吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)

1、吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)英文名稱： 暫無英文名稱標(biāo)簽: 電力推進(jìn)系統(tǒng)頂3 分享到 發(fā)表評論(0) 編輯詞條目錄·  簡介·  類型·  概述·  吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)評估顯示全部簡介編輯本段回目錄       船舶電力推進(jìn)是將船舶推進(jìn)原動機(jī)(現(xiàn)一般多采用柴油機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī))產(chǎn)生的機(jī)械能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，并以電機(jī)驅(qū)動船舶螺旋槳的一種推進(jìn)方式，有常規(guī)推進(jìn)器和吊艙推進(jìn)器兩種形式。       吊艙式推進(jìn)

2、器，電動機(jī)和螺旋槳直接相連，可以360度水平旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成獨(dú)立的推進(jìn)模塊，吊掛于船體底部，可分為前槳(牽引)式、后槳(推)式和串列式等，還有對轉(zhuǎn)槳、導(dǎo)管槳等多種形式的推進(jìn)器。       但是，吊艙式推進(jìn)器有兩個難題:一是吊艙和槳軸的密封;二是傳遞的功率受到一定限制。       吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)，由芬蘭的KMY和ABB兩家公司于1989年提出。ABB公司推出的對轉(zhuǎn)槳(contra-rotating propulsion)吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)，結(jié)合了常規(guī)推進(jìn)器和吊艙推進(jìn)器兩種形式，適用于諸如潛水作業(yè)供應(yīng)船、破冰

3、船、旅游船、潛艇、化學(xué)品船、油船、LPG船、LNG船等。       吊艙式混合電力電力推進(jìn)裝置的開發(fā)及應(yīng)用，使得船舶采用電力推進(jìn)的市場份額迅速增長。隨著電力電子學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)、交流電機(jī)變頻調(diào)速等技術(shù)日漸成熟，船舶吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)在機(jī)動性、可靠性、運(yùn)行效率和推進(jìn)功率等方面都有了突破性的進(jìn)展，顯示出廣泛的應(yīng)用前景。類型編輯本段回目錄       船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)作為船舶IPS 系統(tǒng)的核心組成部分，其主要由推進(jìn)電動機(jī)、電力系統(tǒng)、螺旋槳裝置和變速控制裝置四個部分組成。目前在世界各國最流行的電力推進(jìn)方式即是吊艙式推進(jìn)

4、方式，它主要由吊艙和推進(jìn)器組成。流線型吊艙懸掛在船體尾部，由法蘭盤和船體相接，吊艙內(nèi)安裝的電動機(jī)直接驅(qū)動螺旋槳，吊艙可作360 度回轉(zhuǎn)，替代舵的作用，可以顯著改善船舶的操縱性能和緊急機(jī)動性能。由于吊艙式推進(jìn)裝置本身完全包含在吊艙內(nèi)，船身主體省去了軸支架、尾柱等附體，原動機(jī)及發(fā)電機(jī)在船艙內(nèi)可以比較靈活地布置，尾軸、減速齒輪以及傳動軸系等都可省去。由于吊艙式推進(jìn)裝置在船舶設(shè)計制造、操作控制以及運(yùn)營維護(hù)等方面優(yōu)點(diǎn)較多，因而發(fā)展迅速。下面對世界上四種主要吊艙式推進(jìn)器分別加以介紹，它們是AZIPOD，SSP，MERMAID 和DOLPHIN。這四種推進(jìn)裝置基本概念相同，但各有特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在吊艙的水動力

5、特性設(shè)計、螺旋槳設(shè)計、推進(jìn)電機(jī)的形式以及變頻方式等方面。       1、AZIPOD 吊艙式推進(jìn)方式二十年前，芬蘭海事局開始尋求在冰海區(qū)航行的高性能破冰船的解決方案，其初步的想法是推進(jìn)電機(jī)應(yīng)該提供任意方位的推進(jìn)力。在此背景下，作為世界傳動領(lǐng)域的領(lǐng)先者，ABB芬蘭分公司提出了Azipod 的原型方案并提交給芬蘭Kvaerner Masa 船廠制造，這是最先應(yīng)用于船舶的吊艙式推進(jìn)裝置，相關(guān)的Azipod 推進(jìn)技術(shù)也申請了專利?，F(xiàn)在Azipod 吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)成為大型豪華游輪的一種標(biāo)準(zhǔn)配置。Azipod 吊艙式電力推進(jìn)的實物圖與結(jié)構(gòu)Azipod 吊艙

