CN110550174A

CN110550174A - 一种多螺旋通道环形超导磁流体推进器

Info

Publication number: CN110550174A
Application number: CN201910907880.3A
Authority: CN
Inventors: 彭爱武; 赵凌志; 陈小强; 李建; 王�锋; 刘保林; 李然; 夏琦; 刘艳娇; 张庆贺; 沙次文
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2019-12-10
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: CN110550174B

Abstract

一种多螺旋通道环形超导磁流体推进器，其多个切向进‑切向出的单螺旋通道超导磁流体推进单元(1)沿水下航行器壳体(4)的纵向分层、沿水下航行器壳体(4)的圆周方向均布在水下航行器壳体(4)的外表面或内表面。单螺旋通道超导磁流体推进单元(1)由一个螺管超导磁体(1‑1)和一个切向进‑切向出的螺旋通道(1‑2)组成，与一个进水管(2)和一个出水管(3)相连接，海水沿进水管(2)切向流入螺旋通道(1‑2)，沿出水管(3)切向流出螺旋通道(1‑2)。每层的超导磁流体推进单元(1)的螺管超导磁体(1‑1)沿圆周均布，形成闭合磁路，磁力线闭合在每层单螺旋通道超导磁流体推进单元内部。

Description

一种多螺旋通道环形超导磁流体推进器

技术领域

本发明涉及一种超导磁流体推进器。

背景技术

螺旋通道超导磁流体推进器采用螺管超导磁体和螺旋通道，螺管超导磁体可实现大磁场空间内的高磁场，螺旋通道提高了电磁力的有效作用长度，进而提高了推进效率和推力密度，是目前研究最多、最接近实用化的磁流体推进器。

图1为传统轴向进-轴向出的单螺旋通道超导磁流体推进器，主要由螺管超导磁体和轴向进-轴向出的螺旋通道组成，轴向进-轴向出的螺旋通道水平穿过螺管超导磁体的磁孔。螺管超导磁体主要由真空容器1和超导线圈2组成，产生轴向磁场B。轴向进-轴向出的螺旋通道主要由圆筒形外电极3，导流器4，绝缘壁5，整流器6，螺旋叶片7，圆柱内电极8组成。外接电源后，在内电极8和外电极3之间的环形海水空间产生径向电场、电流密度为J，电流沿径向流动；轴向磁场B和径向电场相互作用产生圆周方向的电磁力F，推动海水沿螺旋叶片7流动且静压逐渐增大。导流器4将进口轴向来流转变为螺旋流动，整流器6将螺旋流动转变为出口轴向流动。螺管超导磁体能实现大磁场空间内的强磁场，同时在磁体外周也不可避免地产生较大的漏磁场，对外周电磁设备产生不良影响，且影响磁流体推进船舶的磁隐身性能。图2为单螺旋通道超导磁流体推进器螺管超导磁体RZ平面的磁力线分布，其中R为径向、Z为轴向。可以看出，磁力线穿过磁场空间1经过外周空间闭合，超导线圈2的外周漏磁大。

为此，出现了多螺旋通道超导磁流体推进器，即多个轴向进-轴向出的单螺旋通道超导磁流体推进器沿圆周排列，多个螺管超导磁体的磁力线首尾连接，形成闭合磁路，大大削弱了螺管超导磁体的外周漏磁场。图3是六螺旋通道超导磁流体推进器，推进器1-1、1-2、1-3的螺管超导磁体的磁场方向与推进器1-4、1-5、1-6的螺管超导磁体的磁场方向相反，形成闭合磁路；推进器1-1、1-2、1-3的轴向进-轴向出的螺旋通道直接通过连接管路4组成一个支路，推进器1-4、1-5、1-6的轴向进-轴向出的螺旋通道直接通过连接管路4组成另一个支路，海水在进口2分为两路，分别沿两个支路流动，在出口3又汇聚为一路、轴向流出。图3所示的多螺旋通道超导磁流体推进器的布置方式需占用庞大的空间，且其进口2和出口3须与船舶行进方向、即船体纵向平行，不利于推进器和船体的协同布置。

此外，对于图1和图3所示的轴向进-轴向出的单螺旋通道，电磁力为圆周方向、即在电磁力作用区域海水沿螺旋叶片做螺旋流动，而海水是轴向进入、轴向流出螺旋通道，虽然在导流器和整流器的作用下能够进行轴向流动和螺旋流动相互间的平滑转化、大大降低局部阻力损失，但导流器和整流器具有三维空间结构，结构复杂，导流器和整流器所在流动区域的局部阻力损失仍然很大。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种多螺旋通道环形超导磁流体推进器。本发明采用多个切向进-切向出的单螺旋通道超导磁流体推进单元沿水下航行器的纵向分层布置、沿水下航行器的周向均布的结构方式；每层的单螺旋通道超导磁流体推进单元的螺管超导磁体沿水下航行器的圆周均布，形成闭合磁路，磁力线闭合在每层的单螺旋通道超导磁流体推进单元的内部，减小了漏磁；对于每个单螺旋通道超导磁流体推进单元，海水切向进入螺旋通道、切向流出螺旋通道，取消了结构复杂的整流器和导流器，简化了螺旋通道结构、减小了局部阻力损失。此外，对于多螺旋通道环形超导磁流体推进器整体，海水流入和流出每个螺旋通道的方向与水下航行器纵向相平行；而对于单个螺旋通道，海水流入和流出螺旋通道的方向是切向。因而本发明的多螺旋通道环形超导磁流体推进器可以方便紧凑地布置在水下航行器、特别是圆柱形水下航行器的外表面或内表面，大大提高了空间利用率。

本发明的技术方案为：

所述多螺旋通道环形超导磁流体推进器，由多个切向进-切向出的单螺旋通道超导磁流体推进单元、多个与水下航行器纵向平行的进水管和多个与水下航行器纵向平行的出水管组成，一个单螺旋通道超导磁流体推进单元和一个进水管和一个出水管相对应；所述多螺旋通道环形超导磁流体推进器的多个单螺旋通道超导磁流体推进单元采用沿水下航行器纵向分层的方式布置在水下航行器的外表面或内表面，每层中的单螺旋通道超导磁流体推进单元、进水管和出水管均沿圆周均布，即每层中的单螺旋通道超导磁流体推进单元、进水管和出水管均为等间距的圆周阵列排布。

所述切向进-切向出的单螺旋通道超导磁流体推进单元由一个螺管超导磁体和一个切向进-切向出的螺旋通道组成；除螺旋通道的切向通道入口和螺旋通道的切向通道出口外，螺旋通道的主体部分水平穿过螺管超导磁体的磁孔；螺旋通道的切向通道入口与一个进水管连接，螺旋通道的切向通道出口和一个出水管相连接，海水沿进水管切向流入螺旋通道、并沿出水管切向流出螺旋通道；每层中，多个单螺旋通道超导磁流体推进单元的螺管超导磁体沿水下航行器的圆周均布，形成闭合磁路，磁力线闭合在每层的单螺旋通道超导磁流体推进单元的内部。

所述切向进-切向出的螺旋通道由外电极，内电极、螺旋叶片、端部柱体、端部柱面外壁、切向通道入口和切向通道出口组成，为海水的流动空间，通过切向通道入口和切向通道出口分别与进水管和出水管光滑连接。外电极为圆筒状、内电极为圆柱形，内电极和外电极同轴。2个端部柱体分别位于内电极的两端，并与内电极光滑连接；2个端部柱面外壁分别位于外电极两端，并与外电极光滑连接。螺旋叶片位于内电极、端部柱体、外电极和端部柱面之间，固定在内电极和端部柱体的外表面。切向通道入口和切向通道出口分别位于外电极的两端，与端部柱面外壁、端部柱体和螺旋叶片光滑连接。所述螺旋叶片为空间曲面结构，采用非导电且非导磁材料制作；螺旋叶片的圈数大于4，螺旋叶片的两端分别与切向通道入口和切向通道出口光滑连接。所述切向通道出口和切向通道入口沿同侧端部柱面外壁切线方向向外伸出，为流线型结构，分别与螺旋叶片同侧端部的两圈螺旋叶片光滑连接，切向通道入口和切向通道出口的另一端分别与进水管和出水管光滑连接，切向通道出口和切向通道入口采用非导磁且非导电材料。

所述进水管和出水管与水下航行器的纵向平行，进水管与单螺旋通道超导磁流体推进单元螺旋通道的切向通道入口光滑连接，出水管与单螺旋通道超导磁流体推进单元螺旋通道的切向通道出口光滑连接，进水管和出水管采用非导磁、非导电材料。进水管的入口渐扩，出水管的出口渐缩。

所述外电极外表面进行电绝缘处理；外接直流电源后，在所述内电极和外电极之间的海水中产生径向电场。

所述端部柱体和端部柱面外壁采用非导磁且非导电材料制作。

附图说明

图1是现有的轴向进-轴向出的单螺旋通道超导磁流体推进器示意图：1真空容器，2超导线圈，3外电极，4导流器，5绝缘壁，6整流器，7螺旋叶片，8内电极；

图2是现有的单螺旋通道超导磁流体推进器的螺管超导磁体RZ平面的磁力线分布图：1磁场空间，2超导线圈；

图3是现有的六螺旋通道超导磁流体推进器示意图，图中单螺旋通道超导磁流体推进器上的箭头为磁场方向，进口和出口处的箭头为海水流动方向：1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6轴向进-轴向出的单螺旋通道超导磁流体推进器，2进口，3出口，4连接管路；

图4是本发明具体实施例一的三维示意图：1切向进-切向出的单螺旋通道超导磁流体推进单元，2进水管，3出水管，4水下航行器壳体；

图5是本发明具体实施例一切向进-切向出的单螺旋通道超导磁流体推进单元的三维示意图：1-1螺管超导磁体，1-2切向进-切向出的螺旋通道；

图6是本发明具体实施例一环形磁路结构的磁力线分布图：1-1-1磁场空间，1-1-2超导线圈；

图7是本发明具体实施例一单螺旋通道超导磁流体推进单元的切向进-切向出的螺旋通道1-2的示意图：1-2-1外电极，1-2-2、1-2-3端部柱面外壁，1-2-4切向通道入口，1-2-5切向通道出口；

图8是本发明具体实施例一单螺旋通道超导磁流体推进单元切向进-切向出的螺旋通道1-2的内部流道结构示意图：1-2-6内电极，1-2-7螺旋叶片，1-2-8、1-2-9端部柱体；

图9是本发明具体实施例一切向进-切向出的螺旋通道1-2内部流线分布；

图10是本发明具体实施例二的三维示意图：1切向进-切向出的单螺旋通道超导磁流体推进单元，2进水管，3出水管，4水下航行器壳体。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图4所示，本发明具体实施例一沿水下航行器4的纵向单层均布，由10个切向进-切向出的单螺旋通道超导磁流体推进单元1和10个进水管2和10个出水管3组成。10个切向进-切向出的单螺旋通道超导磁流体推进单元1沿圆柱形水下航行器壳体4的外表面圆周方向均布，10个进水管2和10个出水管3与圆柱形水下航行器壳体4的纵向、即与中心轴OO相平行。进水管2的入口渐扩，出水管3的出口渐缩。

如图5所示，切向进-切向出的单螺旋通道超导磁流体推进器单元1是一个切向进-切向出的单螺旋通道超导磁流体推进器，由一个螺管超导磁体1-1和一个切向进-切向出的螺旋通道1-2组成，螺旋通道1-2的主体部分水平穿过螺管超导磁体1-1的磁孔；螺旋通道1-2的切向通道入口与一个进水管2连接，螺旋通道1-2的切向通道出口与一个出水管3相连接，海水切向流入螺旋通道1-2、切向流出螺旋通道1-2。

图6是本发明具体实施例一环形磁路结构的磁力线分布，中心轴OO垂直纸面。如图6所示，本发明具体实施例一沿水下航行器4纵向单层分布的10个螺管超导磁体1-1沿圆周均布、绝大部分磁力线首尾相连、通过10个磁场空间1-1-1自闭合为环形。与图2所示的单螺旋通道超导磁流体推进器的磁力线分布相比，本发明具体实施例一的超导线圈1-1-2外周的磁力线大大减小，大大抑制了螺管超导磁体周向漏磁。

如图7和图8所示，切向进-切向出的螺旋通道1-2由外电极1-2-1、内电极1-2-6、螺旋叶片1-2-7、端部柱体1-2-8和1-2-9、端部柱面外壁1-2-2和1-2-3、切向通道入口1-2-4和切向通道出口1-2-5组成，为海水的流动空间。外电极1-2-1为圆筒状、内电极1-2-6为圆柱形，外电极1-2-1和内电极1-2-6同轴；切向通道入口1-2-4、端部柱面外壁1-2-2和端部柱体1-2-8位于内电极1-2-6和外电极1-2-1的左侧；切向通道出口1-2-5、端部柱面外壁1-2-3和端部柱体1-2-9位于内电极1-2-6和外电极1-2-1的右侧；切向通道入口1-2-4的下壁面、端部柱体1-2-8、内电极1-2-6、端部柱体1-2-9以及切向通道出口1-2-5的下壁面顺次光滑连接，形成切向进-切向出的螺旋通道1-2的下壁面；切向通道入口1-2-4的上壁面、端部柱面外壁1-2-2、外电极1-2-1、端部柱面外壁1-2-3以及切向通道出口1-2-5的上壁面顺次光滑连接，形成切向进-切向出的螺旋通道1-2的上壁面；螺旋叶片1-2-7位于螺旋通道1-2的上壁面和下壁面之间，并固定在端部柱体1-2-8、内电极1-2-6和端部柱体1-2-9的外表面；切向通道入口1-2-4的左壁面和右壁面分别与螺旋叶片1-2-7左端前两圈叶片光滑连接，切向通道出口1-2-5的右壁面和左壁面分别与螺旋叶片1-2-7右端前两圈叶片光滑连接，形成螺旋通道1-2左右方向的壁面。螺旋叶片1-2-7为空间曲面结构，共有9圈。切向通道入口1-2-4沿端部柱面外壁1-2-2的切线方向，为流线型结构。切向通道出口1-2-5沿端部柱面外壁1-2-3的切线方向，为流线型结构。外电极1-2-1和内电极1-2-6采用耐海水腐蚀的导电、非导磁材料制作，外电极1-2-1的外表面进行电绝缘处理；外接电源后，内电极1-2-6和外电极1-2-1之间的海水中产生径向电场。除外电极1-2-1和内电极1-2-6之外，其他部件采用非导电、非导磁材料。

图9所示为本发明具体实施例一切向进-切向出的螺旋通道1-2的内部流线，箭头为流动方向。可以看出，海水从切向通道入口1-2-4切向进入、通过螺旋叶片1-2-7最左端两圈叶片顺滑转换成螺旋流动，进而在圆周方向电磁力作用下沿螺旋叶片1-2-7流动，而后经过螺旋叶片1-2-7最右端两圈叶片顺滑地沿切向通道出口1-2-5切向流出。整个切向进-切向出的螺旋通道1-2内部的流场非常均匀，没有出现漩涡和流体窜动，大大降低了流动损失，提高了超导磁流体推进器的性能。

图10为本发明具体实施例二的多螺旋通道环形超导磁流体推进器，20个切向进-切向出的单螺旋通道超导磁流体推进单元1、20个进水管2和20个出水管3沿OO方向分为两层布置。每层中的10个切向进-切向出的单螺旋通道超导磁流体推进单元1沿圆柱形水下航行器壳体4的外表面圆周方向均布，10个进水管2和10个出水管3与圆柱形水下航行器壳体4的纵向，即与中心轴OO相平行。

Claims

1.一种多螺旋通道环形超导磁流体推进器，其特征在于：所述多螺旋通道环形超导磁流体推进器由多个切向进-切向出的单螺旋通道超导磁流体推进单元(1)、多个与水下航行器纵向平行的进水管(2)和多个与水下航行器纵向平行的出水管(3)组成；一个单螺旋通道超导磁流体推进单元(1)和一个进水管(2)、一个出水管(3)连接；所述的单螺旋通道超导磁流体推进单元(1)采用沿水下航行器壳体(4)的纵向分层的方式布置在水下航行器壳体(4)的外表面或内表面，每层的单螺旋通道超导磁流体推进单元(1)沿水下航行器壳体(4)的圆周均布；所述的切向进-切向出的单螺旋通道超导磁流体推进单元(1)由一个螺管超导磁体(1-1)和一个切向进-切向出的螺旋通道(1-2)组成，除螺旋通道(1-2)的切向通道入口(1-2-4)和切向通道出口(1-2-5)外，螺旋通道的主体部分水平穿过螺管超导磁体(1-1)的磁孔；螺旋通道(1-2)的切向通道入口(1-2-4)与一个进水管(2)连接，螺旋通道(1-2)的切向通道出口(1-2-5)和一个出水管(3)相连接，海水沿进水管(2)切向流入螺旋通道(1-2)，并沿出水管(3)切向流出螺旋通道(1-2)；每层中，所述的螺管超导磁体(1-1)沿水下航行器壳体(4)的圆周均布，形成闭合磁路，磁力线闭合在每层的单螺旋通道超导磁流体推进单元的内部；所述进水管(2)和出水管(3)与水下航行器壳体(4)的纵向平行，与单螺旋通道超导磁流体推进单元(1)的切向进-切向出的螺旋通道(1-2)光滑连接。

