船舶电力推进系统的应用

交 � 通 � 科 � 技� 2008 年 7 月 T ranspor tation Science & Techno log y Jul. 2007 收稿日期: 2008�03�10 船舶电力推进系统的应用 韩秋平 � 曾凡其 (海南三亚 92823 部队 � 三亚 � 572021) 摘� 要 � 介绍了船舶电力推进系统的现状及电推进的概念、特点, 对船舶电力推进的原动力和推 进电机的功能分别进行了阐述,并指出了电力推进系统在船舶实际应用中存在的不足。 关键词 � 船舶 � 电力推进 � 原动力 � 特点 1 � 船舶电力推进系统应用现状 � � 随着科学技术的发展,特别是电子技术领域 的突飞猛进,即固态半导体技术的研究成果应用 于动力半导体装置, 使得电力推进船舶成为现实。 此外,电磁机械应用材料的发展成果,如强磁场永 久性磁铁和高温超导体,为能量密度和效率的提 高提供了机会; 燃料电池等电力直接转化技术的 出现,为高燃料效率、低热辐射和低噪声的电力资 源提供了进一步发展的潜力。 � � 如今电力推进从原来小范围应用发展到许多 的商业船舶应用领域, 例如运输油船和石油钻探 船。同样的变革正扩展到海军领域,巡洋舰、两栖 舰和军辅船的电力推进变得越来越 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ,在世界 范围内包括荷兰、英国和美国采用电力推进的舰 船已开始服役。英国海军新的 45 型( �果敢 号) 防空驱逐舰将是第一艘具有全电力推进( FEP)特 点的作战舰艇, 现行的 CVF 号航空母舰的 2种竞 标 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 也采用了同样的方案。参与美国 DD- 2 项目的竞标商都选择了大致相同的综合电力系统 ( IPS)方案,这种方式也可能被 DD ( X)项目所沿 袭使用,也有可能应用于将来的 CV ( X)型航空母 舰的设计。法国、德国和荷兰等国家也正在进行 电力舰船的研究试验。 2 � 电力推进的概念 � � 电力推进是指采用电动机(或电动机组)带动 船舶螺旋桨旋转的推进系统。电动机由发电机供 给电能,发电机又由其他源动力提供能量。例如 英国海军�诺福克 号护卫舰的柴油发电机组和燃 气轮机联合装置的布置方案。 � � 综合电力系统也称为集成(全)电力驱动, 是 一种既为电驱动推进提供动力, 同时也为舰船日 用用电系统提供电源的一种方式。全电力舰船指 的是具有综合电力系统的船舶,不仅螺旋桨,而且 所有的传动装置(如泵、绞车、阀门、舵, 等等)都依 靠电能工作,而不是采用机械的、气动的或液压的 能量。 3 � 电力推进的特点 � � ( 1) 系统效率高 � 综合电力推进系统使得设 计更具灵活性,从而使得具有最大作战系统效能 的甲板设备布置优化变得更为容易。 � � ( 2) 降低船舶噪声 � 船舶的主要噪声来自发 动机的旋转部件和推进链。在机械推进系统中, 从发动机到螺旋桨的整个推进链必须进行精确布 置。在电力推进系统中,精确布置的部件仅仅是 从电动机到推进器部分(例如,螺旋桨或喷水推进 器) , 而系统的其他部件可以容易地灵活安装。此 外,动力装置和推进器电力驱动之间不存在机械 连接,使得能够隔离发动机和发电机的声信号,降 低了噪声和振动。 � � ( 3) 操作灵活可靠 � 尽管有证据 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明发电机 组的额定转速具有更佳的状态, 机械推进系统和 电力推进系统发动机自身的可靠性相差不多。然 而,综合电力推进系统具有较少的发动机,这样就 减少了维护费用。此外,综合电力推进系统可以 采用任何一个发电机组,提供能量给任何推进轴 或船舶辅机, 这样可用性更好。电动机更为经久 耐用,需要进行的维护比齿轮箱少得多。此外,电 力推进系统装置的平衡性是静态的, 且比机械装 置的轴系、轴承、辅助系统和管系更为可靠。 � � 随着电站的概念取代以前完全独立的推进发 动机和动力发电机装置,由一套原动力装置提供 所有的能量,供给推进器、船舶辅机和其他指定性 负载。