舰船电力推进技术发展现状.docx

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舰船电力推进技术发展现状

舰船电力推进技术的发展现状

电力推进是指由舰船的原动机（柴油机或燃气轮机或两者混合，甚至核动力装置）驱动发电机产生电能，再由电动机将电能转换为机械能驱动推进器实现舰船机动的一种推进方式。

一艘电力推进船舶，不管采用何种方式发电，电力不是像传统布置一样直接与驱动装置相连，但可为全船提供电力，这种方式能提供更大的供电灵活性、高效性和生存性。

舰船步入全电力时代就像当初从帆船时代步入蒸汽时代一样，是一个巨大的跨越。

一电力推进的优缺点

1电力推进的优点

1）可以灵活布置船上大型机械设备；

2）便于操控和航行；

3）可降低运行噪声。

因为没有齿轮箱等大功率后传动机械装置和长轴系,明显降低了舰艇运行噪声，提高了乘员的舒适度，且提高了舰船的隐身性；

4）如果电动机设计成低速（100～200r/min）运行，并直接与推进轴连接，则可省去减速齿轮；

5）与常规的机械推进比较，电力推进的重量和体积大大减少；

6）电力推进系统能效更高；

7）电力由冗余电缆传输，可靠性高，并可减少维护；

8）节能环保。

所有原动机均以恒定速度运行于最佳工作状态，并可根据负载变化动态调整，明显降低能耗和排放；

9）全电力舰船所需的舰员人数会大幅减少，进一步减少使用成本。

10）可使舰船成为电磁武器的搭载平台。

大型舰船变频调速电力推进在功率等级上与电磁武器基本相当，随着这种新型电力推进技术的工程化应用，将在电能管理和脉冲式电源变换等重大技术上为大功率雷达、电磁炮、电磁弹射等新装备装舰扫清障碍。

2电力推进系统相对常规推进装置的不足之处

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，加大了船舶全动力运行时的传输损耗；

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，提高了对操作人员和维护人员的要求。

以下为机械推进和综合电力推进的原理图。

图1 机械推进系统示意图

图2 综合电力系统示意图

二综合电力推进

电力推进最早应用在商船上，特别是豪华游船上。

其中以英国对电力推进的研究最为突出。

三个主要的欧洲电力推进供应商分别为：

Alstom、ABB和西门子公司。

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，舰船在低速巡航时采用电力驱动，满足舰船巡航时的经济性和低噪声需求，更高航速下采用直接驱动；二是综合电力推进，舰上的所有原动机都用于产生电力，然后分配至推进、船上用电和作战系统。

即在舰船运行的全速范围内完全由电动机驱动推进器。

对于在生命周期内操作模式相对固定的舰船，通常来说，混合电力推进是最佳的选择。

如果操作模式会变化或生命周期内排水量将会发生显著增加的，则综合电力推进的灵活性会更有优势。

1各国的综合电力推进项目介绍

欧美国家的综合电力推进项目有：

英、法海军的“综合全电力推进”（IntegratedFullElectricPropulsion，IFEP），舰船推进和日常用电由同一发电系统供电，同时舰船的前进和后退完全由电力驱动；北约国家海军的“全电力舰”（AllElectricShip，AES），除推进用电和日常用电外，更进一步地使原先所有非电动如气动、汽动、液压驱动的辅机以及武器装备全部实现电气化；以及美国海军的“综合电力系统”（IntegratedPowerSystem，IPS），使用同一电源，在向推进系统供电的同时，还可向全船其他电力负载，如各种泵、照明系统等供电,从而不必再为其配备单独的发电设备，是用于未来水面战舰和潜艇的一种全电力构造。

其中，美国的综合电力系统项目成立于1995年，该系统的主合同商为洛克希德·马丁公司，其中很多设备由Alstom公司提供，2001~2005财年美国海军在该项目上投入的研发经费超过3亿美元。

