史蒂文·弗萊徹 羅伯特·海耶斯/Frazer-Nash咨詢公司

作為一種新型的電力推進(jìn)設(shè)備，RDP無需傳動(dòng)軸，結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)用廣泛，有望產(chǎn)生巨大的潛在收益。

近年來，電力推進(jìn)系統(tǒng)的裝船量不斷增加，航運(yùn)業(yè)隨之經(jīng)歷了重大技術(shù)變革。受益于船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展，船舶運(yùn)營商得以體驗(yàn)到了電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢：減少維護(hù)費(fèi)用，降低燃料消耗，進(jìn)而有助于實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)。

業(yè)內(nèi)人士已意識(shí)到，先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)可在減排方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，如減排75%以滿足歐盟委員會(huì)的要求。而這無疑為進(jìn)一步發(fā)展低碳電力推進(jìn)技術(shù)——如輪緣驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器（RDP）——提供了機(jī)遇。

圖1 ：無槳轂的輪緣驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器

輪緣驅(qū)動(dòng)（又稱梢部驅(qū)動(dòng)，指將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子集成在導(dǎo)管或槽道內(nèi)部的金屬容器內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子固定在槳葉梢部，通過定、轉(zhuǎn)子之間的電磁場作用帶動(dòng)槳葉旋轉(zhuǎn)）是一種新型的電力推進(jìn)設(shè)備，無需傳統(tǒng)的傳動(dòng)軸，具有結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛且有望產(chǎn)生巨大的潛在收益。作為系統(tǒng)工程咨詢公司，F(xiàn)razer-Nash參與了許多研究項(xiàng)目，旨在評估RDP在不同領(lǐng)域的裝船可行性及其優(yōu)點(diǎn)，尤其是這種推進(jìn)器對船體結(jié)構(gòu)和電氣集成系統(tǒng)的影響。

下文將詳細(xì)介紹電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢、RDP的特點(diǎn)，并分析RDP在大型商船上的應(yīng)用前景及面臨的挑戰(zhàn)。

電力推進(jìn)系統(tǒng)

電力推進(jìn)系統(tǒng)（即由電動(dòng)機(jī)向推進(jìn)器提供機(jī)械動(dòng)力）如今正越來越多地裝船使用。一些實(shí)船應(yīng)用的案例包括：

●海軍艦艇（英國海軍45型驅(qū)逐艦、26型護(hù)衛(wèi)艦、“伊麗莎白女王”號(hào)航母及美國海軍“朱姆沃爾特”級(jí)驅(qū)逐艦）

●液化天然氣（LNG）運(yùn)輸船

●豪華郵輪

●近海供應(yīng)船

●渡船

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)通常有三種形式：并聯(lián)混合動(dòng)力、串聯(lián)混合動(dòng)力及全電力推進(jìn)。若采取并聯(lián)式混合動(dòng)力配置方案，則電力推進(jìn)器和發(fā)動(dòng)機(jī)連接同一個(gè)傳動(dòng)軸來為推進(jìn)器提供動(dòng)力。這種裝置既能提高推進(jìn)效率，又保留了傳統(tǒng)的推進(jìn)模式。不過，由于需要傳動(dòng)軸，RDP不適用于這種方案。

全電力推進(jìn)系統(tǒng)則通過使用能量存儲(chǔ)系統(tǒng)（甚至更新型的發(fā)電技術(shù)）來為推進(jìn)器提供電力?？紤]到可用電源（如電池系統(tǒng)）的容量限制，這種方案僅適用于航程較短、推進(jìn)功率較低的船舶，如渡船。

目前，大部分安裝電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶采用的是串聯(lián)式混合動(dòng)力配置方案。這意味著，船上的原動(dòng)機(jī)（通常為燃?xì)廨啓C(jī)/柴油發(fā)電機(jī)）被用于發(fā)電，產(chǎn)生的電力再被分配給推進(jìn)器及船上電網(wǎng)。因此，這類船舶通常擁有復(fù)雜且高度集成的電力系統(tǒng)，從而導(dǎo)致一些問題（如英國海軍45型驅(qū)逐艦在低緯度熱帶地區(qū)無法滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)，動(dòng)力系統(tǒng)甚至可能停機(jī)導(dǎo)致全艦癱瘓），但同時(shí)也產(chǎn)生了優(yōu)化的可能性。

第一，規(guī)范上機(jī)程序，明確上機(jī)任務(wù)。教師應(yīng)事先制定好完整的上機(jī)計(jì)劃及每次的訓(xùn)練項(xiàng)目，確保學(xué)生在上機(jī)練習(xí)時(shí)有的放矢。

