從功率鏈看電力推進系統的效率,搞明白電推船為何會再次興起

近年來大熱的電推船,其實並不是什麼新船型,早在十九世紀末,國外就已經開始了以蓄電池為能源的電推研究,在二十世紀初,更是進入了一波爆發期。在當時,隨著艦船的日益大型化,動輒上萬噸的戰艦,如果仍採用傳統的推進裝置(機械推進系統),那麼長達幾十米甚至上百米的傳動軸以及大型減速裝置對於當時的製造條件來說,製造起來是非常困難的。為了解決這個問題,工程師們就想出了可以利用原動機驅動發電機發電,再通過配電變頻系統把電分配給電動機,最後由電動機驅動螺旋槳推動船舶前進的“電力推進“方案。這樣就省去了中間傳動軸和大型減速裝置,降低了製造難度。所以在當時很多大型艦船都採用了電力推進系統。

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採用了電力推進系統的列剋星敦級航空母艦

但是隨著機械製造水平的提高,人們攻克了超長傳動軸系以及大型減速裝置的相關技術。而反觀電力推進系統,由機械能到電能,再由電能到機械能,能量經過多次轉換造成效率低於機械推進系統;此外,當時的電器元件可靠性較差,壽命較短,價格還昂貴,對於電力推進系統更是雪上加霜。為此,簡單可靠,且傳動效率高的機械推進裝置又逐步發展成為艦船的主流推進形式。

從功率鏈看電力推進系統的效率,搞明白電推船為何會再次興起

大型船舶的傳動軸

不過從近年來的發展來看,船舶電力推進系統似乎又進入了一個新的發展時期,各國都在大力發展各種類型的電推艦船。如在民用船舶領域,大型客船、貨船、海洋工程船等都有相應的電推船型誕生;而在軍用船舶領域更是發展迅速,先後有多型新型電推艦服役。這難免讓我們產生疑問:電推船曾因效率低下而被逐步淘汰,而再次興起難道只是看重其特有的優點?顯然,不可能因為電力推進系統具有系統配置靈活、易於佈置、控制靈活等特有優點,就能再次興起,因為在二十世紀初它同樣具有這些優點。對於船舶,尤其是民用船舶來說,推進系統的效率才是至關重要的點,那麼電推船是否在效率上有重大突破呢?

從功率鏈看電力推進系統的效率,搞明白電推船為何會再次興起

採用了電力推進的驅逐艦

為了解開疑問,筆者在這裡採用系統功率鏈分析法來對比兩者的效率。方法是:通過建立系統功率鏈,然後再通過分析功率傳遞過程中的能量損失,計算出整個系統的效率,以此來對比,得到結果。根據船舶電力推進系統的基本原理可知:其功率鏈主要有原動機、發電機、配電開關櫃、變壓器、變頻器、推進電機和螺旋槳組成。而根據當下技術水平可知:原動機的效率:0.35~0.45(中、高速柴油機),發電機的效率:0.95~0.97,開關櫃的效率:0.999,變壓器的效率:0.99~0.995,變頻器的效率:0.98~0.99,推進電動機的效率:0.95~0.97,螺旋槳的效率:0.6~0.8。為此,我們可以建立如下圖功率鏈。若各裝置效率取最大值得到該系統功率鏈的總效率約為:0.45x0.97x0.999x0.995x0.99x0.97x0.8≈0.33。

從功率鏈看電力推進系統的效率,搞明白電推船為何會再次興起

船舶電力推進系統功率鏈

接著我們再建立傳統的機械推進系統的功率鏈。為更有效反映傳動效率,在機械推進系統中,筆者選用同電力推進系統相同的主機(原動機)和螺旋槳。根據船舶機械推進系統的基本原理可知:其功率鏈主要有主機(中、高速柴油機)、齒輪箱、傳動軸和螺旋槳組成。而根據相關資料可知:主機的效率:0.35~0.45,傳動軸系和齒輪箱的效率約為:0.9,螺旋槳的效率:0.6~0.8。為此,我們可以建立如下圖功率鏈。若各裝置效率取最大值得到該系統功率鏈的總效率約為:0.45x0.9x0.8≈0.32。

從功率鏈看電力推進系統的效率,搞明白電推船為何會再次興起

船舶機械推進系統功率鏈

結語

通過上述我們可以看出,隨著技術的發展,電力推進系統的效率已接近甚至超過了傳統的的間接式機械推進系統的效率。而在實際中,船舶電力推進系統可以通過改變電機的電源電壓或頻率實現調速;機械推進系統只能通過油門來控制(在FPP槳條件下),因此,相較於機械推進系統,電力推進系統的原動機可以一直在一個較好的效率區間工作,獲得更好的油耗表現。此外,電力推進系統對於推進器的的選型會更加靈活,使得系統可以使用新型的推進器,如吊艙式推進器,獲得更高的推進效率。在解決了效率問題後,也就掃清了電推船發展的最大障礙,電推船再次興起,也就理所當然了。

從功率鏈看電力推進系統的效率,搞明白電推船為何會再次興起

採用電力推進的LNG運輸船

作者:小船人的夢想 2019年10月20號


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