艦船電力推進技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1、艦船電力推進技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀電力推進是指由艦船的原動機（柴油機或燃氣輪機或兩者混合，甚至核動力裝置）驅(qū)動發(fā)電機產(chǎn)生電能，再由電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能驅(qū)動推進器實現(xiàn)艦船機動的一種推進方式。一艘電力推進船舶，不管采用何種方式發(fā)電，電力不是像傳統(tǒng)布置一樣直接與驅(qū)動裝置相連，但可為全船提供電力，這種方式能提供更大的供電靈活性、高效性和生存性。艦船步入全電力時代就像當初從帆船時代步入蒸汽時代一樣，是一個巨大的跨越。一 電力推進的優(yōu)缺點1 電力推進的優(yōu)點1）可以靈活布置船上大型機械設(shè)備；2）便于操控和航行；3）可降低運行噪聲。因為沒有齒輪箱等大功率后傳動機械裝置和長軸系,明顯降低了艦艇運行噪聲，提高了乘員的

2、舒適度，且提高了艦船的隱身性；4）如果電動機設(shè)計成低速(100200 r/min)運行，并直接與推進軸連接，則可省去減速齒輪；5）與常規(guī)的機械推進比較，電力推進的重量和體積大大減少；6）電力推進系統(tǒng)能效更高；7）電力由冗余電纜傳輸，可靠性高，并可減少維護；8）節(jié)能環(huán)保。所有原動機均以恒定速度運行于最佳工作狀態(tài)，并可根據(jù)負載變化動態(tài)調(diào)整，明顯降低能耗和排放；9）全電力艦船所需的艦員人數(shù)會大幅減少，進一步減少使用成本。10）可使艦船成為電磁武器的搭載平臺。大型艦船變頻調(diào)速電力推進在功率等級上與電磁武器基本相當，隨著這種新型電力推進技術(shù)的工程化應(yīng)用，將在電能管理和脈沖式電源變換等重大技術(shù)上為大功率雷

3、達、電磁炮、電磁彈射等新裝備裝艦掃清障礙。2 電力推進系統(tǒng)相對常規(guī)推進裝置的不足之處1）電力推進系統(tǒng)的價格較傳統(tǒng)推進裝置更為昂貴，因而船舶建造的初投資將會增加；2）在原動機與螺旋槳之間增加的電器設(shè)備，如發(fā)電機、變壓器、變頻器和電動機等，加大了船舶全動力運行時的傳輸損耗；3）大量采用電氣設(shè)備可能引起一些危害，如火災(zāi)和電網(wǎng)的諧波干擾等；4）由于船舶安裝了多種新型設(shè)備，需要制定不同的運行、人員配備及維護策略，提高了對操作人員和維護人員的要求。以下為機械推進和綜合電力推進的原理圖。圖1 機械推進系統(tǒng)示意圖圖2 綜合電力系統(tǒng)示意圖二 綜合電力推進電力推進最早應(yīng)用在商船上，特別是豪華游

4、船上。其中以英國對電力推進的研究最為突出。三個主要的歐洲電力推進供應(yīng)商分別為：Alstom、ABB和西門子公司。電力推進從功能上可分為2類：一是混合電力推進，即在以大功率機械直接推進為主的動力系統(tǒng)中加入小功率電力推進，艦船在低速巡航時采用電力驅(qū)動，滿足艦船巡航時的經(jīng)濟性和低噪聲需求，更高航速下采用直接驅(qū)動；二是綜合電力推進，艦上的所有原動機都用于產(chǎn)生電力，然后分配至推進、船上用電和作戰(zhàn)系統(tǒng)。即在艦船運行的全速范圍內(nèi)完全由電動機驅(qū)動推進器。對于在生命周期內(nèi)操作模式相對固定的艦船，通常來說，混合電力推進是最佳的選擇。如果操作模式會變化或生命周期內(nèi)排水量將會發(fā)生顯著增加的，則綜合電力推進的靈活性會更

5、有優(yōu)勢。1 各國的綜合電力推進項目介紹歐美國家的綜合電力推進項目有：英、法海軍的“綜合全電力推進”（Integrated Full Electric Propulsion，IFEP），艦船推進和日常用電由同一發(fā)電系統(tǒng)供電，同時艦船的前進和后退完全由電力驅(qū)動；北約國家海軍的“全電力艦”（All Electric Ship，AES），除推進用電和日常用電外，更進一步地使原先所有非電動如氣動、汽動、液壓驅(qū)動的輔機以及武器裝備全部實現(xiàn)電氣化；以及美國海軍的“綜合電力系統(tǒng)”（Integrated Power System，IPS），使用同一電源，在向推進系統(tǒng)供電的同時，還可向全船其他電力負載，如各種泵、

