电力推进系统

1、电力推进及其应用前景浅析青岛远洋船员学院李永鹏提要：电力推进就是利用推进电机来带动螺旋桨转动，从而推动船舶前进的一种推进方式。它先通过发电机把机械能转换成电能，再通过电机把电能转换成机械能，实现了能量的非机械传动，克服了传统的机械传动的不足。同时通过改变投入工作的发电柴油机的数目，使柴油机始终处于最佳工作区，从而提高了柴油机的经济性。关键词：电力推进，podded推进器，azipod推进器引言：传统的推进方式一直是利用柴油机带动螺旋桨推动船舶前进，但随着人类对地球环 境保护的意识进一步加强，IMO对排放（尤其是对 NOx、SOx的排放）提出了严格的要求， 而石油资源的短缺、燃油价格的上涨进一步

2、限制了船舶营运者的利益，船舶制造商和船舶柴油机生产商也不得不采取措施改进柴油机的经济性以满足营运者的要求。在应用燃油乳化、直接喷水、排烟后处理等措施控制排放的同时，电力推进作为一种新的推进方式，因为它良好的经济性、操纵性、安全性以及环保性能，逐步代替柴油机推进，应用于大型的船舶上。正文：电力推进就是利用推进电机来带动螺旋桨转动，从而推动船舶前进的一种推进方式。它先通过发电机把机械能转换成电能，再通过电机把电能转换成机械能，实现了能量的非机械传动，克服了传统的机械传动的不足。同时通过改变投入工作的发电柴油机的数目，使柴油机始终处于最佳工作区，从而提高了柴油机的经济性。1 .电力推进的构成及其工作

3、原理：一般来说，船舶都有两套系统：一套用来产生推进动力，一套用于船舶供电，传统的推进系统都是由主推进动力设备通过变速齿轮箱、轴系把能量传递给螺旋桨。构成形式以杂货船为例：由一台大功率低速柴油机构成主推进动力；另用三台中速柴油机带动发电机供电， 供应日常生活用电及设备用电。主机只管推进，发电付机只管供电，两者基本上互不干涉： 航行期间，一般为主机搭配一台发电柴油机工作，机动航行时搭配两台；停泊期间，主机休息，由一台发电柴油机或两台柴油机工作。电力推进就是利用推进电机来驱动螺旋桨工作，从而推动船舶前进。使用电力推进以后，推进动力和日常生活、设备用电合并在一起，作为一个共用的电力供给、分配、利用系统

4、， 减少了传统的低速主柴油机，增加了发电柴油机的数目以及做功能力，以保证船舶用电量要求，这种推进型式称为 diesel-electric propulsion （柴油机-电力推进） 或full electric propulsion （全电力推进）。典型的构成形式如下图所示：图中：原动力由四台大型的发电柴油机构成：或三台主发电机附带一台小型发电机。所有的电源通过主配电盘分配给两方面：一方面通过变压器变为 380V供给日常生活用电及辅助设备（泵浦、控制系统等）用电，另一方面通过变压器以及换流设备供电给推进电机。推 进电机置于 podded propeller （吊舱式推进器）的吊舱内 （如右图所

5、时），推进电机与 螺旋桨位于同一中心线上， 螺旋桨产生的推力通过推力 轴承传递到整个吊舱单元， 然后推动整个船舶前进。推 进电机功率大，可以是直流 电机，也可以是交流电机， 通过控制设备改变其转速以 符合船舶推进的要求。它工 作中放出的热量通过冷风单 元强制冷却。同时，整个吊 舱单元形同一个舵设备一 样，可以通过上部的转动 POD单元在水平方向上 360度范围内转动，提供船舶所需的推力方向。转动POD单元通过动力定位系统进行控制。当船舶用电需求变化时， 通过改变投入运行的机器数目来提供所需供电量：在港内，一台港内发电柴油机供电可以满足要求；船舶低速运行，推进电机所需功率小时， 可投入两台主发电

6、柴油机工作供电；当船舶处于顶风顶流状态， 螺旋桨所需功率很大时，让三台主动力带动发电机工作进行供电。由此发电柴油机可始终工作在高效区，保证了良好的经济性。2 .电力推进的优点：2.1 .电力推进的最大优点是提高了系统的经济性：分析比较一下传统的推进型式：当推进所需功率降低的时候，通过减少主推机动力的循环供油量，可以使柴油机的转速符合要求，相反，当外负荷增加时，就加大油门。于是，不 可避免的会让主推进柴油机处于低速低负荷或高速高负荷的运转工况。根据推进特性：转速升高，机械效率将逐步增加，指示油耗率逐步降低。 但当转速升高到较高转速时，由于机械效率增加很少，有效油耗率会随转速地升高而降低。一般船舶

