一种嵌套环形通道超导磁流体推进器的制作方法

本发明涉及船舶装备能源动力推进，特别涉及一种嵌套环形通道超导磁流体推进器。

背景技术：

1、随着海洋经济的蓬勃发展，船舶制造业进入快速发展期。作为船舶动力核心的推进装置，也由此成为优先发展的关键设备。传统船舶推进方式主要依赖螺旋桨、喷水推进等机械旋转部件，虽技术成熟，但存在噪声大、振动明显、机械效率受空泡效应影响严重、在浅水或受限水域通过性差等问题，难以满足高性能舰船对隐蔽性、快速响应及高机动性的迫切需求。

2、目前，磁流体推进技术作为一种新型无桨推进方式，通过电磁力直接驱动导电介质（海水）产生推力，从根本上消除了机械旋转部件，具有噪声低、振动小、结构隐蔽性好等突出优势，被认为是未来高性能船舶推进的重要发展方向之一，超导磁流体推进器利用超导线圈产生强磁场，结合电极输入的大电流，可大幅提升推力密度与推进效率。然而，现有超导磁流体推进器多采用单一环形或矩形通道结构，存在磁场利用不充分、通道内电流密度分布不均、推力调节范围有限等问题，且电极与磁场的配置方式固定，难以根据航速、负载及机动指令灵活调节推力矢量，导致舰船低速工况下效率偏低、转向响应迟缓，此外，单一通道结构一旦出现电极或局部磁场故障，推进系统将丧失大部分推力，冗余性和可靠性不足。

技术实现思路

1、本发明提供嵌套环形通道超导磁流体推进器，可以解决现有技术中存在磁场利用不充分、通道内电流密度分布不均、推力调节范围有限等问题，且电极与磁场的配置方式固定，难以根据航速、负载及机动指令灵活调节推力矢量的问题。

2、一种嵌套环形通道超导磁流体推进器，包括依次同轴套设的推进器外壳、推进器中壳与推进器内壳，所述推进器内壳套设在主体上，所述主体内设置有控制器，所述推进器外壳与所述推进器中壳之间形成外环通道，所述推进器中壳与所述推进器内壳之间形成内环通道，所述外环通道和所述内环通道内均设置有线圈组件；所述外环通道内设置有正对的外环正极板和外环负极板，所述内环通道内设置有正对的内环正极板和内环负极板，各正极板与负极板分别通过导体与所述控制器电连接；所述线圈组件通电励磁后于各通道内产生磁场，所述控制器控制各正极板与负极板向海水中施加电流，所述电流与所述磁场相互作用产生洛伦兹力，驱动海水沿轴向加速喷射。

3、本发明提供的一种嵌套环形通道超导磁流体推进器，相较于现有技术，具有但不局限于以下有益效果：

4、该嵌套环形通道超导磁流体推进器通过推进器外壳、推进器中壳与推进器内壳依次同轴套设形成外环通道和内环通道的双通道嵌套结构，有效解决了单一环形或矩形通道磁场利用不充分的问题，内外双通道布局使得磁流体加速区域成倍增加，磁场空间利用率显著提升；通过在外环通道内设置正对的外环正极板和外环负极板，并在内环通道内设置正对的内环正极板和内环负极板，各正极板与负极板分别通过导体与控制器电连接，使得内外环通道可独立配置电极系统；通过线圈组件通电励磁后于各通道内产生磁场，控制器控制各正极板与负极板向海水中施加电流，电流与磁场相互作用产生洛伦兹力，驱动海水沿轴向加速喷射，两个环形通道呈并联布局，任一通道内的电极或局部磁场发生故障时，另一通道仍可独立工作并维持推力输出，避免了单一通道结构一旦出现故障即丧失大部分推力的弊端，显著增强了推进系统的冗余性和可靠性。

5、进一步地，所述线圈组件包括外环超导线圈和内环超导线圈，多个所述外环超导线圈环向设置在外环通道内，多个所述内环超导线圈环向设置在内环通道内，所述外环超导线圈和内环超导线圈均封装于线圈杜瓦内，所述线圈杜瓦通过冷却管路与低温系统连接，所述线圈杜瓦包括外环线圈杜瓦和内环线圈杜瓦，所述外环线圈杜瓦设置于所述推进器外壳的内壁与所述推进器中壳的外壁之间，所述内环线圈杜瓦设置于所述推进器中壳的内壁与所述推进器内壳的外壁之间；所述线圈杜瓦采用双层结构，双层之间填充绝热材料并抽真空形成真空绝热夹层，所述线圈杜瓦的内壁设置有冷却管路，所述冷却管路与所述低温系统连接形成闭环循环回路，所述外环超导线圈和内环超导线圈采用nb3sn低温超导材料绕制，所述低温系统为闭环液氦循环系统，维持所述外环超导线圈和内环超导线圈的工作温度为4.2k。

6、进一步地，多个所述外环正极板沿周向等间距地贴合在推进器外壳的内壁，多个所述外环负极板沿周向等间距地贴合在推进器中壳的外壁，且各所述外环正极板与各所述外环负极板沿径向一一正对；多个所述内环正极板沿周向等间距地贴合在推进器内壳的外壁，多个所述内环负极板沿周向等间距地贴合在推进器中壳的内壁，且各所述内环正极板与各所述内环负极板沿径向一一正对，所述外环正极板、外环负极板、内环正极板和内环负极板均为弧形板状结构。

7、进一步地，所述外环通道内沿周向均匀设置有6组外环正极板与外环负极板，所述内环通道内沿周向均匀设置有6组内环正极板与内环负极板，各组正负极板的电流密度及电流方向通过所述控制器根据实时工况需求实现独立调节，通过内外双层环形多通道实现差动操控，差动越大转弯半径越小，以替代尾舵实现灵活机动。

8、进一步地，所述外环通道的磁场方向与内环通道的磁场方向相反，使得所述外环通道与内环通道各自产生的洛伦兹力方向相同，实现内外环推力的同向叠加。

9、进一步地，所述推进器中壳同时作为外环通道的负极与内环通道的负极，构成公共负电极，所述外环负极板与内环负极板均通过导体连接至推进器中壳，所述推进器中壳通过导体接入控制器的负极公共端。

10、进一步地，所述推进器外壳的入口端设置有导流结构，所述推进器外壳出口端设置有整流格栅，所述导流结构用于降低流体入口损失，所述整流格栅用于将通道出口处的周向旋转流转化为轴向推进流并降低涡流损耗。

11、进一步地，所述推进器外壳、推进器中壳与推进器内壳均由非磁性、耐海水腐蚀的高强度合金材料制成，所述推进器的整体结构呈筒形对称布局。

12、进一步地，所述控制器采用基于dsp加fpga的双核架构，集成数据采集模块、故障诊断模块、冗余切换模块和推力矢量解算模块，所述控制器实时协调各通道的电磁参数及工作模式，并具备推力矢量调节功能、通道冗余切换功能及故障自诊断功能。

13、进一步地，所述控制器还用于根据推进器运行状态动态调整参与工作的通道数量及其电流参数，以实现效率优先或推力优先模式的切换；当某一通道出现电极故障、超导线圈失超或冷却异常时，所述控制器自动切除故障通道并调整其余通道的工作参数，实现系统降级运行。

1.一种嵌套环形通道超导磁流体推进器，其特征在于，包括依次同轴套设的推进器外壳（1）、推进器中壳（2）与推进器内壳（3），所述推进器内壳（3）套设在主体（4）上，所述主体（4）内设置有控制器（5），所述推进器外壳（1）与所述推进器中壳（2）之间形成外环通道（6），所述推进器中壳（2）与所述推进器内壳（3）之间形成内环通道（7），所述外环通道（6）和所述内环通道（7）内均设置有线圈组件（8）；

2.如权利要求1所述的嵌套环形通道超导磁流体推进器，其特征在于，所述线圈组件（8）包括外环超导线圈（81）和内环超导线圈（82），多个所述外环超导线圈（81）环向设置在外环通道（6）内，多个所述内环超导线圈（82）环向设置在内环通道（7）内，所述外环超导线圈（81）和内环超导线圈（82）均封装于线圈杜瓦（83）内，所述线圈杜瓦（83）通过冷却管路与低温系统（13）连接。

3.如权利要求1所述的嵌套环形通道超导磁流体推进器，其特征在于，多个所述外环正极板（9）沿周向等间距地贴合在推进器外壳（1）的内壁，多个所述外环负极板（10）沿周向等间距地贴合在推进器中壳（2）的外壁，且各所述外环正极板（9）与各所述外环负极板（10）沿径向一一正对；多个所述内环正极板（11）沿周向等间距地贴合在推进器内壳（3）的外壁，多个所述内环负极板（12）沿周向等间距地贴合在推进器中壳（2）的内壁，且各所述内环正极板（11）与各所述内环负极板（12）沿径向一一正对。

4.如权利要求1所述的嵌套环形通道超导磁流体推进器，其特征在于，所述外环通道（6）内沿周向均匀设置有6组外环正极板（9）与外环负极板（10），所述内环通道（7）内沿周向均匀设置有6组内环正极板（11）与内环负极板（12），各组正负极板的电流密度及电流方向通过所述控制器（5）根据实时工况需求实现独立调节，通过内外双层环形多通道实现差动操控，差动越大转弯半径越小，以替代尾舵实现灵活机动。

5.如权利要求1所述的嵌套环形通道超导磁流体推进器，其特征在于，所述外环通道（6）的磁场方向与内环通道（7）的磁场方向相反，使得所述外环通道（6）与内环通道（7）各自产生的洛伦兹力方向相同，实现内外环推力的同向叠加。

6.如权利要求1所述的嵌套环形通道超导磁流体推进器，其特征在于，所述推进器中壳（2）同时作为外环通道（6）的负极与内环通道（7）的负极，构成公共负电极，所述外环负极板（10）与内环负极板（12）均通过导体连接至推进器中壳（2），所述推进器中壳（2）通过导体接入控制器（5）的负极公共端。

7.如权利要求1所述的嵌套环形通道超导磁流体推进器，其特征在于，所述推进器外壳（1）的入口端设置有导流结构（14），所述推进器外壳（1）出口端设置有整流格栅（15），所述导流结构（14）用于降低流体入口损失，所述整流格栅（15）用于将通道出口处的周向旋转流转化为轴向推进流并降低涡流损耗。

8.如权利要求1所述的嵌套环形通道超导磁流体推进器，其特征在于，所述推进器外壳（1）、推进器中壳（2）与推进器内壳（3）均由非磁性、耐海水腐蚀的高强度合金材料制成，所述推进器的整体结构呈筒形对称布局。

9.如权利要求1所述的嵌套环形通道超导磁流体推进器，其特征在于，所述控制器（5）采用基于dsp加fpga的双核架构，集成数据采集模块、故障诊断模块、冗余切换模块和推力矢量解算模块，所述控制器（5）实时协调各通道的电磁参数及工作模式，并具备推力矢量调节功能、通道冗余切换功能及故障自诊断功能。

10.如权利要求1所述的嵌套环形通道超导磁流体推进器，其特征在于，所述控制器（5）还用于根据推进器运行状态动态调整参与工作的通道数量及其电流参数，以实现效率优先或推力优先模式的切换；当某一通道出现电极故障、超导线圈失超或冷却异常时，所述控制器（5）自动切除故障通道并调整其余通道的工作参数，实现系统降级运行。