電力推進船舶動力裝置特性研究

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摘要：介紹了電力推進船舶的技術(shù)特點，重點對用于電力推進船舶的動力裝置及其相關(guān)特性進行了闡述?？紤]到蓄電池及燃料電池自身的動力性能、成熟度、可靠性及成本等因素，采用電力推進系統(tǒng)的船舶未來仍會以柴油機、汽輪機、燃氣輪機等傳統(tǒng)熱力發(fā)動機與核動力裝置作為動力來源。

關(guān)鍵詞：電力推進；柴油機；內(nèi)燃機；汽輪機；燃氣輪機；核動力

引言

電力推進船舶，主要指主推進系統(tǒng)由電動機所驅(qū)動的船舶[1]。許多大型船舶和救助船舶上也都使用電力推進系統(tǒng)[2]，因此本文中所提到的電力推進船舶，泛指使用電動機驅(qū)動推進器的船舶。船舶電力推進，通常是由動力裝置帶動發(fā)電機發(fā)電，然后直接或由變流器為推進電動機供電，再由推進電動機帶動推進器旋轉(zhuǎn)，為船舶提供航行的動力[3]。動力裝置主要包括柴油機、汽輪機、燃氣輪機和核動力裝置等。

1用于電力推進船舶的動力裝置特性

民用船舶通常優(yōu)先使用內(nèi)燃機，這是因為在使用廉價燃料時，內(nèi)燃機的效率高于其他類型的熱力發(fā)動機[4]。柴油機的功率和轉(zhuǎn)速是通過調(diào)節(jié)燃料供給量來改變的，且隨著進氣量的增加而增加，發(fā)動機的燃料供給量可通過調(diào)節(jié)器自動或手動進行調(diào)節(jié)。柴油機的扭矩在整個轉(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引起顯著的轉(zhuǎn)速變化。柴油機的工作狀態(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，柴油機有著較大的功率儲備，其比赤道附近的儲備量大得多。在赤道附近工作時，柴油機的冷卻條件相對較差，這時不允許柴油機在最大功率下工作，因為這樣會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的轉(zhuǎn)速。推動船舶運動的動力裝置是由船上的能源系統(tǒng)把機械功轉(zhuǎn)變?yōu)榇皠幽艿乃畡恿ν七M器及連接主機和推進器的傳動裝置組成。海船和河船上的動力源主要為熱力發(fā)動機———柴油機、汽輪機或燃氣輪機，用這些機械把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機械能。在核能動力船上，則是把核能反應(yīng)堆中的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，這是借助于主機來進行轉(zhuǎn)換的。能量由主機到船舶推進器的傳遞過程，可以通過機械傳動方式、液氣傳動方式或電氣傳動方式進行。用電氣傳動方式把能量傳遞給推進螺旋槳的裝置被稱為電力推進裝置。從推進裝置的可靠性和經(jīng)濟性方面考慮，在大多數(shù)已投入營運的船舶和正在建造的船舶上，使用的是中低速柴油機。柴油機和螺旋槳推進軸之間并非直接連接，而是通過推力軸承將推力傳遞給船體。在大功率動力裝置的船舶上，甚至在高速游艇上，汽輪機通過齒輪箱實現(xiàn)推進軸的旋轉(zhuǎn)，這種系統(tǒng)被稱為汽輪機齒輪系統(tǒng)。這類動力裝置的功率相對較高，足以滿足船舶的動力需求。對于船舶而言，在功率相近的情況下，采用汽輪機動力裝置的重量通常要比采用柴油機的更輕。目前，世界上多個國家正在建造核動力船舶。核動力裝置遠比其他類型的船舶動力裝置更為復(fù)雜，其具有高度自動化的特征，同時對維護和保養(yǎng)的要求更高，并且其效率和汽輪機裝置相差不大。由于核動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，同時縮短燃料的補給時間。因此，核動力裝置在大噸位破冰船和長期在冰區(qū)航行的運輸船上得以應(yīng)用。

2柴油機動力裝置及其特性

柴油機通常會在最經(jīng)濟的狀態(tài)下工作，即柴油機功率為額定值的80%。與電力推進裝置相匹配的柴油機通常會使用全轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器允許柴油機在從額定轉(zhuǎn)速到最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的任何給定轉(zhuǎn)速下運行。當?shù)陀谧畹驮试S穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，柴油機就無法維持穩(wěn)定工作，并且會產(chǎn)生過高負載。如果柴油機軸上的阻力矩與柴油機所輸出的扭矩不匹配，而燃料供給量是固定的，這時柴油機轉(zhuǎn)速就會偏離穩(wěn)態(tài)值。柴油機轉(zhuǎn)速的變化會破壞調(diào)節(jié)器中力的平衡，影響到調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)桿動作，并會相應(yīng)增大或減小燃料供給量，導(dǎo)致柴油機的轉(zhuǎn)速返回原有數(shù)值。當阻力矩大于柴油機扭矩時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器又重新起作用，并開始在外特性曲線上工作。為了保護柴油機，應(yīng)使其轉(zhuǎn)速不超過允許值，如果轉(zhuǎn)速超過額定值的20%，調(diào)節(jié)器應(yīng)相應(yīng)停止燃料供給。當柴油機和螺旋槳不直接連接或通過機械變速器相連接時，柴油機的功率應(yīng)隨功率特性進行調(diào)整。為了降低柴油機的轉(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，螺旋槳的阻力矩會在最大范圍內(nèi)作周期性變化，時常達到超負荷狀態(tài)。由于周期性很大，過載會縮短柴油機的使用壽命，因此在浪中航行時，通常把柴油機的轉(zhuǎn)速降低到在此轉(zhuǎn)速下不會產(chǎn)生過大負荷。此外，柴油機無法在滿負荷工況下工作，因為在滿負荷工況時，船舶航行速度也不會增加。當船舶在大浪中和暴風(fēng)中航行時，應(yīng)降低船速，以減小波浪對船體的碰撞，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，那么在長時間內(nèi)負載出現(xiàn)變化時，可通過轉(zhuǎn)動槳葉來改善螺旋槳和柴油機的特性。柴油機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用途的船。當船舶配備電力推進裝置后，可使柴油機的應(yīng)用范圍逐步擴大。近年來，為了減少重量和體積，船舶都趨向于用2～3臺柴油機帶動同一個螺旋槳，它們之間可通過減速箱或離合器連接，也可相應(yīng)提高柴油機的轉(zhuǎn)速。但以減速箱為例，其不但降低了總傳動效率，而且使發(fā)動機的工作條件惡化。柴油機減速裝置通常在駁船上和集裝箱船上使用。與裝有中速柴油機及減速裝置的船相比，低速柴油機所占的體積相對較大，可減少約20%的裝載容積。在上述船舶上，柴油機及變速機組有可能代替交流電力推進裝置。