7、在 80%-90%标定转速时，有效油耗率达到最低值。在营运过程中，为了节省燃油，实现最大的 经济性，一般选用 75%-80%标定转速作为长期运转转速，相应的功率为 40%-50%的标定功 率，即所谓的降速运行。 当柴油机处于低速低负荷机或高速高负荷，尤其是低速低负荷工况下，由于机械效率低，燃油消耗率高，柴油机的经济性严重降低。同时，在低质燃油的使用 管理中，最容易出现故障的时间也在低速低负荷或高速大负荷工况下，喷射系统故障、喷射异常、雾化不良、结碳、爆燃、后燃、低温腐蚀等，进一步引起经济性的降低，柴油机的故 障发生率也升高了。应用了电力推进，布置了多台原动力用于发电，结果就不一样了，外负荷的增

8、减变成了发电量的需求，柴油机的转速基本不变，按照负荷特性工作，燃油消耗率在标定功率附近基 本不变，处于最低。通过改变投入工作的原动力的数量，就可以始终保证每台原动力均工作在这个高效区，使燃油的节省量达到最大，即实现了最大的经济性。根据调查发现，在一条 优化设置的船上，可以节省燃油消耗达到25%。从Carnival （狂欢节）游轮公司的 Hation（兴高采烈）号豪华游轮（该船应用了ABB公司的Azipod推进器）统计资料显示：每周节省燃油40吨，推进效率比其他的船提高了8%,这些数据充分证明了这一点。2.2 提高了推进效率：从图中可以发现，与传统的推进型式相比，省去了传动轴系，减速齿轮箱也消失

9、了，取而代之的是电线，电能的传递较之机械的传递，毋庸置疑，传动损失减少了。同时，传统的 舵由一个吊舱单元所取代，省去了传动轴系、舵、螺旋桨托架，整个水阻力相应减少，结合 船体形状，对推进器形状、位置、角度进一步优化，提高了推进效率。根据Kamewa和Alstom 公司联合推出的 Mermaid TM （美人鱼）推进器的实验结论： 可以使推进效率提高 15%,船舶 速度可以提高到30节2.3 提高了船舶的操纵性传统的船舶操纵原理是通过改变柴油机转速来改变船舶速度，通过改变舵角形成转船力矩来改变航向。作为电力推进，螺旋桨的转速通过控制推进电机转速的控制单元实现，吊舱单元在动力定位系统的控制下，可以

10、在水平方向上做 360度的转动，吊舱单元的方向决定了螺旋桨的推进方向，船舶倒航只需让吊舱旋转 180度即可。相比而言，螺旋桨转速的改变更 迅速，船舶转向过程中没有了最大舵角的限制。船舶的航速与船舶的航向都得到了更好的控制，船舶的操纵性提高了。根据Hation号游轮的统计资料显示：与相同大小的其他非电力推进船相比，全速状态下船舶回转圈直径减少了30%。2.4 有利于船舶自动化的发展趋势：船舶自动化的发展在于它的集成化、微型化、数字化等方面。吊舱单元作为舵与桨的结合，本身就是一个小小的“集成化”。电力推进使整个船舶的操纵集中于两方面：操纵吊舱的方向、控制推进电机的转速，两方面都直接与电相关连， 实

11、现了对电源控制方面的微型化、 自动化就实现了整个系统的微型化、自动化。相比而言，机械上的连接变得微型化几乎是不可能的，至少，减速齿轮箱不可能集成到手掌那么小，传动轴系不可能变得电线那么细。而 且，还没有把传动实践上的滞后、机械磨损、故障率计算在内。因此，机械传动难以满足船 舶自动化的发展要求，只有电力推进符合自动化的发展趋势。2.5 环保的要求：关心并保护环境是全人类不断增长的需要，越来越多的港口对过往船只的排放进行了严环保型的船舶成为最终的追求目标。 对于电力推进而言，由于柴油机始终燃油的燃烧产物得到了良好的控制，保证排放符合IMO的要求已非难格的强制性限制， 在最佳工作区工作, 事。同时，

12、充分 的利用天然资 源，在船舶上装 设一些风力发 电设备（如右图 所示），保护环 境的同时，节省 了燃油消耗，为 提高经济性提 供了宽广的空 间。实际上，环 保并不只包括IMO提出的的排放要求，噪声的污染也算作环境保护一项内容。推进电机采用永久磁铁电 机或者感应电机，大大降低船舶机器的噪声， 对于大型的豪华游轮和机器布置紧凑的战舰尤 为突出，电力推进可以为旅客、工作人员提供一个安静、舒适的环境。2.6 提高了船舶安全性、增加了可靠度船舶的安全性和可靠性主要取决于机器设备的可靠性， 船舶良好的操纵性是船舶安全的重要保障。 相对于传统的柴油机推进而言， 电力推进组成元件为电器元件， 其故障的发生没

