朱 鴻， 張秦峰

(1． 海軍駐滬東中華造船(集團)有限公司 軍事代表室， 上海 200129；2． 上海船舶運輸科學研究所， 上海 200135)

0 引 言

近年來，高溫超導技術的迅速發(fā)展為船舶磁流體推進的應用提供了必要條件。船舶磁流體推進作為一種新型的推進方式，具備了安靜、高效、布置方便和操縱性好等特點。采用磁流體推進器作為核心的推進系統(tǒng)，需配備可靠的推進監(jiān)控系統(tǒng),以達到良好的可操縱性和安全性。設計了基于CAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)，對磁流體推進裝置進行控制、安全保護和監(jiān)測報警。

1 磁流體推進技術概述

1.1 基本原理

磁流體推進是利用“洛倫茲力產(chǎn)生原理”和“海水是導電流體”等特性，通過給推進器管道中的海水施加一個磁場和一個與磁場正交的電場，此時載流海水就會在與它相垂直的磁場中受到電磁力(洛侖茲力)的作用，其受力方向按左手定則確定。海水受力時沿電磁力方向運動，其反作用力即推力，推進船舶運動。

在磁場一定的情況下，電流大、電磁力大、推力也大，船舶運動的速度就快；反之，電流小、電磁力小、推力也小，船舶運動的速度慢。當電流方向改變時，電磁力與推力的方向也改變，船舶運動的方向也隨之改變。這樣可以通過調(diào)節(jié)電流大小的方法來控制船的速度，通過改變電流的方向來操縱船舶航行的方向。磁流體推進(MHD)原理圖見圖1。

圖1 磁流體推進(MHD)原理

1.2 特 點

1.2.1 結構特點

磁流體推進器與傳統(tǒng)螺旋槳推進器截然不同,無螺旋槳、無驅(qū)動軸、無減速齒輪。從流體動力學分析，超導磁流體推進器與噴水推進器類似。不同之處在于動力源：噴水推進器的動力源于泵，泵產(chǎn)生機械壓力；而超導磁流體推進器的動力源是電磁洛侖茲力，是電磁相互作用。

1.2.2 性能特點

(1) 超導磁流體推進取消了常規(guī)的螺旋槳、噴水推進、泵噴等轉(zhuǎn)動機構，從而大大降低了由轉(zhuǎn)動機構引起的噪聲和振動，使艦船真正實現(xiàn)安靜航行；

(2) 超導磁流體推進的動力輸出裝置(如磁體、電極等)都是相對靜止的，提高了船舶主機的功率級，使其不再受轉(zhuǎn)動機械的功率限制，從而可制造出超大功率的高航速艦船；

(3) 超導磁流體推進器的設備無須安裝在機艙內(nèi)某個固定位置，在艦船的設計中可以有效地利用艙室空間，提高設備安裝的靈活性；

(4) 通過改變磁流體推進器中電極的極性或電流的大小可改變推力的方向或大小，而改變電極的極性或電流的大小較機械逆轉(zhuǎn)或變速更容易實現(xiàn)，從而提高了艦船的靈活性，改善了艦船的操縱性能。

1.3 磁流體推進裝置的組成及結構形式

1.3.1 磁流體推進裝置組成

超導磁流體推進器主要由超導磁體、流體通道、電極以及電源和監(jiān)控系統(tǒng)等組成(見圖2)。其中，超導磁體為推進器提供所要求的磁場；流體通道是指由電極和絕緣壁組成并承受電磁力的推進器筒體，電極給推進器提供電場，一般選用具有良好電化學性能的材料(如金屬氧化物DSA、鍍鉑或鈦等)制成。

圖2 磁流體推進裝置組成

1.3.2 磁流體推進裝置結構形式

目前，磁流體推進器主要有：線型通道磁流體推進器、螺旋型通道磁流體推進器和環(huán)形通道磁流體推進器三種基本結構形式。

(1) 線型通道磁流體推進器

線型通道磁流體推進器(見圖3)的通道是直線型，管道的截面一般為矩形、圓形和環(huán)形。它的磁體一般是由鞍型線圈繞制的二極或四極磁體。這種推進器的通道結構簡單，海水阻力小，水動力功率轉(zhuǎn)換效率高。它的磁場方向與電流方向垂直，同時推進器中電磁力的作用方向與流體流動方向一致，因此，其磁場強度利用率高，電磁功率轉(zhuǎn)換效率高；不足之處是鞍形磁體的結構復雜，加工工藝和技術要求高。

