淺談艦船綜合電力推進系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)

朱煒

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淺談艦船綜合電力推進系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)

朱煒

（海軍駐上海滬東中華造船（集團）有限公司軍事代表室，上海 200129）

本文詳細闡述了艦船綜合電力推進系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的內(nèi)涵和特點，主要分析了以美、英兩國海軍為代表的國外海軍綜合電力推進技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及其涉及到的推進電動機、變流器等關(guān)鍵技術(shù)，并提出了我國在發(fā)展綜合電力推進技術(shù)過程中存在且需解決的一些問題。

綜合電力推進 電力推進系統(tǒng) 推進電動機 變流器

0 引言

艦船電力推進已有了一百多年的歷史，傳統(tǒng)的電力推進是一種由原動機帶動發(fā)電機發(fā)電，經(jīng)變頻器供電給推進電動機，從而驅(qū)動螺旋槳的推進方式（如下圖1所示）。

20世紀80年代以來，隨著電力電子器件以及變頻調(diào)速等技術(shù)的迅速發(fā)展，綜合電力推進系統(tǒng)的概念應運而生了。艦船綜合電力推進系統(tǒng)（又稱綜合電力系統(tǒng)）是指將電力系統(tǒng)和推進系統(tǒng)有機結(jié)合起來，由共同的發(fā)電機組供電，實現(xiàn)能源綜合利用和統(tǒng)一管理，滿足所有負荷如推進系統(tǒng)、日用負載、通信導航負載以及艦載武器需要的一種全電力系統(tǒng)。艦船綜合電力推進系統(tǒng)由于其固有的優(yōu)勢已成為艦船動力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，同時也是海軍高新技術(shù)裝備發(fā)展的重要方向。

圖1 典型的電力推進示意圖

（a：原動機；b：發(fā)電機；c：變壓器；d：變頻器；e：電動機；f：推進器）

1 綜合電力推進系統(tǒng)

1.1 發(fā)展歷程

艦船電力推進的發(fā)展經(jīng)歷了從機械傳動到電力推進再到綜合電力推進的過程。

1838年，俄國科學家雅柯賓首次用直流電機和蓄電池，應用于1艘小船的動力試驗，形成“電力推進”的概念。1860年，世界上第一艘以蓄電池為動力，電動機直接驅(qū)動的電力推進潛水艇投入使用。1908年，美國建造的第一艘以直流電力推進作為主動力的消防船，開創(chuàng)了艦船電力推進技術(shù)應用的先河。進入20世紀，大部分潛水艇都采用電力推進方式，常規(guī)潛水艇在水面航行時由柴油發(fā)電機組給蓄電池充電，并向電動機供電驅(qū)動航行；在水下由蓄電池供電，電動機驅(qū)動航行；核潛艇則采用原子能發(fā)電，電動機驅(qū)動的推進方式。

蘭利號（CV-1）是美國海軍第一艘由運煤船改裝的往復蒸汽機交流電力推進航母，據(jù)統(tǒng)計，二戰(zhàn)期間僅美國就建造了300多艘柴油機-發(fā)電機-電動機驅(qū)動模式的戰(zhàn)艦和軍輔船；戰(zhàn)后，電力推進因受裝置本身大而笨重、效率低、成本高及其他技術(shù)條件的限制，未能得到廣泛應用。

上世紀80 年代以來，艦船綜合電力推進系統(tǒng)的應用情況發(fā)生了根本性變化。一方面是各國對軍艦的作戰(zhàn)能力、舒適性和操縱性等的要求進一步提高，另一方面，隨著電力電子器件、交流電機、變頻設備及其控制技術(shù)的快速發(fā)展，兆瓦級以上的各種交流電機調(diào)速變換器已獲得成功應用。成本也大大減低，滿足各種需求的綜合電力推進系統(tǒng)成為越來越經(jīng)濟的一種選擇，也成為一種必然的發(fā)展趨勢。

進入90年代后，美國提出并開始了新型艦船綜合電力系統(tǒng)（IPS）的研發(fā)，英法兩國提出并開始了綜合全電力推進（IFEP）的計劃，同期荷蘭也提出了全電力船（AES）的概念。

1.2 相關(guān)概念

艦船綜合電力推進技術(shù)是在傳統(tǒng)機械式直接推進的基礎上一步步發(fā)展起來的，這項技術(shù)的出現(xiàn)，使得未來軍用艦船的發(fā)展將出現(xiàn)“革命性”的變化，由此也衍生出許多不同的概念[1]。