6、式推進(jìn)裝置采用空氣冷卻電動機(jī)，這就意味著在定子和吊艙之間存在使空氣可以循環(huán)的空隙，采用封閉的冷卻系統(tǒng)，熱交換器安放在艙內(nèi)，在大型的吊艙內(nèi)設(shè)有通往艙內(nèi)的通道，可以不必在干塢時裝卸，軸封和軸承可以由潛水員在吊艙外面進(jìn)行更換。在變頻控制技術(shù)方面，Azipod 系統(tǒng)一般采用交交變頻器和直接轉(zhuǎn)矩控制方法來實現(xiàn)對推進(jìn)電機(jī)的調(diào)速。從1990 年1500kW 的Azipod 推進(jìn)裝置應(yīng)用于“SEILI”號航道服務(wù)船開始，截至2004 年ABB 公司使用Azipod 推進(jìn)裝置的累計安全運(yùn)行時間已經(jīng)超過了130 萬小時，良好工況的概率達(dá)到了99.75%。由于其系統(tǒng)較高的穩(wěn)定性，目前Azipod 推進(jìn)裝置已經(jīng)占據(jù)了

7、吊艙推進(jìn)裝置市場一半以上的份額。為了滿足中小型船舶對船舶操縱性能和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等方面日益增長的市場需求，ABB公司于2000 年推出了Compact Azipod 推進(jìn)裝置，其實物與結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-2 所示：Compact Azipod 的結(jié)構(gòu)設(shè)計為高度模塊化，可以“即插即用”和快速安裝，它結(jié)構(gòu)簡單只有很少的運(yùn)動部件，因此可以顯著地降低安裝成本和縮短交貨周期。Compact Azipod 推進(jìn)裝置在離岸支持船、鉆井平臺、科考船、豪華游輪和渡輪上都有所應(yīng)用，提供的功率范圍從0.5MW5MW 不等。有資料顯示Compact Azipod 推進(jìn)裝置用于半潛式鉆井平臺的動力定位系統(tǒng)，在提供同樣推力的情況

8、下，裝機(jī)功率可以比機(jī)械推進(jìn)裝置減少10%12%，據(jù)離岸支持船運(yùn)行統(tǒng)計，采用Compact Azipod 推進(jìn)器與直接機(jī)械推進(jìn)相比可以減少30%40%的燃油消耗。Compact Azipod 推進(jìn)器目前在我國已成功應(yīng)用在“煙-大”火車輪渡項目，通過近幾年的運(yùn)營，其已取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。由于Compact Azipod 推進(jìn)器良好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)已在中小型船舶中得到了廣泛的應(yīng)用。   3、MERMAID 吊艙式推進(jìn)方式Mermaid 推進(jìn)器的獨(dú)到之處在于用戶可以選擇Kamewa 公司在轉(zhuǎn)向推力器方面的專有技術(shù)，利用一個閉鎖回轉(zhuǎn)裝置使維護(hù)人員安全地進(jìn)入吊艙式推進(jìn)器內(nèi)部進(jìn)行檢查、拆卸槳

9、葉或整個螺旋槳、軸密封或整個導(dǎo)流罩而無需進(jìn)塢。這樣，船舶可以保持不間斷運(yùn)營，獲得全壽命期內(nèi)最長的運(yùn)營時間，降低維修費(fèi)用提高運(yùn)營收益，目前可提供的推進(jìn)器功率范圍為5MW30MW。Mermaid 推進(jìn)器的電機(jī)設(shè)置與Azipod 推進(jìn)器不同的是，它的定子燒嵌在吊艙內(nèi)壁上，利用周圍的海水對流來冷卻部件，這樣的吊艙裝置在尺寸上要比采用全空氣冷卻系統(tǒng)的吊艙裝置小，因而提高了水動力效率。Mermaid 的推進(jìn)系統(tǒng)采用的是交直交變頻器來實現(xiàn)對推進(jìn)電機(jī)的調(diào)速，交直交變頻器的突出優(yōu)點(diǎn)是與大功率異步電動機(jī)有著良好的配合，與采用交交變頻器的電力推進(jìn)系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)具有效率高、噪聲低和震動小的特點(diǎn)。Mermaid 推

10、進(jìn)器提供了牽引式，頂推式和高推力頂推式三種形式的吊艙供船東選擇。牽引式Mermaid 推進(jìn)器適用于高速雙螺旋槳船，如客滾船和豪華游船等；頂推式Mermaid 推進(jìn)器適用于中速單螺旋槳船；高推力頂推式Mermaid 推進(jìn)器用于需要最大拉力的低速船，如拖輪、近海工程船和海洋平臺等。       3、SSP 吊艙式推進(jìn)方式       SSP 吊艙式推進(jìn)器系統(tǒng)是德國西門子（Siemens）公司和肖特爾（Schottel）公司合作的產(chǎn)品，為了反映出該推進(jìn)器系統(tǒng)的合作開發(fā)的特點(diǎn)取名為SSP。SSP 是一種吊掛式推進(jìn)器系統(tǒng)，其

