用于電力推進(jìn)船舶的動(dòng)力裝置特性研究

摘要：介紹了電力推進(jìn)船舶的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)用于電力推進(jìn)船舶的動(dòng)力裝置及其相關(guān)特性進(jìn)行了闡述?？紤]到蓄電池及燃料電池自身的動(dòng)力性能、成熟度、可靠性及成本等因素，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶未來(lái)仍會(huì)以柴油機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等傳統(tǒng)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)與核動(dòng)力裝置作為動(dòng)力來(lái)源。

關(guān)鍵詞：電力推進(jìn);柴油機(jī);內(nèi)燃機(jī);汽輪機(jī);燃?xì)廨啓C(jī);核動(dòng)力

0? ? 引言

電力推進(jìn)船舶，主要指主推進(jìn)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的船舶[1]。許多大型船舶和救助船舶上也都使用電力推進(jìn)系統(tǒng)[2]，因此本文中所提到的電力推進(jìn)船舶，泛指使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器的船舶。

船舶電力推進(jìn)，通常是由動(dòng)力裝置帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后直接或由變流器為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)供電，再由推進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)推進(jìn)器旋轉(zhuǎn)，為船舶提供航行的動(dòng)力[3]。動(dòng)力裝置主要包括柴油機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和核動(dòng)力裝置等。

1? ? 用于電力推進(jìn)船舶的動(dòng)力裝置特性

民用船舶通常優(yōu)先使用內(nèi)燃機(jī)，這是因?yàn)樵谑褂昧畠r(jià)燃料時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的效率高于其他類型的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)[4]。柴油機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速是通過(guò)調(diào)節(jié)燃料供給量來(lái)改變的，且隨著進(jìn)氣量的增加而增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供給量可通過(guò)調(diào)節(jié)器自動(dòng)或手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。柴油機(jī)的扭矩在整個(gè)轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)幾乎是常數(shù)，因此很小的阻力矩變化就會(huì)引起顯著的轉(zhuǎn)速變化。柴油機(jī)的工作狀態(tài)確定了其額定功率和轉(zhuǎn)速。因此，在寒冷的環(huán)境條件下，柴油機(jī)有著較大的功率儲(chǔ)備，其比赤道附近的儲(chǔ)備量大得多。在赤道附近工作時(shí)，柴油機(jī)的冷卻條件相對(duì)較差，這時(shí)不允許柴油機(jī)在最大功率下工作，因?yàn)檫@樣會(huì)縮短其使用壽命并導(dǎo)致燃料消耗增加。因此，在此條件下不允許提高柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。推動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置是由船上的能源系統(tǒng)把機(jī)械功轉(zhuǎn)變?yōu)榇皠?dòng)能的水動(dòng)力推進(jìn)器及連接主機(jī)和推進(jìn)器的傳動(dòng)裝置組成。

海船和河船上的動(dòng)力源主要為熱力發(fā)動(dòng)機(jī)——柴油機(jī)、汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)，用這些機(jī)械把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。在核能動(dòng)力船上，則是把核能反應(yīng)堆中的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，這是借助于主機(jī)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的。能量由主機(jī)到船舶推進(jìn)器的傳遞過(guò)程，可以通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)方式、液氣傳動(dòng)方式或電氣傳動(dòng)方式進(jìn)行。用電氣傳動(dòng)方式把能量傳遞給推進(jìn)螺旋槳的裝置被稱為電力推進(jìn)裝置。

從推進(jìn)裝置的可靠性和經(jīng)濟(jì)性方面考慮，在大多數(shù)已投入營(yíng)運(yùn)的船舶和正在建造的船舶上，使用的是中低速柴油機(jī)。柴油機(jī)和螺旋槳推進(jìn)軸之間并非直接連接，而是通過(guò)推力軸承將推力傳遞給船體。

