整合式电力推进的概念特点

如题所述

通过现代化电脑配电输配电控制系统的控制,整合电力推进系统能随时任意调整船舰上所有系统的功率分配;例如某时刻,某些系统不需要全功率运作,便可关闭部分主机或者将动力移转至其他系统。藉由精确调控电力负载,配备整合电力推进系统的船舰能将发动机控制在最佳燃油速率(fuel-efficient speed)下运作;根据美国国会研究处(Congressional Research Service)的一份报告,美国海军若采用整合电力推进系统,能比传统机械系统节省10~25%的燃油消耗,以及降低15~19%的后勤维修成本。采用全电力系统之后,以往船舰上空调功率不足的情况就不再重演,电子系统也可以获得较强的功率;此外,对于需要瞬间高功率输出乃至高能量密度脉冲电源的装备,如电磁炮、雷射炮等等, 整合电力系统也提供了更为良好的设置条件,能在无须大幅改变平常用电的情况下,满足这类大功率新系统的需求。电力产生/调控/输配送等系统也能轻易设计成模块化,使舰队不同功能、吨位的各型船舰能采用相同系列的模组,使后勤组件与系统标准得以尽量统一,不像过去每设计一种船舰、往往就要重新设计一套推进传动与电力供应系统。
整合电力推进系统可大幅简化整体轮机的结构,它以电缆传递能量,取代了传统系统复杂庞大的齿轮、轴系、液压管路等等,可节省许多体积重量,多出的空间便可用于增加燃油、武器筹载量或人员居住空间;而电缆贯穿舱间的设计也远比机械与液压管路简单,可简化船舶的设计与建造工作。此外,主机的安置也比以往更自由且更紧致,不一定要如同以往设于舰底;例如可将主机放置于烟囱下方,使得维修拆换更加容易,也可减低传至水中的噪讯。传统推进系统由于笨重庞大、限制繁多,会相当程度地船舶的设计构型;而采用整合电力系统后,船舶更能依照流体力学设计进行最佳化,理论上可节省10%的推进功率需求。省去大批复杂机械后, 整合电力推进系统的购置与维修成本、故障率、系统复杂度等皆可大幅降低(因为电动马达的可靠性极佳,探钻油井或邮轮上的大型马达,输出数千马力、上万小时不需维修的例子可谓稀松平常),噪音与震动亦大幅减少。而全电力系统依赖高度自动化数位功率控制系统,也可降低全舰配置的人力需求,有助于降低船舰服役期间的整体成本。
再者,整合电力推进系统使得船舰不必拘泥于传统的“螺旋桨─船舵”动力与方向控制配置,而可以采用新型的囊荚式推进器(Podded Propulsor)。囊荚式推进器乃将电动机与螺旋桨的组合安装在一个荚舱里,并将此一荚舱以一旋转基座“悬吊”在船尾,而舰体只需要提供荚舱内电动机所需的电力即可。要改变船舰行进方向时,就转动囊荚推进器以改变推进方向。传统的船舵依靠舵效应来改变船只行进方向,然而舵效应必须在一定的水流速度下才能生效,而且势必产生延迟与较大的能量损耗;如果能让推力来源转向,直接靠着反作用力的方向来决定船只航向,便能免除传统舵面的种种问题,大幅增加操控的灵活度,使船舰的回转半径大幅缩小,甚至可能实现原地回转。取消船舵、大轴也利于降低阻力,而且囊荚推进器的外壳可根据流体力学进行优化设计,能有效减少阻力与噪音振动。根据美国国会研究处的研究报告,全电力推进船舰若搭配囊荚式推进器,可进一步节省4~15%的操作成本。生存性方面,以往贯穿舰体舱间直通舱外的大轴,往往是舰体水密性的致命弱点,而囊荚推进器也可以免除这个弱点。
然而直到本世纪初,囊荚式推进器仍不算是一种够成熟到可用于第一线大型作战舰艇的推进方式,许多使用此种推进器的民间大型船只都面临组件受力过巨而需要频繁维修的问题,对于经常需要急遽加减速以及重视战场可靠度的作战舰艇而言并不合适;而虽然囊荚推进器可以避免许多大轴带来的问题, 但由于把电动机与推进器都整合在一起并放在船舱以外,需要进入干坞才能维修,不仅不利于第一线即时处理,遭受鱼雷攻击时更需要直接承受爆震,甚至可能直接掉落脱离船体;而传统布置方式则可确保主机、传动系统都在舰体内部,不仅受到保护,也能对电动机实施第一线的即时维修作业。再者,囊荚推进器把电动机放在囊荚之中,因此比传统舰内布置方式更容易遇到尺寸问题;对于中型的高速作战舰艇而言,功率足够的囊荚推进器很可能超过舰体所能安装的上限,除非采用新科技的马达在更小的体积内产生更高功率。
生存性方面,传统推进系统笨重而冗长的齿轮箱/推进轴由于转速高、磨耗巨大,经常是影响动力系统可靠度的关键点,只要发生故障,船舰就会丧失机动能力;整合电力推进系统能使船舰摆脱大轴与齿轮箱的束缚,也免除了许多传统轴系的致命弱点。以往船舰的主机传动系统在遭遇战损时,系藉由将各推进轴与相关装备分隔来达成,然而万一关键的减速齿轮遭遇重大损坏,整个机械推进系统便会陷入瘫痪。整合电力系统由于不是通过硬性轴系、齿轮箱来连接各装备,可用更绵密的方式相互连结,而且连结方式不受机械装置位置的影响(例如左舷的发电机亦可连结右舷的电动机),因此任一发电机或电动机失效时,不至于影响推进系统其他部分。
但是整合电力系统将发动机产生的力学能先转换成电能输配、再将电能转换回力学能使用,其间的功率消耗高于以往直接以机械传递的方式;这对于不需要高速的商船或研究船等还不成问题,但对时速需要达到30节以上的军舰而言,电力推进系统根本无法满足需求。这就是为何电力推进概念在1970年代末期就进入商船界(目前已成主流),但是在2000年代才开始被主战舰艇军采用的原因。此外,电力推进系统本身的成本也比传统机械推进系统高约25%,不过这可以藉由寿命周期相对较低的操作与维持成本来抵销。采用大量电力系统虽然免除过去许多机械装置的问题,但却面临了电力分配、管理领域的种种技术难题,容易衍生易发生电器/电线走火以及交流马达同步变频器易受谐波干扰等问题。为了满足下一代作战舰艇更高、更精确、更可靠的供电需求,全电力推进系统仍需要许多领域的突破,包括高功率燃气涡轮、高能量密度电容(用于直接能量武器需要的瞬间高能量)、低损耗的电子电力开关、高性能电力储存体(如再生式燃料电池)、永磁同步马达(Permanent Magnet synchronous Motors,PMM)、高温超导同步马达(High Temperature Superconducter Motor,HTSM) 、高爆驱动磁流体电动机或固态/液态驱动磁流体电动机等领域。

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