臧 嚴(yán)/海軍駐大連四二六廠軍事代表室

張曉曼/大連船舶重工集團(tuán)有限公司

艦船電力推進(jìn)技術(shù)在提高艦船戰(zhàn)斗力、提高艦船生命力、降低艦船全壽命期費用等方面發(fā)揮著重要作用。

GE燃?xì)廨啓C

眾所周知，艦船動力裝置是艦船最重要的系統(tǒng)之一，到目前為止，艦船動力推進(jìn)裝置主要有核動力推進(jìn)、蒸汽動力推進(jìn)、燃?xì)鈩恿ν七M(jìn)、柴油動力推進(jìn)、綜合電力推進(jìn)，有些艦船還把不同種類的動力推進(jìn)方式組合起來，形成聯(lián)合動力。近年來，電力推進(jìn)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并在英國23型護(hù)衛(wèi)艦、美國DDG1000新型驅(qū)逐艦上得到應(yīng)用。艦船電力推進(jìn)技術(shù)分為直流推進(jìn)和交流推進(jìn)兩大類。20世紀(jì)70年代以前的艦船電力推進(jìn)主要采用直流電力推進(jìn)技術(shù)。直流電動機具有轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍寬廣、調(diào)速平滑，過載啟動和制動轉(zhuǎn)矩大，逆轉(zhuǎn)運行特性好等特點。隨著現(xiàn)代控制理論的數(shù)字控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)在性能上已不相上下。目前，交流電力推進(jìn)系統(tǒng)已逐漸成為艦船電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的主流。

隨著艦船電力推進(jìn)技術(shù)的日趨成熟，在軍用艦艇方面，常規(guī)潛艇已經(jīng)實現(xiàn)了以直流為主的全電力推進(jìn)；在水面艦船上，交流電力推進(jìn)技術(shù)也得到了快速發(fā)展。

電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展歷程

艦船采用電力推進(jìn)技術(shù)的歷史較為悠久，其發(fā)展經(jīng)歷了從機械直接傳動到電力推進(jìn)和綜合全電力推進(jìn)的過程。隨著大功率電子技術(shù)、永磁電機、超導(dǎo)技術(shù)、燃料電池等相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步，電力推進(jìn)的優(yōu)點和長處得到進(jìn)一步發(fā)揮。目前，艦船電力推進(jìn)技術(shù)正朝著綜合電力推進(jìn)方向延伸和拓展，艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)（又稱艦船全電力推進(jìn)系統(tǒng)）是指由共同的發(fā)電機組產(chǎn)生大功率的電力，同時滿足艦用所有負(fù)荷，包括推進(jìn)系統(tǒng)、日用負(fù)載、傳感系統(tǒng)以及艦載武器需要的一種全電力系統(tǒng)。這種全新的設(shè)計方案可以大大降低振動和噪聲、提高艦艇的戰(zhàn)斗力、生命力、降低費用，是海軍高新技術(shù)裝備發(fā)展的重要方向之一。

艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的種類

艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)主要由原動機、發(fā)電機及其主推進(jìn)電力系統(tǒng)、推進(jìn)器裝置和變速控制裝置四部分組成。目前世界上有三種主流電力推進(jìn)系統(tǒng)，分別是軸系推進(jìn)系統(tǒng)、全方位推進(jìn)系統(tǒng)和吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)。其中，吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)除了具有噪聲低和振動小等特點外，還可有效提高艦船的機動性，顯著降低艦船燃料費用，并能夠?qū)⑴灤耐七M(jìn)效率提高近10%。因此，目前絕大部分新造的豪華郵船采用的是吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)。

軸系推進(jìn)系統(tǒng)

在帶軸系螺旋槳的柴油電力推進(jìn)系統(tǒng)中，螺旋槳通常由變速電動機驅(qū)動。變速電動機與螺旋槳軸的連接方式通常有兩種方式：

（1）直接連接方式，能夠使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單、更牢固、更耐用；

（2）通過齒輪裝置將電動機與螺旋槳軸相連接方式，有助于提高電動機的轉(zhuǎn)速，同時使電動機的結(jié)構(gòu)更加緊湊，但會導(dǎo)致電動機的機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并增加整個電力推進(jìn)系統(tǒng)的機械功率損失。

