1.4船舶电力推进的发展与新技术的应用 2课件讲解

船舶电力推进系统1.4船舶电力推进系统的发展与新技术的应用一、船舶电力推进的发展

19世纪末期，在德国和俄国最先开始了开展许多以蓄电池为能量源的电力推进应用试验，此后第一代电力推进1920年代投入使用，结果在缩短客船横渡大西洋时间上效果明显，第一待真正意义上的电力系统开始投入使用。当时，只有涡轮发电机才具有较大的推进功率。"诺曼底号"是当时最知名的电力推进船舶，其4个螺旋桨轴分别由29MW的同步电机驱动，同步电机本身由汽轮发电机供电。螺旋桨的转速由发电机的电频率确定。发电机通常为一台推进电动机供电，但当船舶低速运行时，每台发电机也可同时为两台电动机供电。1、第一代电力推进20世纪初期，电力推进曾一度成为舰船动力的新潮方案。从20世纪初至20世纪40年代，各国建造了大量电力推进舰船，从民用的客轮、货轮、油轮到军用舰艇，都有采用电力推进系统的。二战期间战功卓著的美国海军“列克星敦”级大型航空母舰，采用的就是蒸汽轮机-发电机-电力推进系统。

在20世纪中叶引人高效、经济的柴油机之后，蒸汽轮机技术和电力推进技术在一定程度上从商用船舶中退出，这种情况直到20世纪80年代才有所改变。第一代电力推进（19世纪末）蓄电池－直流电机（20世纪初）蒸气机－发电机－电动机第二代电力推进（20世纪70年代）发电机组－变频－电机同步电机第三代吊舱（20世纪90年代）全回转、吊舱1920’s:FirstGeneration:Turbo-ElectricMachineryElectricalSynchronousPropulsionMotorsVariableGeneratorFrequencyOne-to-OneGenerator-Propulsion1980’s:SecondGenerationDiesel-ElectricPowerPlant,lateralsoTurbo-ElectricFixedfrequencyElectricPowerDistributionAC/DCandAC/ACPowerConversion1990’s:BreakthroughforElectricPropulsionDominatinginCruiser,Icebreakers,OffshoreOilExplorationPoddedPropulsionHistoricalDevelopment-ElectricPropulsion

电力推进系统能在20世纪初期迎来“第一次浪潮”，主要原因是当时的舰船日益大型化。在2万吨甚至3万多吨的战舰上，如果采用传统推进装置，长达近百米的主轴和大型机械减速装置在制造上相当有难度，而采用电力推进系统可以绕过这一难题。

第一代电力推进兴起的主要原因第一代电力推进衰落的主要原因

随着技术的进步，主要海军大国已经可以研制生产满足大型战舰要求的超长主轴和大型齿轮减速装置，而电力推进装置由于增多了能量变换环节，带来了设备昂贵、传动效率低、维护保养工作量大等一系列缺点，故大型舰船又重新回到了采用传统轴系的直接推进技术。

20世纪70年代AC/DC整流器（可控硅整流器SCR）和80年代AC-DC-AC变频器等变速变频技术的出现，使电力推进系统成为可能，从而形成了第二代电力推进技术。船舶推进系统、客舱以及其他辅助电气设备一般均由具有固定电压和固定频率的电站供电，该电站通常由向同一电网供电的多台发电机组构成。推进力可通过控制固定螺距螺旋桨（FPP)转速进行控制。电力推进系统最初多用于测量船、破冰船等特种船舶以及部分邮轮中。20世纪80年代中期，"伊丽莎白女王2号"邮轮成功改装了电力推进系统，随后梦幻级和公主级系列邮轮以及部分动力定位船与穿梭油轮也相继采用电力推进系统。2、第二代电力推进兴起的主要原因电力推进是一个能满足不同需求的领域。成功的电力推进解决方案被应用于基于建造、操作、经济性等方面考虑的海军舰船、液压及推进工程、电力工程等方面船舶。