2.按照权利要求1所述的多螺旋通道环形超导磁流体推进器，其特征在于：所述进水管(2)和出水管(3)采用非导磁、非导电材料，进水管(2)的入口渐扩，出水管(3)的出口渐缩。

3.按照权利要求1所述的多螺旋通道环形超导磁流体推进器，其特征在于：所述的切向进-切向出的螺旋通道(1-2)由外电极(1-2-1)、端部柱面外壁(1-2-2、1-2-3)、切向通道入口(1-2-4)、切向通道出口(1-2-5)、内电极(1-2-6)、螺旋叶片(1-2-7)和端部柱体(1-2-8、1-2-9)组成，为海水的流动空间，与进水管(2)和出水管(3)光滑连接；外电极(1-2-1)为圆筒状、内电极(1-2-6)为圆柱形，外电极(1-2-1)和内电极(1-2-6)同轴；切向通道入口(1-2-4)、端部柱面外壁(1-2-2)和端部柱体(1-2-8)位于内电极(1-2-6)和外电极(1-2-1)的一侧，切向通道出口(1-2-5)、端部柱面外壁(1-2-3)和端部柱体(1-2-9)位于内电极(1-2-6)和外电极(1-2-1)的另一侧；切向通道入口(1-2-4)的下壁面、端部柱体(1-2-8)、内电极(1-2-6)、端部柱体(1-2-9)及切向通道出口(1-2-5)的下壁面顺次光滑连接，形成螺旋通道(1-2)的下壁面，切向通道入口(1-2-4)的上壁面、端部柱面外壁(1-2-2)、外电极(1-2-1)、端部柱面外壁(1-2-3)以及切向通道出口(1-2-5)的上壁面顺次光滑连接，形成螺旋通道(1-2)的上壁面，螺旋叶片(1-2-7)位于螺旋通道(1-2)的上壁面和下壁面之间，并固定在端部柱体(1-2-8)、内电极(1-2-6)和端部柱体(1-2-9)的外表面；切向通道入口(1-2-4)的左壁面和右壁面分别与螺旋叶片(1-2-7)同侧端部前两圈叶片光滑连接，切向通道出口(1-2-5)的右壁面和左壁面分别与螺旋叶片(1-2-7)同侧端部前两圈叶片光滑连接，形成螺旋通道(1-2)左右方向的壁面；切向通道入口(1-2-4)沿同侧端部柱面外壁(1-2-2)的切线方向，为流线型结构，与进水管(2)光滑连接；切向通道出口(1-2-5)沿同侧端部柱面外壁(1-2-3)的切线方向，为流线型结构，与出水管(3)光滑连接。

4.按照权利要求3所述的多螺旋通道环形超导磁流体推进器，其特征在于：所述的螺旋叶片(1-2-7)为空间曲面结构；螺旋叶片(1-2-7)的圈数大于4。

5.按照权利要求3所述的多螺旋通道环形超导磁流体推进器，其特征在于：所述的外电极(1-2-1)和内电极(1-2-6)采用耐海水腐蚀的导电非导磁材料制作，外电极(1-2-1)的外表面进行电绝缘处理；外接电源后，内电极(1-2-1)和外电极(1-2-6)间的海水中产生径向电场。

6.按照权利要求3所述的多螺旋通道环形超导磁流体推进器，其特征在于：所述的端部柱面外壁(1-2-2、1-2-3)、切向通道入口(1-2-4)、切向通道出口(1-2-5)、螺旋叶片(1-2-7)和端部柱体(1-2-8、1-2-9)采用非导电且非导磁材料制作。