电力推进技术

《电力推进技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力推进技术（7页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、电力推进技术1、引言电力推进作为船舶推进方式之一，已有近百年的历史 .在此期间，舰船电力 推进技术经历了一个曲折的发展过程,即二战前的新兴期、二战后到 70 年代末以 前的萧条期和80 年代以后的蓬勃发展期。上世纪初，由德国、俄国引导的以蓄电池为动力源的电力推进技术在船舶上 得到了应用，但由于成本、维护、保养等方面因素的制约 ,发展较为缓慢。二战 期间，电力推进曾出现过一段流行期,由于当时交流电机调速技术不成熟，多采 用直流电力推进，其调速系统简单、调速性能好。但由于直流电机结构复杂、体 积及重量大,并存在功率及转速极限等问题，故只能用在一些工程船舶及潜艇上， 使得电力推进在整个船舶推进领域中

2、的发展受到限制。20 世纪 80年代以来，随着电力电子技术迅速发展，大功率交流电机变频调 速技术日益成熟，同时，为了迎合各国对船舶性能要求的进一步提高，船舶电力 推进技术在国内外得以迅速发展。电力推进技术的应用领域已扩展到旅游船、水 面战舰、潜艇、各种工程船和油货轮等，显示出了广泛的市场前景。随着推进电 机、供电系统、蓄电池和微电子信息技术的迅速发展，电力推进在船舶上的应用 得到了大力的发展。电力推进系统的构成可以分为三类：蓄电池、推进电力组成的纯电池推进； 机械原动机（柴油机、燃气轮机或核动力）、发电机、推进电机组成的原动机发 电推进;机械原动机、发电机、蓄电池、推进电机组成的混合电力推进.

3、2、电力推进的主要优势与传统的船舶机械推进方式相比，电力推进的主要优势：（1）船上大型机械设备布置更灵活、有效空间更多、费用降低；（2）电动机由电网供电,增加了系统的可靠性，提高了生命力；（3）减少了维护的工作量；（4）可以采用中高速不逆转原动机，以减少设备的体积和重量；(5) 可以采用低速电动机直接与推进轴连接，省去机械的减速齿轮；(6) 操纵灵活，机动性能好；(7) 易于获得理想的拖动特性；(8) 减小螺旋桨等机械振动和噪声、环境更加舒适、船舶航行也更加隐蔽；(9) 提高经济效益，减少排放物；(10) 采用综合电力推进可综合利用船舶动力装置，减少设备数量；(11) 电力推进系统有较大的能量

4、效率。3、电力推进的构成船舶电力推进系统一般由以下几部分组成：螺旋桨、电动机、发电机、原动 机以及控制调节设备。其结构如图1所示.原动机可以采用柴油机、汽轮机或燃 气轮机。目前一般采用高速或中速柴油机.大功率时多采用汽轮机或燃气轮机.发 电机采用直流他励或差复励电机、交流整流同步发电机或交流同步发电机。电动 机可以采用直流他励双枢双换向器电动机或交流同步电动机、异步电动机。图1船舶电力推进系统示意图4、电力推进的分类电力推进就是船舶依靠自身配备的发电装置或储电设施获取电能来驱动电 机、推进船舶运动的一种推进方式。驱动电机能量的来源可以是蓄电池或发电机, 按能量提供来源分为3类。4.1纯电池推进

5、利用蓄电池（铅酸电池或者锂电池）作为电力供应源来驱动推进电机工作的 一种推进方式.蓄电池的发展日新月异，铅酸电池已经成为过去，锂聚合物蓄电 池、超级电容是近年来涌现的新型储能器件,其储能容量、使用寿命、安全性均 达到了实船应用水平。纯锂电推进采用以锂聚合物蓄电池为主、超级电容为辅的 供电模式：当推进系统有瞬间强劲功率需求时,由超级电容供给能量；当系统需 要稳定的功率输出时，则由锂电池供给 ; 当系统有能量回馈 （ 紧急制动或反 转 ） 时，瞬间回馈能量由超级电容吸收。超级电容和锂聚合物蓄电池储存的能 量来源于岸电,运行工作时既不消耗燃料，也能实现零排放，是名副其实的“绿 色推进方式。4.2 原

