船舶磁流体推进监控系统设计

朱 鸿， 张秦峰

(1． 海军驻沪东中华造船(集团)有限公司 军事代表室， 上海 200129；2． 上海船舶运输科学研究所， 上海 200135)

0 引 言

近年来，高温超导技术的迅速发展为船舶磁流体推进的应用提供了必要条件。船舶磁流体推进作为一种新型的推进方式，具备了安静、高效、布置方便和操纵性好等特点。采用磁流体推进器作为核心的推进系统，需配备可靠的推进监控系统,以达到良好的可操纵性和安全性。设计了基于CAN总线的监控系统，对磁流体推进装置进行控制、安全保护和监测报警。

1 磁流体推进技术概述

1.1 基本原理

磁流体推进是利用“洛伦兹力产生原理”和“海水是导电流体”等特性，通过给推进器管道中的海水施加一个磁场和一个与磁场正交的电场，此时载流海水就会在与它相垂直的磁场中受到电磁力(洛仑兹力)的作用，其受力方向按左手定则确定。海水受力时沿电磁力方向运动，其反作用力即推力，推进船舶运动。

在磁场一定的情况下，电流大、电磁力大、推力也大，船舶运动的速度就快；反之，电流小、电磁力小、推力也小，船舶运动的速度慢。当电流方向改变时，电磁力与推力的方向也改变，船舶运动的方向也随之改变。这样可以通过调节电流大小的方法来控制船的速度，通过改变电流的方向来操纵船舶航行的方向。磁流体推进(MHD)原理图见图1。

图1 磁流体推进(MHD)原理

1.2 特 点

1.2.1 结构特点

磁流体推进器与传统螺旋桨推进器截然不同,无螺旋桨、无驱动轴、无减速齿轮。从流体动力学分析，超导磁流体推进器与喷水推进器类似。不同之处在于动力源：喷水推进器的动力源于泵，泵产生机械压力；而超导磁流体推进器的动力源是电磁洛仑兹力，是电磁相互作用。

1.2.2 性能特点

(1) 超导磁流体推进取消了常规的螺旋桨、喷水推进、泵喷等转动机构，从而大大降低了由转动机构引起的噪声和振动，使舰船真正实现安静航行；

(2) 超导磁流体推进的动力输出装置(如磁体、电极等)都是相对静止的，提高了船舶主机的功率级，使其不再受转动机械的功率限制，从而可制造出超大功率的高航速舰船；

(3) 超导磁流体推进器的设备无须安装在机舱内某个固定位置，在舰船的设计中可以有效地利用舱室空间，提高设备安装的灵活性；

(4) 通过改变磁流体推进器中电极的极性或电流的大小可改变推力的方向或大小，而改变电极的极性或电流的大小较机械逆转或变速更容易实现，从而提高了舰船的灵活性，改善了舰船的操纵性能。

1.3 磁流体推进装置的组成及结构形式

1.3.1 磁流体推进装置组成

超导磁流体推进器主要由超导磁体、流体通道、电极以及电源和监控系统等组成(见图2)。其中，超导磁体为推进器提供所要求的磁场；流体通道是指由电极和绝缘壁组成并承受电磁力的推进器筒体，电极给推进器提供电场，一般选用具有良好电化学性能的材料(如金属氧化物DSA、镀铂或钛等)制成。

图2 磁流体推进装置组成

1.3.2 磁流体推进装置结构形式

目前，磁流体推进器主要有：线型通道磁流体推进器、螺旋型通道磁流体推进器和环形通道磁流体推进器三种基本结构形式。

(1) 线型通道磁流体推进器

线型通道磁流体推进器(见图3)的通道是直线型，管道的截面一般为矩形、圆形和环形。它的磁体一般是由鞍型线圈绕制的二极或四极磁体。这种推进器的通道结构简单，海水阻力小，水动力功率转换效率高。它的磁场方向与电流方向垂直，同时推进器中电磁力的作用方向与流体流动方向一致，因此，其磁场强度利用率高，电磁功率转换效率高；不足之处是鞍形磁体的结构复杂，加工工艺和技术要求高。

图3 直线通道磁流体推进器

(2) 螺旋型通道磁流体推进器

螺旋型通道磁流体推进器磁体内部安装一对圆筒形电极，其中一个为内电极，另一个为外电极。两电极之间设置由非导磁的绝缘材料制成的螺旋壁，电极与螺旋壁形成螺旋型通道。在通道的进口处设置有导流器，将海水的轴向流动转换成螺旋运动；在通道的出口处设置有整流器，将海水的螺旋运动转换成轴向运动。

(3) 环型通道磁流体推进器

环型通道磁流体推进器的通道为圆环形。这种推进器一般布置在潜艇的壳体上，它不仅可安装成单段结构，也可以分散安置成两段或更多段的结构。与总长相等、输入功率相当的其它形式的磁流体推进器相比，该推进器不仅克服了由于磁体及通道太长而导致结构复杂和制造工艺困难等问题，而且还能使推力和效率有所提高。另外，这种推进器形式可以节约潜艇的内部空间。

2 磁流体推进监控系统设计

2.1 总体设计

磁流体推进监控系统的主要任务是实施对磁流体推进装置及其辅助系统的自动控制、安全保护和监测报警，保障推进装置根据操作人员的操纵及指令安全可靠运行。

该推进监控系统设计为I类控制，即推进装置的设备与系统配有控制、监测报警和安全系统，由驾驶室及集控室进行遥控和自动控制，辅以机旁手动控制。当驾驶室遥控时，集控室应配备人员值班监视。

