8.2 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電磁推進(jìn)船
8.2.1 基本原理與發(fā)展
船舶推進(jìn)系統(tǒng)多數(shù)采用螺旋槳推進(jìn)器，但螺旋槳推進(jìn)器在水下高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生“空泡”現(xiàn)象，大大了降低推進(jìn)器效率并限制了船速的進(jìn)一步提高，另外，一般螺旋槳都采用柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)，因此產(chǎn)生較大機(jī)械振動(dòng)、磨損和噪音，較大噪聲破壞了軍用艦艇隱蔽性，尤其是水下潛艇在高速航行時(shí)較大的機(jī)械振動(dòng)和噪聲，容易被對(duì)方聲納發(fā)現(xiàn)，于是世界各國(guó)正在尋求一種高速、無(wú)聲安靜的船用推進(jìn)裝置。
直線電磁推進(jìn)器就是其中一例，它根據(jù)電學(xué)上的弗萊明（Fleming）左手定則，利用海水是導(dǎo)體，通電海水在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生電磁力的基本原理，讓受力海水由船尾直接高壓噴水推動(dòng)船舶高速、無(wú)聲航行，其原理如圖8-23所示。直線電磁推進(jìn)器具有無(wú)振動(dòng)、無(wú)磨損、無(wú)噪聲和控制靈活等特點(diǎn)，特別應(yīng)該指出的是由于沒(méi)有螺旋槳，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)就不存在“空泡”現(xiàn)象，從而運(yùn)行速度可大大超過(guò)目前常規(guī)海輪的速度。
直線電磁推進(jìn)器的理論航速100n mile/h，一般螺旋槳推進(jìn)的商船航速25 n mile/h，前者航速為后者四倍。現(xiàn)代噴氣飛機(jī)已達(dá)3000 km/h，螺旋槳飛機(jī)極限航速750km/h，也是四倍。由此可見(jiàn)，直線電磁推進(jìn)器一旦實(shí)用化，將類似于噴氣飛機(jī)代替螺旋槳飛機(jī)一樣，在海運(yùn)界將引起一場(chǎng)重大變革。
1992年6月，世界上第一艘載人超導(dǎo)直線電磁推進(jìn)船“大和一號(hào)”在日本神戶港正式試航成功，引起了世界造船界的震驚。在此之前，早在1961年美國(guó)賴斯（A·Rice）教授首先提出了?！半姶疟谩睂＠瑥亩议_(kāi)了研究船舶電磁推進(jìn)器的序幕。1966年美國(guó)的S·Way制作了這種模型船進(jìn)行了航行實(shí)驗(yàn)。英國(guó)1970年制作了1000kW的超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組合的陸上試驗(yàn)，1976年日本神戶商船大學(xué)佐治教授制成了超導(dǎo)直線電磁推進(jìn)模型船。美國(guó)1980年制作了300kW超導(dǎo)電磁推進(jìn)船的海上試驗(yàn)，并制作了2250kW的試驗(yàn)樣機(jī)。1985年日本成立了“超導(dǎo)電磁推進(jìn)船開(kāi)發(fā)研究委員會(huì)”。1990年完成了480kW超導(dǎo)直流單極電動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)，最終導(dǎo)致了1992年超導(dǎo)直線電磁推進(jìn)船在日本的試航成功。我國(guó)中科院電工所也進(jìn)行了這方面的研究。
8.2.2 基本結(jié)構(gòu)及性能
目前船用直線電磁推進(jìn)器結(jié)構(gòu)，可歸納成四種基本型式：直線通道推進(jìn)器，外磁式推進(jìn)器，螺旋通道推進(jìn)器和環(huán)形通道推進(jìn)器。
圖8-24是直線通道推進(jìn)器結(jié)構(gòu)，電極按放在通道上下二邊，磁場(chǎng)垂直于電流方向，根據(jù)電磁定律的左手定則，電磁力的方向垂直于電流和磁場(chǎng)方向。由圖可知，海水受電磁力作用由嗽叭口吸入通道，經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)加速作用以后高速水流向外噴出，構(gòu)成直線電磁推進(jìn)器亦稱作直線電磁泵。日本在1992年利用該基本原理研制“大和一號(hào)”超導(dǎo)電磁推進(jìn)船并成功地進(jìn)行了試航。其推進(jìn)器采用直線通道如圖8-25。用六個(gè)直線通道組合在一起構(gòu)成一個(gè)具有8000牛頓推力的推進(jìn)器。六個(gè)通道組合后磁場(chǎng)4特斯拉。
圖8-26是外磁式推進(jìn)器結(jié)構(gòu)，在一個(gè)空心園柱體表面相間設(shè)置正負(fù)電極和磁場(chǎng)線圈，由圖可知，磁場(chǎng)和電場(chǎng)互相正交，通電海水產(chǎn)生電磁力推動(dòng)海水按一個(gè)方向高速流動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)漏磁大，對(duì)外界要采取磁屏蔽。日本在1979年研制的ST-500超導(dǎo)電磁推進(jìn)實(shí)驗(yàn)船就采用這種結(jié)構(gòu)。
