電力推進_第一課

1、 MEPS is a propulsion system in which propellers are driven by electric motorsEnergysources：FossilAtomicPropellersMotorGeneratorPrimeengine：DieselTurbine.Fuel CellOther loadsMechanicalEnergyElectricenergy 發(fā)展情況 第一代電力推進 第二代電力推進 吊艙的誕生與發(fā)展1920s: First Generation: Turbo-Electric Machinery Electrical Synch

2、ronous Propulsion Motors Variable Generator Frequency One-to-One Generator - Propulsion1980s: Second Generation Diesel-Electric Power Plant, later also Turbo-Electric Fixed frequency Electric Power Distribution AC/DC and AC/AC Power Conversion1990s: Breakthrough for Electric Propulsion Dominating in

3、 Cruise, Ice breakers, Offshore Oil Exploration Podded Propulsion15 19世紀末期，在德國和俄國最先開始了開展許多以蓄電池為能量源的電力推進應用試驗，此后第一代電力推進1920年代投入使用，結果在減小客船橫渡大西洋時間上效果明顯。第一代電力推進 20世紀初期，電力推進曾一度成為艦船動力的新潮方案。從20世紀初至20世紀40年代，各國建造了大量電力推進艦船，從民用的客輪、貨輪、油輪到軍用艦艇，都有采用電力推進系統(tǒng)的。二戰(zhàn)期間戰(zhàn)功卓著的美國海軍“列克星敦”級大型航空母艦，采用的就是蒸汽輪機-發(fā)電機-電力推進系統(tǒng)。 電力推進系統(tǒng)能在2

4、0世紀初期迎來“第一次第一次浪潮浪潮”，主要原因是當時的艦船日益大型化。在2萬噸甚至3萬多噸的戰(zhàn)艦上，如果采用傳統(tǒng)推進裝置，長達近百米的主軸和大型機械減速裝置在制造上相當有難度，而采用電力推進系統(tǒng)可以繞過這一難題。 16第一代電力推進興起的主要原因 隨著技術的進步，主要海軍大國已經可以研制生產滿足大型戰(zhàn)艦要求的超長主軸和大型齒輪減速裝置，而電力推進裝置由于增多了能量變換環(huán)節(jié)，帶來了設備昂貴、傳動效率低、維護保養(yǎng)工作量大等一系列缺點，故大型艦船又重新回到了采用傳統(tǒng)軸系的直接推進技術。17第一代電力推進衰落的主要原因 20世紀70年代后，電力部件向大功率方向飛速發(fā)展，功率一體積比不斷提高。以開關技

5、術為基礎的功率電子技術不但不斷提高了開關的頻率，而且朝著智能化、模塊化方向發(fā)展，具有代表性的幾種功率電子器件首先在陸上電網得到了應用，然后又逐步應用到了艦艇上，功率電子技術徹底改變了艦艇能量變換的面貌。80年代以后，進入實用階段的永磁電機可以給艦艇電力推進設備帶來更小的體積和重量，加上大功率、低油耗的新型燃氣輪機面世，這使得電力推進的“復辟”有了技術上的可行性。18第二代電力推進興起的主要原因19第二代電力推進興起的主要原因 電力推進是一個能滿足不同需求的領域。成功的電力推進解決方案被應用于基于建筑、操作、經濟性等方面考慮的海軍艦船、液壓及推進工程、電力工程等方面。 電力推進采用蒸汽透平或柴油

6、機帶動發(fā)電機，采用不同的配置形式，已應用于數(shù)以千計的各種船型。 此外在潛艇和水面艦只中，電力推進系統(tǒng)也有不少潛在的裝機容量。 隨AZIMUTH側推器和吊艙式推進裝置的引入，電力推進系統(tǒng)的配置應用在不同的船型中以滿足運輸、機動、定位等目的。 目前，電力推進主要應用在以下船型：游輪、渡輪、動力定位的鉆井船、側推輔助定位錨泊的生產設施，油輪，布纜船，鋪管船，破冰船，其它冰區(qū)航行船舶，供給船，戰(zhàn)艦。在已存在和新的應用領域中新造船舶中適用電力推進的研究和評估工作正在進行。 吊艙推進器擴大了電力推進的適用范圍吊艙推進器擴大了電力推進的適用范圍Electric PropulsionConventional

