从功率链看电力推进系统的效率,搞明白电推船为何会再次兴起

近年来大热的电推船,其实并不是什么新船型,早在十九世纪末,国外就已经开始了以蓄电池为能源的电推研究,在二十世纪初,更是进入了一波爆发期。在当时,随着舰船的日益大型化,动辄上万吨的战舰,如果仍采用传统的推进装置(机械推进系统),那么长达几十米甚至上百米的传动轴以及大型减速装置对于当时的制造条件来说,制造起来是非常困难的。为了解决这个问题,工程师们就想出了可以利用原动机驱动发电机发电,再通过配电变频系统把电分配给电动机,最后由电动机驱动螺旋桨推动船舶前进的“电力推进“方案。这样就省去了中间传动轴和大型减速装置,降低了制造难度。所以在当时很多大型舰船都采用了电力推进系统。

从功率链看电力推进系统的效率,搞明白电推船为何会再次兴起

采用了电力推进系统的列克星敦级航空母舰

但是随着机械制造水平的提高,人们攻克了超长传动轴系以及大型减速装置的相关技术。而反观电力推进系统,由机械能到电能,再由电能到机械能,能量经过多次转换造成效率低于机械推进系统;此外,当时的电器元件可靠性较差,寿命较短,价格还昂贵,对于电力推进系统更是雪上加霜。为此,简单可靠,且传动效率高的机械推进装置又逐步发展成为舰船的主流推进形式。

从功率链看电力推进系统的效率,搞明白电推船为何会再次兴起

大型船舶的传动轴

不过从近年来的发展来看,船舶电力推进系统似乎又进入了一个新的发展时期,各国都在大力发展各种类型的电推舰船。如在民用船舶领域,大型客船、货船、海洋工程船等都有相应的电推船型诞生;而在军用船舶领域更是发展迅速,先后有多型新型电推舰服役。这难免让我们产生疑问:电推船曾因效率低下而被逐步淘汰,而再次兴起难道只是看重其特有的优点?显然,不可能因为电力推进系统具有系统配置灵活、易于布置、控制灵活等特有优点,就能再次兴起,因为在二十世纪初它同样具有这些优点。对于船舶,尤其是民用船舶来说,推进系统的效率才是至关重要的点,那么电推船是否在效率上有重大突破呢?

从功率链看电力推进系统的效率,搞明白电推船为何会再次兴起

采用了电力推进的驱逐舰

为了解开疑问,笔者在这里采用系统功率链分析法来对比两者的效率。方法是:通过建立系统功率链,然后再通过分析功率传递过程中的能量损失,计算出整个系统的效率,以此来对比,得到结果。根据船舶电力推进系统的基本原理可知:其功率链主要有原动机、发电机、配电开关柜、变压器、变频器、推进电机和螺旋桨组成。而根据当下技术水平可知:原动机的效率:0.35~0.45(中、高速柴油机),发电机的效率:0.95~0.97,开关柜的效率:0.999,变压器的效率:0.99~0.995,变频器的效率:0.98~0.99,推进电动机的效率:0.95~0.97,螺旋桨的效率:0.6~0.8。为此,我们可以建立如下图功率链。若各装置效率取最大值得到该系统功率链的总效率约为:0.45x0.97x0.999x0.995x0.99x0.97x0.8≈0.33。

从功率链看电力推进系统的效率,搞明白电推船为何会再次兴起

船舶电力推进系统功率链

接着我们再建立传统的机械推进系统的功率链。为更有效反映传动效率,在机械推进系统中,笔者选用同电力推进系统相同的主机(原动机)和螺旋桨。根据船舶机械推进系统的基本原理可知:其功率链主要有主机(中、高速柴油机)、齿轮箱、传动轴和螺旋桨组成。而根据相关资料可知:主机的效率:0.35~0.45,传动轴系和齿轮箱的效率约为:0.9,螺旋桨的效率:0.6~0.8。为此,我们可以建立如下图功率链。若各装置效率取最大值得到该系统功率链的总效率约为:0.45x0.9x0.8≈0.32。

从功率链看电力推进系统的效率,搞明白电推船为何会再次兴起

船舶机械推进系统功率链

结语

通过上述我们可以看出,随着技术的发展,电力推进系统的效率已接近甚至超过了传统的的间接式机械推进系统的效率。而在实际中,船舶电力推进系统可以通过改变电机的电源电压或频率实现调速;机械推进系统只能通过油门来控制(在FPP桨条件下),因此,相较于机械推进系统,电力推进系统的原动机可以一直在一个较好的效率区间工作,获得更好的油耗表现。此外,电力推进系统对于推进器的的选型会更加灵活,使得系统可以使用新型的推进器,如吊舱式推进器,获得更高的推进效率。在解决了效率问题后,也就扫清了电推船发展的最大障碍,电推船再次兴起,也就理所当然了。

从功率链看电力推进系统的效率,搞明白电推船为何会再次兴起

采用电力推进的LNG运输船

作者:小船人的梦想 2019年10月20号


分享到:


相關文章: