電力推進(jìn)科考船總體設(shè)計要點(diǎn)綜述

吳 剛

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

20世紀(jì)90年代以來，隨著大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)日臻完善，Z型推進(jìn)器、吊艙推進(jìn)器和電力推進(jìn)元器件的設(shè)計制造技術(shù)日趨成熟，以及電力推進(jìn)系統(tǒng)具有的布置靈活、操控自動可靠、噪聲振動低、符合環(huán)保趨勢并且容易滿足各種大容量用電需求等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。在國外新建的郵輪、渡輪、破冰船、挖泥船、半潛船、科考船以及集裝箱船、油船、LNG船和滾裝船等各類船型中均得到推廣應(yīng)用。國內(nèi)由于電力推進(jìn)系統(tǒng)的成套化和設(shè)計能力不足，幾乎都是采用西門子、ABB等公司的成套產(chǎn)品，而且主要應(yīng)用在某些特種用途船上，尤其是科考船上。

708研究所最近幾年先后設(shè)計并成功交付了多型采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶項目，如海監(jiān)83、天然氣水合物綜合調(diào)查船(海洋六號)、12纜物探船(海洋石油720)以及最近剛交付使用的當(dāng)前國內(nèi)最先進(jìn)的科考船—中科院“科學(xué)”號海洋綜合考察船，此外，708所作為國內(nèi)聯(lián)合設(shè)計單位，正在積極參與并推進(jìn)國家海洋局新建極地科學(xué)考察破冰船項目。這些科考船都采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，而且其電氣單元和推進(jìn)單元均有各自的技術(shù)風(fēng)格和應(yīng)用特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要組成部件有原動機(jī)、發(fā)電機(jī)、主配電板、推進(jìn)變壓器、變頻器以及推進(jìn)電機(jī)（亦稱推進(jìn)馬達(dá)）、推進(jìn)器，如采用吊艙推進(jìn)器，則推進(jìn)電機(jī)包含在推進(jìn)器自身模塊的水下艙體內(nèi)。

1.1 電制

電力推進(jìn)系統(tǒng)采用中高壓電制有利于減少推進(jìn)電機(jī)尺寸和線路損耗，如總功率較大，一般選擇中壓或高壓系統(tǒng)，例如需要三維地震采集作業(yè)的12纜物探船，需要極地破冰作業(yè)的科考破冰船，采用6600V中壓系統(tǒng)；為降低成本，如總功率不高，采用690V低壓系統(tǒng)是較經(jīng)濟(jì)的方案。如海監(jiān)83、海洋六號、“科學(xué)”號等船采用的均是690V低壓系統(tǒng)。

1.2 推進(jìn)電機(jī)

目前電力推進(jìn)系統(tǒng)常用的推進(jìn)電機(jī)有以下兩種：

1) 交流同步電機(jī)：多為永磁同步電機(jī)；

2) 交流異步電機(jī)：多為鼠籠式感應(yīng)電機(jī)。

電機(jī)種類影響傳動形式繼而影響傳遞效率：同步電機(jī)適用于低速傳動，調(diào)速范圍一般在0~350r/min，可與螺旋槳直接相連；而鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)則用于中高速傳動，一般在 750~1200r/min，它與螺旋槳之間通常需經(jīng)減速裝置連接，存在傳遞效率損失。

海監(jiān)83和“科學(xué)”號均采用吊艙推進(jìn)，推進(jìn)電機(jī)為ABB永磁同步電機(jī)，推進(jìn)電機(jī)與螺旋槳之間幾乎不存在傳遞損失；而“海洋六號”采用異步電機(jī)，與Z型推進(jìn)器之間通過螺旋錐減速齒輪傳遞，有約5%的傳遞損失；“海洋石油720”采用鼠籠式異步電機(jī)，通過減速齒輪箱聯(lián)合驅(qū)動一對可調(diào)式導(dǎo)管槳，同樣存在約3%的傳遞損失。