電力推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

電力推進(jìn)系統(tǒng)（指采用串聯(lián)式混合動(dòng)力配置方案）具有一系列潛在優(yōu)點(diǎn)。

首先，原動(dòng)機(jī)（如柴油機(jī)）用于發(fā)電，與推進(jìn)器之間不再有機(jī)械連接。與主機(jī)通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器的傳統(tǒng)方式相比，這一方案能夠減小主機(jī)產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)，且推進(jìn)器的布置也更加靈活。

其次，這一方案允許船舶配置數(shù)臺(tái)單機(jī)功率較小的原動(dòng)機(jī)，而不是一臺(tái)大功率原動(dòng)機(jī)。這意味著，船舶可在航行過程中根據(jù)用電負(fù)荷選擇發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，從而提高機(jī)組效率，并使其擁有更高的冗余。

整體而言，電力推進(jìn)系統(tǒng)能使船舶設(shè)計(jì)、推進(jìn)系統(tǒng)布置方案更加靈活，從而減少排放、降低燃料消耗，減小噪音和振動(dòng)，并節(jié)約維護(hù)成本。此外，該系統(tǒng)還擁有潛在優(yōu)勢：其所帶來的靈活性有助于對轉(zhuǎn)螺旋槳的組合使用，而這已經(jīng)被證明可提高推進(jìn)效率。

圖2 ：轂輪緣驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器的縱截面及橫截面

RDP的功率

船舶的推進(jìn)動(dòng)力需求對RDP的可用性、適用性有重大影響。即，各船型的尺度及其最高航速的不同，導(dǎo)致其對推進(jìn)動(dòng)力的要求差異很大。此外，船舶的結(jié)構(gòu)也會(huì)對單個(gè)推進(jìn)單元的額定功率產(chǎn)生影響。例如：

●海工船的推進(jìn)功率約為4兆瓦（MW），主推進(jìn)器的功率約為2兆瓦（不同船舶的差異較大）；

●豪華郵輪推進(jìn)器的額定功率可能為7.5兆瓦至15兆瓦；

●亞馬爾項(xiàng)目LNG運(yùn)輸船安裝了3臺(tái)額定功率為15兆瓦的推進(jìn)器 ；

●英國海軍45型驅(qū)逐艦和“伊麗莎白女王”號(hào)航母均使用額定功率為20兆瓦的推進(jìn)裝置（前者配備2臺(tái)，后者配備4臺(tái)）;

●“朱姆沃爾特”級(jí)驅(qū)逐艦的設(shè)計(jì)推進(jìn)功率為70兆瓦，共由兩臺(tái)單機(jī)功率為34.6兆瓦的電動(dòng)機(jī)提供。

上述案例有助于評估RDP的潛在使用規(guī)模，及其取代現(xiàn)有電力推進(jìn)系統(tǒng)的前景。

RDP工作原理

盡管電力推進(jìn)技術(shù)可以說已相當(dāng)成熟，但其在可控性、效率和可靠性等方面還存在改進(jìn)空間。正因如此，RDP成了海事業(yè)當(dāng)前正積極研究的新興技術(shù)之一。

RDP可被視為一種無槳轂的螺旋槳。如圖1所示，在RDP中，電動(dòng)機(jī)的定子被集成在導(dǎo)管內(nèi)，轉(zhuǎn)子則圍繞螺旋槳葉形成環(huán)形。

從技術(shù)層面上來看，任何類型的電動(dòng)機(jī)（如直流電機(jī)或感應(yīng)電機(jī)）都可用作RDP的電動(dòng)機(jī)。然而，由于永磁電機(jī)能夠提供更大的功率密度和效率，所以通常被優(yōu)先選用，且永磁電機(jī)的商業(yè)供應(yīng)不存在任何問題。圖2為一個(gè)采用永磁電機(jī)的RDP剖面圖。

與傳統(tǒng)的電力推進(jìn)系統(tǒng)相比，RDP有許多潛在優(yōu)點(diǎn)。這種推進(jìn)器可通過使用高扭矩、低轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)，使因螺旋槳轉(zhuǎn)速變化而導(dǎo)致的噪聲減小。（需要注意的是，船舶的噪聲源較多，產(chǎn)生噪聲的情況復(fù)雜） 此外，由于螺旋槳不再與軸系連接，因此重量變輕，可更快地改變轉(zhuǎn)速。當(dāng)然，其效果取決于推進(jìn)器的大小，越小效果越明顯。在某些設(shè)計(jì)方案中，RDP可被周圍的水流冷卻，而無需單獨(dú)的冷卻系統(tǒng)。（不過，對于一些大功率系統(tǒng)來說，情況可能并非如此。）

除上述優(yōu)點(diǎn)外，RDP還有助于優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)。由于無需傳動(dòng)軸，一些設(shè)備單元（如主推進(jìn)、 次推進(jìn)、動(dòng)力定位及懸?？刂频认到y(tǒng)）的布置更為靈活，從而可提高船舶的整體性能。