圖3 直線通道磁流體推進器

(2) 螺旋型通道磁流體推進器

螺旋型通道磁流體推進器磁體內(nèi)部安裝一對圓筒形電極，其中一個為內(nèi)電極，另一個為外電極。兩電極之間設置由非導磁的絕緣材料制成的螺旋壁，電極與螺旋壁形成螺旋型通道。在通道的進口處設置有導流器，將海水的軸向流動轉(zhuǎn)換成螺旋運動；在通道的出口處設置有整流器，將海水的螺旋運動轉(zhuǎn)換成軸向運動。

(3) 環(huán)型通道磁流體推進器

環(huán)型通道磁流體推進器的通道為圓環(huán)形。這種推進器一般布置在潛艇的殼體上，它不僅可安裝成單段結構，也可以分散安置成兩段或更多段的結構。與總長相等、輸入功率相當?shù)钠渌问降拇帕黧w推進器相比，該推進器不僅克服了由于磁體及通道太長而導致結構復雜和制造工藝困難等問題，而且還能使推力和效率有所提高。另外，這種推進器形式可以節(jié)約潛艇的內(nèi)部空間。

2 磁流體推進監(jiān)控系統(tǒng)設計

2.1 總體設計

磁流體推進監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務是實施對磁流體推進裝置及其輔助系統(tǒng)的自動控制、安全保護和監(jiān)測報警，保障推進裝置根據(jù)操作人員的操縱及指令安全可靠運行。

該推進監(jiān)控系統(tǒng)設計為I類控制，即推進裝置的設備與系統(tǒng)配有控制、監(jiān)測報警和安全系統(tǒng)，由駕駛室及集控室進行遙控和自動控制，輔以機旁手動控制。當駕駛室遙控時，集控室應配備人員值班監(jiān)視。

監(jiān)控系統(tǒng)主要由下面三個分系統(tǒng)及設備組成：控制分系統(tǒng)、安全保護分系統(tǒng)、監(jiān)測報警分系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡

磁流體推進監(jiān)控系統(tǒng)的設備主要布置在駕駛室、集控室、推進器艙，設備組成清單見表1。系統(tǒng)按通用化、系列化和組合化(模塊化)的要求設計。系統(tǒng)網(wǎng)絡設計采用兩層雙冗余現(xiàn)場總線CAN網(wǎng)，上層網(wǎng)匯總遙控、安保和監(jiān)測系統(tǒng)的信息在人機界面顯示和報警，下層網(wǎng)分為遙控安保CAN網(wǎng)和監(jiān)測報警CAN網(wǎng)，對應兩套推進裝置分別獨立組網(wǎng)，通過路由器上傳至上層網(wǎng)，具體網(wǎng)絡系統(tǒng)圖見圖4。

表1 系統(tǒng)設備組成清單

圖4 推進監(jiān)控系統(tǒng)設備網(wǎng)絡圖

2.3 系統(tǒng)功能

2.3.1 磁流體監(jiān)控系統(tǒng)主要功能

(1) 高溫超導磁體系統(tǒng)監(jiān)控

高溫超導磁體是推進系統(tǒng)的核心，監(jiān)控對象主要包括：線圈電壓、勵磁消磁電壓和電流、磁通密度、低溫恒溫容器、線圈溫度等。

線圈電壓：通過采集線圈中點與兩端點的電壓，當電壓差值大于設定值，斷開回路保護線圈。

勵磁消磁電壓和電流：監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視超導磁體勵磁和消磁時線圈通電的狀態(tài)，并通過驅(qū)動電流調(diào)節(jié)裝置改變勵磁電壓，從而改變勵磁電流實現(xiàn)磁場大小的變化。

磁通密度：監(jiān)控系統(tǒng)通過霍爾元件采集超導磁體的磁場，確認是否產(chǎn)生控制系統(tǒng)要求的目標磁場。

低溫恒溫器和線圈溫度：在航行時，密切監(jiān)視低溫容器的溫度、壓力、液位變化以及超導線圈的溫度，當參數(shù)異常時立即執(zhí)行安全保護動作，保護高溫超導磁體。

(2) 海水導管系統(tǒng)監(jiān)控

海水流量：監(jiān)控系統(tǒng)通過超聲波式流量計采集海水導管和入口部分的流量，計算產(chǎn)生的推力。

海水壓力：監(jiān)視海水進口和出口壓力，觀察磁流體推進的有效性。

電極電流和電壓：通過改變電極的電流大小以及方向，可以實現(xiàn)推力的增減和前進后退的轉(zhuǎn)換。

(3) 磁場強度和電極電流的匹配

根據(jù)磁流體推進系統(tǒng)原理及特性，推力的大小取決于磁場強度和電極通電電流的大小。監(jiān)控系統(tǒng)在程序中預設磁場強度和電極電流的匹配表，在自動控制時，按照設定的加減速速率和匹配曲線進行自動調(diào)節(jié)。