图3 美国综合电力系统原理图

综合电力推进系统的一个关键技术为电动机，大型舰船采用的电动机可分为五种基本类型：

同步电动机、感应式电动机、永磁电动机、超导同步电动机和超导单极电动机。

其中同步电动机被认为在大型舰船应用方面技术最成熟。

另外海军和工业界一致认为，如果水面舰艇和潜艇需要在较高的航速（如30kn）下航行，则同步电动机可能因体积和重量太大而不适合。

使用同步电动机较合适的船型是大型军辅船。

感应式电动机在大型舰船应用方面属第二成熟的，美海军的许多论证认为其用于水面战斗舰艇具备足够的功率密度，但用于潜艇上则不够紧凑、安静。

永磁电动机相比感应式电动机安静性更好，功率密度也有显著提高，适合用于水面舰艇和潜艇，但其技术成熟度不如感应式电动机。

超导同步电动机，如果成功开发，将具备比永磁永动机更高的功率密度和安静性。

超导单极电动机，同样具备比永磁电动机更高的功率密度和安静性。

美国海军从上世纪70年代中期开始开发超导单极电动机，但技术成熟度也不高。

表1 机械推进与使用不同电动机的综合电力系统（IPS）的比较

机 械 推 进

IPS

（感应式电动机）

IPS

（永磁电动机）

IPS

（单极电动机）

潜

艇

不能满足未来的噪声要求

1 不能满足未来的噪声目标

2 电动机尺寸太大

1 能满足未来的噪声目标

2 电动机尺寸合适

3 适于普遍应用

技术还有待发展

水

面

舰

艇

1 燃料经济性欠佳

2 动力分配灵活性欠佳

1 动力分配灵活性好

2 舰船设计灵活性好

3 生命周期内成本省

4 开发风险小于永磁电动机

5 非普遍适用

6 体积大于永磁电动机

1 普遍适用

2 动力分配灵活性好

3 舰船设计灵活性好

4 生命周期内成本省

技术还有待发展

航

母

1 采用新的电气装置，可满足未来的发电需求

2 经济性最好

1 具备满足未来目标的潜力

2 对CVN（X）航母经济性不够

1 具备满足未来目标的潜力

2 对CVN（X）航母经济性不够

技术还有待发展

图4 采用IPS的军舰示意图

2 综合电力推进关键部件

发动机（也称原动机）：

美国水面舰艇多用燃气轮机、美国潜艇和大部分航母采用蒸汽轮机，由核反应堆产生热能，再产生蒸汽。

在其他最高航速要求不高的舰艇上则采用柴油机。

发电机：

将发动机产生的机械能（高转速）转为电能。

配电盘：

将电力分配至推进和非推进用电。

电动机控制器：

根据舰上电力推进电动机的需要改变电能的压力和频率，从而达到操作要求并达到想要的航速。

电动机：

将电动机控制器中的电能转变为适合螺旋桨的低转速。

推进器：

以低转速推进船舶。

非推进电力分配系统：

将剩余电能分配至不同的舰上非推进用电载荷。

该系统包括电缆、开关和电力转换设备。

3交流与直流的比较

对于在综合电力系统中选择交流电还是直流电这个问题，英国一项基于护卫舰综合电力系统的设计可作为参考。

该型舰在设计开始时选择了直流，设计人员认为采用直流电有如下原因：

第一，该设计中采用结构紧凑复杂的循环燃气轮机，这种情况下，使用直流电，电力转换次数最少。

另外，发动机直接驱动发电机，无需使用齿轮箱，将综合电力系统减少尺寸和重量的优势最大化。

第二，电力从产生到分配至用电设备，均需要进行电力调整，采用直流电流，去除无效电力调整，效率更高。

1）电力产生时

不同功率的发电机转速不同，如下，1250kW：

20000r/m；6000~10000kW：

7000r/m；21000~25000kW（WR21型燃气轮机发电机）：

3600r/m。

其中1250kW和6000~10000kW发电机产生的电力将远高于标准的60Hz（3600r/m），即使采用转速为3600r/m的WR21型燃气轮机，为取得最佳的燃料效率，需要根据载荷大小，调整发电机的速度。