电力推进采用蒸汽透平或柴油机带动发电机，采用不同的配置形式，已应用于数以千计的各种船型。此外在潜艇和水面舰只中，电力推进系统也有不少潜在的装机容量。

第二代电力推进兴起的主要原因

3、第三代电力推进系统（吊舱桨POD）

20世纪90年代早期，吊舱式推进系统（POD）开始投人应用。在这种推进系统中，电动机与固定螺距螺旋桨轴直接相连，并安装在一个浸没于水中的可旋转吊舱中。当初研制这种吊舱式推进系统主要是为了破冰船的作业性能，但不久之后便发现这种推进系统对于提高船舶的流体动力学效率和机动性也有很大的好处。当"欢欣号"邮轮首次使用吊舱式推进系统后，这种系统的优点迅速得到人们的广泛认同，吊舱式推进系统几乎于一夜之间成了新邮轮的标准配置。

1990年，ABB芬兰分公司研发的1.5MW的Azipod吊舱推进器运用于“SEILI”号航道工程船，开创了吊舱式电力推进的先河。（ABB集团位列全球500强企业，集团总部位于瑞士苏黎世。ABB由两个历史100多年的国际性企业瑞典的阿西亚公司（ASEA）和瑞士的布朗勃法瑞公司（BBCBrownBoveri）在1988年合并而成。两公司分别成立于1883年和1891年。ABB是电力和自动化技术领域的领导厂商。ABB的技术可以帮助电力、公共事业和工业客户提高业绩，同时降低对环境的不良影响。ABB集团业务遍布全球100多个国家，拥有13万名员工，2010年销售额高达320亿美元。）瑞典Kamewa公司和法国Alstom公司合作开发了Mermaid吊舱推进器;德国Schottel和Siemens公司研制成功Siemens-SchottelPropulsor（SSP）吊舱推进器;荷兰Wartsila(LIPS)公司和德国SAM电子公司发展了Dolphin吊舱推进器。两种电力推进系统的推进设备比较吊舱推进直接推进POD的产生和发展POD推进系统的概念由芬兰kvaemerMasa-Yard和ABB芬兰公司于1989年率先提出，它在推进装置设计上采用了吊舱式的结构形式，突破了“柴油机加开放式的传动轴系”的推进器设计定式。吊舱式结构，就是推进电机直接和螺旋桨相连，构成独立的推进模块，吊挂于船体尾部。该推进模块由电动液压机构驱动，可以360度水平旋转，省去了舵系统。吊舱电力推进将推进电机置于船外的吊舱中，发电机和电动机的能量通过电缆传输，全船采用统一电站提供能量，可进行全船调配平衡，极大地提高了船舶设计的灵活性。随AZIMUTH侧推器和吊舱式推进装置的引入，电力推进系统的配置应用在不同的船型中以满足运输、机动、定位等目的。目前，电力推进主要应用在以下船型：游轮、渡轮、动力定位的钻井船、侧推辅助定位锚泊的生产设施，油轮，布缆船，铺管船，破冰船，其它冰区航行船舶，供给船，战舰。在已存在和新的应用领域中新造船舶中适用电力推进的研究和评估工作正在进行。

吊舱推进器扩大了电力推进的适用范围vs.ABPOD推进器的优点1)吊舱360°转动，为船舶提供了更快、更安全的机动性能；2）节省燃料，减少废弃排放；3）降低了振动和噪声；4）可靠性高，维修工作量减少；5）模块化程度高，便于后期安装；6）可采用对转螺旋桨等技术，改善空泡性能、提高效率。SSP推进器

SSP利用了Schottel公司的双螺旋桨设计思想和大功率的优点，采用独特的同轴同转双桨设计，吊舱前后的两个螺旋桨均承担负载。吊舱舱体的外面有两个飞机尾翼状的翼片，其主要作用是回收前桨尾流的旋转能量。SSP推进器能够使整个推进系统的效率提高20%，并具有推进功率大的优点，其功率范围为5MW~30MW，适用于旅游船和大型渡轮。新型永磁同步电机比常规电机体积小很多，重量也轻，结构紧凑，吊舱尺寸不超过螺旋桨直径的30%~40%。这是SSP的一个突出优点。二、船舶电力推进的新技术1.永磁电机新技术

随着永磁电机控制技术的发展，在船舶电力推进系统中趋于采用永磁同步电机。已有多种不同结构的永磁同步电机，其功率范围从几百瓦到几兆瓦。永磁电机与常规电机相比具有功率密度高、转矩密度高的特点。由其构成的推进系统噪声低、效率高、维护性好，因此对于船舶来说更具有发展潜力。目前，永磁电动机已经在电力推进系统中被广泛采用。2、超导电磁推进技术