11、功率輸出范圍在5MW30MW 之間，其推進(jìn)裝置實物與結(jié)構(gòu)圖。SSP 推進(jìn)器結(jié)構(gòu)上主要分為三層：最上面一層是安裝在船體內(nèi)的推進(jìn)操作室，里面配有電動液壓操作系統(tǒng)，可以改變推進(jìn)裝置的方位（可起到舵的作用）；中間一層是方位模塊；下面一層則是伸入水中的推進(jìn)模塊。焊接在推進(jìn)模塊上位于兩個螺旋槳之間的兩個鰭，用于補(bǔ)償?shù)跖撛诜蔷€性螺旋槳滑流場中產(chǎn)生的不平衡力，有助于提高推進(jìn)器的總體效率。雙螺旋槳的結(jié)構(gòu)設(shè)計可使兩個螺旋槳分?jǐn)偼七M(jìn)功率，這樣可以降低單個螺旋槳的負(fù)荷。SSP 吊艙推進(jìn)器采用Permasyn 永磁同步電動機(jī)用以驅(qū)動Schottel 公司的前后配對的螺旋槳。由于最初設(shè)計開發(fā)永磁式同步電動機(jī)是作為潛艇的動

12、力部件，因此電動機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊。和傳統(tǒng)的同步電動機(jī)相比同樣功率的Permasyn 電動機(jī)直徑可減少40%，重量可減少15%。        SSP 推進(jìn)器的推進(jìn)電機(jī)通常采用基于IGBT 的直接水冷式交交變頻器驅(qū)動，該驅(qū)動系統(tǒng)按12脈波設(shè)計，這樣可降低由變頻器導(dǎo)致的船上電網(wǎng)的總諧波畸變量，選用這種變頻器也保證了電動機(jī)電流接近于一個正弦波形，使結(jié)構(gòu)噪聲減小。交交變頻器由于可以和螺旋槳直接相連，所以不需要減速齒輪箱等傳動機(jī)構(gòu)，從而大大提高了傳動效率。       4、DOLPHIN 吊艙式推進(jìn)方式Dolphin 推進(jìn)器和A

13、zipod 推進(jìn)器一樣也采用空氣冷卻定子和轉(zhuǎn)子，螺旋槳軸的密封使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的唇密封，并采用六相同步電機(jī)作為推進(jìn)電機(jī)。牽引式的推進(jìn)器使軸向吸入性能得到改善，空泡性能好，低勵磁，低噪音。一般采用交直交變頻器，如果功率需求比較低或有特殊要求時可以采用PWM 變頻器，Dolphin 推進(jìn)裝置可提供的功率范圍為3MW19MW。概述編輯本段回目錄       1、吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式        對轉(zhuǎn)槳吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)，由兩部分組成:       (1)固定

14、螺距的主螺旋槳       由二沖程柴油機(jī)直接推進(jìn)，或由四沖程機(jī)通過減速箱推進(jìn)，還可全電力推進(jìn)(即由機(jī)艙內(nèi)的電動機(jī)推進(jìn)，能在很低的轉(zhuǎn)速例如10%額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行)。       (2)一臺電動吊艙牽引式螺旋槳(與主螺旋槳對轉(zhuǎn))       吊艙是在原來舵的位置上的一個流線型的殼體，變頻調(diào)速的交流馬達(dá)直接裝入殼內(nèi)，螺旋槳置于殼體前端。因為推進(jìn)系統(tǒng)本身完全包含在吊艙內(nèi)，可省去如軸支架、尾軸、減速齒輪裝置等附屬部分。       發(fā)電機(jī)

15、位于船艙內(nèi)，電力和相關(guān)的控制數(shù)據(jù)經(jīng)電纜和滑環(huán)裝置傳送給電動吊艙式螺旋槳的電動機(jī)。       電動吊艙可以作360度回轉(zhuǎn)，不僅省去舵裝置，也不再需要裝備艉側(cè)推器。這樣，全部轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，它都能輸出較高的扭矩;各種流體動力狀態(tài)下，它都可使螺旋槳達(dá)到最佳狀態(tài)。       2、吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)性能       芬蘭的技術(shù)與研究中心(VTT)，與荷蘭的MARIN，對對轉(zhuǎn)螺旋槳吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)(Hybrid CRP pod)進(jìn)行了大量船模試驗池研究。壓力波動試驗和

16、氣穴試驗在荷蘭的MARIN進(jìn)行。       試驗在船名為ENVIROPAX的二艘大型渡輪姊妹船進(jìn)行。船舶裝備柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)和電動吊艙式對轉(zhuǎn)槳推進(jìn)(CRP)的混合電力推進(jìn)系統(tǒng)。       混合電力吊艙推動系統(tǒng)在CRP和主推進(jìn)器之間有兩種不同的功率分配選擇。一艘船裝備10000kW吊艙式推進(jìn)器，33600 kW機(jī)械推進(jìn)器，總功率43600kW，稱為“小吊艙裝置”，;另一艘船裝備19000k W吊艙式推進(jìn)器，23200 kW機(jī)械推進(jìn)器，總功率42200 kW，稱為“大吊艙裝置”。     

