“中国心脏”舰艇电力推进,他能帮中国赢得未来海战

点击数:1319 发布时间:2016年5月3日 来源:互联网

  导读:中国船舶重工集团公司第712研究所在船舶综合电力推进系统的自主创新上取得了重大进展,该所研制出了以变频器、推进电机、推进变压器、功率管理系统、操纵控制系统为核心的推进系统,实现了单轴推进功率20兆瓦以下船舶电力推进系统的全部国产化。这意味着未来中国海军舰艇有望装备国产电力推进系统,拥有真正的“中国心脏”。
  目前世界上大多数军用及民用船舶的主要推进系统是采用机械方式的推进系统,机械式推进系统的原理是高速旋转的原动机(柴油机、燃气轮机和蒸汽轮机等)通过齿轮减速机构将原动机输出的高速动力降速后驱动螺旋桨以低速旋转推进舰船运动。使用机械式推进系统的舰船至少需要配置两套原动机,一套用于推进,另一套用于发电。在采用机械式推进系统的舰船上,推进用原动机的功率占全船总功率的四分之三以上,而且只能提供给舰船推进使用,不能为其它需要提供能量,故此在大型军用舰艇和一些特种民用船舶上,往往设置数个发电机组来满足舰船电力负荷的需要。
 

  
  资料图:法国“西北风”级两栖攻击舰也采用了电力推进。
  在电力推进的舰船上,发电机将高速原动机的旋转机械能量转换为电能,通过电力传输线将电能传递到舰船后部的推进电机,驱动推进电机工作,推进电机与螺旋桨直接连接,从而将电能转换为螺旋桨旋转的机械能来推进舰船运动。舰船综合电力系统是从舰船电力推进系统的基础上发展而来,采用电力推进系统的舰船,可以用一套原动机和发电机组来产生电能,既用于舰船的推进,也用于其它设备对电力的需求,这种系统就称为综合电力系统。用独立的发电机组分别为推进系统和日用系统提供电能的系统称为电力推进系统和日用电力系统,这种提供电能的方式并非综合电力系统,只有电力推进系统和日用电力系统合为一体的才称之为综合电力系统。


  
  资料图:电力推进之英国海军45型驱逐舰
  综合电力系统有着诸多的优点。采用电力推进系统的舰船在总体布局上具有很大的灵活性,发电机组的布置比机械式推进系统更为方便,可以摒弃串联式布置方式而布置在舰船上其他合适的位置,节省了空间,简化了动力系统的结构,提高燃料和弹药的携带量。由于只需将推进电机布置在舰船艉部,还可以大大缩短舰船的轴系。由于安装综合电力系统的舰船可不再需要庞大的推进动力舱,一些武器如导弹垂直发射装置的布置可以更为方便和优化。综合电力系统采用模块化设计,可以形成标准化和系列化,针对不同种类的舰船,进行不同的模块搭配组合,这对于减少动力装置的型号具有很大的意义,并且在勤务保障方面也有着诸多的便利性。
  因为电力推进系统具有良好的调速特性,无需配置传统的减速齿轮箱,原动机部分与轴系没有刚性连接,发电机组安置在弹性基座上,通过电缆与推进电机联接,这样可以大大降低舰船的自身噪声,提高隐蔽性,这对于作战舰艇而言是至关重要的,可以提高舰艇反声导鱼雷的效率、降低潜艇的自噪声、增大反潜舰声呐的探测威力和探测距离;
  采用综合电力系统的舰船可根据舰船的航速变化、排水量变化、舰船上电力负荷的变化而任意调整发电机组的运行数量,保持高效率的运行,减少燃料的消耗,故此具有较好的经济性。现代舰船综合电力系统具有电力实时调节的功能,这对于装备如大功率探测装备、电磁弹射装置、电磁阻拦装置、激光武器等高能耗武器的舰船极其重要。综合电力系统可以在电力推进系统和高能设备之间进行快速切换,比如电磁弹射器在需要大量电能时,可以对电力推进系统的电能和其他系统的电能进行短暂限制,将电力推进系统的电能快速全部或部分转换给电磁弹射系统,当电磁弹射系统工作循环完毕后又快速将电能转换给电力推进系统。
 

