科学瞎想系列之三十九 船舶动力系统(5)

快期末考试了,给宝宝们归纳总结一下,划划重点。 1 船舶动力系统经历了三个阶段,你也可以理解成三代。一是传统的动力推进系统加辅机电站系统,这个阶段动力是动力,电力是电力,两个系统相对独立,动力系统主要指船舶主机加主轴系(包括变速箱)加螺旋桨; 电力系统主要指辅机电站加配电和辅机负载。当然船舶主机也经历了蒸汽机到汽轮机、燃气轮机、柴油机两个小阶段,目前大部分船舶仍在采用汽轮机、燃气轮机或柴油机的传统推进方式。二是混合动力系统,它是在第一代基础上增加了一个轴带电机,可实现机电混合推进,也可实现主机在推进的同时带动轴带电机发电,即所谓的PTI/PTO系统,这一代虽然仍存在动力和电力两个子系统,但界线已开始融合。第三代便是综合电力系统,这种系统实现了动力和电力的合二为一大融合。 2 与前两代相比,综合电力系统具有以下优点: 1)设备布置灵活方便。由于所有动力都是通过电缆传输的,而电缆是可以任意布置的,可方便拐弯,这为设备布置带来极大的方便。不像前两代通过主轴传递动力,必须要保证主机、轴系及螺旋桨的相对位置非常精确。 2)能量调度更加灵活,系统效率高,更加节能。 3)由于全船动力、电力系统的融合,可以通过科学合理的能量调度减少设备总容量配置,特别是电源设备的总容量,以节约成本、重量和空间。 4)控制更加灵活方便,与机械控制相比电的控制要方便得多,可实现无级平滑调节,通过鼠标、按钮、旋钮就可搞定,这一点相信宝宝们都知道。 5)电源设备可以相互备用,可靠性高。 以上优点决定了综合电力系统是船舶动力系统发展的大势所趋,特别是高档次、高技术的特种船舶。当然在远洋运输的三大主力船型(油轮、集装箱船、散货船)中,由于长期在大海中稳定航行,工况较为单一,前两种动力系统仍具有很大优势,特别是第二代混合动力系统。 3 总结就到这儿。接下来给宝宝们瞎想一下未来更加先进的动力推进系统,让宝宝们开开眼。 1)泵喷推进系统。这种推进系统已经在有些船舶中得到了小规模应用。所谓泵喷推进就是采用大功率水泵通过管道将水从船舶前进方向吸入,然后再向后喷出,从而获得推力,推动船舶航行。这个道理很简单,相信聪明的宝宝们一听就明白。

2)磁流体推进。这种推进方式就非常高大上了!但其原理却非常简单,初中物理里就讲过。不知宝宝们是否记得初中物理有一个著名的实验,就是把一个导体放在磁场中,给导体一通电,导体就会受力而飞出磁场,受力方向用左手定则来判定。如果把海水作为那个导体,并把海水置于磁场中,那么给海水通以某方向的直流电流,海水就会受到向后的推力,船舶受反作用力而向前行驶,这就是磁流体推进的原理。原理虽然很简单,但真正用于实际船舶的推进却有极大的技术难度,主要难度在于推力的大小问题,一般船舶需要的推力大约在10^5~10^6牛顿的数量级,说牛顿宝宝们可能没有神马概念,说推力大概在数十吨到数百吨的数量级可能你就知道什么谱了。物理知识告诉我们,通电导体在磁场中受力的大小F=BIL,即受力大小与磁感应强度(磁密)、电流大小和导体长度成正比,要想达到那个数量级的推力,需要海水中电流要达到数万安培,磁密需要达到数特斯拉。使海水中电流达到数万安难度还不算太大(也不小),而磁密要达到数特斯拉可是个天大的难题,要知道海水的导磁性能与空气基本相当,要在一个较大的空间(长度数量级为米)内建立数特斯拉的磁密需要百万安匝数量级的励磁电流,这比在海水中通数万安培的电流难度大得多得多!这是磁流体推进最大的瓶颈,只有通过超导线圈励磁来解决。我国中科院电工所以顾国彪院士为首的团队于1992年就开展了磁流体推进的技术研究,与702所合作研制成功了基于超导的磁流体推进器,并应用于一条排水量仅一吨的小实验船上,其水中磁密达到了5特斯拉。日本三菱重工也在1992年开始研究磁流体推进,并于1999年成功应用于大和一号试验船上。

磁流体推进技术是目前最先进的推进技术,也是未来的发展方向。与传统的螺旋桨、泵喷推进相比,磁流体推进从根本上解决了推进器的噪音问题,它没有了螺旋桨和水泵对水的搅动,也没有了空泡等现象,是真正的安静型推进器,噪音几乎为零。这要是用这潜艇的推进上,宝宝们你自己瞎想吧! 关于船舶动力系统的话题就讲到这里,祝宝宝们期末考出好成绩!也提前祝宝宝们春节快乐!

原文发布于微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e)

原文发表时间:2017-01-19

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