17、;  研究項目主要有:       功率分配對船舶推進(jìn)效率的影響;       船體的壓力波動和水動力特性;       不同情況下槳葉和吊艙式推進(jìn)器的氣穴現(xiàn)象，等。       (1)機(jī)械推進(jìn)與吊艙推進(jìn)的功率分配       兩船吊艙推進(jìn)與機(jī)械推進(jìn)的功率分配百分比，試驗范圍都是從20%:80%到55%:45%(吊艙式推進(jìn)器:機(jī)械推進(jìn)器)。     

18、60;試驗明顯表明，吊艙式推進(jìn)與機(jī)械推進(jìn)之間功率分配的不同，對螺旋槳效率沒有產(chǎn)生任何明顯的影響。功率分配在各50%時運(yùn)行更平穩(wěn)。       姊妹船同樣航速所需要的功率，“小吊艙裝置”更小，說明“小吊艙裝置”比“大吊艙裝置”阻力小。       (2)壓力波動與水動力特性試驗       傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)，螺旋槳置于軸的后方。螺旋槳前方的軸和支架導(dǎo)致螺旋槳來流不均勻，來流對槳葉切面的攻角不穩(wěn)定，使螺旋槳的水動力性能和噪聲性能降低，螺旋槳的空泡性能惡化，推進(jìn)效率降低。而在吊艙式推

19、進(jìn)系統(tǒng)中，螺旋槳前沒有軸和支架，沒有受到附體的干擾，來流規(guī)則而均勻，各方向上的速度分量均以一次諧波為主，高次諧波量很小。       對轉(zhuǎn)槳吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)，吊艙的對轉(zhuǎn)螺旋槳的壓力波動，主要來自于前面的螺旋槳，壓力波動水平低，壓力波動范圍在反旋轉(zhuǎn)的吊艙式推進(jìn)器的允許范圍之內(nèi)。       試驗還表明，重新設(shè)計的船尾結(jié)構(gòu)改進(jìn)了推進(jìn)器的水流，使后槳完全置于前槳的尾流之內(nèi)，并免受前槳葉梢旋渦的影響，能較好地減少槳葉漩渦造成的能量損耗。       另外，1994年的純吊艙推進(jìn)

20、裝置(Azipod)試驗，采用“幻想”號(Fantasy)姊妹船船模，兩艘船分別安裝了兩臺Azipod;每臺的外形都根據(jù)實船精心設(shè)計;同時模擬原地轉(zhuǎn)彎試驗和Z形航行。試驗證實，其總水動力效率還可提高57%;轉(zhuǎn)向性能比常規(guī)的舵要好，全速時的轉(zhuǎn)彎半徑可減少30%左右。       (3)氣蝕       螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的壓力波動將導(dǎo)致更多的氣穴穴蝕。       吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)配有的吊艙式推進(jìn)裝置，提高了螺旋槳發(fā)生空泡的臨界速度，改善了螺旋槳的水動力和噪聲性能，減少了

21、螺旋槳的振動和空泡剝蝕，降低了附體阻力，提了高螺旋槳效率，同時使船舶航行更加安靜。吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)評估編輯本段回目錄       1、安全       (1)操縱性       吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)配有吊艙式推進(jìn)裝置，推進(jìn)器可在360。水平范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，沒有側(cè)推器時轉(zhuǎn)向性能也好于常規(guī)的舵裝置，倒車性能和緊急停車性能好，提高了船舶的操縱性和機(jī)動性。全速時的轉(zhuǎn)彎半徑可減少30%左右，增加了面對惡劣天氣時操作的安全性，還能縮短船舶離靠岸時間，對于運(yùn)營于有密集船只的港

22、口或狹窄限制水域中的旅游船，尤其重要。       (2)雙套推進(jìn)系統(tǒng)互補(bǔ)       吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)，由兩套完全獨(dú)立的推進(jìn)系統(tǒng)組成，推進(jìn)系統(tǒng)的冗余度高，任何一套推進(jìn)系統(tǒng)的故障不會造成整船失去動力。實船檢驗證明，可靠性很高。       (3)應(yīng)急能力        吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)沒有舵裝置，一般也省去艉側(cè)推器，一旦吊艙式推進(jìn)裝置故障，船舶安全將受到威脅，但也只相當(dāng)于傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)的失舵。   

23、60;  2、環(huán)境保護(hù)       (1)排放       研究分析表明，柴油機(jī)的氮氧化物排放，變速運(yùn)行工況比恒速運(yùn)行工況高得多。而吊艙式混合全電力推進(jìn)系統(tǒng)正是通過發(fā)電站使柴油機(jī)始終在恒速工況和優(yōu)化負(fù)荷點(diǎn)附近運(yùn)行，廢氣排放將顯著降低。       JAMB公司對一艘28000總噸滾裝客運(yùn)渡船的研究表明，在單軸推進(jìn)裝置的螺旋槳后面，加裝一個螺旋槳反向旋轉(zhuǎn)的吊艙式推進(jìn)器來替代雙軸雙舵方案，同樣以27.5kn航速營運(yùn)，消耗功率可以降低10%15%，氮氧化合物和硫氧化物的排