2.3.2 常規(guī)監(jiān)控系統(tǒng)功能

(1) 控制系統(tǒng)功能

左、右推進裝置各設一套控制系統(tǒng)，分別控制兩套推進器，控制系統(tǒng)相對獨立，功能相同，可以在不同的操作模式下工作。每套控制系統(tǒng)具有以下功能：

操作部位和控制方式：駕駛室、集控室和推進器艙三個操作部位可轉(zhuǎn)換，運行過程中只有一個操作部位操作有效。在駕駛室和集控室可執(zhí)行自動控制、集控室可執(zhí)行半自動控制、推進器艙可執(zhí)行手動控制。

推進器的遙控運行和停止：推進器在滿足運行條件時，可以在集控室執(zhí)行遙控啟動；推進器在運行過程中，推力降至合理區(qū)間后可執(zhí)行遙控停止。

推力調(diào)節(jié)：控制系統(tǒng)通過控制推進器的電流調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)推力的增大和減小。自動情況下，根據(jù)操縱手柄的位置確定推力；半自動時通過集控室的按鈕實現(xiàn)增減推力。

換向：控制系統(tǒng)通過控制推進器的電極變換裝置，改變電極的方向，使船前進和后退。換向時，控制推進器自動降至零推力后實施電極變換，變換完成且穩(wěn)定后再增加推力至目標值。

手動操作：在推進器的手動操作面板上可以實現(xiàn)手動啟動、停止、電極變換和推力調(diào)節(jié)。

限制保護：推進裝置在運行過程中設定負荷限制，超負荷時限制增加推力。

(2) 安全保護系統(tǒng)功能

啟動聯(lián)鎖：推進器運行前，安保系統(tǒng)采集到限制啟動信號，即使有遙控啟動的指令也不能啟動。

故障降速：推進器在運行過程中，安保系統(tǒng)收到故障降速原因信號，即刻發(fā)出故障降速指令并發(fā)出聲光報警，推進器降速至指定推力。

故障停止：推進器在運行過程中，安保系統(tǒng)收到嚴重故障信號，即刻發(fā)出故障停止指令并發(fā)出聲光報警，推進器立刻停止運行。

緊急停止：在駕駛室、集控室和推進器艙都設有獨立的“緊急停止”按鈕，這些按鈕不受操作部位控制權的限制，可直接使推進器停止運行。

(3) 監(jiān)測報警系統(tǒng)功能

數(shù)據(jù)采集和傳輸：通過推進器艙設置的數(shù)據(jù)采集單元，采集推進裝置及輔助系統(tǒng)傳感器傳輸?shù)臏囟取毫?、液位、推力等信號，并通過雙冗余CAN網(wǎng)，由路由器上傳至人機界面。

參數(shù)顯示和報警功能：屏幕分頁顯示每個測點的名稱及實際測量值，若超過上下限報警時，屏幕上彈出報警窗口，發(fā)出聲、光報警信號，消聲后，閃光信號保存，應答按鈕按下后，閃光變平光。實測值在屏幕上動態(tài)刷新，當檢測到傳感器故障時，屏幕有傳感器故障指示。具有報警閉鎖和報警延時等功能。

圖形顯示功能：在人機界面上顯示磁流體推進系統(tǒng)的模擬圖并配有動態(tài)參數(shù)曲線和模擬二次儀表顯示。

數(shù)據(jù)記錄與查詢功能：具有測量參數(shù)定時自動記錄(定時時間可以設定)、報警/消警即時記錄等功能，而且隨時可將當前測量參數(shù)存盤；可查詢某一時間保存的測點狀態(tài)及測量值，某一測點的報警歷史。

故障自檢及診斷功能：每個模塊具有通信狀態(tài)指示、電源指示，在顯示器上對系統(tǒng)的電源失電、傳感器斷線、通訊故障進行自檢與報警。

4 結 語

在船舶電力推進方式繁榮發(fā)展的今天，船舶磁流體推進這一新技術伴隨著高溫超導技術的突破，已從概念技術步入到實用技術。新一代的高溫超導磁體通過大功率的發(fā)電裝置可以產(chǎn)生強磁場，從而解決了推力限制的瓶頸。船舶磁流體推進監(jiān)控系統(tǒng)研究為今后的實船運用奠定了基礎。

參考文獻：

[1] 譚作武.磁流體推進[M].第1版.北京:北京工業(yè)大學出版社,1998:15-17.

[2] 李亞旭，劉曉林.船舶磁流體推進與高溫超導[J].船電技術，2009,(8):1-4.