6、照明系統(tǒng)等供電,從而不必再為其配備單獨的發(fā)電設(shè)備，是用于未來水面戰(zhàn)艦和潛艇的一種全電力構(gòu)造。其中，美國的綜合電力系統(tǒng)項目成立于1995年，該系統(tǒng)的主合同商為洛克希德·馬丁公司，其中很多設(shè)備由Alstom公司提供，20012005財年美國海軍在該項目上投入的研發(fā)經(jīng)費超過3億美元。圖3 美國綜合電力系統(tǒng)原理圖綜合電力推進系統(tǒng)的一個關(guān)鍵技術(shù)為電動機，大型艦船采用的電動機可分為五種基本類型：同步電動機、感應(yīng)式電動機、永磁電動機、超導(dǎo)同步電動機和超導(dǎo)單極電動機。其中同步電動機被認為在大型艦船應(yīng)用方面技術(shù)最成熟。另外海軍和工業(yè)界一致認為，如果水面艦艇和潛艇需要在較高的航速（如30 kn

7、）下航行，則同步電動機可能因體積和重量太大而不適合。使用同步電動機較合適的船型是大型軍輔船。感應(yīng)式電動機在大型艦船應(yīng)用方面屬第二成熟的，美海軍的許多論證認為其用于水面戰(zhàn)斗艦艇具備足夠的功率密度，但用于潛艇上則不夠緊湊、安靜。永磁電動機相比感應(yīng)式電動機安靜性更好，功率密度也有顯著提高，適合用于水面艦艇和潛艇，但其技術(shù)成熟度不如感應(yīng)式電動機。超導(dǎo)同步電動機，如果成功開發(fā)，將具備比永磁永動機更高的功率密度和安靜性。超導(dǎo)單極電動機，同樣具備比永磁電動機更高的功率密度和安靜性。美國海軍從上世紀70年代中期開始開發(fā)超導(dǎo)單極電動機，但技術(shù)成熟度也不高。表1 機械推進與使用不同電動機的綜合電力系統(tǒng)（

8、IPS）的比較機 械 推 進IPS（感應(yīng)式電動機）IPS（永磁電動機）IPS（單極電動機）潛艇不能滿足未來的噪聲要求1 不能滿足未來的噪聲目標2 電動機尺寸太大1 能滿足未來的噪聲目標2 電動機尺寸合適3 適于普遍應(yīng)用技術(shù)還有待發(fā)展水面艦艇1 燃料經(jīng)濟性欠佳2 動力分配靈活性欠佳1 動力分配靈活性好2 艦船設(shè)計靈活性好3 生命周期內(nèi)成本省4 開發(fā)風險小于永磁電動機5 非普遍適用6 體積大于永磁電動機1 普遍適用2 動

9、力分配靈活性好3 艦船設(shè)計靈活性好4 生命周期內(nèi)成本省技術(shù)還有待發(fā)展航母1 采用新的電氣裝置，可滿足未來的發(fā)電需求2 經(jīng)濟性最好1 具備滿足未來目標的潛力2 對CVN(X)航母經(jīng)濟性不夠1 具備滿足未來目標的潛力2 對CVN（X）航母經(jīng)濟性不夠技術(shù)還有待發(fā)展圖4 采用IPS的軍艦示意圖2 綜合電力推進關(guān)鍵部件發(fā)動機（也稱原動機）：美國水面艦艇多用燃氣輪機、美國潛艇和大部分航母采用蒸汽輪機，由核反應(yīng)堆產(chǎn)生熱能，再產(chǎn)生蒸汽。在其他最高航速要求不高的艦艇上則采用柴油機。發(fā)電機：將發(fā)動機產(chǎn)生的機械能（高

10、轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)為電能。配電盤：將電力分配至推進和非推進用電。電動機控制器：根據(jù)艦上電力推進電動機的需要改變電能的壓力和頻率，從而達到操作要求并達到想要的航速。電動機：將電動機控制器中的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合螺旋槳的低轉(zhuǎn)速。推進器：以低轉(zhuǎn)速推進船舶。非推進電力分配系統(tǒng)：將剩余電能分配至不同的艦上非推進用電載荷。該系統(tǒng)包括電纜、開關(guān)和電力轉(zhuǎn)換設(shè)備。3 交流與直流的比較對于在綜合電力系統(tǒng)中選擇交流電還是直流電這個問題，英國一項基于護衛(wèi)艦綜合電力系統(tǒng)的設(shè)計可作為參考。該型艦在設(shè)計開始時選擇了直流，設(shè)計人員認為采用直流電有如下原因：第一，該設(shè)計中采用結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜的循環(huán)燃氣輪機，這種情況下，使用直流電，電力轉(zhuǎn)換次數(shù)最少