24、放量也同比例降低。       (2)減震與消噪      由于吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)配有的吊艙式對轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置:該裝置在水下而不在船內(nèi)，沒有減速齒輪箱，噪聲和振動都非常小。降低了位于船內(nèi)的機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)的功率，也就降低了噪聲和振動。改善了螺旋槳的水動力和噪聲性能，減少了螺旋槳的振動和空泡剝蝕，使船舶航行更加安靜。這對于現(xiàn)代特別是豪華型游船非常重要。       3、經(jīng)濟(jì)        (1)初投資       

25、; 幾種不同類型船舶的成本估算顯示，不同類型船舶的成本比率相差不大，吊艙式推進(jìn)器的機(jī)艙成本占總成本的20%左右。        吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)，配備吊艙式推進(jìn)器增加的成本，占船舶總成本的比率，小吊艙式推進(jìn)器和大吊艙式推進(jìn)器分別是0.8%和1.3%。        若綜合考慮以下因素，初投資可能更少，而其利用率更高:        節(jié)省設(shè)備。        建造吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)時，雖增加吊艙推進(jìn)部分，卻可省去如艉側(cè)推器、舵機(jī)

26、裝置和舵系統(tǒng)等部分設(shè)備。        節(jié)約艙容。        吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)使用吊艙式推進(jìn)器，船內(nèi)推進(jìn)裝置減小，可提供的更大艙容，增加裝載能力，滿足裝載的需要?；蛘咴趲缀醪辉黾訖C(jī)艙空間的前提下，較大幅度提高總推進(jìn)功率。       縮短建造時間       采用吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)，因船內(nèi)主機(jī)功率小，可以縮短船舶建造時間。       付款滯后     

27、  吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)的吊艙式推進(jìn)裝置的模塊化設(shè)計，使得該模塊可在船舶建造基本完成前安裝(必要時可在海上安裝)，即可在建造后期付款，從而減少資本的閑置費(fèi)用。        (2)燃油消耗       吊艙推進(jìn)裝置是一種潛水式方位推進(jìn)器，吊艙的外形為流線體，流線形的吊艙可以抑制船尾波系，而在高速航行時，船尾波系通常占了總阻力的很大比例。       傳統(tǒng)的單螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)，螺旋槳尾流中渦動能量無法得到利用。       吊艙

28、式推進(jìn)裝置的螺旋槳比常規(guī)螺旋槳要小，產(chǎn)生空泡現(xiàn)象的臨界速度高。還可以將螺旋槳移到船舶邊界層外側(cè)，并使其處于穩(wěn)態(tài)流中，具有很好的水動力特性，可以使水流的阻礙最小，改善空泡性能和提高螺旋槳效率。和傳統(tǒng)的柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)相比，可明顯減少燃油消耗量。       ABB和AFI公司聯(lián)合開發(fā)的新一代對轉(zhuǎn)螺旋槳(CRP) Azipod，已在2004年安裝在二艘大型日本渡輪(Shin Nihonkai)上，2臺瓦錫蘭(12V46C) 12600kW的Azipod代替了傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)、槳軸、舵系。經(jīng)航行一年驗證，該裝置大幅度提升了船舶的經(jīng)濟(jì)性，與傳統(tǒng)的柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)相比:能

29、量利用率提高8%，推進(jìn)效率提高了巧%，由對轉(zhuǎn)螺旋槳提供的減少燃油消耗量大約為1096;與它的姊妹船相比，運(yùn)營航速提高了1.0kn，平均1天可節(jié)約燃料最多達(dá)6.5噸，船舶周轉(zhuǎn)時間減少了25%.       而對轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)中，后螺旋槳可利用前螺旋槳產(chǎn)生的渦流能量，再轉(zhuǎn)化為有效的推進(jìn)動力。研究表明，其節(jié)能效果可達(dá)1020%。       根據(jù)假定的航行條件下的典型的48小時航行試驗表明，“小吊艙裝置”可減少燃油消耗量10%,“大吊艙裝置”可以減少燃油消耗量大約7%，如圖4。     

30、  (3)營運(yùn)雙革       吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)可以統(tǒng)籌全船性能，考慮船期，改善運(yùn)行狀態(tài)。在很大的航速范圍內(nèi)，燃油消耗率相對較低，航行營運(yùn)經(jīng)濟(jì)最佳航速，從而節(jié)省了營運(yùn)成本。       和傳統(tǒng)的柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)相比，吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)可取得明顯經(jīng)濟(jì)效益。對于“小吊艙裝置”每年可以節(jié)省成本106萬歐元，占年總成本的7.0%;“大吊艙裝置”可以相應(yīng)節(jié)省成本70萬歐元，占總成本的4.7%。機(jī)艙年相關(guān)成本計算結(jié)果如圖5。       (4)維修費(fèi)用  &#

