舰船电力推进文献综述

舰船电力推进文献综述
摘要：本文简要介绍了舰船电力推进的历史，以及国内外发展的现状，电力推进在民用和军用中的发展，最后介绍吊舱式推进器的应用以及优缺点。

关键词：电力推进，吊舱式推进器
1引言：
起源于19世纪前期的电力推进, 作为舰船推进技术的一个重要分支, 伴随着电力电子和变频调速理论、技术的重大突破, 自20世纪80年代起进入了快速发展阶段。

一般来说, 电力推进是指由舰船自带原动机组(电池、汽轮发电机、柴油发电机、燃气轮机发电机等)产生电能, 再由推进电动机将电能转换为机械能驱动螺旋桨(推进器) 实现舰船机动的一种推进方式。

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, 以满足舰船低速巡航时的经济性和低噪声需求; 二是全电力推进, 即在舰船运行的全速范围内完全由电动机驱动螺旋桨(推进器)。

2电力推进的优缺点
与传统推进方式相比, 电力推进系统的优越性主要体现在以下几个方面:
( 1)减少了燃油消耗和维护费用, 船舶的全寿命费用相应大幅度降低, 而且在船舶负荷变化较大时效果更加显著。

如动力定位船的控位/机动操纵时间通常很长, 基本和行驶操作时间相当, 这类船舶使用电力推进系统可以大量减少燃油消耗和维护费用;
( 2)不易受到单个故障的影响, 并且可以对原动机(柴油机或燃气轮机)的负荷进行优化;
( 3)为电力推进系统提供电力的高中速柴油机, 其重量小于作为主机的低速机, 设备体积小, 占用的船体空间更少, 从而增加了船舶的有效载荷, 为舰船的总体布置和设计提供了更多的空间;
( 4)通过电缆供电, 系统可以不与原动机布置在一起, 因此电力推进系统的位置选择具有较大的灵活性;
( 5)动态性能好, 使船舶具有良好的灵活性, 大幅提高了舰船的机动性能;
( 6)调速范围宽广, 可以保证船舶在不同工况下的各种船速。

电力推进系统与常规推进装置相比也有其不足之处:
( 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, 加大了船舶满载时的传输损耗;
( 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, 对于操作人员和维护人员具有更高的要求。

3国外舰船电力推进的发展
3.1综合全电力推进
当前世界各国的电力推进船, 主要采用两种推进方式: 一种是电力推进与其他发动机推进组合的混合推进, 如英国23型护卫舰; 另一种是全电力推进, 即推进电源与船上辅助用电源由船上同一电站供给, 如美国的新型DD21水面舰船和英国的45型驱逐舰都采用这种方式。

这两种方式中, 后者居多。

近年来, 英国在23型护卫舰采用柴电- 燃气轮机联合推进( CODLAG) 的基础上, 大力研究电力推进应用于大型舰船上。

英国劳斯莱司公司与国际研发公司对未来护卫舰和航母推进技术深入研究, 提出护卫舰使用的交直流两种综合电力推进( IFEP)方案和适用于航母的交流推进方案。

两方案相比较, 最好采用交流IFEP方案。

3.2综合电力系统( IPS)
综合电力系统这一概念是由美国提出的,最初并非针对舰船使用。

后来随着设备的改进和先进控制系统的出现, 美国于1990年代开展了舰船综合电力系统的研制。

3.2.1水面舰船综合电力推进
美国海军于1986年针对水面舰船的低能表现提出了“海上革命”计划。

该计划涉及综合电力推进( IED) 和综合电力系统( IPS) 两种方案及水面舰船与潜艇两方面的应用。

1988年11月, 美国海军海上系统指挥部( NA VSEA) 与GE公司签订合同, 研制水面舰船用IED系统, 它由发电、推进及船用辅助电源等三部分组成。

IED系统作为 海上革命的先期预研计划虽然有许多优点, 但不是最合理的方案, 于是在1994年又出现了IPS的新概念。

3.2.2水面舰船的IPS预研计划
NA VSEA下属的水面舰船动力装置预研规划局( Advanced Surface Machinery Programs Office) 开展了一项适用于21世纪整个舰队的, 力图通过设备的通用性、实施的简易性和标准化来实现未来舰队高性能与低成本的IPS研制计划。

IPS系统由一系列模块组成, 设计者可通过合理选用各种模块, 以适用于美海军各种水面舰艇和辅船的电力推进和辅助用电的所有要求。

这些模块和功能是:
( 1) 发电模块: 为船上的电力推进和辅助用电提供电力;
( 2) 输变电与配电模块: 为全船各种辅助系统进行输、变配电;
( 3) 推进模块: 为舰船提供电力推进。

该系统的特点是采用滞留分区配电, 所有操作均采用标准监控系统来实现。

3.2.3美海军新型潜艇电力推进
推进电动机采用永磁和轴向间隙结构, 转子装有轴向磁化的铷、铁、硼永久磁体, 两个定子绕组接成多个三相扇形段, 每个扇形段由独立的逆变动单独供电, 它可实现小型轻量和低速大转矩。