另一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域是RDP對船舶水動(dòng)力性能的影響。根據(jù)一項(xiàng)基于豪華郵輪模型的研究，RDP使船舶的水動(dòng)力性能提高了約7%。這一數(shù)字與羅爾斯·羅伊斯公司（Rolls-Royce）公布的其RDP產(chǎn)品的性能指標(biāo)接近。這表明，這種推進(jìn)器可降低船舶推進(jìn)的能耗，進(jìn)而減少船舶的總發(fā)電量，使燃料用量相應(yīng)減少，從而節(jié)省了成本和空間。這意味著，船舶能夠通過使用RDP系統(tǒng)而減小尺寸或增加有效載荷。此外，與傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)相比，在功率相同的情況下，RDP系統(tǒng)可使船舶擁有更快的操控速度。

RDP的應(yīng)用

作為一種COTS（Commercialoff-the-shelf）技術(shù)，RDP已實(shí)現(xiàn)商用化，主要被用作船舶的艏/艉推進(jìn)器，以及方位推進(jìn)系統(tǒng)、可伸縮推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)裝置。安裝了該系統(tǒng)的船型有游艇、渡船、拖船、近海支援船、科研船和豪華郵輪。據(jù)估算，目前裝船使用的RDP有100—200個(gè)，其中大部分的額定功率低于0.5兆瓦。

可以說，RDP目前已有了一定的市場占有率。在一個(gè)實(shí)船科研項(xiàng)目中，研究人員對一艘科研船上兩臺(tái)功率為500千瓦的RDP進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的與軸系連接的螺旋槳相比，RDP在能耗、振動(dòng)傳遞方面的表現(xiàn)都更優(yōu)異。未來，RDP將有望為電動(dòng)船提供極具吸引力的動(dòng)力方案。

此外，一些較大型的RDP也已面市，這將進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展。舉例來說，德國肖特爾（Schottel）公司及挪威Brunvoll公司都推出了功率最大達(dá)1兆瓦的RDP，而羅·羅及福伊特（Voith）則推出了功率1—3兆瓦的RDP。

未來的挑戰(zhàn)

英國海軍45型驅(qū)逐艦動(dòng)力系統(tǒng)布置圖

影響RDP推廣使用的一個(gè)關(guān)鍵因素是單個(gè)推進(jìn)器的功率較小。顯然，與大型商船或軍用艦船的推進(jìn)器相比，現(xiàn)有RDP的功率有著較大差距。雖然RDP在升級(jí)換代方面不存在根本性的技術(shù)問題，但根據(jù)Frazer-Nash公司的研究，這種推進(jìn)器還需要大量的設(shè)計(jì)變更，如軸承及冷卻等，才能在大型商船上使用。而設(shè)計(jì)上的改變也會(huì)導(dǎo)致大量的制造及試驗(yàn)成本。據(jù)了解，為了提高RDP的功率，有的研究人員甚至嘗試使用超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)。

為RDP提供動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)也可能存在設(shè)計(jì)方面的問題。這類電動(dòng)機(jī)通常設(shè)計(jì)有大量的繞組和磁體，以盡可能減小體積并優(yōu)化效率。這意味著，盡管RDP的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速很低，但其頻率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同等功率的典型工業(yè)電動(dòng)機(jī)：后者的頻率通常為60赫茲（Hz）左右，而RDP為100—300赫茲。此外，較高的頻率還會(huì)導(dǎo)致散熱問題。

除上述問題外，從流體動(dòng)力學(xué)和船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來看，在大型船舶上使用RDP還面臨一些挑戰(zhàn)，如其體積較大且所受阻力較大，會(huì)導(dǎo)致循環(huán)載荷過大。目前，波浪對吊艙式推進(jìn)器的影響較大，預(yù)計(jì)其對RDP的影響會(huì)更大。為盡可能弱化風(fēng)浪的影響，RDP就需要一個(gè)或多個(gè)連接點(diǎn)，而這會(huì)降低其在方位推進(jìn)方面的性能。此外，由于單一推進(jìn)器會(huì)有損壞風(fēng)險(xiǎn)，所以單個(gè)RDP并不適用。

不僅如此，由于單個(gè)RDP難以提供足夠的動(dòng)力，大型商船往往需要安裝多個(gè)推進(jìn)器。為此，可以采用對轉(zhuǎn)的形式——由于RDP可以靈活布置，因此這很容易實(shí)現(xiàn)——從而減少能量損失，提高能效。

綜上所述，大功率RDP的生產(chǎn)、使用是可實(shí)現(xiàn)的，但這需要大量的研發(fā)工作以推動(dòng)技術(shù)升級(jí)。因此，RDP或許還需較長一段時(shí)間，才能對大型船舶的傳統(tǒng)推進(jìn)器形成挑戰(zhàn)。★