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吊舱式混合电力推进系统

2020-04-07 10:32:14 常州友邦船业股份有限公司 阅读

船舶电力推进是将船舶推进原动机(现一般多采用柴油机或燃气轮机)产生的机械能量转变为电能,并以电机驱动船舶螺旋桨的一种推进方式,有常规推进器和吊舱推进器两种形式。

吊舱式推进器,电动机和螺旋桨直接相连,可以360度水平旋转,构成独立的推进模块,吊挂于船体底部,可分为前桨(牵引)式、后桨(推)式和串列式等,还有对转桨、导管桨等多种形式的推进器。

但是,吊舱式推进器有两个难题:一是吊舱和桨轴的密封;二是传递的功率受到一定限制。

吊舱式混合电力推进系统,由芬兰的KMY和ABB两家公司于1989年提出。ABB公司推出的对转桨(contra-rotating propulsion)吊舱式混合电力推进系统,结合了常规推进器和吊舱推进器两种形式,适用于诸如潜水作业供应船、破冰船、旅游船、潜艇、化学品船、油船、LPG船、LNG船等。

 吊舱式混合电力推进系统

      吊舱式混合电力电力推进装置的开发及应用,使得船舶采用电力推进的市场份额迅速增长。随着电力电子学、半导体技术、交流电机变频调速等技术日渐成熟,船舶吊舱式混合电力推进系统在机动性、可靠性、运行效率和推进功率等方面都有了突破性的进展,显示出广泛的应用前景。

1 吊舱式混合电力推进系统的结构形式

      对转桨吊舱式混合电力推进系统,由两部分组成:

   (1)固定螺距的主螺旋桨

      由二冲程柴油机直接推进,或由四冲程机通过减速箱推进,还可全电力推进(即由机舱内的电动机推进,能在很低的转速例如10%额定转速状态下连续运行)。

   (2)一台电动吊舱牵引式螺旋桨(与主螺旋桨对转)

吊舱是在原来舵的位置上的一个流线型的壳体,变频调速的交流马达直接装入壳内,螺旋桨置于壳体前端。因为推进系统本身完全包含在吊舱内,可省去如轴支架、尾轴、减速齿轮装置等附属部分。

发电机位于船舱内,电力和相关的控制数据经电缆和滑环装置传送给电动吊舱式螺旋桨的电动机。

电动吊舱可以作360度回转,不仅省去舵装置,也不再需要装备艉侧推器。

这样,全部转速范围内,它都能输出较高的扭矩;各种流体动力状态下,它都可使螺旋桨达到最佳状态。

2 吊舱式混合电力推进系统性能

芬兰的技术与研究中心(VTT),与荷兰的MARIN,对对转螺旋桨吊舱式混合电力推进系统(Hybrid CRP pod)进行了大量船模试验池研究。压力波动试验和气穴试验在荷兰的MARIN进行。

试验在船名为ENVIROPAX的二艘大型渡轮姊妹船进行。船舶装备柴油机机械推进和电动吊舱式对转桨推进(CRP)的混合电力推进系统。

混合电力吊舱推动系统在CRP和主推进器之间有两种不同的功率分配选择。一艘船装备10000kW吊舱式推进器,33600 kW机械推进器,总功率43600kW,称为“小吊舱装置”,另一艘船装备19000k W吊舱式推进器,23200 kW机械推进器,总功率42200 kW,称为“大吊舱装置”。

