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基于电力推进船舶的动力装置特性思考

  0引言
  电力推进船舶,主要指主推进系统由电动机所驱动的船舶。许多大型船舶和救助船舶上也都使用电力推进系统,因此本文中所提到的电力推进船舶,泛指使用电动机驱动推进器的船舶。
  船舶电力推进,通常是由动力装置带动发电机发电,然后直接或由变流器为推进电动机供电,再由推进电动机带动推进器旋转,为船舶提供航行的动力。动力装置主要包括柴油机、汽轮机、燃气轮机和核动力装置等。
  1用于电力推进船舶的动力装置特性
  民用船舶通常优先使用内燃机,这是因为在使用廉价燃料时,内燃机的效率高于其他类型的热力发动机。柴油机的功率和转速是通过调节燃料供给量来改变的,且随着进气量的增加而增加,发动机的燃料供给量可通过调节器自动或手动进行调节。柴油机的扭矩在整个转速变化范围内几乎是常数,因此很小的阻力矩变化就会引起显著的转速变化。柴油机的工作状态确定了其额定功率和转速。因此,在寒冷的环境条件下,柴油机有着较大的功率储备,其比赤道附近的储备量大得多。在赤道附近工作时,柴油机的冷却条件相对较差,这时不允许柴油机在最大功率下工作,因为这样会缩短其使用寿命并导致燃料消耗增加。因此,在此条件下不允许提高柴油机的转速。推动船舶运动的动力装置是由船上的能源系统把机械功转变为船舶动能的水动力推进器及连接主机和推进器的传动装置组成。海船和河船上的动力源主要为热力发动机——柴油机、汽轮机或燃气轮机,用这些机械把燃料的化学能转换为机械能。在核能动力船上,则是把核能反应堆中的热能转变为机械能,这是借助于主机来进行转换的。能量由主机到船舶推进器的传递过程,可以通过机械传动方式、液气传动方式或电气传动方式进行。用电气传动方式把能量传递给推进螺旋桨的装置被称为电力推进装置。
  从推进装置的可靠性和经济性方面考虑,在大多数已投入营运的船舶和正在建造的船舶上,使用的是中低速柴油机。柴油机和螺旋桨推进轴之间并非直接连接,而是通过推力轴承将推力传递给船体。在大功率动力装置的船舶上,甚至在高速游艇上,汽轮机通过齿轮箱实现推进轴的旋转,这种系统被称为汽轮机齿轮系统。这类动力装置的功率相对较高,足以满足船舶的动力需求。对于船舶而言,在功率相近的情况下,采用汽轮机动力装置的重量通常要比采用柴油机的更轻。目前,世界上多个国家正在建造核动力船舶。核动力装置远比其他类型的船舶动力装置更为复杂,其具有高度自动化的特征,同时对维护和保养的要求更高,并且其效率和汽轮机装置相差不大。由于核动力装置所需配备的燃料体积较小,因而可以大幅增加船舶的有效舱容,同时缩短燃料的补给时间。因此,核动力装置在大吨位破冰船和长期在冰区航行的运输船上得以应用。
  2柴油机动力装置及其特性
  柴油机通常会在最经济的状态下工作,即柴油机功率为额定值的80%。与电力推进装置相匹配的柴油机通常会使用全转速调节器,调节器允许柴油机在从额定转速到最低稳定转速范围内的任何给定转速下运行。当低于最低允许稳定转速时,柴油机就无法维持稳定工作,并且会产生过高负载。如果柴油机轴上的阻力矩与柴油机所输出的扭矩不匹配,而燃料供给量是固定的,这时柴油机转速就会偏离稳态值。柴油机转速的变化会破坏调节器中力的平衡,影响到调节器的调节杆动作,并会相应增大或减小燃料供给量,导致柴油机的转速返回原有数值。当阻力矩大于柴油机扭矩时,转速调节器又重新起作用,并开始在外特性曲线上工作。为了保护柴油机,应使其转速不超过允许值,如果转速超过额定值的20%,调节器应相应停止燃料供给。当柴油机和螺旋桨不直接连接或通过机械变速器相连接时,柴油机的功率应随功率特性进行调整。为了降低柴油机的转速,应改变转速调节器的设定值。在浪中航行时,螺旋桨的阻力矩会在最大范围内作周期性变化,时常达到超负荷状态。由于周期性很大,过载会缩短柴油机的使用寿命,因此在浪中航行时,通常把柴油机的转速降低到在此转速下不会产生过大负荷。此外,柴油机无法在满负荷工况下工作,因为在满负荷工况时,船舶航行速度也不会增加。当船舶在大浪中和暴风中航行时,应降低船速,以减小波浪对船体的碰撞,并预防损坏现象的出现。如果船舶装有可调距螺旋桨,那么在长时间内负载出现变化时,可通过转动桨叶来改善螺旋桨和柴油机的特性。