船舶電力推進(jìn)技術(shù)

第九章船舶吊艙式電力推進(jìn)

9.1船舶吊艙式電力推進(jìn)的基本原理9.1.1吊艙推進(jìn)器簡(jiǎn)介吊艙式推進(jìn)器的設(shè)計(jì)概念源自破冰船，由芬蘭KcaemcrMasa-Yard和ABB公司在1989率先提出，此后各國(guó)先后進(jìn)行了比較深入的研究，逐步形成了這種將電機(jī)置于槳轂中間直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)的方案。（1）ABB公司的Azipod推進(jìn)器（2）Mermaid推進(jìn)器（3）SSP推進(jìn)器（4）Dolphin推進(jìn)器9.1.2吊艙電力推進(jìn)系統(tǒng)傳統(tǒng)的柴油機(jī)—發(fā)電機(jī)組電力推進(jìn)系統(tǒng)一般包括柴油機(jī)、主發(fā)電機(jī)、高低壓配電盤、變壓器、變頻器、電動(dòng)機(jī)、螺旋槳、船用變壓器、諧波濾波器、控制系統(tǒng)等，仍采用傳統(tǒng)的推進(jìn)裝置，即電動(dòng)機(jī)通過傳動(dòng)軸系與螺旋槳相連。吊艙電力推進(jìn)則是將推進(jìn)電機(jī)置于船外的吊艙中，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的能量通過電纜傳輸，省去了舵和軸系。全船采用統(tǒng)一電站提供能量，進(jìn)行全船平衡，極大的提高了船舶設(shè)計(jì)的靈活性，減少了總裝機(jī)功率。9.1.2吊艙電力推進(jìn)系統(tǒng)9.1.3吊艙電力推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)（1）推進(jìn)電機(jī)技術(shù)（2）變頻調(diào)速技術(shù)（3）吊艙密封技術(shù)9.2船舶吊艙式電力推進(jìn)的性能和特點(diǎn)軸式推進(jìn)器與吊艙推進(jìn)器結(jié)構(gòu)形式對(duì)比吊艙推進(jìn)器優(yōu)點(diǎn)：（1）采用體積小、重量輕的中高速柴油發(fā)電機(jī)組有利于艙室布置。（2）根據(jù)不同負(fù)載的情況，燃料利用率得以提高。（3）重新設(shè)計(jì)的船尾結(jié)構(gòu)具有很好的水動(dòng)力特性。（4）推進(jìn)電機(jī)本身噪聲??；原動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行，結(jié)構(gòu)噪聲小。（5）吊艙單元可以360°轉(zhuǎn)動(dòng)，起到舵的作用，轉(zhuǎn)向更為靈活。（6）集成化、微型化、數(shù)字化。（7）可以省去冷卻系統(tǒng)或冷卻空氣管道和冷卻風(fēng)扇,從而節(jié)省空間。（8）提高了船舶的安全性，操作簡(jiǎn)便（9）對(duì)于雙槳船而言，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)推進(jìn)器相比，對(duì)動(dòng)力的需求有所降低

從軍事意義上來講，吊艙電力推進(jìn)還有以下特性：（1）對(duì)于雙槳船而言，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)推進(jìn)器相比，對(duì)動(dòng)力的需求有所降低。（2）艦艇的整體性能取決于其攻擊力和全船設(shè)備的兼容性。（3）艦艇的隱身性能也取決于其噪聲大小。