31、160;    模塊化設(shè)計使得推進(jìn)模塊可在海上安裝和拆卸推進(jìn)模塊，十分方便;可以潛水維修或從船艙內(nèi)維修，而不必進(jìn)干船塢，可節(jié)省塢修費(fèi)用。       4、技術(shù)與管理       吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)相比，復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，給維護(hù)管理的輪機(jī)人員帶來了相當(dāng)?shù)碾y度。       吊艙式對轉(zhuǎn)螺旋槳，實現(xiàn)可靠的軸封難度較大。4 結(jié)論與展望       由于吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，國外許多新造高成本船舶

32、紛紛采用，尤其是旅游船和高速渡船。國外許多大公司投人了大量的人力和物力專門從事這方面的研究。無論從技術(shù)上還是在市場方面，它都將成為船舶推進(jìn)的發(fā)展方向之一。       現(xiàn)代電力電子技術(shù)，使電力推進(jìn)已不再局限于破冰船、工程船等一些傳統(tǒng)采用電力推進(jìn)的船舶，而是擴(kuò)大到客貨船、化學(xué)品船、油船、渡輪和豪華游輪等船舶。目前的研究方向是它在超大型集裝箱船、大型客滾船、大型LPG船和大型LNG船上廣泛應(yīng)用的可能性。這些船舶的共同特點(diǎn)是驅(qū)動功率大、可靠性要求高、對機(jī)動性和靈活性也有較高的要求，并且整體造價很高。在我國，吊艙式和吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究，目前還處于起步階

33、段。       吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)船舶基本上實行計算機(jī)管理，給負(fù)責(zé)運(yùn)行管理、維護(hù)維修的輪機(jī)人員帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在航海院校有必要關(guān)注電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)出能夠勝任船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的人員。Azipod電力推進(jìn)技術(shù)編輯本段回目錄Azipod吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)       約13年前，當(dāng)時芬蘭海事局開始尋求在冰區(qū)航行具有更高性能的破冰船的解決方案，其初步想法是推進(jìn)電機(jī)應(yīng)該提供任意方位的推進(jìn)力，由此ABB便提出了Azipod的原型方案并提交給Kvarner Masa船廠制造，相關(guān)的Azipod推進(jìn)技術(shù)

34、也申請了專利。       1、Azipod的運(yùn)行情況及最新應(yīng)用       現(xiàn)在，Azipod吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)已成為大型豪華游輪的標(biāo)準(zhǔn)配置。自1990年第一套Azipod系統(tǒng)安裝下水,截止到2001年8月，ABB公司收到的Azipod系統(tǒng)的訂單共計101套(總裝機(jī)功率1067MW),其中45套系統(tǒng)已交付使用(總裝機(jī)功率376.6MW),其累計運(yùn)行時數(shù)已超出30萬小時。       Azipod原型研發(fā)船是“Seili”號航道服務(wù)船。該船自1990年改裝下水,其1

35、500kW的Azipod系統(tǒng)一直到現(xiàn)在還在運(yùn)行,沒有出現(xiàn)任何故障。       接下來采用Azipod的船舶為建造于1978年的16000載重噸的成品油輪“Uikku”號,其由常規(guī)機(jī)械推進(jìn)改造成Azipod推進(jìn)的工程完成于1993年,Azi-pod的功率為11400kW,船體按照Class 1ASuper破冰等級建造,Azipod破冰等級則為DNV的Class10。目前,Azipod電力推進(jìn)系統(tǒng)是穿越北海-東海航線唯一經(jīng)濟(jì)上可行的推進(jìn)方案,因為它在無破冰船的幫助下仍可非常安全地在冰區(qū)航行。       “

36、Uikku”號和“Lunni”號令人滿意的試驗結(jié)果和可靠的運(yùn)行經(jīng)驗促成Carnival游輪公司(CCL)在1995年秋天決定為其“Elation”號和“Paradise”號兩艘豪華游輪選用Azipod電力推進(jìn)系統(tǒng),每艘游輪裝備2套14000kW的Azipod系統(tǒng)。       Voyager級豪華游輪是目前全球最大噸位的游輪,每艘游輪采用兩套14000kW的Azipod系統(tǒng)再加上一套14000kW的固定Azipod系統(tǒng)(Fixipod)。該系列游輪也是第一次擁有動態(tài)定位功能(DP)的豪華游輪,Azipod推進(jìn)系統(tǒng)加上4臺3000kW的艏側(cè)推組成的強(qiáng)大動力