因此，必须采用某种形式的电力调整，将发电机产生的电力连接至统一的电力系统。

2）电力分配至用电设备

a、变速电动机驱动

例如泵在工作时，为提高使用效率，需要根据不同的工况，调整泵的运转速度，这也需要某种形式的电力调整。

b、变压电动机驱动

除变速驱动时，按频率要求调整电压外，在定速感应电动机驱动的情况，还可按载荷调整电压以提高效率。

通过增加感应电动机的滑差，降低电压至效率最高的点，来提高效率。

这种技术也需要进行某种形式的电力调整。

c、武器系统供电

对武器系统进行供电通常是将标准供电直接转化为系统所需的专用的供电，这也需要进行电力调整。

电力从发电机至用电设备的过程为：

首先将发电机中输出的非标准频率电流进行整流，然后将其转为固定的60Hz。

大部分用电设备也需进行同样的电力调整：

先对60Hz的输入电流进行整流，然后转为用电设备所需的频率和电压。

如果采用交流电，在电力传输链中，存在大量的无效转化（发电机电力调整的尾端）和无效整流（用电设备电力调整之初），一半的电力调整都浪费了。

若电力以直流电形式进行分配，则允许用电设备直接将电力转为所需，去除了电力调整中的无效步骤，效率更高。

但直流的缺点是使用价格昂贵且重量重，因此带价格适中的交流分配及直流中枢的混合低压系统将成为近期的选择。

不过随着技术的发展，解决了价格和重量的问题，直流将成为今后的首选。

三采用电力推进的舰船简介

1英国“勇敢”级防空驱逐舰综合电力推进系统

英国皇家海军的“勇敢”级（45型）防空驱逐舰采用综合电力推进（IEP），2009~2011年已有4艘服役，目前还有2艘已下水，计划2012~2013年服役。

该舰满载排水量7570t，总长152.4m，是世界上首艘采用IEP系统的水面舰艇。

舰上采用两台罗尔斯·罗伊斯WR21型先进循环燃气轮机交流发电机（21000kW）和两台瓦锡兰12V200型柴油发电机（2000kW），以4160 V的电压向舰上的一套高压系统提供电力。

高压电源再向两台Converteam公司（原Alstom公司）的先进感应电动机（每台输出功率20000kW）提供电力，舰上的非推进用电包括生活用电和武器系统用电，通过变压器以440 V和115 V的电压供应。