軸系推進(jìn)系統(tǒng)通常配備在以下三類艦船上：

（1）艦船所需要的推進(jìn)功率比較大，超出了全方位推進(jìn)系統(tǒng)能提供的功率范圍；

（2）艦船不需要進(jìn)行控制操作和機動操作，因而無須橫向推力；

（3）艦船需要橫向推力，但通過使用導(dǎo)管推進(jìn)器等更經(jīng)濟(jì)的方法來獲得橫向推力。

采用軸系電力推進(jìn)系統(tǒng)常見的船型包括穿梭油船、科學(xué)考察船、拋錨船和電纜敷設(shè)船等。

全方位推進(jìn)系統(tǒng)

全方位推進(jìn)系統(tǒng)可以自由轉(zhuǎn)動，能產(chǎn)生任何方向的推力。其推力既可以通過定速CPP螺旋槳或變速FPP螺旋槳控制，也可以在特殊情況下通過速度和螺距聯(lián)合控制。與定速CPP螺旋槳相比，變速FPP螺旋槳的水下機械結(jié)構(gòu)更加簡單，其推力損失也更小。

全方位推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部的電動機通常有兩類：在對推進(jìn)器內(nèi)部高度有嚴(yán)格限制的艦船上，電動機通常是臥式的，采用Z型齒輪傳動；在推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部高度允許的情況下，采用立式電動機和L型齒輪傳動，使整個結(jié)構(gòu)更加簡單，功率損耗更小。

由于全方位推進(jìn)系統(tǒng)大多是按照單向推力的思路進(jìn)行設(shè)計的，因而一般無法反向轉(zhuǎn)動產(chǎn)生推力。如果全方位推進(jìn)系統(tǒng)在一定程度上具有產(chǎn)生反向推力的能力，那么就可以在不轉(zhuǎn)動該推進(jìn)系統(tǒng)的情況下維持動態(tài)推力。

吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)

這種系統(tǒng)可以自由轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生任何方向的推力。與全方位推進(jìn)系統(tǒng)不同的是，吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)將電動機與螺旋槳直接集成在一個封閉的吊艙裝置中，定距螺旋槳則直接安裝在電動機軸上。由于不需要使用機械式齒輪傳動裝置，其傳動效率要比全方位推進(jìn)系統(tǒng)高一些。此外，由于螺旋槳的螺距是固定的，其機械結(jié)構(gòu)也相對簡單。吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)既可以設(shè)計成推式也可以設(shè)計成拉式，這是非常突出的優(yōu)點。拉式吊艙的螺旋槳能夠產(chǎn)生均勻的伴流區(qū)，提高螺旋槳的流體動力效率并減少空泡現(xiàn)象，從而降低系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲和振動。

吊艙式推進(jìn)裝置具有如下優(yōu)點：

●省去了舵、軸系、托架、軸轂、尾側(cè)推等裝置；

●明顯減小阻力，提高效率，節(jié)省功率 ；

●不需要外加冷卻系統(tǒng) ；

●節(jié)省船上的空間；

●無軸系，不需要軸系對中，安裝方便，甚至可以在下水后安裝；

●操縱性好，尤其在低速時，仍有良好的操縱性；

●降噪、減振、改善舒適性。

吊艙式推進(jìn)裝置的缺點如下：

●要求柴—電混合布置，采用電力推進(jìn)會有電力損耗，與柴油機直接推進(jìn)相比，電力損耗為5%—8%；

●盡管維護(hù)要求低，但發(fā)生故障需要大修時往往很困難。

●電動機的轉(zhuǎn)矩受到限制，故要求較高的轉(zhuǎn)速，有些情況下不能實現(xiàn)最優(yōu)螺旋槳效率，單個螺旋槳存在功率限制（一般不大于30兆瓦）。

艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成

電力推進(jìn)系統(tǒng)的三大分系統(tǒng)分別是：原動機、電能分配和存儲系統(tǒng)以及推進(jìn)組件。艦艇電力推進(jìn)系統(tǒng)一般由原動機、發(fā)電機、電動機、推進(jìn)器以及相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)設(shè)備組成。