柴油机主要用于如下各类船舶:客船、货船、油船、拖船、破冰船、拖网渔船以及部分用于专门用途的船。当船舶配备电力推进装置后,可使柴油机的应用范围逐步扩大。近年来,为了减少重量和体积,船舶都趋向于用2~3台柴油机带动同一个螺旋桨,它们之间可通过减速箱或离合器连接,也可相应提高柴油机的转速。但以减速箱为例,其不但降低了总传动效率,而且使发动机的工作条件恶化。柴油机减速装置通常在驳船上和集装箱船上使用。与装有中速柴油机及减速装置的船相比,低速柴油机所占的体积相对较大,可减少约20%的装载容积。在上述船舶上,柴油机及变速机组有可能代替交流电力推进装置。
  3汽轮机动力装置及其特性
  汽轮机通常应用于对功率需求较高的船舶上。船用汽轮机的转速较高,可达6000r/min及以上。汽轮机和推进轴之间可通过一级或两级齿轮减速器进行连接,并由减速器传递功率和扭矩。为传递较大的功率和扭矩,减速齿轮的齿应具有较高的强度,并采用高强度的材料制造,以承受汽轮机的负载,降低减速器的磨损。同时,为了减小磨擦和噪声,减速器应在润滑油中工作。
  汽轮机可分为高、中、低压汽轮机。通常在主汽轮机轴上会配备有倒车汽轮机,并且会产生附加损耗。汽轮机和减速器合称为汽轮机齿轮机组,其结构复杂、价格高,还会产生一定的功率损耗以及噪声和振动。
  随着汽轮机功率的变化与齿轮机组转速的调整,船速会相应改变,此时所供给的蒸汽量和品质也会相应降低或提高。汽轮机通常不会在最大供汽量工况下工作,但是与柴油机相比,其在过载工况下的运行时间会更长。汽轮机正常工作状态时所对应的特性为调节特性,即在额定功率时不把调节阀全打开。当锅炉压力和蒸汽发电机的压力偶然降低时,必须有一定的供汽量储备,即功率储备,这时能量的不足要由转速调节器自动增加蒸汽供给来进行补偿。由于有一定的功率储备,当系统过载时就不会使螺旋桨的转速降低,也不会使汽轮机的功率受到限制。在船舶摇摆时,船舶可能会由于其他原因而降低速度。
  汽轮发电机电力推进通常使用交流电,因此能在较宽的范围内改变转速,其可在从额定转速到最低转速(额定转速的10%~20%)的区间内变化。这一特点可以使其在结构上进行改变,这和转速较为恒定的汽轮机有所不同。
  4燃气轮机动力装置及其特性
  燃气轮机可以分为几种类型,不同机型之间的区别是:工作循环、压缩机与汽轮机之间的连接方法、燃烧方式及燃料种类。与汽轮机和柴油机相比,燃气轮机有一系列优点,因而在船舶上得以广泛应用。通过使用新型高温合金,可相应提高气体的温度和燃气轮机的效率。通常而言,燃气轮机的燃料消耗低于汽轮机,人工维修量同样也相对较少。燃气轮机的功率和转速、温度、供气量及供气压力等参数密切相关。通过改变上述参数,就可以改变燃气轮机的工作状态。若增大燃气轮机轴上的阻力矩,而不改变其他参数和燃气供给量,那么燃气轮机的转速会大幅降低。燃气轮机效率最高的工况点仅对应其功率曲线上的某一点。所以,改变螺旋桨的转速或改变螺旋桨特性与航行条件的关系,会降低燃气轮机的效率。燃气轮机不允许在过宽的范围内改变转速,因为这与效率的急剧降低和控制过程的复杂性密切相关。因此,在船上,燃气轮机与可调距螺旋桨、电力推进装置或液压离合器相连。
  5核动力装置及其特性
  在船用核动力装置中,通过核反应堆中的热能将水加热为水蒸气,然后将其通入汽轮机,将热能转换为机械能。目前,现代核动力装置的效率依然较低,其制造和营运成本都明显高于一般的船用动力装置。尽管如此,核动力装置依然在船舶上得到广泛应用,这是由于其有着无可争议的优点,即其核反应堆的核能储备较大,可使整个系统连续工作2~3年而无须补充核燃料。通过对结构和生产工艺的完善,提高了船用核动力装置的经济性和适用性。核动力装置可用于对功率需求较高且需要自动化航行的船上,因此其在不远的未来会得到更加广泛的应用。
  6结语
  考虑到蓄电池及燃料电池等电力设备自身的可靠性、技术成熟度及成本等因素,采用电力推进系统的船舶在未来一段时间内仍会以传统热力发动机及核动力装置作为主要动力来源。完善船舶动力装置的方向主要是增加单机容量,降低燃油消耗,以及推广核动力装置的应用领域等方面。

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