表2“勇敢”级驱逐舰动力推进系统组成

方 式

排 水 量

发 动 机

电 动 机

轴

推进器

IEP

5893t（标准）

7570t（满载）

2台罗尔斯·罗伊斯WR21型燃气

轮机交流发电机，21000kW/台

2台瓦锡兰柴油发电机，

2000kW/台

2台Converteam先进感应电动机，20000kW/台

双轴

定距桨

注：

数据来源《简氏年鉴》。

WR-21型燃气轮机是结合了压缩机中间冷却和废热回收技术的航空派生燃气轮机，比过去使用的船用燃气轮机效率高得多，特别是在中低压时。

该型燃气轮机能提供与LM2500发动机几乎相同的功率输出，但只消耗相当于中速柴油机的燃料量，相比一台简单的循环燃气轮机约节省了25~27%的燃料。

采用综合电力推进系统虽然成本较高，但可以保证舰体底部双轴螺旋桨的转速恒定，军舰航行稳定且安静。

该舰的舰型较长，水动力性能优良，再加上电力推进的高功率密度，使得该舰在2007年试航时，设计航速在70秒内可达29 kn，120秒内可达31.5kn。

如以18 kn的巡航速度航行，续航力达7000 nm，相当于从英国横跨大西洋到美国的距离。

该舰采用综合电力推进系统的优点有：

① 可将电动机布置在靠近螺旋桨的位置，缩短了轴线，无需使用齿轮箱或调距桨。

② 可将原动机（柴油发电机和燃气轮机交流发电机）布置在远离轴线的较便利的位置，减少了空间损失，同时可增加用于机器维护和更换的通道。

③ 在舰船服役的大部分时间内可根据情况自由调配推进和非推进用电，从而大大减少发动机的运转时间和排放。

图545型驱逐舰综合电力推进系统示意图

2美国DDG-1000“Zumwalt”级驱逐舰

美国“Zumwalt”级驱逐舰采用综合电力系统（IPS），最初计划建造32艘，后减至24艘，再减至12艘，10艘，7艘，目前是计划建造3艘，由通用动力巴斯钢铁公司建造，预计分别于2015年、2016年和2017年服役。

该级舰最初的概念设计是基于采用永磁同步电动机的综合电力系统，但由于永磁同步电动机需要较长时间研发、论证，在2005年该舰的设计方案仍选择了Converteam公司的先进感应电动机（AIM）。

相比永磁电动机，AIM电动机的缺点是更重，体积更大，需要开发一台单独的控制器以满足噪声要求，并且电压比永磁电动机低，前者仅为后者的1/3。

表3“Zumwalt”级驱逐舰动力推进系统组成

方 式

标准排水量

发 动 机

电 动 机

轴

推进器

IPS

15494t

2台主涡轮发电机（MTG）

2台辅涡轮发电机（ATG）

2台电动机，

39250kW/台

双轴

不详

注：

数据来源《简氏年鉴》。

3美国“马金岛”号（LHD8）两栖攻击舰

美国“黄蜂”级两栖攻击舰的前七艘舰均采用传统的蒸汽轮机动力系统，末艘舰“马金岛”号采用了混合电力推进方式，是美军首艘采用燃气轮机做原动机的两栖攻击舰，也是第一艘采用混合动力系统的海军战舰，既用机械推进，也可在巡航时用电力推进，可大幅节省燃料成本和使用成本。

这种推进方式安静性能好、推进效率高、启动运转速度快。

该舰推进系统由2台单机功率26100kW的LM2500+燃气轮机组成，使用直径5m的螺旋桨，双轴推进，航速22kn。

另有2组辅助电力推进装置，在不使用燃气轮机时，它们能使战舰以12kn的航速行驶。

航行中，燃气轮机与电动机之间可以自由切换。

特别是在航速不超过10kn时，与燃料消耗量极大的燃气轮机相比，电动机廉价高效的优势十分明显。

按美国海军的计算，如果采用电动机推进，可减少燃气轮机25%的使用时间。

每年仅燃料费就能节约35万美元。

同时由于减少了使用时间，大幅延长了燃气轮机的大修间隔和全舰的使用寿命，整舰的使用成本大大降低了，全面符合美国海军对降低燃料费用、提高整备率、节省人力的要求。

表4“马金岛”号LHD动力推进系统组成

方 式

满载排水量

发 动 机

电 动 机

轴

推进器

混 合

电力推进

42330t

2台通用电气LM2500+

燃气轮机，26100kW/台

2台Alstom变速电动机，3750kW/台

双轴

螺旋桨

注：

数据来源《简氏年鉴》。

图6“马金岛”号LHD动力系统单轴图解

四小结

综合电力推进系统是一种先进的推进系统，欧美等国对电力推进投入较大，并取得了一定的实船应用成果。

美国海军认为在可预见的将来会有越来越多的电力辅助设备和高能的传感器和电子武器投入使用，这些将会大大增加舰上的用电量，因此未来对电力推进舰船的需求会持续增加。

并于2007年成立了电力舰船办公室，协调电力舰船的开发。

近期电力舰船办公室的研究目标为开发减少舰船能耗的技术，以满足增加的电力需求。

正在开发中的技术有：

混合电力驱动（HED）系统，与LHD8和“美国”级舰上使用的相似；能更有效地满足舰船动力要求的大尺度能量存储模块的应用，仅使用单台发电机，即能确保脉冲型载荷（如先进传感器和武器）的需求；改善燃气轮机发动机的能效等。