原動機可以采用柴油機、汽輪機、燃?xì)廨啓C、原子能反應(yīng)堆和燃料電池等。電力推進(jìn)船用柴油機目前一般采用高速或中速柴油機；大功率時多采用汽輪機或燃?xì)廨啓C；在破冰船、核潛艇以及遠(yuǎn)洋船等特殊艦船上采用原子能反應(yīng)堆裝置，可以不需要燃料儲備而航行很長時間。另外，工作可靠、無噪聲的燃料電池也在電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展前景。發(fā)電機主要有電勵磁同步發(fā)電機、永磁發(fā)電機、異步發(fā)電機和超導(dǎo)發(fā)電機四種形式。推進(jìn)電動機按照電動機類型，有直流推進(jìn)電動機、交流推進(jìn)電動機、永磁推進(jìn)電動機和超導(dǎo)推進(jìn)電動機。目前，在水面艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)中，交流推進(jìn)電動機和永磁推進(jìn)電動機都在應(yīng)用，而在潛艇電力推進(jìn)中，直流推進(jìn)電動機占主導(dǎo)地位。推進(jìn)器的種類有常規(guī)的螺旋槳推進(jìn)、噴水推進(jìn)器、Z型推進(jìn)器、吊艙和直翼式推進(jìn)器等。

隨著綜合電力系統(tǒng)概念在艦船上的引入，艦船電力推進(jìn)逐漸向全電力推進(jìn)邁進(jìn)，艦船上的電力網(wǎng)絡(luò)將發(fā)電、日常用電、推進(jìn)供電、高能武器發(fā)射供電、大功率探測供電綜合為一體，是一個綜合性的電力系統(tǒng)。主要由發(fā)電模塊與技術(shù)、供配電網(wǎng)絡(luò)及保護(hù)模塊與技術(shù)、變配電模塊與技術(shù)、推進(jìn)模塊與技術(shù)、儲能及能量管理模塊與技術(shù)、全系統(tǒng)集成技術(shù)等“五大模塊，六大技術(shù)”組成。

羅·羅Promas舵槳一體化系統(tǒng)

發(fā)電模塊由原動機和發(fā)電機組成，用于產(chǎn)生電能；供配電網(wǎng)絡(luò)及保護(hù)模塊由電纜、匯流排、斷路器和保護(hù)裝置等組成，用于傳輸電能和自動識別、排除電網(wǎng)故障；變、配電模塊用于將電能分配至艦船的各個用電設(shè)備，并根據(jù)用電設(shè)備的不同電能需求實現(xiàn)電制、電壓和頻率的變換；推進(jìn)模塊由推進(jìn)電動機和變頻調(diào)速器組成，推進(jìn)電動機將輸入電能轉(zhuǎn)化為機械能，推動艦船航行，變頻調(diào)速器為推進(jìn)電動機輸入電能并控制其轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)艦船航速；電能存儲模塊用于在故障狀態(tài)下為重要負(fù)載提供短時電能支撐，同時為高能武器發(fā)射提供瞬時大功率脈沖電能，緩沖其充電和發(fā)射期間對艦船電網(wǎng)的沖擊；能量管理模塊用于各功能模塊的監(jiān)測、控制和綜合管理，協(xié)調(diào)各模塊的工作狀態(tài)，滿足艦船在不同工況下各類負(fù)載的用電需求。

艦船電力推進(jìn)的應(yīng)用

艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)分為三種應(yīng)用方式：第一種為普通的電燃或電柴聯(lián)合推進(jìn)方案，典型的例子為英國海軍的23型護(hù)衛(wèi)艦，該艦配備了柴-燃-電聯(lián)合動力裝置（CODLAG），艦上配備了一臺巡航用的小功率推進(jìn)電動機，供艦艇在執(zhí)行聲納搜索需要低速續(xù)航時使用，平時高速巡航時仍然采用燃?xì)廨啓C直接驅(qū)動螺旋槳；第二種為美國海軍采用的綜合電力系統(tǒng)（IPS）方案，燃?xì)廨啓C（或者柴油機）驅(qū)動發(fā)電機組發(fā)電，發(fā)電機組發(fā)出的電力進(jìn)入配電網(wǎng)絡(luò)，然后配電網(wǎng)絡(luò)將電能分配給驅(qū)動電動機和戰(zhàn)斗系統(tǒng)等子系統(tǒng)，但艦艇上還有機械輔助設(shè)備；第三種為真正意義上的全電推進(jìn)系統(tǒng)（AES），由荷蘭海軍于2001年提出，是比IPS更為面向未來的系統(tǒng)，即除推進(jìn)系統(tǒng)外，艦艇上所有的閥門、絞盤以及方向舵等目前采用液壓系統(tǒng)或者壓縮空氣系統(tǒng)控制的機械設(shè)施也將采用電驅(qū)動，成為真正意義上的全電力戰(zhàn)艦?！?/p>