綜合全電力推進（Integrated Full Electric Propulsion，IFEP）：該概念由英、法海軍提出，主要強調(diào)艦船推進和日用負載由同一發(fā)電系統(tǒng)供電。

綜合電力系統(tǒng)（Integrated Power System，IPS）：該概念由美國海軍提出，主要強調(diào)由同一電源向推進系統(tǒng)及全船所有其他電力負載供電，不必再配置單獨的發(fā)電設備。

全電力艦（All Electric Ship，AES）：該概念由荷蘭等北約國家海軍提出，主要強調(diào)除了推進用電和日常用電外，充分使所有非電動的輔助機械以及武器裝備全部實現(xiàn)電氣化。

電力戰(zhàn)艦（Electric Warship）：強調(diào)在電力艦船的基礎上，采用大功率探測設備、激光及電磁炮等高能武器。

從上述概念中不難發(fā)現(xiàn)，其基本內(nèi)涵都是在強調(diào)“統(tǒng)一供電”的同時，綜合考慮系統(tǒng)集成、全壽命周期成本、標準化等問題，現(xiàn)階段僅能實現(xiàn)“推進和日用負載由同一發(fā)電系統(tǒng)供電”和“變頻調(diào)速電力推進，距離實現(xiàn)“全電力艦船”還有一段時間，因此目前在概念上把這種技術(shù)統(tǒng)稱為“綜合電力推進”也是較為合適的。

1.3 系統(tǒng)組成及研究意義

綜合電力推進系統(tǒng)主要包括發(fā)電模塊、區(qū)域配電模塊、電力變換模塊、能量管理模塊以及推進等模塊，每個模塊都是高度集成的完整系統(tǒng)，其典型結(jié)構(gòu)可用下圖2描述：

圖2 綜合電力推進系統(tǒng)示意圖（Gi為發(fā)電機）

開展綜合電力推進系統(tǒng)的研究的意義主要有：有利于優(yōu)化艦船總體設計；有利于簡化艦船動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；有利于提高艦船的隱蔽性；為未來使用艦載高能武器系統(tǒng)提供電力保障；對未來艦船作戰(zhàn)方式產(chǎn)生重大影響。

1.4 綜合電力推進的優(yōu)勢

與機械推進方式相比，綜合電力推進系統(tǒng)的優(yōu)勢主要有：

1）經(jīng)濟性好

自動化程度得以提高；布置的靈活性使得艦船的結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化，也改善了艦船的生產(chǎn)效率，有利于模塊塊制造，降低了生產(chǎn)費用；航行時，只讓保持最小數(shù)量的原動機運行，減少了原動機的總運行時間，節(jié)省了維護費用和燃油總消耗。

2）提高了艦船的戰(zhàn)斗力

由于減少了原動機數(shù)量，特別是取消了大型傳動軸承和齒輪箱的使用，可騰出有效空間以裝載更多貨物或武器；能為未來的激光、電磁等高能武器提供足夠的電力；提升了艦船的操縱性，推進器由電機控制，能在全速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，比起機械傳動能大大提高對指令的響應速度；續(xù)航力得到提升，不僅降低了耗油量，同時節(jié)省的重量可裝載更多的燃油；突破了將發(fā)動機、推進器、傳動軸系布置在一條直線上的傳統(tǒng)設計模式，用電纜完全取代機械連接，原動機可以布置在任何地方，使全艦系統(tǒng)和設備布置更加靈活，可降低艦船排水量；

3）增強了艦船的生命力

降低了噪聲，提高了隱蔽性，由于原動機可以布置在水線以上，從而可以降低水下輻射噪聲，且由于取消了傳動軸和齒輪箱，也大大降低了振動噪聲；操作人員可選擇最合適的發(fā)動機組合形式，確保每臺發(fā)動機都以最佳效率工作，避免了發(fā)動機的低負載運行；由于集中供電，且從發(fā)電機組到推進電機等各個環(huán)節(jié)都有一定的冗余，某臺柴油機故障不會影響推進器的工作，從而因此航速和續(xù)航力的明顯降低。通過合理布局和控制分配等保護保護手段，使得系統(tǒng)具有很強的抗故障能力，提高了艦船的生命力。