1.3 推進(jìn)器

在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，有軸槳推進(jìn)、 Z型、L型傳動式推進(jìn)、吊艙式推進(jìn)等多種形式（見圖1）。目前吊艙式推進(jìn)器因其噪聲振動水平低等優(yōu)點(diǎn)已得到推廣使用，尤其是對噪聲振動要求較高的科考船。

推進(jìn)器是電力推進(jìn)系統(tǒng)中重要的組成部件。為在前期方案設(shè)計中更加準(zhǔn)確地估算主要工況負(fù)荷和用電功率，有必要熟悉和掌握各種推進(jìn)器的推進(jìn)單元敞水效率、空泡性能以及推進(jìn)器與船體之間的相互影響，尤其要注意有冰區(qū)加強(qiáng)后的影響。以上提到的“推進(jìn)單元敞水效率”不單指螺旋槳葉輪的敞水效率，而是整個水下部分推進(jìn)器的敞水效率 ηunitopenwater。在考慮推進(jìn)單元敞水效率、船身效率Hη和相對旋轉(zhuǎn)效率rη后為總的推進(jìn)效率dη：

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)常用推進(jìn)形式

“海洋六號”尾部安裝兩臺肖特爾STP 1515的Z型推進(jìn)器（CCS B3級冰區(qū)加強(qiáng)）（見圖2(a)），整個推進(jìn)模塊總的推進(jìn)效率dη預(yù)估為0.625[1]；“海監(jiān)83”在國內(nèi)首次成功采用了Compact Azipod吊艙推進(jìn)器（CCS B級冰區(qū)加強(qiáng)）（見圖2(b)），整個吊艙裝置總的推進(jìn)效率約為0.64[2]，以上總的推進(jìn)效率考慮了推力減額、伴流分?jǐn)?shù)和相對旋轉(zhuǎn)的影響。

圖2 Z型和吊艙推進(jìn)器

2 總體設(shè)計要點(diǎn)

電力推進(jìn)系統(tǒng)在快速發(fā)展的同時，已不僅僅局限于船舶電氣裝置這一單一范疇。與非電力推進(jìn)船舶設(shè)計相比，電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計在面臨大量新任務(wù)、新問題的同時，總體、輪機(jī)等專業(yè)的主動跟進(jìn)和緊密配合已變得必不可少。

2.1 電站配置

采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶，其電站配置是首先需要論證的技術(shù)難點(diǎn)，在方案論證時需綜合考慮：最大用電工況的總功率需求、各用電工況下的負(fù)荷平衡、航速特殊要求以及發(fā)電機(jī)備用、選型和油耗、電站初投資和未來功能擴(kuò)展等諸多方面。

采用電力推進(jìn)的科考船，除對航速或航渡時間有較高要求的船型外，一般決定電站總功率的最大用電工況為科考作業(yè)工況。尤其是新設(shè)計的科考船，均要求有動力定位能力，加大了科考作業(yè)工況的最大用電需求。除海監(jiān)83外，其他幾條科考船最大用電工況或為ROV（纜控機(jī)器人）水下作業(yè)工況，或為地質(zhì)取樣工況，或為三維地質(zhì)作業(yè)工況。

電站總功率一旦確定，大小發(fā)電機(jī)的組成也是需要綜合論證的主要方面。例如，同樣的電站總功率，三大一小發(fā)電機(jī)組與兩大兩小發(fā)電機(jī)組對于不同工況的負(fù)荷匹配和經(jīng)濟(jì)油耗等是需要綜合論證的。

2.2 效率流程計算

雖然目前的電器元件功耗在逐步降低，但電力推進(jìn)系統(tǒng)在將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成推進(jìn)電機(jī)機(jī)械能的二次轉(zhuǎn)換過程中能量損失總是無法避免的。圖3是從原動機(jī)直至推進(jìn)電機(jī)之間的效率流程圖。

圖3 從原動機(jī)直至推進(jìn)電機(jī)之間的傳遞效率

從流程圖中可以了解，電力推進(jìn)系統(tǒng)從發(fā)電機(jī)組輸出到推進(jìn)電機(jī)輸出之間的電力系統(tǒng)傳遞效率為：

在電力平衡計算中，“電站通過配電板分配給推進(jìn)器的輸出功率”與航速預(yù)估時得到的“推進(jìn)器所需輸入功率”兩者之間存在傳遞過程中電力模塊的功率損失，需區(qū)別對待。圖4是某科考船采用吊艙推進(jìn)的船舶電站分配功率的位置示意圖。

