未来舰艇发展的必由之路:综合电力推进

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　　美国的“朱姆沃尔特”级驱逐舰即将服役，这是当代功率最大的全电推进舰艇，而英国的CVF“伊丽莎白女王”级航空母舰也在紧张的建造过程中，法国的“西北风”级两栖攻击舰、英国的“海神之子”级船坞登陆舰和美国的“刘易斯和克拉克”级弹药补给舰更是在辅助舰艇领域大规模的使用了全电推进系统，民用的“海洋绿洲”号全电推进超级游轮吨位更是超过了20万吨。　　
  

图：“朱姆沃尔特”级驱逐舰

　　21世纪以来，全电推进在军-民船舶领域都是技术发展的重中之重，其优异的特性也使得其成为未来军舰的首选，在技术没有达成突破之前，欧洲FREMM驱逐舰、美国LHA6“美国”级两栖攻击舰等还先选用了电力辅助推进系统。一切向电气化看齐，成为了各国舰艇建造和研制的共同目标。

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　　上古时代的全电推进

　　实际上，电力化推进的舰艇出现得很早，美国第一艘航空母舰“兰利”就是在一艘蒸汽发电-电力推进的海军运煤船“木星”基础上改造的，距今已经102年。美国海军在1910年代因尚未研制成功大功率蒸汽轮机减速齿轮，因此田纳西级战列舰、科罗拉多级战列舰和列克星敦级战列巡洋舰(后改造为航空母舰)都采用了蒸汽轮机发电+电动机推进的设计。在二战期间因为减速齿轮生产能力不足，在护航驱逐舰、舰队油轮等辅助舰艇上也广泛采用了电力推进技术。不过当时主要的推进技术是采用的交流发电-交流异步电机，电机的转速、功率调节都极为困难，使用灵活性差，体积巨大，只是齿轮减速系统发展初期的一种简单代用品。　　
  

图：田纳西级战列舰　　

图：列克星敦级航空母舰

　　在二战中，美国海军的常规潜艇引入了柴油直流发电-直流电机推进，可以较好的调节转速，在战后也逐渐成为了各国常规潜艇的主要推进方式。　
  

图：小鲨鱼级潜艇

　　同时随着变电技术的发展，交流发电-直流推进、交流发电-直流输电-交流推进等技术也在战后发展开来，大部分先在各种常规潜艇上得到了营用，而在水面舰艇因为其功率不足使用较少。

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　现代电力推进技术的出现

　　80年代以来，随着MOSFET、IGBT等固体功率元件的发展，大功率变频器开始实用化，瑞士ABB集团、法国阿尔斯通集团等国际大型机电企业开始将变频电机引入船舶推进领域(与家用变频空调类似，可以高效的调节输出，降低能耗)。

　　ABB集团专精吊舱式推进系统，电机安装在船体底部可以自由旋转的吊舱内，可以极大的提高舰艇机动性，甚至可以进行原地转向等高难度机动，被广泛的应用于海洋工程船舶、大型钻井平台等领域，我国的海监船也引进了ABB的吊舱技术。世界最大的电力推进船舶“海洋绿洲”号超级油轮装有三台20兆瓦的ABB电力推进吊舱，使得22.5万吨的该船可以达到22.6节的高速。　　
  

图：世界上最豪华的海洋绿洲号超级游轮

　　阿尔斯通集团专精于固定螺旋桨模式下的大功率推进电机技术，美国“朱姆沃尔特”级驱逐舰采用了阿尔斯通的36兆瓦同步感应电机，而英国“伊丽莎白女王”则采用两组阿尔斯通40兆瓦同步感应电机。
  

图：“朱姆沃尔特”级驱逐舰的PMM先进同步感应电机

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　为什么需要电力推进?

