艦船電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1、艦船電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀電力推進(jìn)是指由艦船的原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)或兩者混合，甚至核動(dòng)力裝置）驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，再由電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)艦船機(jī)動(dòng)的一種推進(jìn)方式。一艘電力推進(jìn)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(dòng)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(shí)代就像當(dāng)初從帆船時(shí)代步入蒸汽時(shí)代一樣，是一個(gè)巨大的跨越。一 電力推進(jìn)的優(yōu)缺點(diǎn)1 電力推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)1）可以靈活布置船上大型機(jī)械設(shè)備；2）便于操控和航行；3）可降低運(yùn)行噪聲。因?yàn)闆]有齒輪箱等大功率后傳動(dòng)機(jī)械裝置和長軸系,明顯降低了艦艇運(yùn)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成低速(100200 r/min)運(yùn)行，并直接與推進(jìn)軸連接，則可省去減速齒輪；5）與常規(guī)的機(jī)械推進(jìn)比較，電力推進(jìn)的重量和體積大大減少；6）電力推進(jìn)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(hù)；8）節(jié)能環(huán)保。所有原動(dòng)機(jī)均以恒定速度運(yùn)行于最佳工作狀態(tài)，并可根據(jù)負(fù)載變化動(dòng)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(huì)大幅減少，進(jìn)一步減少使用成本。10）可使艦船成為電磁武器的搭載平臺(tái)。大型艦船變頻調(diào)速電力推進(jìn)在功率等級上與電磁武器基本相當(dāng)，隨著這種新型電力推進(jìn)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(dá)、電磁炮、電磁彈射等新裝備裝艦掃清障礙。2 電力推進(jìn)系統(tǒng)相對常規(guī)推進(jìn)裝置的不足之處1）電力推進(jìn)系統(tǒng)的價(jià)格較傳統(tǒng)推進(jìn)裝置更為昂貴，因而船舶建造的初投資將會(huì)增加；2）在原動(dòng)機(jī)與螺旋槳之間增加的電器設(shè)備，如發(fā)電機(jī)、變壓器、變頻器和電動(dòng)機(jī)等，加大了船舶全動(dòng)力運(yùn)行時(shí)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(yùn)行、人員配備及維護(hù)策略，提高了對操作人員和維護(hù)人員的要求。以下為機(jī)械推進(jìn)和綜合電力推進(jìn)的原理圖。圖1 機(jī)械推進(jìn)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(jìn)電力推進(jìn)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(jìn)的研究最為突出。三個(gè)主要的歐洲電力推進(jìn)供應(yīng)商分別為：Alstom、ABB和西門子公司。電力推進(jìn)從功能上可分為2類：一是混合電力推進(jìn)，即在以大功率機(jī)械直接推進(jìn)為主的動(dòng)力系統(tǒng)中加入小功率電力推進(jìn)，艦船在低速巡航時(shí)采用電力驅(qū)動(dòng)，滿足艦船巡航時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和低噪聲需求，更高航速下采用直接驅(qū)動(dòng)；二是綜合電力推進(jìn)，艦上的所有原動(dòng)機(jī)都用于產(chǎn)生電力，然后分配至推進(jìn)、船上用電和作戰(zhàn)系統(tǒng)。即在艦船運(yùn)行的全速范圍內(nèi)完全由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)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(jìn)是最佳的選擇。如果操作模式會(huì)變化或生命周期內(nèi)排水量將會(huì)發(fā)生顯著增加的，則綜合電力推進(jìn)的靈活性會(huì)更

5、有優(yōu)勢。1 各國的綜合電力推進(jìn)項(xiàng)目介紹歐美國家的綜合電力推進(jìn)項(xiàng)目有：英、法海軍的“綜合全電力推進(jìn)”（Integrated Full Electric Propulsion，IFEP），艦船推進(jìn)和日常用電由同一發(fā)電系統(tǒng)供電，同時(shí)艦船的前進(jìn)和后退完全由電力驅(qū)動(dòng)；北約國家海軍的“全電力艦”（All Electric Ship，AES），除推進(jìn)用電和日常用電外，更進(jìn)一步地使原先所有非電動(dòng)如氣動(dòng)、汽動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)的輔機(jī)以及武器裝備全部實(shí)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(jìn)系統(tǒng)供電的同時(shí)，還可向全船其他電力負(fù)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(dú)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(xiàng)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(cái)年美國海軍在該項(xiàng)目上投入的研發(fā)經(jīng)費(fèi)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(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)為電動(dòng)機(jī)，大型艦船采用的電動(dòng)機(jī)可分為五種基本類型：同步電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)、超導(dǎo)同步電動(dòng)機(jī)和超導(dǎo)單極電動(dòng)機(jī)。其中同步電動(dòng)機(jī)被認(rèn)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(rèn)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(dòng)機(jī)可能因體積和重量太大而不適合。使用同步電動(dòng)機(jī)較合適的船型是大型軍輔船。感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)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(rèn)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(dòng)機(jī)相比感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。超導(dǎo)同步電動(dòng)機(jī)，如果成功開發(fā)，將具備比永磁永動(dòng)機(jī)更高的功率密度和安靜性。超導(dǎo)單極電動(dòng)機(jī)，同樣具備比永磁電動(dòng)機(jī)更高的功率密度和安靜性。美國海軍從上世紀(jì)70年代中期開始開發(fā)超導(dǎo)單極電動(dòng)機(jī)，但技術(shù)成熟度也不高。表1 機(jī)械推進(jìn)與使用不同電動(dòng)機(jī)的綜合電力系統(tǒng)（