2 國內(nèi)外綜合電力推進技術(shù)發(fā)展狀況

2.1 國內(nèi)綜合電力推進技術(shù)發(fā)展狀況

綜合電力推進系統(tǒng)由于前期投資較高，在民用運輸船市場應用較少，但進入21世紀以來我國民船電力推進技術(shù)的發(fā)展還是在工程船和公務船市場取得了長足進步。2002年廣船國際為COSCO建造的18000t級半潛船“泰安口”是我國第一艘自行建造的海洋工程大型特種船舶，采用了兩套SSP吊艙電力推進系統(tǒng)；2005年江南造船建造的“海監(jiān)83”是我國自行設計的采用緊湊型吊艙裝置的全電力推進系統(tǒng)的船舶，隨后2006年投入試運行的煙大火車輪渡也采用電力推進方式的船舶，同年10月，天津新港造船廠建造的我國首艘采用全電力推進系統(tǒng)的火車滾裝船“中鐵渤海1號”順利交工。近幾年708所設計的半潛重載船、起重船、物探船多采用全電力推進系統(tǒng)，如“華海龍”、“海油278”、“海油720”等。但由于國內(nèi)船用設備的研發(fā)能力不足，民船電力推進系統(tǒng)絕大多數(shù)都是由國外系統(tǒng)集成設計，綜合電力推進技術(shù)的發(fā)展仍處于一種被動跟進狀態(tài)?？上驳氖俏覈炒髮W的綜合電力推進系統(tǒng)以通過樣機試驗，初步具有裝船能力。

2.2 國外綜合電力推進技術(shù)發(fā)展狀況

美國海軍于1986年提出了“海上革命”計劃；并于1988年啟動了綜合電力推動（IED）項目；1990年后，美國海軍在IED的基礎上提出了綜合電力系統(tǒng)（IPS）的概念，明確提出其研究工作主要集中在發(fā)電、電力儲存和推進技術(shù)等方面，圖3給出了中壓直流電力系統(tǒng)概念圖，其研究發(fā)展成果集中體現(xiàn)在以DDG-1000型驅(qū)逐艦為代表的艦船上。2007年，美國又提出了“新一代綜合電力系統(tǒng)（NGIPS）”發(fā)展路線，為所有海軍艦船提供一個結(jié)構(gòu)簡單、性能出眾的電力系統(tǒng)，具體設計目標主要有：為高能武器系統(tǒng)提供電力保障；減少原動機數(shù)量；提高原動機的效率；提高推進器效率；提供系統(tǒng)總體布置的靈活性，提高艦船生命力；提高艦船的可生產(chǎn)性；提高艦船電力系統(tǒng)的供電品質(zhì)（Quality of Service）。

英國國防部于1994年正式開始IFEP系統(tǒng)的應用研究，1996年成立了電船計劃管理局，負責協(xié)調(diào)發(fā)展和采購未來海軍水面艦船的綜合電力推進系統(tǒng)。英國的發(fā)展戰(zhàn)略是堅持原動機全燃化，正在研制10~24MW的軸向磁通永磁電機，已在綜合電力推進系統(tǒng)研發(fā)、應用發(fā)明創(chuàng)造了四個第一：第一個在護衛(wèi)艦上采用部分電力推進；第一個在軍輔船上采用吊艙電力推進；第一個在試驗船上試驗綜合電力推進；第一個在現(xiàn)代驅(qū)逐艦上應用電力推進，其綜合電力推進的發(fā)展路線如下圖4所示。

此外，荷蘭、德國、法國、俄羅斯等國海軍也都積極參與IPS、IFEP計劃中或獨自研發(fā)了類似的電力推進系統(tǒng)，事實上，無論是美國海軍的IPS，還是英國海軍的IFEP，或是荷蘭海軍的AES，都是強調(diào)以“電能”作為艦船動力系統(tǒng)的主要能量形態(tài)，它們的名稱并不重要，關(guān)鍵在于其實質(zhì)性研究內(nèi)容如何能夠體現(xiàn)未來艦船在總體上發(fā)生的根本變化，而采用綜合電力推進系統(tǒng)則是未來艦船發(fā)展的核心。

圖3 美國海軍艦船中壓直流電力系統(tǒng)概念圖

圖4 英國綜合電力推進發(fā)展路線圖

2.3 國內(nèi)外的發(fā)展差距分析

發(fā)達國家的艦船綜合電力推進技術(shù)研究比我國早20多年，無論是在基礎理論還是在工程實踐中都積累了豐富的經(jīng)驗，差距主要表現(xiàn)在系統(tǒng)集成設計能力、關(guān)鍵產(chǎn)品設備存在代差以及試驗驗證能力嚴重缺乏等方面，其原因主要有：

