本帖最后由 2006power 于 2009-12-11 18:58 编辑
其实电力推进对于舰艇来说已经不算新技术。20世纪初期，电力推进曾一度成为舰船动力的新潮方案。从20世纪初至20世纪40年代，各国建造了大量电力推进舰船，从民用的客轮、货轮、油轮到军用舰艇，都有采用电力推进系统的。二战期间战功卓著的美国海军“列克星敦”级大型航空母舰，采用的就是蒸汽轮机-发电机-电力推进系统。 这一时期的电力推进舰船都是用蒸汽轮机带动交流发电机，向推进同步电机供电，再驱动螺旋桨。受技术条件的限制，这些舰船的电力推进系统体积都异常庞大，效率也并不令人满意。电力推进系统能在20世纪初期迎来“第一次浪潮”，主要原因是当时的舰船日益大型化。在2万吨甚至3万多吨的战舰上，如果采用传统推进装置，长达近百米的主轴和大型机械减速装置在制造上相当有难度，而采用电力推进系统可以绕过这一难题。 20世纪30年代之后，随着技术的进步，主要海军大国已经可以研制生产满足大型战舰要求的超长主轴和大型齿轮减速装置，而电力推进装置由于增多了能量变换环节，带来了设备昂贵、传动效率低、维护保养工作量大等一系列缺点，故从30年代开始，大型舰船又重新回到了采用传统轴系的直接推进技术。 尽管电力推进暂时退出了海军战斗舰艇领域，但由于电力推进的特殊优点—推进功率调整上极其灵活，所以在一些工程船以及破冰船等要求良好操纵性、转矩特性和响应特性的特殊舰艇上仍然广泛采用电力推进。 第二次浪潮
20世纪70年代后，电力部件向大功率方向飞速发展，功率一体积比不断提高。以开关技术为基础的功率电子技术不但不断提高了开关的频率，而且朝着智能化、模块化方向发展，具有代表性的几种功率电子器件首先在陆上电网得到了应用，然后又逐步应用到了舰艇上，功率电子技术彻底改变了舰艇能量变换的面貌。80年代以后，进入实用阶段的永磁电机可以给舰艇电力推进设备带来更小的体积和重量，加上大功率、低油耗的新型燃气轮机面世，这使得电力推进在海军的“复辟”有了技术上的可行性。 英国23型“公爵”级反潜护卫舰是电力推进系统“第二次浪潮”的先行者，采用了柴一燃一电混合推进系统，安装了高效率的电机和换能设备。进入21世纪后，各国海军纷纷开始策划为本国的新一代水面主力作战舰艇配备全电推进系统，典型的如英国海军的45型防空驱逐舰和美国海军正在建造的DDG 1000驱逐舰，前者将成为世界上第一种全电推进的水面作战舰艇，其核心为燃气轮机电力推进系统，而后者的核心则是综合电源系统模块。除了英美两国外，目前德国、法国和荷兰等国也开始关注全电推进这一代表了水面舰艇动力系统未来发展方向的领域。我国也于80年代开始了高效率永磁电机的研究，并开始探讨全电推进舰艇的可行性。 舰艇电力推进系统分为3种，第一种为普通的电燃或者电柴联合推进方案，典型的例子为英国海军的23型护卫舰，该舰配备了柴一燃一电联合动力装置(CODLAG），舰上配备了一台巡航用的小功率推进电机，供舰艇在执行声呐搜索需要低速续航时使用，平时高速巡航时仍然采用燃气轮机直接驱动螺旋桨。第二种为美国海军采用的IPS方案，即综合电源系统，燃气轮机（或者柴油机）驱动发电机组发电，发电机组发出的电力进入配电网络，然后配电网络将电能分配给驱动电机和战斗系统等子系统，但舰艇上还有机械辅助设备。第三种为真正意义上的全电推进系统(AES);由荷兰海军于2001年提出，是比IPS更为先进的面向未来的系统，即除了推进系统外，舰艇上所有的阀门、绞盘以及方向舵等目前采用液压系统或者压缩空气系统控制的机械设施也将采用电驱动，成为真正意义上的全电战舰。 全电推进的优点