作為吊艙電力推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力核心的推進(jìn)電機(jī)一般采用同步電動(dòng)機(jī)（SSP推進(jìn)器系統(tǒng)采用永磁式同步電動(dòng)機(jī)），這是因?yàn)橥诫妱?dòng)機(jī)有以下特點(diǎn)：（1）電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電源的基波頻率之間保持著同步關(guān)系。（2）同步電動(dòng)機(jī)較異步電動(dòng)機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的承受能力，能出現(xiàn)較快的響應(yīng)。（3）從轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍來看，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有勵(lì)磁，即使在很低的頻率下也能運(yùn)行，調(diào)速范圍比較寬。（4）從節(jié)能方面和成本上考慮，同步電動(dòng)機(jī)也優(yōu)于異步電動(dòng)機(jī)。9.3吊艙式對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳（CRP）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理和特點(diǎn)在螺旋槳推進(jìn)軸線上的兩根同心軸上，一前一后布置有兩個(gè)螺旋槳，前后螺旋槳分別安裝在同一軸線上的內(nèi)外兩根軸上，后螺旋槳安裝在內(nèi)軸上，通過推力軸承和主機(jī)相連，類似于單螺旋槳系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；前螺旋槳?jiǎng)t是安裝在外軸上，通過反轉(zhuǎn)齒輪機(jī)構(gòu)使其轉(zhuǎn)動(dòng)方向和后螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，柴油主機(jī)的輸出功率按比例分配給前后螺旋槳。結(jié)構(gòu)原理如圖：

在對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)中，由于前后槳的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，使得尾流的旋轉(zhuǎn)損失減少，前螺旋槳產(chǎn)生大的未被有效利用的渦動(dòng)能量在后一螺旋槳上得到了利用，轉(zhuǎn)化為有效的推進(jìn)力，故而效率較普通螺旋槳為高。優(yōu)點(diǎn)有：負(fù)荷降低有利于避免空泡產(chǎn)生；對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的直徑減小，有利于解決船吃水淺的推進(jìn)問題；可改善船舶的橫向穩(wěn)定性和操縱性，使魚雷在航行中避免產(chǎn)生航向偏離等。其工作原理如圖：

ABB公司在推出吊艙電力推進(jìn)的基礎(chǔ)上，于2000年推出了吊艙式CRP系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理如圖所示。一般情況下，前螺旋槳由柴油主機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可以由電動(dòng)機(jī)或汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)；后面的吊艙式推進(jìn)器，還起著舵的作用。我們稱其為“主動(dòng)舵”，而傳統(tǒng)的舵則稱為“被動(dòng)舵”。

這種類型的CRP系統(tǒng)的特點(diǎn)有：（1）該系統(tǒng)是由兩套完全獨(dú)立、且經(jīng)過實(shí)船檢驗(yàn)，證明可靠性很高的推進(jìn)系統(tǒng)組成，船舶運(yùn)行的安全性和可靠性得到了保證。（2）船舶的推進(jìn)功率可以在幾乎不增加機(jī)艙空間的前提下，較大幅度的得以提高。（3）取消了舵機(jī)系統(tǒng)和尾側(cè)推器，總體上簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。（4）船舶的機(jī)動(dòng)性和靈活性得以提高。（5）船舶的推進(jìn)效率得以顯著提高。試驗(yàn)表明其推進(jìn)效率比雙機(jī)雙槳推進(jìn)的效率要高8~15%，與雙吊艙推進(jìn)器船相比，效率也提高5%。9.4機(jī)槳一體化推進(jìn)器（IMP）的結(jié)構(gòu)原理和特點(diǎn)在吊艙式電力推進(jìn)迅猛發(fā)展的帶動(dòng)下，90年代初，在國(guó)內(nèi)外又出現(xiàn)了另外一種新型的電力推進(jìn)裝置——電機(jī)推進(jìn)器一體化模塊，又稱電機(jī)推進(jìn)器綜合體(IntegratedMotorPropulsor)，簡(jiǎn)稱IMP。該IMP主要由圓柱形外罩、螺旋槳和電機(jī)組成，如圖9-14。圓柱形外罩有一個(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口；螺旋槳有一個(gè)螺旋槳轂，安裝在外罩的主軸上，可旋轉(zhuǎn)；電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳，它包括轉(zhuǎn)子、定子和一個(gè)軸承。這種設(shè)計(jì)具有空間利用率高、直接冷卻、功率大并且噪聲低等突出優(yōu)點(diǎn)。

Wes