电动机的有效部分为环形, 由位于磁体内缘附近的斜垫式径向和轴向上推轴承支撑。

电动机敞开的中间部位可放置隔声连轴器或将电动机直接连接在带扭矩盘的轴上, 永磁体斜置以减小电磁转矩脉动。

位于电动机两侧的空档放置给每个定子扇段供电的逆变器模块。

为了把新型电力推进与配电系统相结合, 全尺寸船用系统的研制目标是一台15MW、高速、高频、永磁杯式发电机。

转子作成杯形, 位于定子外面。

这种结构配以高速、高频运行, 将使发电机的重量与尺寸大幅度减小。

4电力推进在民用和军用方面的发展
4.1民用船舶电力推进技术的发展
80年代以后, 各种舰船重又大量采用电力推进首先是从民用船舶开始的。

这时已不再局限于破冰船、工程船等一些传统采用电力推进的船舶, 而是扩大到客货船、半潜式海洋平台、化学品船、油船、LPG船、布缆船、科考船、救捞船、渡船等更大范围的船舶。

这些船舶采用电力推进主要考虑以下因素:
( 1) 经过综合分析研究, 发现电力推进可以统筹全船的能量, 改善设备的运行状态, 提高螺旋桨的效率, 在很大的航速范围内燃油消耗相对比较低, 因而能够维持最低的运行成本。

( 2) 推进电机的转速易于调节, 且由静态变频器供电, 在正反转各种转速下都能提供恒定的转矩,因而能得到最佳的工作特性, 使船舶取得优良的机动性能。

( 3) 电力推进可以不采用齿轮减速装置和可变螺距螺旋桨, 在降低动力装置的费用投入上具有一定的竞争力。

( 4) 电力推进改善了机舱的布置, 使动力装置各种设备的安排更加合理, 同时又节省了大量的空间。

( 5) 发动机是船上主要的振动源, 采用电力推进后, 发动机安装在弹性机座上带动发电机, 并以恒定转速运行, 它既与轴系上的电力推进系统没有任何联系, 又与船体没有直接联结, 这就大大减小了振动和噪声。

对于现代的客船, 特别是豪华型游船, 这是非常重要的。

( 6) 采用电力推进更有利于船舶控制环境污染。

4.2军用舰船电力推进技术的发展
为了降低噪声, 增强反潜能力, 英国海军在1990年建成的23型护卫舰上首次采用了柴-电-燃联合动力装置( CODLAG) 。

虽然该舰选用的仅仅是巡航用小功率推进电机, 但电力推进在水面舰船上应用所显示的价值立即引起各国海军的极大关注。

美国海军表示要和英国合作, 把他们原先的“先进水面舰艇机械”研究项目加以扩展, 形成包含具有更高燃油效率的中冷回热式舰船用燃气轮机、综合全电力推进系统、区段式配电系统、标准机械监视与控制
系统以及系统结构等多项研究在内的大项目——综合全电力推进系统( IPS) 。

近年来, 舰船燃气轮机已日趋完善, 它体积小、重量轻、性能优, 自然成为综合全电力推进系统的首选动力装置。

燃气轮机和电力推进结合, 以极大的优势突破了舰船的传统布置, 为彻底改变舰船的面貌开辟了广阔的天地。

德国等其他国家海军也都开发了类似的电力推进系统。

舰船综合全电力推进成为现代高新技术的舞台。

目前美国海军以其雄厚的实力, 投入很大的力量对综合全电力推进系统进行大规模的开发。

从美国海军海上系统司令部( NA VSEA) 实施IPS计划所表现的目标的明确性、细节的周密性以及步骤的现实性来看, 不可否认, 这个计划代表着一种未来的发展方向。

经过一段时间的研究和实践以后, 美国海军逐渐认识到综合电力系统只是一种以动力系统为主体的局部概念。

舰船仅仅综合全部电力, 普遍采用电力推进还不能全面地体现他们彻底改变舰船面貌的期望, 而应该再进一步更新未来舰船的概念。

2001年年中, 荷兰皇家海军( RNLN) 倡议了全电力舰(AES) 的概念。

荷兰全国应用自然科学研究总会( TNO) 的Prins Maurits Laboratory参加了全电力舰概念的研究计划。

这个计划的近期和中期目标就是要生成新系统概念的知识和技术, 以便荷兰皇家海军在参与全电力舰的开发, 实现进一步电气化时能作出经过周密考虑的决策。

西方国家海军近年来对综合全电力推进系统看法上的微妙变化反映了他们增强舰船军事能力和购买力的认识一直在不断提高和深化。

未来舰船究竟叫“全电力舰”还是“电力战舰”，实际上并不重要, 关键在于所赋予的实质性研究内容如何能够体现未来舰船在总体上发生的根本变化, 而采用综合全电力推进系统则是未来舰船发展的核心。