13、有明显的故障率曲线，故障的发生率低。而且即使出现了，即插即用，更换起来非常方便。以前由于轴系传动出现的种种故障：如轴系变形、对种不良、轴承密封不良、轴承磨损、尾轴故障等等将永远消失。维修工作减少了，工作效率提高了。大风大浪的海况下船舶最容易出现故障， 如果像上图所示那样， 装备了风力发电机， 充分利用外界的阻力为船舶服务，配备一定数量的可充电蓄电池作为备用能源以提供不时之需，那么， 船舶的可靠性和安全性将进一步得到提高。而这些，都是柴油机推进船舶所不能实现的。2.7 极大地节省了船舶空间省去了传动轴系、齿轮箱、舵、以及轴隧、尾轴等等设施，整个机舱的空间得到很大节省， 同时， 不再需要主推进动力

14、在传动轴系上中心线的配合关系， 提供电源的发电柴油机可 以灵活的布置在船舶的最佳位置上，优化了船舶的空间。3 . 电力推进的不足之处：3.1 能量的两次转换降低了效率电力推进在节省了传动损失的同时， 因为经历了机械能到电能的转化、 然后又由电能转化为机械能的两次能量转换，在转换过程中效率损失了约8% ，较之机械传动2%的损失，整体效率下降。 但由于柴油机始终运行于高效区， 加上推进效率的增加， 最终的经济性仍然 要好。3.2 增加了船舶成本如果要充分发挥系统节省燃油的特点， 就需要装备大量的原动力设备以保证在最大用电量时， 每台机器分担的负荷都能使机器处于高效工作区。 这势必会造成船舶成本的增

15、加。 比如按传统的推进形式某游轮动力构成为：四台瓦锡兰-苏尔寿12ZAV40S 以及两台瓦锡兰 -苏尔寿 8ZAL40S 柴油机，而采用电力推进的其构成为：六台瓦锡兰 12V38 中速柴油机（运行于 600rpm ，单机功率为 7920KW ） 。可以看出，其造价明显增加。不过，一般的豪华游轮的购置商都愿意花这一笔钱，以赢取更多的燃油节省费用。电力推进的应用 ： 电 力推进作为一种全新的推进方式，比之传统的柴油机推进方式，节省了大量的燃油消耗， 为营运商创造了丰厚的利润； 同时其操纵性的提高，故障的减少， 为船舶安全性提供更大的保障；加上它的环保性能，使其成为现代船舶发展一个重要方向。1. 电

16、力推进在商业领域内的应用逐步发展起来的podded propeller （吊舱式推进器），为电力推进提供了有利的技术支持。主要的三种吊舱式推进器生产商是： ABB 公司的 Azipod 推进器， Kamewa 和 Alstom 公司联合推出的 Mermaid TM （美人鱼）推进器，以及STN ATLAS 和 John Crane-Lips 共同开发的DOLPHIN （海豚）推进器。世界上大型的游轮公司如前面提到的Carniva（l 狂欢节）游轮公司 （ Carnival Cruiser Line ，简称 CCL ）有三条情绪类的游轮应用了 ABB 公司的 Azipod 推系统，包括Elati

17、on 号，另外三条正在制造之中。它还订了五条新的游轮用于荷兰-美国航线，都是用电力推进方式。除了大型的游轮以外， 电力推进还用于大型原油船、 集装箱船、 液化气船。 芬兰的 Fortumoil&gas 公司有两条油轮在韩国建造，每条油轮都装有16MW 的 Azipod 推进器，通过三项变频推进系统控制电机转动。船舶的尾部设计成具有破冰功能， Azipod 推进系统倒航时，可以在冰与船体之间生成一层润滑水流， 这样船舶在1 米厚的冰区航行时， 速度仍可以达到三节。 集装箱船、液化气船与原油船的推进要求基本相似，因此， 电力推进将逐步应用于这类船舶。2. 电力推进开始应用于军事领域自从 1902 年 John P Holland 对一个英国皇家海军潜艇原型作了第一个技术试验后， 人们在电力推进方面开始取得了很大的进展。 在上一个世纪， 电力推进一直局限在商业领域里发展，典型地如破冰船、科学考察船、 客船。但自从20 世纪 80 年代电子能源控制系统的精细化以及 podded propeller 的发展使电力推进应用于船舶的类型更为广泛，开始应用于军事领域。有资料表明：各国都在致力于整体式全电力推进( integrated full electric propulsion ，简称 IF