3汽輪機動力裝置及其特性

汽輪機通常應(yīng)用于對功率需求較高的船舶上。船用汽輪機的轉(zhuǎn)速較高，可達6000r/min及以上。汽輪機和推進軸之間可通過一級或兩級齒輪減速器進行連接，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)具有較高的強度，并采用高強度的材料制造，以承受汽輪機的負載，降低減速器的磨損。同時，為了減小磨擦和噪聲，減速器應(yīng)在潤滑油中工作。汽輪機可分為高、中、低壓汽輪機。通常在主汽輪機軸上會配備有倒車汽輪機，并且會產(chǎn)生附加損耗。汽輪機和減速器合稱為汽輪機齒輪機組，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高，還會產(chǎn)生一定的功率損耗以及噪聲和振動。隨著汽輪機功率的變化與齒輪機組轉(zhuǎn)速的調(diào)整，船速會相應(yīng)改變，此時所供給的蒸汽量和品質(zhì)也會相應(yīng)降低或提高。汽輪機通常不會在最大供汽量工況下工作，但是與柴油機相比，其在過載工況下的運行時間會更長。汽輪機正常工作狀態(tài)時所對應(yīng)的特性為調(diào)節(jié)特性，即在額定功率時不把調(diào)節(jié)閥全打開。當鍋爐壓力和蒸汽發(fā)電機的壓力偶然降低時，必須有一定的供汽量儲備，即功率儲備，這時能量的不足要由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器自動增加蒸汽供給來進行補償。由于有一定的功率儲備，當系統(tǒng)過載時就不會使螺旋槳的轉(zhuǎn)速降低，也不會使汽輪機的功率受到限制。在船舶搖擺時，船舶可能會由于其他原因而降低速度。汽輪發(fā)電機電力推進通常使用交流電，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。這一特點可以使其在結(jié)構(gòu)上進行改變，這和轉(zhuǎn)速較為恒定的汽輪機有所不同。

4燃氣輪機動力裝置及其特性

燃氣輪機可以分為幾種類型，不同機型之間的區(qū)別是：工作循環(huán)、壓縮機與汽輪機之間的連接方法、燃燒方式及燃料種類。與汽輪機和柴油機相比，燃氣輪機有一系列優(yōu)點，因而在船舶上得以廣泛應(yīng)用。通過使用新型高溫合金，可相應(yīng)提高氣體的溫度和燃氣輪機的效率。通常而言，燃氣輪機的燃料消耗低于汽輪機，人工維修量同樣也相對較少。燃氣輪機的功率和轉(zhuǎn)速、溫度、供氣量及供氣壓力等參數(shù)密切相關(guān)。通過改變上述參數(shù)，就可以改變?nèi)細廨啓C的工作狀態(tài)。若增大燃氣輪機軸上的阻力矩，而不改變其他參數(shù)和燃氣供給量，那么燃氣輪機的轉(zhuǎn)速會大幅降低。燃氣輪機效率最高的工況點僅對應(yīng)其功率曲線上的某一點。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，會降低燃氣輪機的效率[5]。燃氣輪機不允許在過寬的范圍內(nèi)改變轉(zhuǎn)速，因為這與效率的急劇降低和控制過程的復(fù)雜性密切相關(guān)。因此，在船上，燃氣輪機與可調(diào)距螺旋槳、電力推進裝置或液壓離合器相連。

5核動力裝置及其特性

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

6結(jié)語

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，采用電力推進系統(tǒng)的船舶在未來一段時間內(nèi)仍會以傳統(tǒng)熱力發(fā)動機及核動力裝置作為主要動力來源。完善船舶動力裝置的方向主要是增加單機容量，降低燃油消耗，以及推廣核動力裝置的應(yīng)用領(lǐng)域等方面。

[參考文獻]

[1]伍賽特.船舶綜合電力推進技術(shù)研究及展望[J].傳動技術(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].機械管理開發(fā)，2020，35（3）：213-215.

[3]伍賽特.船舶電力推進系統(tǒng)的技術(shù)特點及發(fā)展趨勢研究[J].機電信息，2019（15）：159-160.

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

[5]伍賽特.船用燃氣輪機動力裝置技術(shù)特點研究及發(fā)展趨勢展望[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2020，16（2）：26-28.

作者：伍賽特 單位：上海汽車集團股份有限公司