      (1)机械推进与吊舱推进的功率分配

      两船吊舱推进与机械推进的功率分配百分比,试验范围都是从20%:80%到55%:45%(吊舱式推进器:机械推进器)。

      试验明显表明,吊舱式推进与机械推进之间功率分配的不同,对螺旋桨效率没有产生任何明显的影响。功率分配在各50%时运行更平稳。

      姊妹船同样航速所需要的功率,“小吊舱装置”更小,说明“小吊舱装置”比“大吊舱装置”阻力小。

(2)压力波动与水动力特性试验

传统的推进系统,螺旋桨置于轴的后方。螺旋桨前方的轴和支架导致螺旋桨来流不均匀,来流对桨叶切面的攻角不稳定,使螺旋桨的水动力性能和噪声性能降低,螺旋桨的空泡性能恶化,推进效率降低。而在吊舱式推进系统中,螺旋桨前没有轴和支架,没有受到附体的干扰,来流规则而均匀,各方向上的速度分量均以一次谐波为主,高次谐波量很小。

对转桨吊舱式混合电力推进系统,吊舱的对转螺旋桨的压力波动,主要来自于前面的螺旋桨,压力波动水平低,压力波动范围在反旋转的吊舱式推进器的允许范围之内。

试验还表明,重新设计的船尾结构改进了推进器的水流,使后桨完全置于前桨的尾流之内,并免受前桨叶梢旋涡的影响,能较好地减少桨叶漩涡造成的能量损耗。

另外,1994年的纯吊舱推进装置(Azipod)试验,采用“幻想”号(Fantasy)姊妹船船模,两艘船分别安装了两台Azipod;每台的外形都根据实船精心设计;同时模拟原地转弯试验和Z形航行。试验证实,其总水动力效率还可提高5—7%;转向性能比常规的舵要好,全速时的转弯半径可减少30%左右。

(3)气蚀

螺旋桨运转时,产生的压力波动将导致更多的气穴穴蚀。

吊舱式混合电力推进系统配有的吊舱式推进装置,提高了螺旋桨发生空泡的临界速度,改善了螺旋桨的水动力和噪声性能,减少了螺旋桨的振动和空泡剥蚀,降低了附体阻力,提了高螺旋桨效率,同时使船舶航行更加安静。

3 吊舱式混合电力推进系统评估

    3.1安全

    (1)操纵性

吊舱式混合电力推进系统配有吊舱式推进装置,推进器可在360。水平范围内旋转,没有侧推器时转向性能也好于常规的舵装置,倒车性能和紧急停车性能好,提高了船舶的操纵性和机动性。全速时的转弯半径可减少30%左右,增加了面对恶劣天气时操作的安全性,还能缩短船舶离靠岸时间,对于运营于有密集船只的港口或狭窄限制水域中的旅游船,尤其重要。

(2)双套推进系统互补

吊舱式混合电力推进系统,由两套完全独立的推进系统组成,推进系统的冗余度高,任何一套推进系统的故障不会造成整船失去动力。实船检验证明,可靠性很高。

(3)应急能力

吊舱式混合电力推进系统没有舵装置,一般也省去艉侧推器,一旦吊舱式推进装置故障,船舶安全将受到威胁,但也只相当于传统机械推进的失舵。

    3.2环境保护

    (1)排放

研究分析表明,柴油机的氮氧化物排放,变速运行工况比恒速运行工况高得多。而吊舱式混合全电力推进系统正是通过发电站使柴油机始终在恒速工况和优化负荷点附近运行,废气排放将显著降低。

JAMB公司对一艘28000总吨滚装客运渡船的研究表明,在单轴推进装置的螺旋桨后面,加装一个螺旋桨反向旋转的吊舱式推进器来替代双轴双舵方案,同样以27.5kn航速营运,消耗功率可以降低10%~15%,氮氧化合物和硫氧化物的排放量也同比例降低。

    (2)减震与消噪

由于吊舱式混合电力推进系统配有的吊舱式对转推进装置: 该装置在水下而不在船内,没有减速齿轮箱,噪声和振动都非常小。 降低了位于船内的机械推进系统的功率,也就降低了噪声和振动。改善了螺旋桨的水动力和噪声性能,减少了螺旋桨的振动和空泡剥蚀,使船舶航行更加安静。这对于现代特别是豪华型游船非常重要。