6、动机发电推进利用机械原动机带动发电机组发电来驱动推进电机工作的一种推进方式。在 船舶上应用较为广泛,主机一般为中、高速柴油发动机。它往往安装在弹性基座 上，以恒定转速运行带动发电机组，为电力推进系统正常工作运转提供能量。这 种推进方式既避免了主机与船体有直接的连接，又不与轴系上的电力推进系统有 任何联系,大大降低了传统推进方式带来的振动和噪声。4。3 混合电力推进介于纯电池推进和原动机发电推进中间的一种推进方式 .在设备配置上，它 既配备有蓄电池组,同时也有主机和提供推进电源的发电机组，两者均能独立地 与电力推进系统搭配工作。采用这种推进方式主要是考虑其它两种推进方式的不 足:纯电池推进需要大

7、量的蓄电池组，价格昂贵且续航力有限，充电也不十分方 便；原动机发电推进较传统推进方式大大降低了振动和噪音，但未能 100% 实 现“绿色环保”，在某些河流尤其是旅游景区 ,发展受限。混合电力推进可以在 局部流域采用纯电池推进，在紧急情况或条件许可的情况下采用原动机发电推 进。5、民船电力推进系统的发展状况5。1 国外民用船舶电力推进系统应用情况世界上采用过电力推进的民船种类繁多，包括：运输船、海洋开发用船、工 程船、渔业船舶、拖带船舶、港务船、农用船等等。近20 年以来,船舶电力推进 应用达到了空前的繁荣。世界上各大船用设备厂家如 ABB、SIEMENS、ALSTOM、 STNATLAS等公司

8、都已开发出成套的电力推进系列产品。其中尤以ABB开发的吊 舱式电力推进器AZIPOD最为成功，并得到广泛应用。AZIPOD是将马达装入一 个流线型壳体内，螺旋桨置于壳体前端,操作十分方便，可以在很低转速下运行， 又可作为转向装置，推进效率高于常规螺旋桨.如大型旅游船 Elation 号上装配有 14 000 k W AZIPOD，其航速比装有常规推进的姐妹船快0。5kn,推进效率高8%, 回转半径减少30%,从全速前进到全速后退仅需20 s。从1987年到2003年之 间，ABB公司的交流电力推进的装机总功率达到2318MW,仅吊舱推进总功率就 达到 826 MW。从1980年起,ALSTOM

9、的电力推进系统装船多达110艘，总装机超过1 500 000 k W,动力定位系统装船已达160多艘，其与瑞典Kamewa公司联合开发的 Mermaid 推进器,也称“美人鱼”推进器，在最近两年内完成定单近 40 套。“美 人鱼”电力推进器功率范围为525 MW,该系统的独特设计在于轴封甚至整个 吊舱都可以在水下进行更换.5.2 国内应用情况与国外相比，我国在船舶电力推进应用方面起步较晚。近年来，通过国内船 舶行业各部门的不懈努力，我国民用船舶电力推进系统的发展已经取得了可喜的 成绩,目前已应用到海上石油工作船、科考船、货运船、火车渡轮，以及其他专 业性船舶等方面，举例如下:2000 年，上海

10、爱德华造船有限公司为瑞典公司建造 了的“帕劳斯佩拉”化学品船，是我国第一次采用 POD 电力推进系统的船舶。 2002 年广船国际为 COSCO 建造的 18000t 级半潜船“泰安口”，是中国第一艘 自己建造的海洋工程大型特种船舶，采用两套SSP吊舱电力推进系统，是同类船 型中目前最为先进的首制船.2006 年投入试运行的烟大（烟台大连）火车轮渡是 我国首次自行设计、采用电力推进方式的船舶。同年10 月，天津新港造船厂建 造的我国首艘采用全电力推进系统的火车滚装船“中铁渤海一号”顺利交工，该 船总吨位达到25000 t，这是我国自行设计、建造吨位最大的全电力推进船舶。其 它还有912消磁船、

11、浮式生产储油轮、991水声测量船、502TEU多用途集装箱6、军船电力推进系统的发展状况电力推进系统在民船上应用的经验也促进了其在军用领域的发展，美、英等 国及北约组织的海军也都相继开展了电力推进的可行性研究和方案论证工作。目 前各国家纷纷提出了发展海军综合全电力推进舰艇的军事战略。当前世界各国的电力推进船，主要采用的推进方式有两种：一种是电力推 进与其他发动机推进组合的混合式推进，如英国 23 型护卫舰，其采用了新一代 燃气轮机，柴电联合动力装置(CODLAG)，高速时用燃气轮机，低速时用柴油 发电机、电动机电力推进；另一种是全电力推进，即推进电源与船上辅助用电源 由船上同一电站供给，如美国

