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舰船动力系统发展趋势展望

已有 1096 次阅读 2019-8-25 10:53 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦| 舰船, 柴油机, 燃气轮机, 汽轮机, 燃料电池 |文章来源:转载

舰船动力系统发展趋势展望

伍赛特

 

1舰船柴油机领域

舰船柴油机技术在当前的发展主要表现在以下几个方面:

1)现代设计理论和方法在舰船柴油机上的应用。

2)现代测试技术、新材料(如钛合金、碳纤维和耐高温耐磨陶瓷等)在柴油机上的应用。

3)其他工业技术领域(航空、宇航和汽车等)已成功应用的新技术移植到舰船柴油机上。

4)机电一体化技术在工业领域中的广泛应用,电子元器件可靠性的提高,将会加速电子调速器、电子喷射、可调进排气正时、可调式增压器等新技术在舰船柴油机上的应用。

5)高速大功率舰船用柴油机的发展重点是提高可靠性和使用寿命、降低成本、降低油耗、改善低工况性能、降低排放、增加柴油机的适应性、简化维修和提高自动化水平。

舰船柴油机技术发展的基本趋势是:不但提高平均有效压力、提高单机功率、减少比重量和体积,尽可能降低各种工况下的燃油消耗率、降低NO及烟度,采用高压共轨或其他电喷供油系统、采用相继增压、低负荷用进排气旁通、高负荷用放废气等技术实现柴油机的全工况优化以及电子监控系统集成智能化。

 

2 蒸汽推进策统和联合推进统领域

我国海军在大中型驱逐舰上,多采用蒸汽推进系统和联合推进系统。由于舰船蒸汽推进系统的发展受到舰船柴油机和燃气轮机发展的影响,蒸汽动力在中小型舰船上的应用日益减少,但由于常规蒸汽动力具有功率大,寿命长和造价低等其他推进系统所不及的优点,因此其在大中型舰船和航空母舰上将被继续采用,并占有重要的位置。

 

3 舰船燃气轮机的展望

1)海军大中型水面舰船推进动力的燃气轮机化趋势越来越明显,渐成不可逆转之势。

2)舰船燃气轮机将继续奉行¨航空派生”为主的政策。

3)现在简单开式循环燃气轮机已得到充分的发展。民航发动机的压比已从低于12提高到30左右,燃气初温也从1 200 ℃增加到1 600 ℃左右,近期内将可达到1 700 ℃,考虑到航空改装的船用燃气轮机的初温一般比相应航空发动机的初温低70100 ℃,故近期内,预期会出现以燃气初温1 6001 650℃、压比约35运行的由航空改装的船用燃气轮机。此时发动机最大连续功率的耗油率约为120 g/kW·h),比功约为325 kW/kg/s),使较大功率的燃气轮机的耗油率至少在全功率下接近甚至低于目前高速柴油机的水平。

舰用燃气轮机的发展将围绕着提高功率、降低油耗(最大和部分工况)、更大的比功、低的排放指标、减少尺寸和重量,以及提高可靠性与可维性进行。

4)发展燃气轮机装舰技术日趋重要。

 

4 综合电力推进系统领域

随着超导技术、电子技术和整个工业技术水平的发展,可以预料综合电力推进系统将会在今后的大中型军用与民用舰船上有较大的发展。美、英、法等国海军都相继制订了开发水面舰船综合电力推进计划,瓦锡兰等公司也在大力研究开发这项新技术。

 

5 常规潜艇动力系统领域

目前我国常规潜艇动力系统存在直接推进和电力推进两种形式。从世界常规潜艇发展趋势来看,电力推进已取代了直接推进的方式。从20世纪80年代开始,常规潜艇在延长水下经航时间、提高推进效率和采用新型推进器等方面有了很大的进展。常规潜艇动力系统的发展主要在以下几个方面。

 

5.1 加装AIP系统

常规潜艇加装AP系统是其发展趋势,西方许多国家竞相研究开发AIP系统就说明了这点。由于各个国家的潜艇活动区域不同,技术水平、拥有的产品专利各异,以及对常规潜艇的任务需求也不一样,因此形成了世界上常规潜艇AIP系统百花齐放的局面。但是随着时间的推移以及对AIP系统的深人研究,现在形势比较明朗,在众多的A系统系统中,热气机、小型核动力推进系统和燃料电池三种AP系统脱颖而岀,均已达到了实艇应用阶段,取得了预期的效果。其中热气机AIP系统在瑞典皇家海军的潜艇上已经服役了相当长一段时间,并向许多国家出口了该系统,是惟一在役的常规潜艇AIP系统。

热气机(SE)的热力循环方式是斯特林循环,因此也称为斯特林发动机。其工作特点是工质不与外界环境交流,形成闭式循环,振动和噪声小;低工况扭矩特性好;在整个负荷和转速范围内,热效率变化率比柴油机小;与柴油机相比,其由冷却水带走的热量大一倍,由排气带走的热量却很小;启动性能较差。

燃料电池(FC)是将燃料中的化学能直接转变成电能的一种特殊动力转换方式。从其最初实验至今已有一百多年历史,直到20世纪60年代才取得突破性进展,目前已在宇宙飞船、深潜器、航标灯和无人声纳站等领域得到应用。燃料电池具有热功转换效率高、几乎无噪声声隐蔽性好、排温低——红外隐蔽性好、排放无污染—一光隐蔽好、易于布置和安装、维护保养简单方便等优点,所以在舰船上有着广阔的应用前景。

燃料电池是缩短常规动力潜艇和核动力潜艇之间技术差距的有效途径之一,美国、德国、意大利、荷兰和日本等国正在进行这方面的技术开发工作,其中主要是美、德等国,美国以磷酸型燃料电池为中心开展研究,德国已完成常规柴电动力加装燃料电池的混合动力潜艇的海上试验,目前正在研制全燃料电池推进的潜艇。日本等其他国家正在进行将其应用在水面舰船和民船方面的研究工作。虽然燃料电池目前尚未真正达到可供经济实用的阶段,但在近几年内,预计将会在包括军船和民船在内的整个船舶领域开始进入实用化的阶段。如采用电热联供装置,其效率可达80%以上,是其技术发展的一个飞跃,也是舰船极为理想的动力源。所以在21世纪内,燃料电池作为舰船电源系统将受到人们日益普遍的重视。

常规潜艇采用AIP系统,极大地提高了潜艇的水下续航力,吸收了常规动力潜艇和核动力潜艇的长处,必将对常规潜艇的发展带来革命性的影响,可以预料,加装AIP系统必将是21世纪常规动力潜艇的标志性技术。

 

5.2 采用永磁推进电机

严格地说,永磁电机的概念早就提出来了,但是由于永磁材料的问题尚未解决,所以技术上的可行性未能实现,随着磁稳定性时间长、抗冲击、振动和高温的高导磁率磁体的出现,此项技术得以实现。与传统的舰船推进用电机相比,永磁电机诸多优点使其在舰船推进领域具有广阔的发展前景

目前永磁技术已应用于潜艇上,德国U212级潜艇采用了西门子公司的永磁电机作为推进电机。新一代柴电推进一一全电力舰船肯定会考虑采用永磁电机。

 

5.3采用泵喷推进和磁流体推进

英、美、法等国新型潜艇广泛采用泵喷推进,使其全艇辐射噪声已经降到海洋背景量级,俄罗斯的“台风”级潜艇也准备采用喷水推进技术。

美国于1980年完成了300 W的磁流体推进船海上试验,并制造了2 250 kW的样机。日本在这一领域进展很快,于1985年成立了“磁流体推进开发委员会”,开始从事磁流体推进船的开发。1992年,世界上第一艘载人磁流体推进船“大和一号”在日本神户港正式试航成功,标志着磁流体推进技木进入实用阶段。

磁流体推进器是一种全新的推进装置。它利用海水的导电性能,让海水通过一定形状的槽道,槽道与海水形成电的回路,槽道外面由超导磁场广生高强度的永久磁场,当电流在槽道内的海水中流动时,在磁场的作用下,海水会产生洛伦兹力将海水推向船后或船首,使船产生向前或向后的推力。超导磁场是这种推进技术的必要因素,因为它们以较小的电损耗提供高磁场,而超导磁场需要深冷能量维持低温。