5舰船电力推进系统的分类
目前世界上有3种主流电力推进系统, 分别是轴系推进系统、全方位推进系统和吊舱式推进系统。

尤其是吊舱式推进系统除了噪声低和振动小的特点, 还能够大大提高舰船的机动性, 显著降低船舶燃料费用, 并能够将船舶的推进效率提高近10%, 因此目前绝大部分新造的豪华游船都采用吊舱式电力推进系统。

5.1轴系推进系统
在带轴系螺旋桨的柴油电力推进系统中, 螺旋桨通常由变速电动机驱动。

变速电动机与螺旋桨轴的连接方式通常有两种:
( 1)直接连接方式能够使系统结构更简单、更牢固、更耐用;
( 2)通过齿轮装置将电动机与螺旋桨轴相连方式有助于提高电动机的转速, 同时使电动机的结构更加紧凑, 缺点则是导致电动机的机械结构较为复杂, 并增加整个电力推进系统的机械功率损失。

轴系推进系统通常配备在以下3类船舶:
( 1)船舶所需要的推进功率比较大, 超出了全方位推进系统能提供的功率范围;
( 2)船舶不需要进行控位操作和机动操作, 因而无需横向推力;
( 3)船舶需要横向推力, 但通过使用导管推进器等更经济的方法来获得横向推力。

采用轴系电力推进系统常见的船型包括穿梭油船、科学考察船、抛锚船和电缆敷设船。

5.2全方位推进系统
这种系统可以自由转动, 能产生任何方向的推力。

其推力既可以通过定速CPP螺旋桨或变速FPP螺旋桨控制, 也可以在特殊情况下通过速度和螺距联合控制。

与定速CPP螺旋桨相比, 变速FPP螺旋桨的水下机械结构更加简单, 其推力损失也更小。

全方位推进系统内部的电机通常有两类。

对推进器内部高度有严格限制的船舶上, 电动机通常是卧式的, 采用Z型齿轮传动; 反之, 在推进系统内部高度允许的情况下, 就采用立式电动机和L型齿轮传动, 使整个结构更加简单, 功率损耗更小。

由于全方位推进系统大多是按照单向推力的思路进行设计的, 因而一般无法反向转动产生推力。

如果全方位推进系统在一定程度上具有产生反向推力的能力, 那么就可以在不转动该推进系统的情况下维持动态推力。

5.3吊舱式推进系统
这种系统可以自由转动并产生任何方向的推力。

与全方位推进系统不同的是, 吊舱式推进系统将电动机与螺旋桨直接集成在一个封闭的吊舱装置中, 定距螺旋桨则直接安装在电动机轴上。

由于不需要使用机械式齿轮传动装置, 其传动效率要比全方位推进系统高。

此外, 由于螺旋桨的螺距是固定的, 其机械结构也相对简单。

吊舱式推进系统的优越性还体现在吊舱既可以设计成推式也可以设计成拉式。

拉式吊舱的螺旋桨能够产生均匀的伴流区,提高螺旋桨的流体动力效率并减少空泡现象, 从而降低系统产生的噪声和振动。

吊舱式推进装置的优点有:
( 1)省去了舵、轴系、托架、轴毂、尾侧推等装置;
( 2)减小阻力, 提高效率, 节省功率;
( 3)不需要外加冷却系统;
( 4)节省船上的空间;
( 5)无轴系, 不需要轴系对中, 安装方便, 甚至可以在下水后安装;
( 6)操纵性好, 尤其在低速时, 仍有良好的操纵性;
( 7)降噪, 减振, 改善舒适性。

吊舱式推进装置的缺点有:
( 1)多要求柴-电布置, 采用电力推进会有电力损耗, 与柴油机直接推进相比, 电力损耗为5%~8%;
( 2)尽管维护要求低, 但发生故障需要大修时往往很困难;
( 3)电动机的转矩受限制, 故要求较高的转速,有些情况下不能实现最优螺旋桨效率, 每个螺旋桨存在功率限制(大约30MW)。

现代船舶电力推进将是21世纪船舶发展的重大关键之一。

我国船舶工业正进入高附加值造船的领域, 应该充分重视电力推进的研究和发展。

目前世界上电力推进系统的研究和发展方向主要是交流推进系统, 而它的工业基础主要是大功率变频调速技术和大容量电机制造技术。

1990年代起, 我国大功率AC/AC变频调速装置取得了长足的进展, 迄今为止, 国产大型传动AC/AC变频调速系统已经超过150套, 变频装机容量达20MW, 驱动电机容量达10MW, 我国的大型传动AC/AC变频调速技术已经跨入世界先进行列。

然而, 在更适合于舰船电力推进系统的PWM高压变频器方面, 与世界先进水平相比还有很大的差距。

通过多年的攻关和科研, 我国已建立了具有一定规模的电力推进设备生产基地和人才
队伍, 应打破电力推进应用对象的局限性, 加强交流电力推进系统的研究, 实现与基础工业系统的联合, 进一步加强舰船总体设计与电力推进行业之间, 以及电力推进行业与电力电子行业之间的沟通和联系, 各方共同大力合作开发和应用, 促进我国电力推进装置更好更快的发展。

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