7、Propulsion 原動機與推進器機械連接的系統(tǒng)在很多場合已經不能滿足船東對船舶功能及指標的需求 大型主機及其軸系占據(jù)了巨大空間，其剛性的連接，制約了全船的布置，例如小水線面船、滾裝船、豪華郵輪等都不能接受這種系統(tǒng)。集裝箱船會因此而損失裝箱空間，而艦艇則需要更多的武器彈藥空間。 +Improved life cycle cost by reduced fuel consumption and maintenance, especially where there is a large variation in load demand, e.g. in DP vessels+Reduced v

8、ulnerability to single failure in the system and possibility to optimize loading of prime movers+Light high/medium speed diesel engines+Less space consuming and more flexible utilization of the on-board space increase the payload of the vessel+Flexibility in location of thruster devices+Improved man

9、euverability+Less propulsion noise and vibrations-Increased investment costs-Additional components between prime mover and propeller increases the transmission losses at full load-A higher number and new type of equipment requires different operation, manning, and maintenance strategy優(yōu)越性： 通過減少油耗（？）和

10、維修量，改善生命周期成本。特別是負荷變化較大的船舶，比如許多動力定位的船舶，他們的操作圖譜中，運輸和定位操作的時間幾乎均等。 通過增加冗余，增加系統(tǒng)對某單個故障的抵抗性； 中、高速機重量輕； 占用空間少，增加倉儲容量； 推進裝置布置靈活，推進器供電采用電纜；布置獨立于原動機的布置； 采用AZIMUTH和吊艙推進器，機動性好； 噪音小，震動小，因為軸系變短，原動機轉速固定，采用拖曳式槳伴流均勻，空泡少，減小氣蝕。 DP (Dynamic Positioning)Pipe laying vesselGeological surveyROV operationsCable laying vessel

11、Vibration controlof marine risersHeavy lift operationsPosition mooringPipe and cable laying不足： 初投資增加。然而，事物在不斷發(fā)展，總裝置數(shù)不斷增加，成本會逐步下降。 額外增加的部件（電力設備-發(fā)電機，變壓器，推進器及電機），在原動機和螺旋槳間增加了損耗。 諧波問題必須面對。 對新涉足本領域的人來說，大量的新型設備需要掌握不同的操作、管理及維護策略。 PoutPinGeneratorSwitchboardTrans-formerFrequencyconverterElectricMotorPoutPin

12、Power lossesP O W E R F L O WlossesoutoutinoutPPPPP+0.960.9990.9950.9850.960.90 能量流分析 對每個部件，電效率可以計算出來，在滿載時，效率的典型值是發(fā)電機效率0.950.97，配電板0.999，變壓器0.99-0.995，變頻器0.98-0.99,電機0.95-0.97。 柴油機-電力推進系統(tǒng)的效率，從柴油機軸到推進電動機軸，滿負荷時正常情況下在0.88-0.92。效率隨系統(tǒng)負載而變。 能量流分析 原動機到推進軸系中增加了額外的設備，導致差不多10%的損耗，電力推進系統(tǒng)的節(jié)能潛力并不是由于采用電力設備部件。 節(jié)能?