圖8-27是螺旋通道推進(jìn)船，磁體采用螺管超導(dǎo)線圈產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，為了使推力方向也成軸向方向，必須用整流管先將海水直線流向改成旋轉(zhuǎn)流向，然后進(jìn)入螺旋通道。由圖看出電流是徑向，將產(chǎn)生沿著螺旋管切向的電磁力，使受力海水在螺旋通道內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，在出口處再整流成直線流向。這種結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)是超導(dǎo)磁體是螺管線圈，制造工藝簡(jiǎn)單磁場(chǎng)可以做得比二極磁體高，缺點(diǎn)也是漏磁較大。前蘇聯(lián)采用此結(jié)構(gòu)研制成巨型推進(jìn)器，美國(guó)為了減少漏磁和提高螺管磁場(chǎng)采用雙螺管結(jié)構(gòu)如圖8-28所示，電流沿徑向流動(dòng)，若內(nèi)外螺管磁場(chǎng)方向一致，則內(nèi)螺管通道增磁外螺管通道去磁起到磁屏蔽作用，反之，外螺管通道增磁內(nèi)螺管通道去磁。該結(jié)構(gòu)需要雙螺旋通道，結(jié)構(gòu)復(fù)雜制作困難，較難實(shí)現(xiàn)。
圖8-29是為了魚雷或潛艇試制的環(huán)形通道結(jié)構(gòu)。由圖可知，電流沿徑向方向流動(dòng)，磁場(chǎng)由扇形窗口二側(cè)的二個(gè)集中繞組的超導(dǎo)線圈提供，電磁力垂直扇形面。該結(jié)構(gòu)超導(dǎo)線圈繞制簡(jiǎn)單，磁通沿著園周方向閉合漏磁甚小，無(wú)須磁屏蔽。用在魚雷或潛艇上其園周表面水動(dòng)力方向與一般的螺旋槳推進(jìn)器基本一樣，艇型不必重新設(shè)計(jì)可以直接替換螺旋槳推進(jìn)器。因此該結(jié)構(gòu)有效率高和噪聲最小的特點(diǎn)。
我國(guó)學(xué)者鑒于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，提出了用釹鐵硼永磁代替超導(dǎo)線圈，選取推進(jìn)性能較好，無(wú)漏磁和流水動(dòng)力類似于螺旋槳的環(huán)形通道結(jié)構(gòu)。圖8-30為我國(guó)研制的環(huán)形永磁電磁推進(jìn)潛艇模型。
推進(jìn)器軸向有效長(zhǎng)度L決定了潛艇的速度、功率損耗和效率。速度越高輸入功率就越大，功耗也大效率降低，因此存在一個(gè)最佳長(zhǎng)度L。圖8-31表示環(huán)型超導(dǎo)電磁推進(jìn)器最佳L比和功率曲線，由圖示，高速時(shí)其L比應(yīng)選在占潛艇總長(zhǎng)的15%～20%，功率損失最小。在低速時(shí)則需要很短推進(jìn)器長(zhǎng)度就足夠，最佳設(shè)計(jì)應(yīng)在5%左右。
當(dāng)潛艇速度達(dá)到40n mile/h，應(yīng)選在30%，因?yàn)橥七M(jìn)器長(zhǎng)度增加后推進(jìn)器附加壓降損失的增長(zhǎng)速度大于長(zhǎng)度增加。研制模型因速度很小，又是永磁磁場(chǎng)較低，故L選擇在6%。
圖8-32為三種不同扇形通道高度與寬度比(Δ/Ls)的速度與功率消耗曲線。由圖可知，當(dāng)比值為0.015，速度在15m/s，消耗功率約為35000kW，如果增加比值到0.02，差不多可增加速度1n mile/h。從另一方面看若比值不變，增加1n mile/h速度則要增加 5000kW 電功率， 因此適當(dāng)增加扇形高度(Δr）即增加電極之間長(zhǎng)度，可以提高推力，增加速度。圖8-33的速度與效率曲線進(jìn)一步證實(shí)了隨著Δr/Ls比值增加效率提高。但效率與速度關(guān)系是速度增加效率逐漸下降。從圖8-33看出在高速時(shí)環(huán)形超導(dǎo)電磁推進(jìn)潛艇的效率可以達(dá)到50%接近于一般螺旋推進(jìn)器的效率。
圖8-34討論了當(dāng)前低溫超導(dǎo)技術(shù)水平下，潛艇速度能否達(dá)到常規(guī)潛艇速度，圖中表示在6T和7T二種磁場(chǎng)下，不同速度需要下的消耗功率。在6T磁場(chǎng)下，消耗35000kW速度可以達(dá)到30n mile/h。如果磁場(chǎng)增到7T，速度不變只消耗32000kW。由此可見(jiàn)，隨著超導(dǎo)磁體磁場(chǎng)增加，消耗功率減小效率提高。對(duì)目前低溫超導(dǎo)技術(shù)水平而言，試制大口徑超導(dǎo)磁體在6～8Ｔ磁場(chǎng)尚可以，超過(guò)10T就比較困難。當(dāng)然，潛艇用超導(dǎo)磁體磁場(chǎng)達(dá)到要求，而且磁體必須小型化，輕量化，否則30n mile/h速度仍然達(dá)不到，據(jù)國(guó)外研究表明其磁體重量與室孔體積比在2～3t/m2范圍內(nèi)。
最后研究環(huán)形通道出口不同流速。由于扇形截面通道上下二層表面弧不一致，造成上層表面面積大，下層表面面積小。在相同通道流速情況下，面積大流速小而面積小流速大，其差異如圖8-35所示。
對(duì)研制的永磁環(huán)形通道，不僅有面積大小關(guān)系，還存在上層磁場(chǎng)低于下層磁場(chǎng)，所以其流速差比圖8-35更顯著。
表8-4為日本“大和一號(hào)”超導(dǎo)直線電磁推進(jìn)船的主要參數(shù)。
圖8-36為“大和一號(hào)”船的超導(dǎo)直線電磁推進(jìn)系統(tǒng)示意圖(圖8-36a)及斷面圖（圖8-36b）。