监控系统主要由下面三个分系统及设备组成：控制分系统、安全保护分系统、监测报警分系统。

2.2 系统组成及网络

磁流体推进监控系统的设备主要布置在驾驶室、集控室、推进器舱，设备组成清单见表1。系统按通用化、系列化和组合化(模块化)的要求设计。系统网络设计采用两层双冗余现场总线CAN网，上层网汇总遥控、安保和监测系统的信息在人机界面显示和报警，下层网分为遥控安保CAN网和监测报警CAN网，对应两套推进装置分别独立组网，通过路由器上传至上层网，具体网络系统图见图4。

表1 系统设备组成清单

图4 推进监控系统设备网络图

2.3 系统功能

2.3.1 磁流体监控系统主要功能

(1) 高温超导磁体系统监控

高温超导磁体是推进系统的核心，监控对象主要包括：线圈电压、励磁消磁电压和电流、磁通密度、低温恒温容器、线圈温度等。

线圈电压：通过采集线圈中点与两端点的电压，当电压差值大于设定值，断开回路保护线圈。

励磁消磁电压和电流：监控系统监视超导磁体励磁和消磁时线圈通电的状态，并通过驱动电流调节装置改变励磁电压，从而改变励磁电流实现磁场大小的变化。

磁通密度：监控系统通过霍尔元件采集超导磁体的磁场，确认是否产生控制系统要求的目标磁场。

低温恒温器和线圈温度：在航行时，密切监视低温容器的温度、压力、液位变化以及超导线圈的温度，当参数异常时立即执行安全保护动作，保护高温超导磁体。

(2) 海水导管系统监控

海水流量：监控系统通过超声波式流量计采集海水导管和入口部分的流量，计算产生的推力。

海水压力：监视海水进口和出口压力，观察磁流体推进的有效性。

电极电流和电压：通过改变电极的电流大小以及方向，可以实现推力的增减和前进后退的转换。

(3) 磁场强度和电极电流的匹配

根据磁流体推进系统原理及特性，推力的大小取决于磁场强度和电极通电电流的大小。监控系统在程序中预设磁场强度和电极电流的匹配表，在自动控制时，按照设定的加减速速率和匹配曲线进行自动调节。

2.3.2 常规监控系统功能

(1) 控制系统功能

左、右推进装置各设一套控制系统，分别控制两套推进器，控制系统相对独立，功能相同，可以在不同的操作模式下工作。每套控制系统具有以下功能：

操作部位和控制方式：驾驶室、集控室和推进器舱三个操作部位可转换，运行过程中只有一个操作部位操作有效。在驾驶室和集控室可执行自动控制、集控室可执行半自动控制、推进器舱可执行手动控制。

推进器的遥控运行和停止：推进器在满足运行条件时，可以在集控室执行遥控启动；推进器在运行过程中，推力降至合理区间后可执行遥控停止。

推力调节：控制系统通过控制推进器的电流调节装置，实现推力的增大和减小。自动情况下，根据操纵手柄的位置确定推力；半自动时通过集控室的按钮实现增减推力。

换向：控制系统通过控制推进器的电极变换装置，改变电极的方向，使船前进和后退。换向时，控制推进器自动降至零推力后实施电极变换，变换完成且稳定后再增加推力至目标值。

手动操作：在推进器的手动操作面板上可以实现手动启动、停止、电极变换和推力调节。

限制保护：推进装置在运行过程中设定负荷限制，超负荷时限制增加推力。

(2) 安全保护系统功能

启动联锁：推进器运行前，安保系统采集到限制启动信号，即使有遥控启动的指令也不能启动。

故障降速：推进器在运行过程中，安保系统收到故障降速原因信号，即刻发出故障降速指令并发出声光报警，推进器降速至指定推力。

故障停止：推进器在运行过程中，安保系统收到严重故障信号，即刻发出故障停止指令并发出声光报警，推进器立刻停止运行。

紧急停止：在驾驶室、集控室和推进器舱都设有独立的“紧急停止”按钮，这些按钮不受操作部位控制权的限制，可直接使推进器停止运行。

(3) 监测报警系统功能

数据采集和传输：通过推进器舱设置的数据采集单元，采集推进装置及辅助系统传感器传输的温度、压力、液位、推力等信号，并通过双冗余CAN网，由路由器上传至人机界面。

参数显示和报警功能：屏幕分页显示每个测点的名称及实际测量值，若超过上下限报警时，屏幕上弹出报警窗口，发出声、光报警信号，消声后，闪光信号保存，应答按钮按下后，闪光变平光。实测值在屏幕上动态刷新，当检测到传感器故障时，屏幕有传感器故障指示。具有报警闭锁和报警延时等功能。

图形显示功能：在人机界面上显示磁流体推进系统的模拟图并配有动态参数曲线和模拟二次仪表显示。

数据记录与查询功能：具有测量参数定时自动记录(定时时间可以设定)、报警/消警即时记录等功能，而且随时可将当前测量参数存盘；可查询某一时间保存的测点状态及测量值，某一测点的报警历史。

故障自检及诊断功能：每个模块具有通信状态指示、电源指示，在显示器上对系统的电源失电、传感器断线、通讯故障进行自检与报警。

4 结 语

在船舶电力推进方式繁荣发展的今天，船舶磁流体推进这一新技术伴随着高温超导技术的突破，已从概念技术步入到实用技术。新一代的高温超导磁体通过大功率的发电装置可以产生强磁场，从而解决了推力限制的瓶颈。船舶磁流体推进监控系统研究为今后的实船运用奠定了基础。

参考文献：

[1] 谭作武.磁流体推进[M].第1版.北京:北京工业大学出版社,1998:15-17.

[2] 李亚旭，刘晓林.船舶磁流体推进与高温超导[J].船电技术，2009,(8):1-4.