这种方式使得在推进器、船舶辅机和其他 电力负载之间的能量转换具有灵活性, 这是机械 驱动舰船无法做到的,且可以改善舰船控制速度、 提高航行效率以及排除低效率的调距浆,有利于 定距桨工作。 � � ( 4) 船舶生命力强 � 随着电力系统灵活性和 模块化的发展, 齿轮传动系和传动轴的消失使得 原先要害系统逐渐降低重要性, 或能快速重构要 害系统。对每一根轴来说,机械推进系统在作战 环境的生命力通常由推进设备空间布置的独立性 提供。交叉连接这些传动系统很困难, 且成本巨 大。由于包括其他设备,实际上也降低了推进系 统的生命力,特别是齿轮箱,可能成为一个潜在的 失效部位[ 1] 。电力推进系统一般采用组合原则, 又便于交叉连接。电力推进系统的交叉连接一般 来说是可能的, 如船上左舷发电机可以提供能量 给右舷电动机。通常采用一前一后或双绕组电动 机,这样就能选择推进电源给每个电动机或绕组 提供能量。 � � ( 5) 增加可利用空间 � 推进系统中没有了齿 轮和轴系,可节省更多空间以作他用。同时, 原动 机不再与螺旋桨轴线相连接, 动力源就可在整个 舰船上根据需要进行分配。 � � ( 6) 减少人工操作 � 作为船舶电气化完整部 分的数字化控制和自动化,降低了操作人员(如机 械领域工作人员)的需求。 � � ( 7) 降低成本 � 许多系统的部件可以利用商 用技术。电力驱动可获得不同的推进速度,可以 提高总的燃料效率。 4 � 电力推进的原动力 4� 1 � 中(高)速柴油发动机 � � 目前已有一系列 1~ 4 MW 功率范围的中高 速柴油发电机组, 尤其是此类发电机组比单循环 燃气轮机的效率更高, 成本更低。尽管它们所占 的空间与燃气轮机一样多,且进排气量也少得多, 但它们重量较大,且需要更多声学方面的处理(如 消声器、隔音装置等) , 这就增加了舰船尺寸和成 本。现代柴油发动机采用以控制和监视为基础的 微处理器,改善其性能和降低排放。 4� 2 � 中冷回热式燃气轮机 � � WR�21型中冷回热式 ( 1CR)船用燃气轮机 已装备到英国 45型驱逐舰上,该燃气轮机也是英 国 CVF 和美国 OD( X) / CG( X)项目的首选装备。 WR�21型燃气轮机是罗尔斯 !罗伊斯公司航空 发动机的变型,在基本发动机上添加了 3种元件, 可以获得 21 329. 47 kW 的额定功率。与目前的 同种动力装置相比, 在总的任务剖面内节省了共 30%的燃料。首先,中间冷却器在低压压缩后和 第二阶段压缩之前冷却气体, 这样就减小了压缩 机的工作量,而使发动机可以发出更多的动力;其 次,回热器将由简单循环发动机浪费的热能储存 起来,预热燃烧之前的燃烧气体。最后当动力涡 轮低于额定功率工作时,其第一级可变截面喷嘴 限制了气流,提高了排气温度,因此在低动力的条 件下,提高了蓄能器的工作效率。中冷回热式发 动机的排气温度比其他发动机低, 降低了红外辐 射信号。 4� 3 � 先进循环燃气轮机 � � 先进循环燃气轮机可用来替代 1~ 4 MW 功 率范围的柴油机作为发电机组。在现有模式的基 础上,这类发动机将综合运用回热、中间冷却和可 变尺寸达到实质性改变燃料效率的目的。大多数 此类发动机是以延长反应时间为代价, 换取燃料 效率的提高。对于大型中冷回热式发动机,回热 器就降低了红外辐射信号,更高的效率也降低了 排放。由于每台基本发动机的部件都是独特的, 因此这些发动机不可能构成一个统一模式。 4� 4 � 燃料电池 � � 燃料电池直接将化学能转化为电能,作为一 种动力产生模式, 可以看作一种持续地添加燃料 的电池。它们吸收燃料和氧化剂, 然后产生电能、 水和热量。除了燃料电池模块, 动力产生组件还 包括热交换器、调节器、控制器、燃料处理器和其 他辅助设备。 � � 因为它们基本上是等温装置, 因此不受热能 发动机热力学条件的限制。燃料电池原则上具有 很高的能量密度, 仅受到燃料和氧气转化为水所 产生的自由能的限制, 在提高能量密度和效率的 同时,燃料电池在产生能量时,具有很小甚至是零 排放的优势。其他优点包括低噪声、低红外辐射 信号、可靠性和耐久性好,以及模块化程度高等。 1192008 年 7 月 � � � � � � � � � � � � � 韩秋平 � 曾凡其: 船舶电力推进系统的应用 5 � 推进电机 � � 对于任何传统的电动机设计来说, 电动机所 需要产生的转矩,决定了其外形尺寸和设计质量。 