有利于舰艇动力装置配备
传统舰艇轴系的长度往往占舰艇全长的40%，故舰艇的设计长度在很大程度上取决于推进装置轴系的布置，这就使得舰艇总体设计的优化受到一定的限制。采用全电力推进系统后，推进装置的能量就不需要靠动力轴来传递，燃气轮机或者柴油机等原动机、发电机组和推进电机可以相对独立布置，使得总体设计自由度大大增加。采用综合全电推进系统后，不用再配置额外的日常用电发电机组，可以大大减少舰上原动机配置数量，节省空间，减少维修量。而且可以对推进电机和发电机组进行合理的配置，以满足各种航行工况下最佳特性的要求。放到整个舰队来说，推进系统可以达到高度统一或者通用，可以大幅度地减小后勤保障的压力，提高作战能力。另外电力推进可以选择更为合适的螺旋桨，而且只需要重量轻、成本低的定距桨，提高了可靠性。如果电力推进舰艇再采用吊舱式电力推进装置的话，还可以将螺旋桨移到舰艇边界层外侧，使其处于稳态流中，提高螺旋桨的推进效率。 有利于舰艇电网电力供应
舰艇所有原动机综合在一起发电，可以使全舰电网可用电力大大增加，这不仅可以大大提高电网供电的可靠性，而且还可以满足未来舰艇新概念武器对电能的需求，如电磁炮、高功率激光或者微波武器。同时发电原动机的运行数量和类型可以自由选择，能保证它始终处于最佳负荷状态，提高了机组的工作效率。 提高了舰艇的隐身能力
舰上的原动机可以尽可能地靠近舰艇尾部布置，使废气从舰艇尾部排出，更为重要的是，电力推进不需要减速齿轮箱，减速齿轮箱不仅仅是舰上的主要噪声来源，而且也是舰艇可靠性和生存能力的重要一环，一旦减速齿轮箱出现问题，轻则舰艇无法高速航行，重则无法动弹，只能任凭宰割。采用电力推进后，减速齿轮箱消失，舰艇的噪声就要小不少，被潜艇探测到的几率可以降低不少，同时生存能力和可靠性也大幅度提高。 有利于降低舰船费用
综合电力推进系统便于实现船舶设备系统大范围的模块化，以及各级舰之间设备系统的通用化，而从大幅度地降低各类舰艇的研制成本。同时电力推进系统工作效率要远高于目前的常规推进方案，燃油消耗率也要降低不少，这样又可以降低舰艇的运行成本。 电力推进系统的组成部分
电力推进系统的三大分系统是原动机、电能分配和存储系统、推进组件。与传统推进系统相比，全电推进的舰艇多了一个将机械能转化为电能的发电模块，以及推进组件中多了一个电动模块。全电推进系统能否成功，关键就在于能量转化单元所增加的体积和重量，能否换回更高的推进效率和战术机动性。 原动机
对于全电推进舰艇而言，最重要的一个环节就是发电机组原动机，从技术和成本角度出发，目前供选择的动力来源有以下几类： 一是采用中间冷却一加热循环技术的先进燃气轮机。这种燃气轮机很好地解决了油耗问题，具有燃气轮机的加速性和柴油机低油耗性，而且输出功率也能满足大吨位舰艇的需求。不过目前面世的该类燃气轮机只有罗尔斯·罗伊斯的WR 21，独此一家。WR 21最大输出功率为25兆瓦，WRZ，最大功率时的燃油耗油率仅为184克／千瓦·时，这样的经济指标足以与大功率低速船用柴油机相媲美。WR 21极低的燃油耗油率特别适合于综合电力推进系统，所以英国海军6艘正在建造的45型驱逐舰采用WR 21作为发电机组的动力来源。 二是先进循环燃气轮机。这种脱胎于成熟航空发动机的燃气轮机经过几十年的发展具备了大功率、低油耗的特点，典型的如罗尔斯，罗伊斯的MT30、乌克兰曙光机器科研生产联合体的UGT 25000、美国通用电气的LM 6000PC等等。