在大功率動(dòng)力裝置的船舶上，甚至在高速游艇上，汽輪機(jī)通過(guò)齒輪箱實(shí)現(xiàn)推進(jìn)軸的旋轉(zhuǎn)，這種系統(tǒng)被稱為汽輪機(jī)齒輪系統(tǒng)。這類動(dòng)力裝置的功率相對(duì)較高，足以滿足船舶的動(dòng)力需求。對(duì)于船舶而言，在功率相近的情況下，采用汽輪機(jī)動(dòng)力裝置的重量通常要比采用柴油機(jī)的更輕。目前，世界上多個(gè)國(guó)家正在建造核動(dòng)力船舶。核動(dòng)力裝置遠(yuǎn)比其他類型的船舶動(dòng)力裝置更為復(fù)雜，其具有高度自動(dòng)化的特征，同時(shí)對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)的要求更高，并且其效率和汽輪機(jī)裝置相差不大。由于核動(dòng)力裝置所需配備的燃料體積較小，因而可以大幅增加船舶的有效艙容，同時(shí)縮短燃料的補(bǔ)給時(shí)間。因此，核動(dòng)力裝置在大噸位破冰船和長(zhǎng)期在冰區(qū)航行的運(yùn)輸船上得以應(yīng)用。

2? ? 柴油機(jī)動(dòng)力裝置及其特性

柴油機(jī)通常會(huì)在最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下工作，即柴油機(jī)功率為額定值的80%。與電力推進(jìn)裝置相匹配的柴油機(jī)通常會(huì)使用全轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器允許柴油機(jī)在從額定轉(zhuǎn)速到最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的任何給定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。當(dāng)?shù)陀谧畹驮试S穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，柴油機(jī)就無(wú)法維持穩(wěn)定工作，并且會(huì)產(chǎn)生過(guò)高負(fù)載。如果柴油機(jī)軸上的阻力矩與柴油機(jī)所輸出的扭矩不匹配，而燃料供給量是固定的，這時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)偏離穩(wěn)態(tài)值。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化會(huì)破壞調(diào)節(jié)器中力的平衡，影響到調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)桿動(dòng)作，并會(huì)相應(yīng)增大或減小燃料供給量，導(dǎo)致柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速返回原有數(shù)值。當(dāng)阻力矩大于柴油機(jī)扭矩時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器又重新起作用，并開(kāi)始在外特性曲線上工作。為了保護(hù)柴油機(jī)，應(yīng)使其轉(zhuǎn)速不超過(guò)允許值，如果轉(zhuǎn)速超過(guò)額定值的20%，調(diào)節(jié)器應(yīng)相應(yīng)停止燃料供給。當(dāng)柴油機(jī)和螺旋槳不直接連接或通過(guò)機(jī)械變速器相連接時(shí)，柴油機(jī)的功率應(yīng)隨功率特性進(jìn)行調(diào)整。為了降低柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，應(yīng)改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。在浪中航行時(shí)，螺旋槳的阻力矩會(huì)在最大范圍內(nèi)作周期性變化，時(shí)常達(dá)到超負(fù)荷狀態(tài)。由于周期性很大，過(guò)載會(huì)縮短柴油機(jī)的使用壽命，因此在浪中航行時(shí)，通常把柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速降低到在此轉(zhuǎn)速下不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大負(fù)荷。此外，柴油機(jī)無(wú)法在滿負(fù)荷工況下工作，因?yàn)樵跐M負(fù)荷工況時(shí)，船舶航行速度也不會(huì)增加。當(dāng)船舶在大浪中和暴風(fēng)中航行時(shí)，應(yīng)降低船速，以減小波浪對(duì)船體的碰撞，并預(yù)防損壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。