电气损耗较低的陶瓷材料、即众所周知的高温超导线材已经成熟。使用该超导材料的电机，不仅改善了电机的效率，允许电机的设计得以改进提高，而且制造的电机的尺寸和重量可以减小为原来的几分之一。高温超导电动机和发电机之所以如此高效，是因为高温超导线材可承载比相同尺寸和重量的铜导线高140倍的电流。更大的电流意味着较大的磁通密度和更强大的磁场，对于电动机，则意味着单位质量能提供更大的转矩。因此，高温超导电动机和发电机可以做得轻巧和小型得多，这不仅仅是因为其内部线材比较轻，还有一个原因就是磁场更强大。高温超导电动机还有另外一个优点，就是其高的效率事实上在整个功率范围内是恒定的。典型的高温超导同步船用推进电动机比等值的常规船用推进同步电动和感应电动机效率大幅提升。这意味着电动机和发电机可以有效地在接近最大值的水平运行，而不用顾及船舶的航速。这使得该类电机极适合在船上安装，并允许船舶大规模的模块化建造，减少了许多船舶设计人员面临的种种费时费力的折衷和权衡。由于大功率等级的高温超导电动机极易安装在外部吊舱之中，这将极大地简化造船的过程。

对于这些高温超导电动机和发电机，需要考虑的仅仅是，应有一个小型商用的冷却系统，以便冷却高温超导线材。高温超导电动机和发电机常被设计成带有"n十1"冗余制冷系统。

高温超导电机除了具备较轻的重量和紧凑的尺寸，可以优化到希望的尺寸外，还具有另外一些长处。由于在电动机或发电机的磁路里没有或只有很少的铁芯，所以电源畸变很小，且来自电动机的噪声反馈亦很小。这些优点可简化对供电系统的要求，并使电机做得格外安静（电和声两方面），较轻的发电机转子也使噪声变得很小。其他方面，高温超导电机工作像常规电机一样。万一系统出现故障，它们的磁场可以像常规同步电动机或发电机一样被迅速切断。高温超导电机同样可使用现有的同步变频器、Cyclo变频器或者PWM变换器。当然，为了发挥畸变较低的优点，有可能要对这些系统做一些简化。在给船舶用途做最佳匹配设计时，使用高温超导推进系统，可使造船工程技术人员比使用常规动力技术减少不少的约束。

高温超导线材已经在海军和商业实验室得到广泛验证，其坚固性也得到证明。额定功率为5000HP(1HP=735.7W),1800r/min的高温超导电动机业已建成并试运行成功。试验中，其持续额定功率达到了5900HP。欧洲SOX和NOX陆上污染和船舶排放发展对比3.燃料电池电力推进装置全球可用的能源及开采寿命氢能和燃料电池技术氢是宇宙中蘊含量极为丰富，它以化合物的形式存在于水、甲烷、氨、烃类等物质中，在构成宇宙物质的元素中它占了90%以上。氢可以通过各种一次能源（煤、石油、天然气）、可再生能源等制取，同时可以大规模储存。氢能是目前世界上正积极开发的二次能源，它是一种非常清洁的能源。氢能的利用主要是直接燃烧、燃料电池和核聚变。氢能和燃料电池技术燃料电池以电化学反应方式直接将化学能转化为电能而不经过燃烧，具有洁净、高效、无污染、低噪声、模块结构、高功率密度及连续工作等优点，被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是21世纪最有吸引力的发电方法之一。燃料电池已在电动汽车、电站、移动式电源、潜艇、航海和航空航天等方面展现出广阔的应用前景。以燃料电池为代表的氢能产业可能将是解决人类所面临的能源短缺、环境恶化等问题的终极解决方案。

燃料电池的优点燃料电池是一个电化学装置，它通过混合燃料如氢气和空气中的氧气以产生电能、热能和水。燃料电池的运作过程没有燃烧,一个氢燃料电池实际上是无污染的。由于燃料被直接转换为电能，燃料电池可以比内燃机的效率高很多，相同量的燃料可以产生更多的电能。燃料电池本身没有运动部件，故是一种安静而可靠的能源。燃料电池的缺点燃料电池用