11、。另外，發(fā)動機直接驅(qū)動發(fā)電機，無需使用齒輪箱，將綜合電力系統(tǒng)減少尺寸和重量的優(yōu)勢最大化。第二，電力從產(chǎn)生到分配至用電設(shè)備，均需要進行電力調(diào)整，采用直流電流，去除無效電力調(diào)整，效率更高。1）電力產(chǎn)生時不同功率的發(fā)電機轉(zhuǎn)速不同，如下，1250 kW：20000 r/m；600010000 kW：7000 r/m；2100025000 kW（WR21型燃氣輪機發(fā)電機）：3600 r/m。其中1250 kW和600010000 kW發(fā)電機產(chǎn)生的電力將遠高于標準的60 Hz（3600 r/m），即使采用轉(zhuǎn)速為3600 r/m的WR21型燃氣輪機，為取得最佳的燃料效率，需要根據(jù)載荷大小，調(diào)整發(fā)電機的速度。

12、因此，必須采用某種形式的電力調(diào)整，將發(fā)電機產(chǎn)生的電力連接至統(tǒng)一的電力系統(tǒng)。2）電力分配至用電設(shè)備a、變速電動機驅(qū)動例如泵在工作時，為提高使用效率，需要根據(jù)不同的工況，調(diào)整泵的運轉(zhuǎn)速度，這也需要某種形式的電力調(diào)整。b、變壓電動機驅(qū)動除變速驅(qū)動時，按頻率要求調(diào)整電壓外，在定速感應(yīng)電動機驅(qū)動的情況，還可按載荷調(diào)整電壓以提高效率。通過增加感應(yīng)電動機的滑差，降低電壓至效率最高的點，來提高效率。這種技術(shù)也需要進行某種形式的電力調(diào)整。c、武器系統(tǒng)供電對武器系統(tǒng)進行供電通常是將標準供電直接轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需的專用的供電，這也需要進行電力調(diào)整。電力從發(fā)電機至用電設(shè)備的過程為：首先將發(fā)電機中輸出的非標準頻率電流進行整

13、流，然后將其轉(zhuǎn)為固定的60 Hz。大部分用電設(shè)備也需進行同樣的電力調(diào)整：先對60 Hz的輸入電流進行整流，然后轉(zhuǎn)為用電設(shè)備所需的頻率和電壓。如果采用交流電，在電力傳輸鏈中，存在大量的無效轉(zhuǎn)化（發(fā)電機電力調(diào)整的尾端）和無效整流（用電設(shè)備電力調(diào)整之初），一半的電力調(diào)整都浪費了。若電力以直流電形式進行分配，則允許用電設(shè)備直接將電力轉(zhuǎn)為所需，去除了電力調(diào)整中的無效步驟，效率更高。但直流的缺點是使用價格昂貴且重量重，因此帶價格適中的交流分配及直流中樞的混合低壓系統(tǒng)將成為近期的選擇。不過隨著技術(shù)的發(fā)展，解決了價格和重量的問題，直流將成為今后的首選。三 采用電力推進的艦船簡介1 英國“勇敢”級防空驅(qū)逐艦綜合

14、電力推進系統(tǒng)英國皇家海軍的“勇敢”級（45型）防空驅(qū)逐艦采用綜合電力推進（IEP），20092011年已有4艘服役，目前還有2艘已下水，計劃20122013年服役。該艦滿載排水量7570 t，總長152.4 m，是世界上首艘采用IEP系統(tǒng)的水面艦艇。艦上采用兩臺羅爾斯·羅伊斯WR21型先進循環(huán)燃氣輪機交流發(fā)電機（21000 kW）和兩臺瓦錫蘭12V200型柴油發(fā)電機（2000 kW），以4160 V的電壓向艦上的一套高壓系統(tǒng)提供電力。高壓電源再向兩臺Converteam公司（原Alstom公司）的先進感應(yīng)電動機（每臺輸出功率20000 kW）提供電力，艦上的非推進用電包括生