37、,使得每一艘這樣的海上巨無霸能夠在風(fēng)速高達(dá)18米/秒的來自任何方向的大風(fēng)環(huán)境下保持良好的定位能力。       去年秋天ABB接到了一個來自日本Yokosuka船廠的Azipod的訂單,用于兩艘阿法拉型106000載重噸的雙向航行原油輪。每艘油輪將采用一套循環(huán)交交變頻控制的16000kW的Azipod推進(jìn)系統(tǒng),配置5臺發(fā)電機(jī)及相應(yīng)的配電系統(tǒng)。該雙向航行油輪設(shè)計為在開闊水域船艏向前行駛,而在重冰區(qū)域則船艉向前行駛,因為船艉線形設(shè)計適合于破冰需要,并由Azipod為航行中的船體和冰塊之間提供潤滑水流。Azipod的破冰性能是如此優(yōu)越,以至于即使在1米厚的重冰

38、區(qū)油輪還能以3節(jié)的速度航行。首船將于2002年6月交付使用。       2、Compact Azipod的應(yīng)用       Compact Azipod的第一批范例船舶之一是一艘渡輪,它裝備了兩臺500kW全回轉(zhuǎn)牽引式推進(jìn)Compact Azipod,可以在冰區(qū)全年航行。該船選用Compact Azipod不僅僅因為其高可靠性,更由于其高效率以及在低負(fù)載工況下的低污染排放水平。       另一個合同是為英國Appledore船廠建造

39、的兩艘英國皇家海軍考察船提供Compact Azipod推進(jìn)系統(tǒng),促成該合同生效的主要原因是Compact Azi-pod極佳的推進(jìn)性能以及系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)用較低,這也將是英國皇家海軍第一批采用全電力推進(jìn)和Azipod系統(tǒng)的船舶。       最近的一個應(yīng)用是為新加坡PPL船廠建造的兩艘半潛式鉆井平臺提供Compact Azipod系統(tǒng),每艘鉆井平臺將配置八套3200kW的Compact Azipod系統(tǒng)。發(fā)電及推進(jìn)傳動系統(tǒng)編輯本段回目錄       1、發(fā)電及配電系統(tǒng)

40、60;      要裝備Azipod推進(jìn)系統(tǒng),則船舶必須裝備電站,即采用多臺中速柴油發(fā)電機(jī)組供應(yīng)船舶上所有電力負(fù)荷,包括Azipod推進(jìn)動力及其他用電負(fù)荷。電站電壓等級選擇的條件之一是將負(fù)荷電流及短路電平控制在各主要配電設(shè)備的額定值以內(nèi)。一般來說,只要總功率不是太高,690V應(yīng)該是最經(jīng)濟(jì)的選擇。目前,實際運(yùn)行的最高電壓等級為11kV，隨著功率需求的增加,電站的電壓等級也要隨之提高。       2、推進(jìn)傳動       電力推進(jìn)系統(tǒng)可以采用多種多樣的傳動方法組成。最簡單的方法可以由同步

41、電機(jī)或異步電機(jī)直接推進(jìn)變距螺旋槳,但目前對于大功率的現(xiàn)代推進(jìn)系統(tǒng),大多已采用變頻傳動方式。       直流傳動技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)有超過60年的應(yīng)用歷史,但隨著20年前ABB公司將交流傳動技術(shù)引入船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域,現(xiàn)在新的造船項目中都無一例外地采用交流傳動技術(shù)。       在功率范圍4000kW以內(nèi),最常用的選擇是低壓的PWM變頻器,而當(dāng)功率增加至8000kW以內(nèi),則中壓的PWM變頻器加異步電機(jī)目前已成為一種標(biāo)準(zhǔn)配置。      更高功率的傳動則有兩種選擇,一是循環(huán)交交變頻(Cycl

42、oconverter),一是同步變流器(LCI)。循環(huán)交交變頻器是將輸入電壓的額定頻率直接轉(zhuǎn)換為適合于可直接推進(jìn)的較低轉(zhuǎn)速頻率,并且循環(huán)交交變頻器可運(yùn)行在電機(jī)功率因素為1.0的工況下,這對于采用吊艙式推進(jìn)的電機(jī)設(shè)計無疑可帶來很大好處。而同步變流器(LCI)則由于采用中間直流換流電路,因此可運(yùn)行在更大的頻率范圍,但它在低轉(zhuǎn)速頻率運(yùn)行工況下必須采用特殊的換流控制方法。       目前變頻傳動技術(shù)一方面是向提供更高軸功率的方向發(fā)展,另一方面新型變頻器如中壓等級的DTC(直接轉(zhuǎn)矩控制)變頻器加同步電機(jī)則可能會逐步取代傳統(tǒng)的大功率變頻技術(shù)。  