1）高端專業(yè)技術(shù)人員的匱乏，基礎研究還得不到足夠的重視，上層也缺乏發(fā)展思路和規(guī)劃研究，造成技術(shù)的發(fā)展緩慢；

2）科研技術(shù)力量分散，成果無法應用到實船，形成整體和全局上的弱勢；

3）沒有統(tǒng)籌好基礎科研和相應的環(huán)境建設。

從作戰(zhàn)艦船宏觀發(fā)展進程上看，綜合電力推進技術(shù)的應用當前處于全面發(fā)展的階段，對應其工程化實現(xiàn)，我國需要大力解決的關(guān)鍵技術(shù)及設備主要有：

圖5 推進電機驅(qū)動裝置

1）系統(tǒng)集成設計技術(shù)

綜合電力推進系統(tǒng)的設計涉及到多個學科領(lǐng)域，是多種技術(shù)的綜合應用，艦船的作戰(zhàn)需求也對系統(tǒng)提供電能的要求不斷提高，高品質(zhì)和高功率密度是最關(guān)鍵的性能，因此需要對構(gòu)成系統(tǒng)的各個模塊及模塊之間的集成技術(shù)進行研究，以達到系統(tǒng)的最優(yōu)化設計。

2）系統(tǒng)主要設備及相關(guān)技術(shù)

未來電力艦船對電力的需求日益增大，研究以提高功率密度為目標的主要設備及技術(shù)也是必不可缺的，包括動力裝置，配電裝置，驅(qū)動裝置，控制裝置以及用于電磁探測、電磁武器和電磁彈射的大容量儲能裝置等。圖5、圖6、圖7分別給出了影響綜合電力推進系統(tǒng)發(fā)展的一些關(guān)鍵設備、技術(shù)分類。

3）供、配電和電能管理技術(shù)

優(yōu)質(zhì)的電能必須經(jīng)過網(wǎng)絡和監(jiān)控才能高效安全地利用，集成化供電、環(huán)形電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、區(qū)域配電思想和智能化的電能管理是實現(xiàn)這一目標的先進技術(shù)途徑。

4）艦船綜合電力推進系統(tǒng)適裝性技術(shù)

綜合電力推進系統(tǒng)也對艦船總體設計提出了新的要求，特別是中壓輸電技術(shù)、電磁兼容技術(shù)等艦船的適裝性問題，并提出了對艦船安全性、可靠性等的新的要求。

圖6 推進電機

圖7 功率半導體管器件

3 結(jié)語

綜合電力推進已成為21世紀艦艇提升戰(zhàn)斗力、操縱性、可靠性、維修性、保障性、安全性等問題的一個新的解決問題的方向，大力開展艦船綜合電力推進技術(shù)研究，是我國海軍發(fā)展戰(zhàn)略的迫切需求。為此必須充分發(fā)揮研究院（所）、院校等多方面力量，加快綜合電力推進關(guān)鍵技術(shù)（總體設計技術(shù)、系統(tǒng)控制與調(diào)速技術(shù)、大功率變頻技術(shù)、高壓大容量電力集成技術(shù)等）研究的步伐，通過必要的設備和技術(shù)引進，努力縮短與先進水平的差距，實現(xiàn)我國艦船的跨越式發(fā)展。

[1] 芮江, 由大偉. 艦船綜合電力推進技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].艦船科學技術(shù), 2010, 32(4): 3-6.

[2] Norbert H.Doerry. Next Generation Integrated Power Systems For The Future Fleet[J]. Naval Sea Systems Command, 2007: 1-22.

[3] 陳亞昕, 李亞旭. 艦船綜合電力系統(tǒng)發(fā)展研究[J]. 船電技術(shù), 2012, 01: 64-66.

[4] Jiang Rui, Dawei, You. The current situation of ship integrated electric propulsion technology and its development trend[J]. Marine science and technology, 2010, 32(4): 3-6.

[5] IL-Yop Chung, Wenxin Liu, Karl Schoder, David A.Cartes. Integration of a bi-directional DC-DC converter model into a real-time system simulation of a shipboard medium voltage DC system[J]. Electric Power Systems Research, 2011(81): 1051-1059.

Introduction to the Ship Integrated Electric Propulsion Systems and Related Technologies

Zhu Wei

（Navy Representatives Office in Hudong-Zhonghua Shipbuilding Co.Ltd, Shanghai 200129, China）

TM715

A

1003-4862（2014）12-0014-05

2014-10-20

朱煒（1979-），男，工程師。研究方向：船舶電氣。