　　电力推进的主要优势主要有两点，1是节约燃料，2是保障舰艇设备和生活电力供应，3降低航行噪音。

　　船舶，尤其是海军舰艇，大部分航行时间都是采取的低速巡航状态，因为舰艇的航速和动力是呈立方倍关系，所以低速巡航状态下的动力需求很低。

　　以美国的“提康德罗加”级巡洋舰为例，其推进发动机总功率86000马力，最大航速32节，而以12节航速航行时需要的动力只需要4500马力就可以满足需求，而“提康德罗加”级采用四机双轴推进模式，在低速巡航状态下也必须在每个推进轴上开启一台单台额定功率21000多马力的LM2500燃气轮机，使其于2000余马力的怠速状态工作。燃气轮机的一个重要特性就是大功率工作状态单位油耗低，怠速运转单位油耗高，额定功率运行状态每千瓦功率每小时消耗约230克燃油，怠速状态则超过500克，因此巡航状态燃油经济性较差。

　　同时舰艇本身还有大量的电力需求，要依靠舰上三台LM500燃气轮机供电，平时消耗功率甚至超过了推进用功率，LM500燃气轮机的油耗也高达400克以上，很不经济。随着舰艇电子设备的不断进步，尤其是大功率相控阵雷达的普及和发展，设备耗电需求还呈现不断增长态势。同时舰艇上的人员生活需求也不断提高，尤其是淡水和空调需求，设备和生活需求叠加之下，舰艇服役期间超过三分之一的燃油已经是消耗在发电上，同时美国驱逐舰、巡洋舰电力需求在过去二十年几乎增长超过50%，燃油消耗的增长更是让人难以承受。如果采用电力推进技术，则可以只运转一台LM2500燃气轮机供应推进和舰上供电，可以降低40%左右的燃油消耗，极大的降低舰队运作成本，同时也降低了战时海上补给的需求。
  

图：LM2500燃气轮机的油耗曲线，巡航状态的功率低于图中所示20%功率

　　如上面所论，舰艇的电力需求处于不断增长的态势，不光是燃油压力巨大，而且本身供电能力也严重不足，美国在“阿里伯克”级驱逐舰的flight  III改进中，就将发电机容量在原有的7500千瓦基础上增加到了12000千瓦，但是这个电力供应能力只能满足缩小版AMDR-S相控阵雷达需求，原定的大口径AMDR-S雷达完全无法使用。在航空母舰上这个电力需求的增长更加恐怖，在“小鹰”级常规动力航空母舰上主发电机总发电功率32000千瓦，而在“尼米兹”级核动力航空母舰上则提高到了64000KW，如果这个电力需求是由常规动力系统提供的话，“小鹰”级航程将从12000海里直接被压缩倒5000海里以内，采用了电磁弹射系统的“福特  ”级则将电力提高到了160000千瓦级别，接近于全速航行时的推进动力需求(美国50年代以来的超级航母，无论常规动力和核动力，推进功率都是200000千瓦)，从燃油角度来说传统常规动力系统已经完全无法负担如此巨大的电力需求。如果要在常规动力航空母舰上使用电磁弹射器、在驱逐舰/巡洋舰上使用大型相控阵雷达，唯一的办法就是采用综合电力推进系统，推进和电力系统综合利用原动机的输出功率。
  

图：未来大型航空母舰的标配-电磁弹射器，是一个对电力需索无度的饕餮

　　当代大型舰艇电力推进的典范是英国皇家海军最新的CVF“伊丽莎白女王”级航空母舰，其采用两台36兆瓦的劳斯莱斯MT-30燃气轮机，两台8.7兆瓦的瓦锡兰12V38柴油机，两台11.6兆瓦的瓦锡兰16V38柴油机用于发电，总计发电功率112兆瓦，推进功率为80兆瓦，最大航速26节。虽然其是采用的滑跃起飞模式，但是通过将推进电力临时转用于弹射，以及预留了电力容量，其可以支持安装两台电磁弹射器，也是当前仅有的常规动力航空母舰搭配电磁弹射的方案。
  

图：CVF航空母舰

　　除了以上两点以外，电动机的噪音远低于减速齿轮组，因此对于需要安静的音响环境的声呐系统来说，电动机驱动船舶可以带来极大的性能增益，有利于反潜舰艇对潜艇的搜索。同时也有利于舰艇规避敌方声呐的搜索，提高生存能力。

　　我国未来航空母舰如果要采用电磁弹射器，哪怕是核动力航空母舰也必须要搭配大功率的电力系统，与大型综合电力推进系统项目也只是省掉了推进电机，而如果采用常规动力，则必须采用综合电力推进。因此，大型船舶电力系统的发展，也是我国海军未来航空母舰发展的必经之路。