  
  资料图:电力推进之中国海军912III型消磁船
  在舰船综合电力系统的发展过程中,先后出现过混合电力推进系统、综合电力推进系统、综合全电力推进系统、综合电力系统、全电力舰、电力战舰等多种形式和先进概念。“综合电力系统”是一个不断发展的技术领域并且成为各国海军在舰艇动力上的主流发展方向。舰船采用电力推进系统已有一百多年的历史,由于大功率机械减速装置当时在制造上存在一定的难度,故此,在相当长的一段时间内军用舰船和民用舰船都使用电力推进系统,这种状况一直延续至二十世纪四十年代。当时的电力推进系统由于技术水平不高,普遍存在效率低、成本高和体积庞大的缺点,故此随着大功率机械齿轮减速装置的日渐成熟,机械式推进系统逐步替代电力推进系统而成为各国在舰船动力上的主要选择。
  随着科技水平的发展和现代舰船对大功率电能需求的日益增加,综合电力系统舰船又被逐渐各国重视,现代交流电机及其调速技术的发展为舰船采用综合电力系统提供了支持。交流电机与直流电机相比,具有可靠性高、容量大、体积小和结构简单的特点。随着大功率、高频化、模块化、全控型电力电子器件的研制成功,高性能变频器得到了较快的发展。矢量控制、直接转矩控制等现代交流电机调速技术得到实际应用,交流电机获得了与直流电机同样优异的调速性能。舰船推进电机采用交流电机后,电力推进系统的优势得到充分的发挥。感应电机的研制成功将电力推进技术推上一个更高的台阶,感应电机是一种高功率密度异步电机,具有比同步电机更高的功率密度,比永磁电机更加成熟,更加适合军用舰船的需求,如英国45型驱逐舰就选用此种电机作为推进电机。舰船的推进电机通常分为五类,即直流电机、电励磁同步电机、感应电机、永磁电机和超导电机。其中感应电机、永磁电机、超导电机属于高功率密度推进电机。感应电机常用于水面舰船,而潜艇则更常使用的是永磁电机。超导电机由于具有比永磁电机更高的功率密度和更好的静音性能,以后取代永磁电机将会成为一种趋势。
  现代舰船综合电力系统核心技术主要有总体技术、供电技术、推进装置及其调速技术、电力电子变流技术。总体技术主要是指顶层设计中全系统特性预测与优化设计技术,系统匹配合理性、稳定性和可靠性指标等技术;供电技术主要有发电及配电系统的规划设计、储能和能量管理的技术、舰船区域配电技术;推进装置及其调速技术主要有高功率密度的低速大功率推进电机的设计和制造技术以及推进电机的调速技术等;舰船综合电力系统的电子变流技术主要指大功率推进变频驱动装置的设计制造技术。


  
  资料料图:电力推进之美国海军朱姆沃尔特级驱逐舰
  美国海军于1986年提出了“海上革命”计划,发展舰船综合全电力推动系统。1988年又启动了综合电力推动项目,意图通过将舰船电力推进系统和日用电力系统进行合并来提高作战舰艇的性能。1990年后,综合电力推动项目将注意力转移到提高舰船费效比上,在海军的舰船上发展和部署经济有效的电力系统以满足任务需求。通过设备的通用性、筒易性、标准化来实现未来舰艇的高性能与低成本,这就是舰船综合电力系统。舰船综合电力系统由发电系统、储能系统、变电系统、配电系统、推进电机、日用负载、电力管理这七种模块组成,通过各种模块的选用,满足舰艇的电力推进和辅助用电的要求。2002年,美国海军提出了“电力海上力量之路”计划,首先是在综合全电力推进的基础上,使用更先进的原动机和辅助机械实现广泛电气化的舰船战斗舰艇上应用综合电力系统实现“电力舰”。然后在“电力舰”的基础上实现“电力战舰”,“电力战舰”是应用高能武器和先进探测设备的作战舰艇。而最终目标就是“电力海上力量之路”,即电力战舰通过先进的方式为舰外无人装备如无人潜水器和无人飞机以及岸基装备如无人战车等提供电力支持,形成“电力海上力量”。英国海军在1996年也启动了综合全电力推进项目的研究,其成果在45型驱逐舰上得到应用。英国海军的“电力舰”和“电力战舰”发展模式与美国海军大致一样,英国还计划在海军新建的各级舰艇上采用电力推进系统,力图减少动力装置种类、降低舰船全寿命周期费用,简化勤务保障难度。
  中国海军早期设计的一些水面舰船上也采用过电力推进的方式,这主要应用于一些辅助舰船上,比如912III型大型消磁船。912III大型消磁船是专门用于为7000吨以下舰船临时线圈消磁、检测舰船磁场及消除舰船磁性的辅助舰船。消磁船在进行消磁作业时,需要大功率电能,为提高消磁发电机组及其控制设备的利用率,推进系统采用电力推进,当进行消磁系统作业时船不航行,全部电能供消磁系统使用,而船航行时消磁系统不作业,电能供推进电机和日用电系统使用。912III消磁船采用2台12VE230ZC-A型柴油机(单台额定功率1617千瓦)带动2台ZFH99/40型直流发电机,在作为推进时,单台额定功率1380千瓦,作为消磁时单台额定脉冲功率2100千瓦,2台发电机再驱动2台ZDH99/50型推进电动机,单台额定功率1250千瓦。由于912III型消磁船设计于上世界八十年代初期,限于当时的技术水平和设备先进程度,总体技术水平不高。我国在常规潜艇上使用电力推进系统则较早,通过采用中高速柴油机拖动12相交流整流型充电发电机给直流推动电动机供电的方式实现电力推进。在本世纪初期,中国启动了舰船综合电力系统新技术的研究工作并取得了较大的进展,这对于中国海军电力舰和电力战舰的发展起到了至关重要的作用,随着中国舰船综合电力系统的技术成果的不断创新并被逐步运用到海军舰船上,中国海军实现全电舰队展示自己的海上电力力量已经不再是梦想。
  
  今天,中国的前途命运已经日益紧密地同世界联系在一起,面对无时不在的挑战,我们不能被浮躁的世情所裹挟,而忽略了新安全环境提出的新使命与新要求。






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