)電性而在海水中產(chǎn)生電流。這時(shí)海水在磁場(chǎng)中受到安培力的作用，把海水加速?gòu)耐七M(jìn)器后面快速噴出而推動(dòng)船前進(jìn)。 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(dǎo)磁流體推力船實(shí)用化困難等問(wèn)題而設(shè)計(jì)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(wèn)題；還根據(jù)現(xiàn)在還在研發(fā)階段的“超導(dǎo)磁流體推進(jìn)器”改造而來(lái)的船舶實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀? 4.創(chuàng)新點(diǎn)：采用的磁流體推進(jìn)器，可使船舶更加安靜穩(wěn)定快速航行；用常規(guī)的強(qiáng)磁鐵提供磁力，避免了高溫超導(dǎo)提供磁力而帶來(lái)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(chǎng)對(duì)其的影響和其無(wú)線電控制線路的設(shè)計(jì)。 6.技術(shù)指標(biāo)：磁場(chǎng)強(qiáng)度:0.2T;磁推力:0.4N;航速:0.1m/s。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本磁流體推進(jìn)船是利用通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受安培力的作用[1]把電能直接轉(zhuǎn)換成海水流體的動(dòng)能，然后把海水從后面噴射出以獲取反推力來(lái)推動(dòng)船前進(jìn)。 1.這與傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)技術(shù)相比，它沒(méi)有了復(fù)雜的傳動(dòng)裝置，故消除了因機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生的巨大的噪聲和振動(dòng)[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(dòng)機(jī)械功率的限制[3]，所以理論上還可以達(dá)到很高的航速。 2.和已有的超導(dǎo)磁流體推力船相比。它采用了強(qiáng)磁鐵提供磁力 ，避免了高溫超導(dǎo)產(chǎn)生磁場(chǎng)的技術(shù)難點(diǎn)[4]。 參考文獻(xiàn)： [1]楊硯儒主編.應(yīng)用物理學(xué).北京市：高等教育出版社,2007 [2]徐筱欣主編. 船舶動(dòng)力裝置. 上海市：上海交通大學(xué)出版社, 2007. [3] 李宏，李波，張欽良主編.工程機(jī)械維修工實(shí)用技術(shù)手冊(cè).南京市：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2009.07 [4]王秋良著.高磁場(chǎng)超導(dǎo)磁體科學(xué).北京市：科學(xué)出版社,2008.
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 模型實(shí)驗(yàn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 模型、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明：該作品為原理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停谶M(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示時(shí)要放在鹽度為3%左右的鹽水中以模擬海水。實(shí)驗(yàn)時(shí)，把船放到鹽水中。然后，同時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和向上頂起遙控器上的開(kāi)關(guān)，就可以看到推進(jìn)器后有兩道水流噴出，船前進(jìn)。當(dāng)松開(kāi)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)時(shí)，船向左轉(zhuǎn)。松開(kāi)頂起的開(kāi)關(guān)時(shí)，船向右轉(zhuǎn)。 技術(shù)特點(diǎn)：本磁流體推進(jìn)船的固定磁極和極板設(shè)計(jì)，消除了傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)裝置的震動(dòng)噪聲大和航速慢的問(wèn)題。而且采用的常規(guī)強(qiáng)磁鐵避免了高溫超導(dǎo)產(chǎn)生磁場(chǎng)的技術(shù)難點(diǎn)。 推廣前景：故此技術(shù)可以廣泛的應(yīng)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(yīng)用價(jià)值。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：此技術(shù)很可能像噴氣式飛機(jī)取代螺旋槳飛機(jī)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(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 自1961年以來(lái)，美國(guó)、日本、蘇聯(lián)、中國(guó)等先后開(kāi)展了磁流體推進(jìn)的研究。到目前為止，這方面的研究大致可分為三個(gè)階段：磁流體推進(jìn)原理性研究；磁流體推進(jìn)應(yīng)用基礎(chǔ)研究及磁流體推進(jìn)實(shí)用化技術(shù)的研究。超導(dǎo)材料尤其是高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展和磁流體技術(shù)的進(jìn)步以及超導(dǎo)磁流體推進(jìn)船模試驗(yàn)和理論研究的成果，使人們看到了磁流體推進(jìn)實(shí)用化的前景，并開(kāi)展了一系列實(shí)用化技術(shù)的研究。l985年，日本開(kāi)始了磁流體推進(jìn)在船舶上實(shí)用化的研究，并于1992年研制出“大和一號(hào)”實(shí)驗(yàn)船，在海上進(jìn)行了自航試驗(yàn)，它標(biāo)志著世界上第一艘無(wú)螺旋槳的磁流體推進(jìn)船的誕生。 我國(guó)從20世紀(jì)70年代初開(kāi)始了磁流體推進(jìn)技術(shù)的研究，1971年，中國(guó)船舶工業(yè)總公司武漢船舶設(shè)計(jì)研究所和武漢船用電力推進(jìn)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(jìn)器，并安裝在潛艇模型上在水池中進(jìn)行了試驗(yàn)。從1996年開(kāi)始從事超導(dǎo)磁流體推進(jìn)技術(shù)的研究，研制成功世界上第一艘超導(dǎo)螺旋式電磁流體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)船，2000年獲中科院科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。建成了用于磁流體推進(jìn)器水動(dòng)力學(xué)研究的海水循環(huán)試驗(yàn)裝置和用于試驗(yàn)船綜合性能研究的航試水池。上述成功的研究實(shí)例標(biāo)志著此種推進(jìn)方式很可能將成為本世紀(jì)最有希望的船舶推進(jìn)方式之一。