    3.3经济

    (1)初投资

几种不同类型船舶的成本估算显示,不同类型船舶的成本比率相差不大,吊舱式推进器的机舱成本占总成本的20%左右。

吊舱式混合电力推进系统,配备吊舱式推进器增加的成本,占船舶总成本的比率,小吊舱式推进器和大吊舱式推进器分别是0.8%和1.3%。 若综合考虑以下因素,初投资可能更少,而其利用率更高:

    ①节省设备。

      建造吊舱式混合电力推进系统时,虽增加吊舱推进部分,却可省去如艉侧推器、舵机装置和舵系统等部分设备。

    ②节约舱容。

      吊舱式混合电力推进系统使用吊舱式推进器,船内推进装置减小,可提供的更大舱容,增加装载能力,满足装载的需要。或者在几乎不增加机舱空间的前提下,较大幅度提高总推进功率。

    ③缩短建造时间

采用吊舱式混合电力推进系统,因船内主机功率小,可以缩短船舶建造时间。

    ④付款滞后

吊舱式混合电力推进系统的吊舱式推进装置的模块化设计,使得该模块可在船舶建造基本完成前安装(必要时可在海上安装),即可在建造后期付款,从而减少资本的闲置费用。

    (2)燃油消耗

吊舱推进装置是一种潜水式方位推进器,吊舱的外形为流线体,流线形的吊舱可以抑制船尾波系,而在高速航行时,船尾波系通常占了总阻力的很大比例。

传统的单螺旋桨推进系统,螺旋桨尾流中涡动能量无法得到利用。

吊舱式推进装置的螺旋桨比常规螺旋桨要小,产生空泡现象的临界速度高。还可以将螺旋桨移到船舶边界层外侧,并使其处于稳态流中,具有很好的水动力特性,可以使水流的阻碍最小,改善空泡性能和提高螺旋桨效率。和传统的柴油机机械推进相比,可明显减少燃油消耗量。

ABB和AFI公司联合开发的新一代对转螺旋桨(CRP) Azipod,已在2004年安装在二艘大型日本渡轮(Shin Nihonkai)上,2台瓦锡兰(12V46C) 12600kW的Azipod代替了传统的发动机、桨轴、舵系。经航行一年验证,该装置大幅度提升了船舶的经济性,与传统的柴油机机械推进相比:能量利用率提高8%,推进效率提高了巧%,由对转螺旋桨提供的减少燃油消耗量大约为1096;与它的姊妹船相比,运营航速提高了1.0kn,平均1天可节约燃料最多达6.5吨,船舶周转时间减少了25%.

而对转螺旋桨推进系统中,后螺旋桨可利用前螺旋桨产生的涡流能量,再转化为有效的推进动力。研究表明,其节能效果可达10~20%。

根据假定的航行条件下的典型的48小时航行试验表明,“小吊舱装置”可减少燃油消耗量10%,“大吊舱装置”可以减少燃油消耗量大约7%。

    3)营运双革

吊舱式混合电力推进系统可以统筹全船性能,考虑船期,改善运行状态。在很大的航速范围内,燃油消耗率相对较低,航行营运经济最佳航速,从而节省了营运成本。

和传统的柴油机机械推进相比,吊舱式混合电力推进系统可取得明显经济效益。对于“小吊舱装置”每年可以节省成本106万欧元,占年总成本的7.0%;“大吊舱装置”可以相应节省成本70万欧元,占总成本的4.7%。机舱年相关成本计算结果如图5。

    (4)维修费用

模块化设计使得推进模块可在海上安装和拆卸推进模块,十分方便;可以潜水维修或从船舱内维修,而不必进干船坞,可节省坞修费用。

    3.4技术与管理

吊舱式混合电力推进系统与传统的推进系统相比,复杂的机械结构,给维护管理的轮机人员带来了相当的难度。

吊舱式对转螺旋桨,实现可靠的轴封难度较大。