如果船舶裝有可調(diào)距螺旋槳，那么在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)負(fù)載出現(xiàn)變化時(shí)，可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)槳葉來(lái)改善螺旋槳和柴油機(jī)的特性。柴油機(jī)主要用于如下各類船舶：客船、貨船、油船、拖船、破冰船、拖網(wǎng)漁船以及部分用于專門(mén)用途的船。當(dāng)船舶配備電力推進(jìn)裝置后，可使柴油機(jī)的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。近年來(lái)，為了減少重量和體積，船舶都趨向于用2～3臺(tái)柴油機(jī)帶動(dòng)同一個(gè)螺旋槳，它們之間可通過(guò)減速箱或離合器連接，也可相應(yīng)提高柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。但以減速箱為例，其不但降低了總傳動(dòng)效率，而且使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件惡化。柴油機(jī)減速裝置通常在駁船上和集裝箱船上使用。與裝有中速柴油機(jī)及減速裝置的船相比，低速柴油機(jī)所占的體積相對(duì)較大，可減少約20%的裝載容積。在上述船舶上，柴油機(jī)及變速機(jī)組有可能代替交流電力推進(jìn)裝置。

3? ? 汽輪機(jī)動(dòng)力裝置及其特性

汽輪機(jī)通常應(yīng)用于對(duì)功率需求較高的船舶上。船用汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，可達(dá)6 000 r/min及以上。汽輪機(jī)和推進(jìn)軸之間可通過(guò)一級(jí)或兩級(jí)齒輪減速器進(jìn)行連接，并由減速器傳遞功率和扭矩。為傳遞較大的功率和扭矩，減速齒輪的齒應(yīng)具有較高的強(qiáng)度，并采用高強(qiáng)度的材料制造，以承受汽輪機(jī)的負(fù)載，降低減速器的磨損。同時(shí)，為了減小磨擦和噪聲，減速器應(yīng)在潤(rùn)滑油中工作。

汽輪機(jī)可分為高、中、低壓汽輪機(jī)。通常在主汽輪機(jī)軸上會(huì)配備有倒車(chē)汽輪機(jī)，并且會(huì)產(chǎn)生附加損耗。汽輪機(jī)和減速器合稱為汽輪機(jī)齒輪機(jī)組，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高，還會(huì)產(chǎn)生一定的功率損耗以及噪聲和振動(dòng)。

隨著汽輪機(jī)功率的變化與齒輪機(jī)組轉(zhuǎn)速的調(diào)整，船速會(huì)相應(yīng)改變，此時(shí)所供給的蒸汽量和品質(zhì)也會(huì)相應(yīng)降低或提高。汽輪機(jī)通常不會(huì)在最大供汽量工況下工作，但是與柴油機(jī)相比，其在過(guò)載工況下的運(yùn)行時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。汽輪機(jī)正常工作狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的特性為調(diào)節(jié)特性，即在額定功率時(shí)不把調(diào)節(jié)閥全打開(kāi)。當(dāng)鍋爐壓力和蒸汽發(fā)電機(jī)的壓力偶然降低時(shí)，必須有一定的供汽量?jī)?chǔ)備，即功率儲(chǔ)備，這時(shí)能量的不足要由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器自動(dòng)增加蒸汽供給來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。由于有一定的功率儲(chǔ)備，當(dāng)系統(tǒng)過(guò)載時(shí)就不會(huì)使螺旋槳的轉(zhuǎn)速降低，也不會(huì)使汽輪機(jī)的功率受到限制。在船舶搖擺時(shí)，船舶可能會(huì)由于其他原因而降低速度。

汽輪發(fā)電機(jī)電力推進(jìn)通常使用交流電，因此能在較寬的范圍內(nèi)改變轉(zhuǎn)速，其可在從額定轉(zhuǎn)速到最低轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速的10%～20%）的區(qū)間內(nèi)變化。這一特點(diǎn)可以使其在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改變，這和轉(zhuǎn)速較為恒定的汽輪機(jī)有所不同。