43、0;    DTC是交流調(diào)速理論繼矢量控制之后一個重大突破,它的理論基于磁鏈和轉(zhuǎn)矩的“直接自控制(Direct Self-Control)”,也即直接計算電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩,由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的砰-砰控制產(chǎn)生PWM信號,對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。       眾所周知，轉(zhuǎn)矩是定子、轉(zhuǎn)子磁通矢量或轉(zhuǎn)子電流和磁通的矢量乘積       式中:Te計算氣隙轉(zhuǎn)矩       Pn電機(jī)的極對數(shù)       電機(jī)的漏

44、磁系數(shù)       r轉(zhuǎn)子磁通矢量       s定子磁通矢量       Lm等效定子與轉(zhuǎn)子繞組間的互感       r定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康膴A角       當(dāng)定子磁通保持穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)矩可以通過定轉(zhuǎn)子磁通矢量的夾角進(jìn)行控制,通常轉(zhuǎn)子的機(jī)電時間常數(shù)大于100ms,因此轉(zhuǎn)子磁通與定子磁通相比更為穩(wěn)定，這樣有可能通過控制旋轉(zhuǎn)的定子磁通矢量來得到有效的轉(zhuǎn)矩。     

45、60;定子磁通的計算式為:       定子電壓矢量取決于直流電壓的測量值和開關(guān)的選擇,而定子電阻Rs應(yīng)在命令期間識別,并進(jìn)行溫度校正。按照ABB的經(jīng)驗,在定子磁通估算時,必須考慮控制的門限電壓和功率的變換延遲,同時,定子磁通要通過在線的電流進(jìn)行校正。定子磁通可以用定子和轉(zhuǎn)子電流矢量來描繪:       定子磁通的校正是為了上述公式在動態(tài)下有效。電流反饋很大程度改善了定子磁通的估算,并使轉(zhuǎn)矩在整個速度范圍內(nèi)線性很好，這就保證了在低速時能產(chǎn)生極大的起動轉(zhuǎn)矩。       由于轉(zhuǎn)

46、矩的實際值與定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通的夾角有關(guān)，電機(jī)的模型必須計算電機(jī)的軸轉(zhuǎn)速和電氣角頻率，電氣角頻率可通過求導(dǎo)轉(zhuǎn)子磁通矢量的角度來獲得:       以上算式作為DTC控制的基礎(chǔ),為變頻調(diào)速系統(tǒng)提供了精確的過程控制手段。DTC典型的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間是12ms,是其他交流和直流調(diào)速系統(tǒng)的10倍,能為任何電動機(jī)控制平臺提供<5ms的快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng);在輸出100%轉(zhuǎn)矩情況下,可將轉(zhuǎn)速控制在0.5Hz以下。同時,在不采用編碼器的情況下,即使受到輸入電壓變化或負(fù)荷突變的影響,同樣可以達(dá)到±0.1%的速度控制精度,而在采用編碼器的情況下則可達(dá)到±0.

47、01%的速度控制精度。因此,可以說,DTC控制系統(tǒng)是目前最為先進(jìn)的系統(tǒng)。       3、電網(wǎng)諧波畸變的控制       電力推進(jìn)功率有時可以占到總用電負(fù)荷的95%,換句話說,只要保證了該負(fù)荷的安全,也就保護(hù)了整個系統(tǒng)。事實上,該負(fù)荷的推進(jìn)變頻器是諧波電流的主要來源。        最常用的降低諧波分量的方法是采用諧波濾波器或采用旋轉(zhuǎn)變流器(電動機(jī)-發(fā)電機(jī)組)用于敏感負(fù)荷的供電。濾波器的設(shè)計需要考慮周密以防止出現(xiàn)電網(wǎng)諧振,而旋轉(zhuǎn)變流器則需要在配電系統(tǒng)中增加附加設(shè)備及電纜。&#

48、160;      采用更高脈動數(shù)的變頻也會降低負(fù)荷電流中的諧波分量,但另一方面則會顯著增加變頻元件數(shù)和投資成本。       采用雙重電抗器組將電站的推進(jìn)負(fù)荷母線與船舶其他負(fù)荷母線進(jìn)行一定的隔離,也可使船舶其他負(fù)荷的配電網(wǎng)的諧波分量維持在較低的水平。       圖2為一實船的電氣單線圖,采用雙重電抗器進(jìn)行諧波控制,電站通過電抗器連于推進(jìn)負(fù)荷母線和其他負(fù)荷母線,隔離推進(jìn)負(fù)荷與其他負(fù)荷,同時在電抗器的副邊產(chǎn)生電壓升高,來補(bǔ)償因變頻器換流而產(chǎn)生的原邊壓降,從而保持其他負(fù)荷母線側(cè)較小的諧波分量。實測表明,在推進(jìn)器全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),其他負(fù)荷母線側(cè)的THD一直保持在2.7%左右。另外,采用雙重電抗器也會限制網(wǎng)絡(luò)中的短路電流值。 Compac