磁流体推进由于不需要螺旋桨和轴系等运动部件,而是直接将电磁能转换成推力,因此不会产生“空泡”现象,也不存在传动轴振动造成的噪声,所以速度快、效率高、隐蔽性好,它在潜艇、超高速客货轮等方面有着很好的应用前景。

 

5.4 采用综合全电力系统

舰船综合全电力推进系统研制已列入美、英等国海车的发展规划,并正在有计划地实施在我国综合全电力系统也开始受到关注,但仍有待技术决策部门规划,作出研制具体安排。

 

5.5 动力系统控制的网络化和智能化

随着计算机技术的发展,动力系统控制由单纯的遥控、微机自控向网络集中控制发展;由程序化控制冋智能化控制发展;由动力系统本身自成体系的控制系统向全艇分布总线式控制系统发展;由控制、监测、自动记录向控制系统性能监测、故障定位和专家系统方向发展。

 

5.6 开展仿生推进的先期研究开发工作

仿生推进是潜艇推进技术的革命,这种推进方式是仿生学和潜艇推进结合在一起的产品,它不光对潜艇的推进技术是一个跳跃式发展,对潜艇艇体设计、潜艇控制等都是一个全新的设计概念。

 

6 传动装置领域

随着舰船动力系统的发展,简单标准型后传动装置已不能完全满足需要,后传动装置今后的发展会有以下特点:

1)从单个传动部件的研究设计发展到整个后传动装置的综合研究设计。

2)传动装置的研究设计与船一机综合分析研究相结合

3)开展大功率、大扭矩,低重量功率比,高机动性,高抗冲击与振动,低噪声,并车传动和行星传动技术方面的研究。

 

7 舰船隐身性领域

为提高舰船的隐身性,对于动力系统而言,必须重点减小两方面的物理场:

1)降低舰船水下噪声场和水上噪声场,其中尤以动力系统机械设备运行时产生的结构噪声而形成的水下噪声场最为关键,这种噪声具有容易被识别的特点,对舰船隐身性的威胁最大。这方面的发展情况请参见第十三章有关内容。

2)舰船的红外场主要由动力系统机械设备运行时排气中携带的热量产生,使之成为红外侦察仪和红外制导武器的目标。

同等功率下形成的红外场强依次为:燃气轮机(排气温度最高,排气中携带的热量次之),蒸汽轮机(排气温度第四,排气中携带的热量最多),热气机(排气温度次之,排气中携带的热量第三),柴油机(排气温度第三,排气中携带的热量第四),燃料电池(两者均第五),核反应堆则基本上无排放。其250600 ℃的排气是产生波长35 m中红外的辐射源,而中红外是红外制导导弹的目标,所以对中红外频段的抑制比较重要,现在都在对降低由前四者的排放而引起的红外场强进行研究。

 

8 推进监控系统

舰船推进控制系统包括推进系统自动控制和远操系统。舰船推进监控系统的主要功能是对推进系统的主要运行参数进行釆集、处理、运算并进行显示、报警和纪录,并对机器的运行状态进行监视、故障诊断和趋势预报等。在20世纪60年代以前,推进监控系统重点是发展主要设备的单元自动化。

到了70年代前后,计算机技术的引入给舰船推进监控系统带来了一场革命,舰船推进计算机监控系统的发展经历了从单个中央监控机到分布式小型机/微机再到现场总线网络系统。这种全数字、全分散和全开放式的局域网络推进监控系统的发展开创了难以预计的生命力。计算机网络技术的发展,通信可靠性大大提高,现场总线网络的出现又使控制与监测都可集成于一个系统之内,因而推进系统以至于机舱系统,可实现分散控制,集中管理。

目前国际上先进的军、民舰船领域正在发展以现场总线控制系统计算机网络技术标志的综合

平台管理系统(PMS-Integrated Platform Management System),它是当前推进监控以及机舱自动化技术水平的标志。民船则将从全船自动化向船岸一体化过渡。PMS的基础是可靠的平台网络和符合标准化、模块化的设备。

 

参考文献

[1] 邵开文,马运义. 舰船技术与设计概论[M]. 北京:国防工业出版社, 2009.07.

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[12] 伍赛特.燃料电池应用于船舶动力装置的可行性及展望[J].内燃机与动力装置,2018,35(04):87-90+94.

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1 杨正瓴

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