以MT30为例，该型燃气轮机衍生自罗尔斯·罗伊斯的经典航空发动机“特伦特”800系列，2002年开始组装第一台工程样机，总重26吨，在常规状态下最大输出功率为36兆瓦，紧急情况下最大输出功率为44兆瓦，巡航时则可以输出25兆瓦的持续低油耗功率，这要比WR 21中间冷却回热燃气轮机以及LM 2500+燃气轮机大得多（WR 21的额定功率为25兆瓦，是英国海军45型驱逐舰的动力装置；而LM2500+的额定功率也为25兆瓦，是美国海军“黄蜂”级两栖攻击舰的动力装置）。据介绍，MT30的热效率达到了42％，而且在最大持续功率时的油耗只有207克/千瓦·时，已经可与当今主流的舰用高速巡航柴油机相比。正是凭借出色的性能，MT30赢得了洛克希德·马丁公司的青睐，后者为其研制的濒海战斗舰选择了2台MT30作为动力装置。另外，作为美国海军下一代驱逐舰DDG 1000的主要承包商，诺思罗普·格鲁曼也为DDG1000选择了MT 30作为动力来源。除此之外，MT 30还是英国海军CVF航母的首选发动机，由此可见MT 30的可靠性和质量已经到了无可挑剔的地步。 三是中/高速柴油机。典型的有德国MTU公司的2000、4000以及8000系列柴油机，其中8000系列最大输出功率达9兆瓦，其他还有法国皮尔斯蒂克公司、美国卡蒂尔皮勒公司等。和目前现有的单循环燃气轮机相比，这类柴油机依靠相对成熟的技术和低廉的价格，更为重要的是比较理想的燃油消耗率，加上目前采用的微处理器控制和燃油直喷等技术带来的一系列的改进，在未来建造全电推进水面作战舰艇时也可以考虑用此类柴油机作为发电机组的动力来源。 此外，还有在水面舰艇上采用燃料电池组作为动力系统原动力的方案。但燃料电池目前还处于发展阶段，技术还不是非常成熟，但可以作为长期发展的方向。 电能分配、存储系统
相控阵雷达、激光武器以及大型指挥自动化系统、推进电机等等这些都是电老虎，而舰艇上也有照明灯之类的小型用电设备，如何将这些大功率设备和小功率设备进行匹配、组网呢？这就要考验舰艇的大功率电能分配系统、功率转换系统以及储能系统的水平了。 出色的电能分配系统对于全电推进舰船至关重要，如果这一组件的效率得不到提高，那么全电推进动力系统在体积和重量上就不能和传统推进系统相抗衡。从小的方面说，电能分配、存储系统首先要有用于功率转换的功率转换电容。未来30年内，对于全电推进舰艇而言，配电网络中单个脉冲周期内电压从百万伏级别瞬间降到几伏，或者在数个脉冲周期内要维持几万伏电压不变化都是合情合理的事情，这就对转换电容提出了极为苛刻的要求。目前市场上出现的最好的商用化的转换电容的功率密度大约为1一10千瓦电能/千克，而能量密度则在1一300焦／千克左右，要满足未来几十年海军全电推进舰艇的需要的话，其功率密度必须提高到200一1000千瓦电能／千克，能量密度必须提高到20千焦／千克，要达到如此高的指标，除了采用全固态电路外，新的制造工艺也是不可或缺的。 全电系统的配电网络中第二项关键技术就是变频技术，交流推进电机应用于船舶推进，其关键是要解决交流电机的调速控制问题。常用的交流电机调速方式有：变极调速、变转差率调速、变频调速。变极调速和变转差率调速在大功率应用时都存在不小的局限性。因此，在交流调速方式中，采用变频调速方式是最合适的。现代交流调速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和检测器四大部分组成。电力电子功率变换器与控制器及电量检侧器集中于一体，称为变频器。电力推进变频器的功率开关元件较多地采用大容量全控型电力电子器件，这些器件具有耐压高和电流密度大的共同特点，其中绝缘栅双极晶体管开关耐压值高达9000伏特，工作电流大于6000安培，开关功率达到50兆瓦。绝缘栅双极晶体管具有驱动功率小和导通压降低两方面的优点，而且安全工作区宽、开关频率高，在电力推进中具有较好的应用前景。 推进组件
