CN1506267A - 一种泵喷推进器 - Google Patents

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Abstract

一种泵喷推进器，属于船舶推进领域的机械装置。包括水动力腔室、吸排水阀门组、对极型超导螺管磁体和置于超导磁体温孔芯筒中的电磁活塞，电磁活塞是由产生电磁推力的螺管线圈与推水的圆盘形活塞连为一体。周期地改变电磁活塞上常导螺管线圈的电流方向，周期地改变作用在电磁活塞上的电磁力而驱动活塞作往复运动，通过水动力腔室和吸排水阀门组实现往复泵喷的吸排水工作过程，喷水的反作用力产生向前推力。本发明没有转动部件和传动机构，噪声小，效率高，在导电流体和非导电流体中均能使用，而且由于没有传动轴的动态轴封问题，适用于深海推进。

Description

一种泵喷推进器
技术领域
本发明涉及一种泵喷推进器，属于船舶推进领域的机械装置。
背景技术
超导磁流体推进是已有的船舶推进方式之一，它是将海水作为导电体，在海水中通以电流，与外加的与电流方向垂直的磁场相互作用，使导电海水受到电磁力——洛仑兹力作用而运动，即通过电磁作用把电能转为海水的动能，其反作用力推动船舶前进。这种超导磁流体推进器的优点是取消了传统的螺旋桨和庞大的减速齿轮和传动轴等机件，噪声低、振动小。但这种推进器只能在导电流体如海水中使用，在非导电流体如内河淡水中就不能使用了，因此其应用与发展受到限制。而且，对于以海水为工作流体的磁流体推进器，为了获得高效率，就必须建立很强的磁场。目前，利用现有的工业超导磁体技术，制造场强超过15T，适于船载的尺寸大、重量轻的强磁体，尚存在较大的困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的泵喷推进器，采用在工作流体中设置高电导率的固体导体的方式，大大提高电磁作用的强度和效率。它保持了上述超导磁流体推进器没有螺旋桨和庞大减速齿轮与传动轴系，以及噪声低等优点，又克服其不能在非导电流体中使用的缺点，同时，降低了超导磁体制造的困难。
本发明的技术要点是超导直线电机和往复泵喷技术的总合，其电机定子为对极型超导螺管磁体，以提供高的径向磁场；电机动子与推水活塞合为一体构成电磁活塞；电能转变为水的动能的过程是通过磁场与电磁活塞之间的电磁感应作用实现的。本发明的工作方式为周期地改变电磁活塞上的常导螺管线圈的电流方向，而改变作用于电磁活塞上的力的方向，使其往复运动，从而推动活塞两侧的水的运动，在水动力腔室和吸排水阀门组的配合动作下，实现往复泵喷的吸排水工作过程。
对极型超导螺管磁体由两组对称的同轴布置于一个线圈芯筒上的超导螺管线圈组成，每组螺管线圈可以有一个或多个螺管线圈，两组螺管线圈之间有一定距离，此距离可为0至500mm，两组螺管线圈分别用相反方向电流励磁，极性相反，构成对极型超导磁体，在其圆筒形温孔空间产生较高的径向分布磁场。作为电机动子的电磁活塞由置于超导磁体温孔芯筒中同轴的圆盘形活塞和缠绕在圆盘形活塞外圆侧凹槽中的常导螺管线圈组成，圆盘形活塞用非导磁材料制成，在常导螺管线圈中流过的电流方向与其所在位置的径向磁场方向垂直相交。当电流通过电磁活塞的线圈时，由于电磁感应作用，电磁活塞要受到一个轴向的电磁力作用，该力可表示为 F → = I → × B r → πdN , 其中I为电磁活塞中的电流；Br为径向磁场强度；d为线圈直径；N为电磁活塞线圈匝数。在磁场强度，电磁活塞线圈匝数和直径一定情况下，电磁推力的大小和方向取决于电磁活塞的电流大小和方向。因此，可以通过调节其电流大小和方向来控制电机动子电磁活塞往复运动。
电磁活塞的另一作用是作为往复泵喷系统之推水活塞，活塞缸体为构成上述超导磁体的温孔芯筒，该温孔芯筒的两端伸出超导磁体外，分别与水动力腔室的两侧水道连通，两侧水道前后分别交汇于水动力腔室的吸水和排水口，在吸水口的两侧水道交汇处，分别设有各自的进水单向阀，并在排水口的两侧水道交汇处设有换向阀，这些阀门构成往复泵喷的吸排水阀门组。当电磁活塞的电流方向周期地变化，使电磁活塞在活塞缸中作往复运动，在水动力腔室及其吸排水阀门组的配合动作下，实现不断地吸排水工作过程，使电能转变为水动能，喷水的反作用力推动船舶前进。
由于电磁活塞的常规螺管线圈的导线一般为铜，电导率为5×107S/m，所以本发明推进器不需要很高的磁场，也可获得相当高的效率。同时，本发明由于取消了螺旋桨，也没有庞大的减速齿轮和传动轴系。因此噪声低，并且本发明在电能转化为水动能时并不依赖水的导电性，所以不仅可以用于导电流体中，也可用于非导电流体，再者由于本发明不存在传统船舶推进中存在的动态轴封问题，所以能适用于深海推进。
附图说明
图1为超导电磁活塞泵喷推进器结构示意图。
图2为对极型超导螺管磁体结构示意图。
图3为电磁活塞结构示意图。
图4为电磁活塞线圈处径向磁场Br沿轴向距离分布曲线。
图5为电磁活塞电磁力方向示意图。
具体实施方式
图1为本发明具体实施例之一的超导电磁活塞泵喷推进器的结构。它包括对极型超导螺管磁体系统10，电磁活塞20，水动力腔室30，右单向阀40，左单向阀50，换向阀60，吸水口70，排水口80。对极型超导螺管磁体系统10结构如图2所示，它包括两组超导螺管线圈101和102，线圈芯筒103，温孔芯筒104。电磁活塞20的结构如图3所示，它包括常导螺管线圈201，活塞202。
对极型超导螺管磁体系统10中的两组超导螺管线圈101和102以相反方向电流励磁之后，在磁场温孔芯筒104内温孔空间中产生径向磁场Br，Br在电磁活塞常导螺管线圈201直径处沿轴向的典型分布图如图4所示。当电磁活塞20中常导螺管线圈201通过电流时，沿圆周方向的电流与径向磁场Br垂直相交，产生一个沿轴向的电磁力F，F＝IBrπdn，I为电磁活塞线圈的电流；Br为电磁活塞线圈所处径向位置的径向磁场；d为电磁活塞线圈直径；n为电磁活塞线圈匝数。F的方向取决于电磁活塞20的常导线圈201中电流方向，电流方向改变所产生电磁力F也改变方向，如图5所示。
当超导螺管磁体系统10产生的径向磁场Br方向如图2所示，电磁活塞20中电流方向如图5中a)所示，电磁活塞受到向右的电磁力F的作用，电磁活塞20向右运动，在活塞前进方向，即图1中右单向阀40关闭，而排水换向阀60切向图中的左侧，活塞20前方水动力腔室中的水被推出排水口80，水的反作用力产生泵喷推力。与此同时，活塞20后面的水随着活塞20向右运动，图1中左进水单向阀50开放，水从吸水口70吸入。当电磁活塞20中电流方向反向如图5中b)所示时，则产生电磁活塞20向左运动，此时，左进水阀50关闭，排水换向阀60切向图中的右侧，右进水单向阀40开放，水从吸水口70吸入，从排水口80排出。电磁活塞20往复运动，水不断地从吸水口70吸入，并从排水口80排出，实现往复泵喷推进的工作过程。
周期地改变电磁活塞20上的电流方向，电磁活塞20受到周期地变向的电磁力F的作用而作往复运动，从而推动活塞20两侧水的运动，在水动力腔室30和吸排水阀门组40、50、60的配合动作下，实现把水不断地从吸水口70吸入，再从排水口80排出的往复泵喷工作过程，喷水的反作用力产生向前的推力。
本发明与采用超导磁流体推进的日本大和一号试验船对比，在相同的超导磁体磁场强度、船排水量、航速、总推力的条件下，两者的效果如下表所列。
    参数     大和一号     本发明
  推进器型式   2×6环状组合管     2×1直线推进管
  推进器管径   2×6×φ240毫米     2×Φ550毫米
  超导磁体   6环两极磁体Bz＝4特斯拉 双螺管对极磁体Br＝0.8特斯拉
  排水量   184吨     184吨
  航速   8.5节     8.5节
  设计推力   2×7285牛     2×7285牛
流量     2×1.47米3/秒     2×1.47米3/秒
输入功率     3600千瓦     129.16千瓦
电效率ηe(％)     2.9     96
推进器效率ηT(％)     2.6     86.4
总效率ηs(％)     1.72     57.6
从表中可以看出，本发明超导电磁活塞泵喷推进器效率高(总推进效率为57.6％)，而且由于其没有转动部件和传动机构，噪声小，也没有传动轴的动态轴封问题，因此，特别适合于作为潜艇的推进器，尤其是深海推进，以增强潜艇的隐蔽性和安全性，提高其作战能力。另一方面，该推进器不受水域导电性的影响，即它既可以作为海洋的船舶推进，又可用于内陆河流、湖泊的船舶推进，尤其在旅游风景区使用更能体现其高效率、低噪声的特点，减少对周围生态环境的影响。