13、 電力推進節(jié)能原因分析 節(jié)能原因一、 可調速的定距槳比定速可調螺距槳的水動力效率高。 節(jié)能原因二、 電力推進系統(tǒng)的發(fā)電柴油機工作在定速和高負荷區(qū)對應的燃油效率較高而機械推進系統(tǒng)原動機燃油效率隨負載變化差異很大等。差別在較低推力的時候，比如DP和機動航行非常明顯。 注意：對于絕大多數(shù)時間工作在設計工況的船舶來講，電力推進是不節(jié)能的，除非有其他方面特殊需求，否則決不會采用。 節(jié)能分析 節(jié)能分析 柴油機最大的燃油效率在負荷的60%-100%之間，這就造成了傳統(tǒng)機械推進和柴油機電力推進在功率消耗上的最大差異。 在柴油機電力推進系統(tǒng)中，電站由多臺小功率的柴油發(fā)電機組組成，總的運行臺數(shù)可以選擇使得每臺運行

14、機負載最優(yōu)。 總的額定功率也可以調整到適合船舶的可能的運行工況，使得針對多數(shù)的運行模式和時間內都可能找到一個優(yōu)化的配置。 節(jié)能分析 節(jié)能分析 直接跟驅動柴油機相連的可調螺距槳與可變速調節(jié)的定距槳相比，水動力效率損失隨工況不同差異明顯。在低負荷工況下，尤其明顯。 零負荷下，CPP的水動力損失約15%。而可調速的定距槳損失近似0。在多數(shù)的CPP配制中，槳速要求為定速，轉速一般較高。即使是在推力為0時也如此。 對于FPP可變速驅動器允許零推力時對應0轉速。CPP的優(yōu)越性是螺距比在很大的轉速范圍內水動力效率還算不錯的。 vs.AB 水動力性能分析 船尾型線得以改善，提升船尾流場品質，使得推進器在比較理

15、想的伴流中工作，可使船體流體性能充分改進，提高水動力性能。據(jù)測算，經過優(yōu)化后的船型效率比使用常規(guī)槳可提高15%左右，優(yōu)化設計后的POD推進器可使推進器的流體性能比常規(guī)槳提高約4%； POD的螺旋槳比常規(guī)螺旋槳小，產生空泡現(xiàn)象的臨界速度高，可改善振動與噪聲性能； POD推進器可以在船體靈活布置，以獲取最佳的推進性能。 項目機械推進常規(guī)電力推進POD推進回轉直徑120%100%75%零航速回轉180度所需時間118%100%41%全速回轉180度所需時間145%100%42%全速到停止所需時間280%100%42%零航速至全速所需時間210%100%90%Vessel LoadsPropulsio

16、n AuxilliariesBy platform / ROV, 11 %Transit, 11-12 knots 40 %Standby40 %Anchor handling, 6 %At quay, 6 %vs.AB 包括核動力在內的新一代軍用艦船將大量采用電力推進及綜合電力系統(tǒng)。美國會已經通過聽證，同意弗吉尼亞級核潛艇采用綜合電力系統(tǒng)。 美海軍部長美海軍部長Danzig說：說：“Changes in propulsion systems are fundamental and offundamental importance. Thus, we are moving forward to

17、 embrace a technology, electric drive technology, and . the integrated power system that comes with it, to drive Navy ships. This is a very fundamental step. Were taking it because weve judged that the technology is ripe enough to reach it. ” 油價的高企可能使電力推進迅速用于新的領域 將廣泛應用于滾裝船、郵輪、化學品及LNG船、高速船、離岸工作船（鉆井船）

18、等.瑪麗女王二號瑪麗女王二號破冰船破冰船海洋平臺半潛船 現(xiàn)代電力電子技術已經徹底改變了船舶能量轉化的面貌，而且使得原先船舶電力推進存在的一些缺點發(fā)生根本性轉變，優(yōu)點和長處得到進一步發(fā)揚。 進入實用階段的永磁電機使艦船電力推進設備體積更小、重量更輕；超導技術和燃料電池的研究已經在某些技術領域有了一定的進展。這些技術一旦有所突破，將給電力推進帶來更加深刻的變化，使電力推進形成壓倒原動機直接傳動推進的絕對優(yōu)勢。四年制輪機工程專業(yè)本科課程分布ResearchOffshoreservice vesselsSmall chem carriersSmall LPG ReefersParcelCruiseVessel S