【漲知識】艦船綜合電力系統核心體系
當前,中國海軍裝備進入第三次爆發期,正在加快建造航空母艦、大型驅逐艦、補給艦和登陸艦。歷史上中國海軍裝備曾有兩次爆發期,當前的第三次爆發期比前兩次都要大、持續時間都要長,估計至少持續10年!
自從人類進入機械時代以來,動力系統就成為一艘船舶最重要的組成部分,其性能直接關系到船舶能否實現整體的設計性能。對于軍艦來說,動力系統的重要性更加不言而喻。
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目前,用于大型水面艦艇的動力系統,按設備的類型來分,主要有蒸汽輪機、柴油機、燃氣輪機、大功率電動機等幾種;而直接帶動艦艇的推進器以推動艦艇前進的,主要還是前三種動力機械——電動機直接用于驅動推進器雖然有諸多優點,在今天卻還只是少數水面艦艇的選擇。
但展望未來,全電推進成為各大海軍強國在艦船動力領域的重點研究項目,目前世界上大多數軍用及民用船舶的主要推進系統是采用機械方式的推進系統,但是,在采用機械式推進系統的艦船上,推進用原動機的功率占全船總功率的四分之三以上,而且只能提供給艦船推進使用,不能為其它需要提供能量,故此在大型軍用艦艇和一些特種民用船舶上,往往設置數個發電機組來滿足艦船電力負荷的需要。
在電力推進的艦船上,發電機將高速原動機的旋轉機械能量轉換為電能,通過電力傳輸線將電能傳遞到艦船后部的推進電機,驅動推進電機工作,推進電機與螺旋槳直接連接,從而將電能轉換為螺旋槳旋轉的機械能來推進艦船運動。艦船綜合電力系統是從艦船電力推進系統的基礎上發展而來,采用電力推進系統的艦船,可以用一套原動機和發電機組來產生電能,既用于艦船的推進,也用于其它設備對電力的需求,這種系統就稱為綜合電力系統。
用獨立的發電機組分別為推進系統和日用系統提供電能的系統稱為電力推進系統和日用電力系統,這種提供電能的方式并非綜合電力系統,只有電力推進系統和日用電力系統合為一體的才稱之為綜合電力系統。
綜合電力系統有著諸多的優點。采用電力推進系統的艦船在總體布局上具有很大的靈活性,發電機組的布置比機械式推進系統更為方便,可以摒棄串聯式布置方式而布置在艦船上其他合適的位置,節省了空間,簡化了動力系統的結構,提高燃料和彈藥的攜帶量。
由于只需將推進電機布置在艦船艉部,還可以大大縮短艦船的軸系。由于安裝綜合電力系統的艦船可不再需要龐大的推進動力艙,一些武器如導彈垂直發射裝置的布置可以更為方便和優化。綜合電力系統采用模塊化設計,可以形成標準化和系列化,針對不同種類的艦船,進行不同的模塊搭配組合,這對于減少動力裝置的型號具有很大的意義,并且在勤務保障方面也有著諸多的便利性。
由于現代軍艦上擁有大量的電氣設備,采用綜合電力推進系統有助于實現對于全艦電力供應的統一管理和調度;對于航空母艦而言,采用綜合電力推進系統有助于電磁彈射機的電力供應;在使用全電推進方式的艦艇上,原動機(柴油機或燃氣輪機)機組不再直接驅動推進器,而成為發電系統的動力源,因此可以做到不隨艦艇的加減速而改變運行工況,始終運行在最經濟的模式下,從而提高燃油效率,并減小設備磨損。
采用全電推進的軍艦可以將熱機機組的機艙布置于水面以上,從而大大提高軍艦的安靜性,有利于對潛探測設備的工作;如果電力推進的艦艇采用推進吊艙方式,在大大增加軍艦機動性的同時,可以省去貫穿艦體內部、占用大量空間、加工工藝及精密度要求很高的驅動軸,優化艦內艙室的設置,并降低軍艦的建造成本。因此,采用綜合電力推進系統將是未來水面艦艇動力技術的重要發展方向。
在艦船綜合電力系統的發展過程中,先后出現過混合電力推進系統、綜合電力推進系統、綜合全電力推進系統、綜合電力系統、全電力艦、電力戰艦等多種形式和先進概念。
“綜合電力系統”是一個不斷發展的技術領域并且成為各國海軍在艦艇動力上的主流發展方向。隨著科技水平的發展和現代艦船對大功率電能需求的日益增加,綜合電力系統艦船被逐漸各國重視,現代交流電機及其調速技術的發展為艦船采用綜合電力系統提供了支持。
交流電機與直流電機相比,具有可靠性高、容量大、體積小和結構簡單的特點。隨著大功率、高頻化、模塊化、全控型電力電子器件的研制成功,高性能變頻器得到了較快的發展。矢量控制、直接轉矩控制等現代交流電機調速技術得到實際應用,交流電機獲得了與直流電機同樣優異的調速性能。艦船推進電機采用交流電機后,電力推進系統的優勢得到充分的發揮。感應電機的研制成功將電力推進技術推上一個更高的臺階,感應電機是一種高功率密度異步電機,具有比同步電機更高的功率密度,比永磁電機更加成熟,更加適合軍用艦船的需求。
艦船的推進電機通常分為五類,即直流電機、電勵磁同步電機、感應電機、永磁電機和超導電機。其中感應電機、永磁電機、超導電機屬于高功率密度推進電機。感應電機常用于水面艦船,而潛艇則更常使用的是永磁電機。超導電機由于具有比永磁電機更高的功率密度和更好的靜音性能,以后取代永磁電機將會成為一種趨勢。
當前,我國海軍將全力打造一支性能卓著、功能齊備的現代化全電艦隊,提高海軍艦船的動力驅動系統裝備水平是實現海軍現代化的關鍵環節。
目前我國的常規潛艇、核潛艇等水下艦艇已經初步實現了電力驅動,未來將重點突破航空母艦、護衛艦、驅逐艦等艦艇及其他軍輔船的動力驅動能力,水面艦艇的市場空間較水下艦艇高出數十倍。同時,民船行業目前所大量采用的機械動力系統將逐漸被綜合電力系統所取代,軍民融合背景下民船全電推進化的市場空間巨大。
責任編輯:售電小陳
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