相比之下, 其他影响因数, 如转速、电压和功率可 以忽略不计。因此考虑到把这种机器作为一种低 速直接推进电动机使用,为解决需要高转矩密度 所带来的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 , 目前世界上正发展几种强劲的推 进电机。 � � 制造一台推进电机要用到 3 种主要的布局: 即径向、轴向和横向布局。虽然励磁 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 从控制 和效率的角度来看是很重要的, 但对于任何给定 转矩的电动机, 它对其尺寸的影响仅是次要的。 这是因为铜载流导体在电动机的铁心中产生感 应,只在电动机的气隙里产生转矩[ 2]。除了横向 通量电动机外, 所有电动机的 2种电路(铁心中的 磁回路和铜导体中的电回路)在相同的空间进行 比较,从而决定电动机的整个尺寸。 � � 先进的感应式电动机(如美国综合电力系统 项目所研制的所谓�鼠笼式 感应电动机)代表了 满足水面舰船推进系统功率的当前商业交流电动 机最新技术发展水平。目前在较低功率级别中, 永磁电动机技术正和商业感应式电动机进行竞 争,而基于高效率和大功率密度的可调速推进的 应用,则取决于这种应用需求。 � � 无需显著增加永磁电动机的制造成本就可以 增加其功率密度的优势,使得永磁电机对应用在 有尺寸限制的舰船上具有吸引力, 例如,小水线面 双体船、三体船或吊舱推进器船。甚至对较小排 水量的舰船,其船体内部合理的布置也可以减小 船体尺寸。一些作为军事应用的电动机正在研制 之中,美国、法国、德国、日本和英国正研究永磁电 动机的各种拓引布局。在这些永磁电动机中,有 一种是由英国国防部投资, 罗尔斯 !罗伊斯公司 承担设计、制造并测试的横向通量电动机。单极 电动机和超导电动机也在研制之中。尽管这 2个 概念经常相提并论, 但单极电动机可能是靠普通 磁场激励,也可能靠超导磁场激励,且超导磁场可 应用于单极或交流电动机。 � � 采用电力推进电动机的综合推进系统允许考 虑电动机和推进器集成的概念。例如, 先进的模 块化推进器,通过将操作与推进模块合并,取代轴 系、压杆和方向舵所呈现出来的现有排列。这一 概念迅速获得巡洋舰和其他特殊舰船的认可, 但 它在水面战舰的广泛应用,却存在复杂的缺点和 水动力效率问题。尽管水面战舰通常以最大速度 的 1/ 2到 2/ 3 航行,但其最大航速一般应设计为 20 kn 以上。 � � 易操纵的吊舱推进器似乎具有满足海军水动 力和水声要求(特别是与永磁电动机联合使用)的 最大优势,同时也可以与商船使用的传统推进器 竞争。吊舱推进器提高效率和减少噪声是更进一 步的目标。最后的努力集中在液体冷却同步电机 通过行星齿轮,驱动反向旋转和前置旋转推进器。 6 � 电力推进的不足 � � ( 1) 电力推进装置本身成本较高 � 采用电力 推进,会使推进系统成本增加约 25%, 尽管这可 以从较低的运行费用中得到补偿。有 2种途径可 以克服这一缺点: ∀ 采用比机械驱动装置少的系 统结构; # 采用新的技术,改善功率密度,如永磁 电动机和新的电力电子学技术。 � � ( 2) 能量损失 � 由于存在发电机中机械能转 化到电能,而电动机中从电能转化到机械能的双 重转化,电力推进系统的总功率损失比机械系统 更大。然而,在功率下降时,电力推进系统效率比 对应的机械系统降得慢, 但在实际应用中,电力推 进系统总的功率损失比机械系统低。 7 � 结语 � � 由于电力推进在船舶动力方面的应用不断被 人们所认识,目前船舶电力推进技术有了很大的 发展。随着电子技术及自动控制技术的不断创新 与发展,变频交流电动机驱动的实际应用,运行成 本会越来越低,电力推进技术在船舶上的应用将 会越来越广泛。 参考文献 [ 1] � 张 � 翔 . 船舶电力推进的应用研究. 广东造船, 2003( 2) : 27�30� [ 2] � 聂延生, 黄鹏程, 李伟光,等 . 船舶电力推进系统控 制方法. 航海技术, 2002( 6) : 38�40� 120 韩秋平 � 曾凡其: 船舶电力推进系统的应用 � � � � � � � � � � � � � 2008 年 7 月