舰船电力推进技术的发展现状

舰船电力推进技术的发展现状

电力推进是指由舰船的原动机（柴油机或燃气轮机或两者混合，甚至核动力装置）驱动发电机产生电能，再由电动机将电能转换为机械能驱动推进器实现舰船机动的一种推进方式。一艘电力推进船舶，不管采用何种方式发电，电力不是像传统布置一样直接与驱动装置相连，但可为全船提供电力，这种方式能提供更大的供电灵活性、高效性和生存性。舰船步入全电力时代就像当初从帆船时代步入蒸汽时代一样，是一个巨大的跨越。

一电力推进的优缺点

1 电力推进的优点

1）可以灵活布置船上大型机械设备；

2）便于操控和航行；

3）可降低运行噪声。因为没有齿轮箱等大功率后传动机械装置和长轴系,明显降低了舰艇运行噪声，提高了乘员的舒适度，且提高了舰船的隐身性；

4）如果电动机设计成低速(100～200 r/min)运行，并直接与推进轴连接，则可省去减速齿轮；

5）与常规的机械推进比较，电力推进的重量和体积大大减少；

6）电力推进系统能效更高；

7）电力由冗余电缆传输，可靠性高，并可减少维护；

8）节能环保。所有原动机均以恒定速度运行于最佳工作状态，并可根据负载变化动态调整，明显降低能耗和排放；

9）全电力舰船所需的舰员人数会大幅减少，进一步减少使用成本。10）可使舰船成为电磁武器的搭载平台。大型舰船变频调速电力推进在功率等级上与电磁武器基本相当，随着这种新型电力推进技术的工程化应用，将在电能管理和脉冲式电源变换等重大技术上为大功率雷达、电磁炮、电磁弹射等新装备装舰扫清障碍。

2 电力推进系统相对常规推进装置的不足之处

1）电力推进系统的价格较传统推进装置更为昂贵，因而船舶建造的初投资将会增加；

2）在原动机与螺旋桨之间增加的电器设备，如发电机、变压器、变频器和电动机等，加大了船舶全动力运行时的传输损耗；

3）大量采用电气设备可能引起一些危害，如火灾和电网的谐波干扰等；4）由于船舶安装了多种新型设备，需要制定不同的运行、人员配备及维护策略，提高了对操作人员和维护人员的要求。

以下为机械推进和综合电力推进的原理图。

图1 机械推进系统示意图

图2 综合电力系统示意图

二综合电力推进

电力推进最早应用在商船上，特别是豪华游船上。其中以英国对电力推进的研究最为突出。三个主要的欧洲电力推进供应商分别为：Alstom、ABB和西门子公司。

电力推进从功能上可分为2类：一是混合电力推进，即在以大功率机械直接推进为主的动力系统中加入小功率电力推进，舰船在低速巡航时采用电力驱动，满足舰船巡航时的经济性和低噪声需求，更高航速下采用直接驱动；二是综合电力推进，舰上的所有原动机都用于产生电力，然后分配至推进、船上用电和作战系统。即在舰船运行的全速范围内完全由电动机驱动推进器。

对于在生命周期内操作模式相对固定的舰船，通常来说，混合电力推进是最佳的选择。如果操作模式会变化或生命周期内排水量将会发生显著增加的，则综合电力推进的灵活性会更有优势。

1 各国的综合电力推进项目介绍

欧美国家的综合电力推进项目有：英、法海军的“综合全电力推进”（Integrated Full Electric Propulsion，IFEP），舰船推进和日常用电由同一发电系统供电，同时舰船的前进和后退完全由电力驱动；北约国家海军的“全电力舰”（All Electric Ship，AES），除推进用电和日常用电外，更进一步地使原先所有非电动如气动、汽动、液压驱动的辅机以及武器装备全部实现电气化；以及美国海军的“综合电力系统”（Integrated Power System，IPS），使用同一电源，在向推进系统供电的同时，还

可向全船其他电力负载，如各种泵、照明系统等供电,从而不必再为其配备单独的发电设备，是用于未来水面战舰和潜艇的一种全电力构造。其中，美国的综合电力系统项目成立于1995年，该系统的主合同商为洛克希德·马丁公司，其中很多设备由Alstom公司提供，2001~2005

财年美国海军在该项目上投入的研发经费超过3亿美元。

图3 美国综合电力系统原理图

综合电力推进系统的一个关键技术为电动机，大型舰船采用的电动机可分为五种基本类型：同步电动机、感应式电动机、永磁电动机、超导同步电动机和超导单极电动机。其中同步电动机被认为在大型舰船应用方面技术最成熟。另外海军和工业界一致认为，如果水面舰艇和潜艇需要在较高的航速（如30 kn）下航行，则同步电动机可能因体积和重量太大而不适合。使用同步电动机较合适的船型是大型军辅船。感应式电动机在大型舰船应用方面属第二成熟的，美海军的许多论证认为其用于水

面战斗舰艇具备足够的功率密度，但用于潜艇上则不够紧凑、安静。永磁电动机相比感应式电动机安静性更好，功率密度也有显著提高，适合用于水面舰艇和潜艇，但其技术成熟度不如感应式电动机。超导同步电动机，如果成功开发，将具备比永磁永动机更高的功率密度和安静性。超导单极电动机，同样具备比永磁电动机更高的功率密度和安静性。美国海军从上世纪70年代中期开始开发超导单极电动机，但技术成熟度也不高。

表1 机械推进与使用不同电动机的综合电力系统（IPS）的比较

图4 采用IPS的军舰示意图

2 综合电力推进关键部件

发动机（也称原动机）：美国水面舰艇多用燃气轮机、美国潜艇和大部分航母采用蒸汽轮机，由核反应堆产生热能，再产生蒸汽。在其他最高航速要求不高的舰艇上则采用柴油机。

发电机：将发动机产生的机械能（高转速）转为电能。

配电盘：将电力分配至推进和非推进用电。

电动机控制器：根据舰上电力推进电动机的需要改变电能的压力和频率，从而达到操作要求并达到想要的航速。

电动机：将电动机控制器中的电能转变为适合螺旋桨的低转速。

推进器：以低转速推进船舶。

非推进电力分配系统：将剩余电能分配至不同的舰上非推进用电载荷。该系统包括电缆、开关和电力转换设备。

3 交流与直流的比较

对于在综合电力系统中选择交流电还是直流电这个问题，英国一项基于护卫舰综合电力系统的设计可作为参考。该型舰在设计开始时选择了直流，设计人员认为采用直流电有如下原因：

第一，该设计中采用结构紧凑复杂的循环燃气轮机，这种情况下，使用直流电，电力转换次数最少。另外，发动机直接驱动发电机，无需使用齿轮箱，将综合电力系统减少尺寸和重量的优势最大化。

第二，电力从产生到分配至用电设备，均需要进行电力调整，采用直流电流，去除无效电力调整，效率更高。

1）电力产生时

不同功率的发电机转速不同，如下，1250 kW：20000 r/m；6000~10000 kW：7000 r/m；21000~25000 kW（WR21型燃气轮机发电机）：3600 r/m。其中1250 kW和6000~10000 kW发电机产生的电力将远高于标准的60 Hz（3600 r/m），即使采用转速为3600 r/m的WR21型燃气轮机，为取得最佳的燃料效率，需要根据载荷大小，调整发电机的速度。