4? ? 燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置及其特性

燃?xì)廨啓C(jī)可以分為幾種類型，不同機(jī)型之間的區(qū)別是：工作循環(huán)、壓縮機(jī)與汽輪機(jī)之間的連接方法、燃燒方式及燃料種類。與汽輪機(jī)和柴油機(jī)相比，燃?xì)廨啓C(jī)有一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在船舶上得以廣泛應(yīng)用。通過(guò)使用新型高溫合金，可相應(yīng)提高氣體的溫度和燃?xì)廨啓C(jī)的效率。通常而言，燃?xì)廨啓C(jī)的燃料消耗低于汽輪機(jī)，人工維修量同樣也相對(duì)較少。燃?xì)廨啓C(jī)的功率和轉(zhuǎn)速、溫度、供氣量及供氣壓力等參數(shù)密切相關(guān)。通過(guò)改變上述參數(shù)，就可以改變?nèi)細(xì)廨啓C(jī)的工作狀態(tài)。若增大燃?xì)廨啓C(jī)軸上的阻力矩，而不改變其他參數(shù)和燃?xì)夤┙o量，那么燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)大幅降低。

燃?xì)廨啓C(jī)效率最高的工況點(diǎn)僅對(duì)應(yīng)其功率曲線上的某一點(diǎn)。所以，改變螺旋槳的轉(zhuǎn)速或改變螺旋槳特性與航行條件的關(guān)系，會(huì)降低燃?xì)廨啓C(jī)的效率[5]。燃?xì)廨啓C(jī)不允許在過(guò)寬的范圍內(nèi)改變轉(zhuǎn)速，因?yàn)檫@與效率的急劇降低和控制過(guò)程的復(fù)雜性密切相關(guān)。因此，在船上，燃?xì)廨啓C(jī)與可調(diào)距螺旋槳、電力推進(jìn)裝置或液壓離合器相連。

5? ? 核動(dòng)力裝置及其特性

在船用核動(dòng)力裝置中，通過(guò)核反應(yīng)堆中的熱能將水加熱為水蒸氣，然后將其通入汽輪機(jī)，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。目前，現(xiàn)代核動(dòng)力裝置的效率依然較低，其制造和營(yíng)運(yùn)成本都明顯高于一般的船用動(dòng)力裝置。盡管如此，核動(dòng)力裝置依然在船舶上得到廣泛應(yīng)用，這是由于其有著無(wú)可爭(zhēng)議的優(yōu)點(diǎn)，即其核反應(yīng)堆的核能儲(chǔ)備較大，可使整個(gè)系統(tǒng)連續(xù)工作2～3年而無(wú)須補(bǔ)充核燃料。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝的完善，提高了船用核動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性和適用性。核動(dòng)力裝置可用于對(duì)功率需求較高且需要自動(dòng)化航行的船上，因此其在不遠(yuǎn)的未來(lái)會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

考慮到蓄電池及燃料電池等電力設(shè)備自身的可靠性、技術(shù)成熟度及成本等因素，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)仍會(huì)以傳統(tǒng)熱力發(fā)動(dòng)機(jī)及核動(dòng)力裝置作為主要?jiǎng)恿?lái)源。完善船舶動(dòng)力裝置的方向主要是增加單機(jī)容量，降低燃油消耗，以及推廣核動(dòng)力裝置的應(yīng)用領(lǐng)域等方面。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 伍賽特.船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)研究及展望[J].傳動(dòng)技術(shù)，2019，33（4）：24-29.

[2] 伍賽特.航空母艦綜合電力系統(tǒng)技術(shù)的研究綜述[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2020，35（3）：213-215.

[3] 伍賽特.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].機(jī)電信息，2019（15）：159-160.

[4] 伍賽特.內(nèi)河船舶用柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2020，33（6）：85-87.

[5] 伍賽特.船用燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置技術(shù)特點(diǎn)研究及發(fā)展趨勢(shì)展望[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2020，16（2）：26-28.

收稿日期：2021-01-08

作者簡(jiǎn)介：伍賽特（1990—），男，湖南邵陽(yáng)人，工學(xué)碩士，工程師，研究方向：內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置。