考虑船舶使用环境条件（海水、盐雾、霉菌等）、战术技术状态（深潜、上浮、横摇、炮火冲击等），还要考虑舱内的布置、外形结构尺寸小、重量轻等要求。舰船推进电机设计具体要求大容量、高转矩、高比功率、体积小、重量轻、能够多工况运行以及宽调速范围和调速性等。 直流推进电机因其具有转速调整范围宽广和平滑，过载启动和制动转矩大、逆转运行性能好，在船舶电力推进系统中长期占统治地位。但由于直流电机有机械式换向器，存在自身弱点，结构复杂，材料和制造工艺要求极为严格，成本高，维护保养困难。 交流电动机其输出功率及转速极限值比直流电动机大得多，结构简单，成本低，运行可靠，体积小。随着电力电子技术、数字控制技术、现代控制理论特别是矢量控制技术的发展，交流调速系统的性能已可以与直流调速系统相媲美。永磁材料、高温超导材料迅速发展，给推进电机提供了性能优良的新材料。在水面舰船电力推进中，交流电力推进占主导地位，已出现交流推进电机与交流异步推进电机、交流同步推进电机和永磁同步推进电机并存的局面。 目前世界各国在研究交流异步推进电机、交流同步推进电机的同时，还大力研究新型船舶推进电机，包括超导励磁的直流电机、超导单极电机、高磁通常规励磁的单极电机、永磁推进电机等。在这些新型推进电机中，永磁推进电机较容易得到近期效果。所以有理由相信永磁推进电机将会明显地提高未来船舶性能。代替传统直流推进电机，是推进电机发展的必然趋势，也意味着船舶电力推进的一场崭新变革。 永磁电机可以分为辐射磁场永磁电机、径向磁场永磁电机和横向磁场永磁电机，该型电机的定子齿槽结构和电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿着电机的轴向流通，因而定子尺寸和通电线圈的大小相互独立，在一定范围内可以任意选取，横向磁场永磁电机除了工作可靠稳定外，还能够提供比传统电机大得多的转距密度和功率密度，因而特别适合用于低转速、大转距、大功率的场合。而且该型电机不仅易于正反向运行，而且在多相时即使缺少一相也能正常运转，可靠性好，转动时径向偏移和扭转偏移少，转距波动小，经得起海浪冲击带来的振动。目前各发达国家竞相开发横向磁场永磁电机，如英国罗尔斯·罗伊斯公司就正在进行20兆瓦级的横向磁场永磁电机的研究，目前只有2兆瓦级的验证模型问世，离实用尚有一段时间。而作为目前比较成熟的方案，感应电机的技术就要成熟的多。 吊舱式推进的主要优点为：吊舱可以全向回旋，向发个方向发出推进力，使舰船的机动性能更佳，舰船可以在各种气候和紧急条件下实施机动，大约可以减少20％的反应时间，制动距离大幅度缩短。而且推进装置可以在舰船制造后期进行安装，不会与其他建造工序发生冲突，这种模块化的推进系统在维护和更换时要比传统的推进器方便得多，吊舱式推进结构可以采用对转螺旋桨等推进技术，改善空泡性能提高推进效率。同时大量试验证明，和常规的螺旋桨推进方式相比，吊舱式推进方式可以节省大约10％一20％的燃油，因此，吊舱式电力推进对舰艇推进技术的发展具有重要的意义，将是未来舰艇主要的推进方式之一，近年来不少公司已经开发出了功率达到兆瓦级别的吊舱式推进器 | 
发表于 2009-12-11 18:54
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