　　同时，未来大型驱逐舰搭配大口径大功率的先进相控阵雷达，用于对付隐身目标和反导弹任务也是必须的能力，其对电力的需求几乎无上限，发展综合电力推进的大型水面战斗舰艇也成为必然。

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　　我国电力推进系统的现在和未来

　　我国在综合电力推进系统上起步较晚，尤其是受限于固态功率元件生产研发的不足，长期以来没有生产先进电力推进系统的能力。

　　随着国内高速铁路技术的发展，及其带来的市场扩展，为了生产高速铁路电机驱动系统的变频器，国产IGBT((Insulated Gate Bipolar  Transistor)，绝缘栅双极型晶体管)产业在最近几年开始逐渐成型，开始逐渐替代铁路系统的进口IGBT元件，也为舰艇推进系统的配电系统打好了一定的基础。上个月，中国中车永济电机公司在西安发布完全自主知识产权高压大功率6500伏/200安IGBT模块，采用焊接、键合等工艺方式实现国产IGBT芯片和FRD芯片多片并联，实现一体化模块式封装设计，该模块是铁路机车辅助变流装置中的核心部件，也可以满足舰艇推进系统的需求。　
  

图：国产IGBT模块下线

图：从工业角度来讲，高速动车组和大型电力推进船舶是一棵树上的两颗果实

　　同时在发电、配电、推进等领域，国内也在发展之中，在过去国内电力推进主要是针对铁路(内燃机车是采用的柴油机发电，电动机驱动的模式，电力机车则是完全电力推进)、潜艇的需求，虽然在大功率推进系统上还没有工程实践的成功案例，但是也积累了一定的经验。大型机车的电网已经达到10兆瓦级别，而潜艇动力也达到了7兆瓦级别，虽然离大型舰艇的需求还有一定距离，但是也已经可以作为未来发展的一个基础。海军工程学院马伟明教授组织的研究项目组，在十五、十一五期间，已经攻克了构建了综合电力系统的基础理论体系，先后攻克了系统网络结构、集成化发电、先进感应推进等数十项关键技术，十二五期间提出一二代混合的综合电力系统技术方案，牵头并联合国内船电行业优势单位，构建了中压直流综合电力系统，同时完成全系统联调试验，使我国成为世界上首个实现中压直流综合电力系统的国家。

　　当前中国电力推进系统的具体工程实现和生产集成，主要是由中船重工集团712研究所负责开发，今年5月14日，，由中国船舶重工集团公司组织的国家科技部科技支撑计划项目“船用电力推进系统开发及应用研究”课题“船用电力推进系统开发及关键设备研制”通过专家组验收。专家组一致认为，712所在国内首次成功完成了10兆瓦等级大功率船用电力推进系统及关键设备的产品研制，所有关键设备均取得CCS(中国船级社)产品检验证书，突破了10兆瓦级及以上多相船用电力推进系统关键技术，形成了具有完全自主知识产权的10兆瓦级船用电力推进系统及关键设备的研制能力，填补了国内空白。

　　2012年，该项目正式立项，这是我国首次开展针对10兆瓦等级及以上船用电力推进系统及关键设备的技术研究与产品开发工作，其目的就是要快速提升我国船舶动力高端装备的自主研发能力，打破国外产品的垄断局面。通过近3年的时间，使我国船用电力推进系统的自主研发能力由过去的5兆瓦等级一举迈向了10兆瓦等级及以上。

　　在实际交付方面，2013年开始712所开始向市场交付3兆瓦级别的推进系统，目前已经初步形成了一个3~5兆瓦级别的产品链。

　　从产品级别来说，国内和欧洲先进国家相比还处于较为落后的状态，10兆瓦级的船舶推进系统，ABB和阿尔斯通在1990年左右就已经可以大规模投放市场，而要在“朱姆沃尔特”和“伊丽莎白女王”级这样大型舰艇上应用电力推进系统，还有至少10年以上的技术跨度需要追赶。当然，以国内对于大功率电力推进系统的旺盛需求(铁路、海洋工程、军事和化工等领域都大量需要大功率电动机械)和政府的扶持政策，在可以预期的未来，国内的电力推进系统产业将会迎来一个巨大的发展机遇。