2.3 螺旋槳設(shè)計點(diǎn)和電機(jī)扭矩特性

25屆ITTC吊艙推進(jìn)專家委員會針對吊艙推進(jìn)的水動力試驗和預(yù)報規(guī)程明確提出將螺旋槳與水下艙體作為一個推進(jìn)器單元處理的建議。相關(guān)方法和應(yīng)用介紹已在文獻(xiàn)[3~5]中提及和介紹。在航速預(yù)估中應(yīng)充分關(guān)注吊艙裸槳效率和吊艙單元效率的區(qū)別。圖5是“海洋六號”科考船采用的Z型推進(jìn)在德國波茨坦進(jìn)行的水下推進(jìn)單元試驗照片[1]。

圖4 船舶電站分解功率示意

相關(guān)規(guī)范[6]規(guī)定，電力推進(jìn)船舶的推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)有足夠的轉(zhuǎn)矩余量，以便船舶能在惡劣天氣下航行，或多螺旋槳船舶在轉(zhuǎn)向情況下電機(jī)不致失步，并確保電機(jī)在任何環(huán)境下可靠起動。因此，在核算最大營運(yùn)航速時推進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)留有一定的風(fēng)浪裕度，需注意，一般的推進(jìn)電機(jī)在轉(zhuǎn)速超過一定范圍后均會出現(xiàn)扭矩下降的現(xiàn)象，此高轉(zhuǎn)速區(qū)域?qū)儆陔妱訖C(jī)的弱磁區(qū)。螺旋槳的航速設(shè)計點(diǎn)需盡可能遠(yuǎn)離此區(qū)域。

2012年6月試航結(jié)束的“科學(xué)”號科考船最大航速和單機(jī)經(jīng)濟(jì)航速均達(dá)到預(yù)定指標(biāo)，各項工況的電站負(fù)荷分布合理，電力推進(jìn)設(shè)計獲得圓滿成功。這些成果與合理選擇電站配置、準(zhǔn)確把握螺旋槳設(shè)計點(diǎn)、充分考慮推進(jìn)與電氣單元效率、吊艙與船身相互影響等關(guān)鍵要點(diǎn)是密不可分的。表1為電力推進(jìn)船海監(jiān)83、海洋六號等4艘船的實(shí)船數(shù)據(jù)對比。

表1 電力推進(jìn)船實(shí)船數(shù)據(jù)對比表

圖5 肖特爾對Z型推進(jìn)作敞水試驗

續(xù) 表 1

3 結(jié) 語

本文通過對幾艘實(shí)船配置的電力推進(jìn)系統(tǒng)的不同特點(diǎn)比較，結(jié)合作者船型設(shè)計的工作經(jīng)歷，闡述了使用電力推進(jìn)系統(tǒng)的科考船的設(shè)計特點(diǎn)和需要注意的技術(shù)要點(diǎn)，為科考船在總體設(shè)計階段選用電力推進(jìn)系統(tǒng)提供參考。

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[2] ABB. SOA RESEARCH VESSEL Power Prediction[Z]. 2003.

[3] 王文濤，繆泉明，應(yīng)良鎂. 吊艙推進(jìn)船舶模型快速性試驗技術(shù)[A]. 第九屆全國水動力學(xué)學(xué)術(shù)會議暨第二十二屆全國水動力學(xué)研討會[C].

[4] 楊晨俊. 吊艙推進(jìn)器模型試驗及性能預(yù)報的ITTC推薦規(guī)程[R].

[5] The Specialist Committee on Azimuthing Podded Propulison. Final Report and Recommendations to the 25th ITTC[A].Proc.25th ITTC,Vol.2, Fukuoka, Japan, 2008.

[6] CCS鋼制海船入級規(guī)范，電力推進(jìn)船舶補(bǔ)充規(guī)定[S].