8、IPS）的比較機(jī) 械 推 進(jìn)IPS（感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)）IPS（永磁電動(dòng)機(jī)）IPS（單極電動(dòng)機(jī)）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(biāo)2 電動(dòng)機(jī)尺寸太大1 能滿足未來的噪聲目標(biāo)2 電動(dòng)機(jī)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(jì)性欠佳2 動(dòng)力分配靈活性欠佳1 動(dòng)力分配靈活性好2 艦船設(shè)計(jì)靈活性好3 生命周期內(nèi)成本省4 開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)小于永磁電動(dòng)機(jī)5 非普遍適用6 體積大于永磁電動(dòng)機(jī)1 普遍適用2 動(dòng)

9、力分配靈活性好3 艦船設(shè)計(jì)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(jì)性最好1 具備滿足未來目標(biāo)的潛力2 對CVN(X)航母經(jīng)濟(jì)性不夠1 具備滿足未來目標(biāo)的潛力2 對CVN（X）航母經(jīng)濟(jì)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(jìn)關(guān)鍵部件發(fā)動(dòng)機(jī)（也稱原動(dòng)機(jī)）：美國水面艦艇多用燃?xì)廨啓C(jī)、美國潛艇和大部分航母采用蒸汽輪機(jī)，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(jī)。發(fā)電機(jī)：將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能（高

10、轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)為電能。配電盤：將電力分配至推進(jìn)和非推進(jìn)用電。電動(dòng)機(jī)控制器：根據(jù)艦上電力推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的需要改變電能的壓力和頻率，從而達(dá)到操作要求并達(dá)到想要的航速。電動(dòng)機(jī)：將電動(dòng)機(jī)控制器中的電能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合螺旋槳的低轉(zhuǎn)速。推進(jìn)器：以低轉(zhuǎn)速推進(jìn)船舶。非推進(jìn)電力分配系統(tǒng)：將剩余電能分配至不同的艦上非推進(jìn)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(gè)問題，英國一項(xiàng)基于護(hù)衛(wèi)艦綜合電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可作為參考。該型艦在設(shè)計(jì)開始時(shí)選擇了直流，設(shè)計(jì)人員認(rèn)為采用直流電有如下原因：第一，該設(shè)計(jì)中采用結(jié)構(gòu)緊湊復(fù)雜的循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，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(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，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(jìn)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(shí)不同功率的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不同，如下，1250 kW：20000 r/m；600010000 kW：7000 r/m；2100025000 kW（WR21型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)）：3600 r/m。其中1250 kW和600010000 kW發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力將遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的60 Hz（3600 r/m），即使采用轉(zhuǎn)速為3600 r/m的WR21型燃?xì)廨啓C(jī)，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(jī)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(jī)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)例如泵在工作時(shí)，為提高使用效率，需要根據(jù)不同的工況，調(diào)整泵的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，這也需要某種形式的電力調(diào)整。b、變壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)除變速驅(qū)動(dòng)時(shí)，按頻率要求調(diào)整電壓外，在定速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的滑差，降低電壓至效率最高的點(diǎn)，來提高效率。這種技術(shù)也需要進(jìn)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(jìn)行供電通常是將標(biāo)準(zhǔn)供電直接轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)所需的專用的供電，這也需要進(jìn)行電力調(diào)整。電力從發(fā)電機(jī)至用電設(shè)備的過程為：首先將發(fā)電機(jī)中輸出的非標(biāo)準(zhǔn)頻率電流進(jìn)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(jìn)行同樣的電力調(diào)整：先對60 Hz的輸入電流進(jìn)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(jī)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(fèi)了。若電力以直流電形式進(jìn)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(diǎn)是使用價(jià)格昂貴且重量重，因此帶價(jià)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(jià)格和重量的問題，直流將成為今后的首選。三 采用電力推進(jìn)的艦船簡介1 英國“勇敢”級防空驅(qū)逐艦綜合

14、電力推進(jìn)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(jìn)（IEP），20092011年已有4艘服役，目前還有2艘已下水，計(jì)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(tái)羅爾斯·羅伊斯WR21型先進(jìn)循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)交流發(fā)電機(jī)（21000 kW）和兩臺(tái)瓦錫蘭12V200型柴油發(fā)電機(jī)（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(tái)Converteam公司（原Alstom公司）的先進(jìn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（每臺(tái)輸出功率20000 kW）提供電力，艦上的非推進(jìn)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(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)組成方 式排 水 量發(fā) 動(dòng) 機(jī)電 動(dòng) 機(jī)軸推進(jìn)器IEP5893 t（標(biāo)準(zhǔn)）7570 t（滿載）2臺(tái)羅爾斯·羅伊斯WR21型燃?xì)廨啓C(jī)交流發(fā)電機(jī)，21000 kW/臺(tái)2臺(tái)瓦錫蘭柴油發(fā)電機(jī)，2000 kW/臺(tái)2臺(tái)Converteam先進(jìn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，20000 kW/臺(tái)雙軸定距槳注：數(shù)據(jù)來源簡氏年鑒。WR-21型燃?xì)廨啓C(jī)是結(jié)合了壓縮機(jī)中間冷卻和廢熱回收技術(shù)的航空派生燃?xì)廨啓C(jī)，比過去使用的船用燃?xì)廨啓C(jī)效率

16、高得多，特別是在中低壓時(shí)。該型燃?xì)廨啓C(jī)能提供與LM2500發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎相同的功率輸出，但只消耗相當(dāng)于中速柴油機(jī)的燃料量，相比一臺(tái)簡單的循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)約節(jié)省了2527%的燃料。采用綜合電力推進(jìn)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(dòng)力性能優(yōu)良，再加上電力推進(jìn)的高功率密度，使得該艦在2007年試航時(shí)，設(shè)計(jì)航速在70秒內(nèi)可達(dá)29 kn，120秒內(nèi)可達(dá)31.5 kn。如以18 kn的巡航速度航行，續(xù)航力達(dá)7000 nm，相當(dāng)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(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有： 可將電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)（柴油發(fā)電機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)交流發(fā)電機(jī)）布置在遠(yuǎn)離軸線的較便利的位置，減少了空間損失，同時(shí)可增加用于機(jī)器維護(hù)和更換的通道。 在艦船服役的大部分時(shí)間內(nèi)可根據(jù)情況自由調(diào)配推進(jìn)和非推進(jìn)用電，從而大大減少發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和排放。圖5 45型驅(qū)逐艦綜合電力推進(jìn)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(jì)劃建造32艘，后減至24艘，再減至12艘，10艘，7艘，目前是計(jì)劃建造3艘，由通用動(dòng)力巴斯鋼鐵公司建造，預(yù)計(jì)分別于2015年、2016年和2017年

18、服役。該級艦最初的概念設(shè)計(jì)是基于采用永磁同步電動(dòng)機(jī)的綜合電力系統(tǒng)，但由于永磁同步電動(dòng)機(jī)需要較長時(shí)間研發(fā)、論證，在2005年該艦的設(shè)計(jì)方案仍選擇了Converteam公司的先進(jìn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（AIM）。相比永磁電動(dòng)機(jī)，AIM電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)是更重，體積更大，需要開發(fā)一臺(tái)單獨(dú)的控制器以滿足噪聲要求，并且電壓比永磁電動(dòng)機(jī)低，前者僅為后者的1/3。表3 “Zumwalt”級驅(qū)逐艦動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)組成方 式標(biāo)準(zhǔn)排水量發(fā) 動(dòng) 機(jī)電 動(dòng) 機(jī)軸推進(jìn)器IPS15494 t2臺(tái)主渦輪發(fā)電機(jī)（MTG）2臺(tái)輔渦輪發(fā)電機(jī)（ATG）2臺(tái)電動(dòng)機(jī)，39250 kW/臺(tái)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(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，末艘艦“馬金島”號采用了混合電力推進(jìn)方式，是美軍首艘采用燃?xì)廨啓C(jī)做原動(dòng)機(jī)的兩棲攻擊艦，也是第一艘采用混合動(dòng)力系統(tǒng)的海軍戰(zhàn)艦，既用機(jī)械推進(jìn)，也可在巡航時(shí)用電力推進(jìn)，可大幅節(jié)省燃料成本和使用成本。這種推進(jìn)方式安靜性能好、推進(jìn)效率高、啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)速度快。該艦推進(jìn)系統(tǒng)由2臺(tái)單機(jī)功率26100 kW的LM2500+燃?xì)廨啓C(jī)組成，使用直徑5 m的螺旋槳，雙軸推進(jìn)，航速22 kn。另有2組輔助電力推進(jìn)裝置，在不使用燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)，它們能使戰(zhàn)艦以12 kn的航速行駛。航行中，燃?xì)廨啓C(jī)與電動(dòng)機(jī)之間可以自由切換。特別是在航速不超過10 kn時(shí)，與燃料消耗量極大的燃?xì)?/p>