Claims (5)

1、一种泵喷推进器，包括水动力腔室、吸排水阀门组、超导磁体，其特征在于超导磁体温孔芯筒兼作活塞缸，其中设有往复运动的电磁活塞，电磁活塞由圆盘形活塞和螺管线圈构成，并连为一体。
2、按照权利要求1所述的泵喷推进器，其特征在于其工作方式为周期地改变电磁活塞上的常导螺管线圈的电流方向，而改变作用于电磁活塞上的力的方向，使其往复运动，从而推动活塞两侧的水的运动，在水动力腔室和吸排水阀门组的配合动作下，实现往复泵喷的吸排水工作过程。
3、按照权利要求1所述的泵喷推进器，其特征在于电磁活塞的圆盘形活塞由非导磁材料制成，其圆形外侧设有凹形槽，在凹形槽中缠绕常规导线绕制的螺管线圈。
4、按照权利要求1所述的泵喷推进器，其特征在于其中的超导磁体由两组超导螺管线圈同轴装配在一个线圈芯筒上，两组超导螺管线圈之间的距离为0至500mm，两组超导螺管线圈的励磁电流方向相反。
5、按照权利要求1所述的泵喷推进器，其特征在于超导磁体温孔芯筒置于往复泵喷水动力腔室之间，其两端分别与往复泵喷的两侧水道相连通，两侧水道分别交汇于进水口和排水口，在进水口两侧水道交汇处分别设有进水单向阀，并在排水口两侧水道交汇处设有一个排水换向阀。
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