15、活用電和武器系統(tǒng)用電，通過變壓器以440 V和115 V的電壓供應(yīng)。表2 “勇敢”級驅(qū)逐艦動力推進系統(tǒng)組成方 式排 水 量發(fā) 動 機電 動 機軸推進器IEP5893 t（標準）7570 t（滿載）2臺羅爾斯·羅伊斯WR21型燃氣輪機交流發(fā)電機，21000 kW/臺2臺瓦錫蘭柴油發(fā)電機，2000 kW/臺2臺Converteam先進感應(yīng)電動機，20000 kW/臺雙軸定距槳注：數(shù)據(jù)來源簡氏年鑒。WR-21型燃氣輪機是結(jié)合了壓縮機中間冷卻和廢熱回收技術(shù)的航空派生燃氣輪機，比過去使用的船用燃氣輪機效率

16、高得多，特別是在中低壓時。該型燃氣輪機能提供與LM2500發(fā)動機幾乎相同的功率輸出，但只消耗相當于中速柴油機的燃料量，相比一臺簡單的循環(huán)燃氣輪機約節(jié)省了2527%的燃料。采用綜合電力推進系統(tǒng)雖然成本較高，但可以保證艦體底部雙軸螺旋槳的轉(zhuǎn)速恒定，軍艦航行穩(wěn)定且安靜。該艦的艦型較長，水動力性能優(yōu)良，再加上電力推進的高功率密度，使得該艦在2007年試航時，設(shè)計航速在70秒內(nèi)可達29 kn，120秒內(nèi)可達31.5 kn。如以18 kn的巡航速度航行，續(xù)航力達7000 nm，相當于從英國橫跨大西洋到美國的距離。該艦采用綜合電力推進系統(tǒng)的優(yōu)點有： 可將電動機布置在靠

17、近螺旋槳的位置，縮短了軸線，無需使用齒輪箱或調(diào)距槳。 可將原動機（柴油發(fā)電機和燃氣輪機交流發(fā)電機）布置在遠離軸線的較便利的位置，減少了空間損失，同時可增加用于機器維護和更換的通道。 在艦船服役的大部分時間內(nèi)可根據(jù)情況自由調(diào)配推進和非推進用電，從而大大減少發(fā)動機的運轉(zhuǎn)時間和排放。圖5 45型驅(qū)逐艦綜合電力推進系統(tǒng)示意圖2 美國DDG-1000“Zumwalt”級驅(qū)逐艦美國“Zumwalt”級驅(qū)逐艦采用綜合電力系統(tǒng)（IPS），最初計劃建造32艘，后減至24艘，再減至12艘，10艘，7艘，目前是計劃建造3艘，由通用動力巴斯鋼鐵公司建造，預(yù)計分別于2015年、2016年和2017年

18、服役。該級艦最初的概念設(shè)計是基于采用永磁同步電動機的綜合電力系統(tǒng)，但由于永磁同步電動機需要較長時間研發(fā)、論證，在2005年該艦的設(shè)計方案仍選擇了Converteam公司的先進感應(yīng)電動機（AIM）。相比永磁電動機，AIM電動機的缺點是更重，體積更大，需要開發(fā)一臺單獨的控制器以滿足噪聲要求，并且電壓比永磁電動機低，前者僅為后者的1/3。表3 “Zumwalt”級驅(qū)逐艦動力推進系統(tǒng)組成方 式標準排水量發(fā) 動 機電 動 機軸推進器IPS15494 t2臺主渦輪發(fā)電機（MTG）2臺輔渦輪發(fā)電機（ATG）2臺電動機，39250 kW/臺雙軸不詳注：數(shù)據(jù)來源

19、簡氏年鑒。3 美國“馬金島”號（LHD 8）兩棲攻擊艦美國“黃蜂”級兩棲攻擊艦的前七艘艦均采用傳統(tǒng)的蒸汽輪機動力系統(tǒng)，末艘艦“馬金島”號采用了混合電力推進方式，是美軍首艘采用燃氣輪機做原動機的兩棲攻擊艦，也是第一艘采用混合動力系統(tǒng)的海軍戰(zhàn)艦，既用機械推進，也可在巡航時用電力推進，可大幅節(jié)省燃料成本和使用成本。這種推進方式安靜性能好、推進效率高、啟動運轉(zhuǎn)速度快。該艦推進系統(tǒng)由2臺單機功率26100 kW的LM2500+燃氣輪機組成，使用直徑5 m的螺旋槳，雙軸推進，航速22 kn。另有2組輔助電力推進裝置，在不使用燃氣輪機時，它們能使戰(zhàn)艦以12 kn的航速行駛。航行中，燃氣輪機與電動機之間可以自由切換。特別是在航速不超過10 kn時，與燃料消耗量極大的燃氣