12、的新型DD21水面舰船和英国的45型驱逐舰。(1) 英国综合全电力推进系统的研究英国国防部于1994年正式开始IFEP系统的应用研究。1996年成立了一个 专门机构-电船计划管理局，负责协调发展和采购未来英海军水面舰艇的综合 全电力推进系统。英国 IFEP 发展计划的重点首先是发展原动机，英国坚持原动机全燃化，大 功率(21 MW)燃气轮机发电机主要使用WR-21中冷回热燃气轮机,中功率(78 MW)采用复杂循环燃气轮机，又与荷兰合作试验小型复杂循环燃气轮机(仅有回 热器)，作为小功率(12 MW)燃气轮机发电机的基础。IFEP系统的另一个主 要设备是推进电机。英国正在研制1624 MW的轴向

13、磁通永磁电机。IFEP系统 将可能用于英国的未来护卫舰、未来航空母舰和未来攻击型潜艇.(2) 美国综合全电力推进系统的研究近些年来，美国海军海上系统指挥部的预先发展水面机械计划(ASMP)直集 中于发展海军舰船推进、电力和控制系统，其目的是在满足舰船各方面性能要求 的同时，大大地减少采购费和整个寿命期间费用.该计划由四部分组成：WR21中 冷回热燃气轮机、标准监控系统、综合电力系统(IPS)和电力电子设备.其中,中冷回热燃气轮机比普燃气轮机功率增加 25，油耗平均降低 30 40%。对于DDG51级驱逐舰(在16 kn时航行5400 n mile)，全年每艘舰可节约 费用150万美元，同时允许

14、舰的航速增加6 kn，在航时间增加8天，或航程增 加 1000 n mile.综合电力系统（IPS）由发电和推进、日用配电、区域配电、系统监测和控制 4 个分系统组成。该系统采用模块化设计,能满足不同舰船要求，可节省大量 采购费和运行费用。综合电力推进系统的发展分三个阶段：小比例预研、全尺寸 样机预研和全尺寸工程研制。前两个阶段已接近完成。第一阶段中制成了 2.2 MW、 300 rpm 的轴向磁通永磁电机，第二阶段中制 造了9。2 MW、 150 rpm 的全尺寸永磁电机样机。该样机是采用钕-铁硼稀土 永磁材料的轴向气隙横向磁电机，电机小而轻。此外，法国参与了美、英的 IFEP 研究计划。德

15、国、加拿大也对水面舰艇的全电力推进方案进行了研究。7、结束语二十世纪八十年代中期以后，大型交流船舶电力推进装置已在民船和海军舰 艇上进行了广泛的应用，实际运行的情况证明其性能良好 ,有很强的实用意义和 推广价值，船舶电力推进的应用领域将随着技术的发展不断扩大。各类交流推进 方式将继续取得发展。我国在船舶电力推进系统研究及应用方面起步较晚，但在原动机、发电机、 配电、变频调速等关键技术方面有一定的工业基础。目前我国在船用大功率燃气 轮机、永磁电机、高压大容量电力电子器件、吊舱推进器等设计与制造方面与发 达国家还有很大差距.中国船舶电力推进行业的发展需要在政府的支持下，提升 技术装备水平，并通过加

16、强与国际先进造船企业的交流、推广军民两用技术，促 进相关技术的研究和开发应用，提高我国在这一领域的国际市场竞争力。参考文献1王凤良，吴宏，杨东升.英国综合电力推进系统的发展道路和启示J。机电设备， 2007, 24（ 4）： 33-35 。2 李玉生.全电力推进在舰船上的应用及其展望J。船电技术，2005, 25（2）: 1-3。3 郭国才，石艳，王屈平，等.民船电力推进技术应用及发展方向J.船电技术, 2004，24（5）： 14。4马伟明.舰船动力发展的方向-一综合电力系统J。上海海运学院学报,2004，25（1） : 111. 金焘。国外舰船电力推进技术发展概况】J.上海造船，2006

17、(2): 3334。6栾胜利.船舶电力推进技术的发展J。船电技术,2009, 29(4): 4649。7 艾子涛，李炎锋，段文进。电力推进技术在船舶上的应用J.广东造船, 2017, 36(5)： 8485.8郑安洪. 船舶电力推进系统特点及应用分析 J。 珠江水运, 2014(19):61-63。9张抱月。船舶电力推进系统应用研究探析J.珠江水运，2015 (8): 94 95.10喻小力，钟利坚.小型船舶电力推进国产化的发展与应用】J.广东造船， 2013, 31(6): 70-72.11付如愿，郑晖，高海波。小型内河船舶电力推进技术的应用及发展J。 江苏船舶， 2016, 33(6)：3031.