電力推進科考船總體設計要點綜述

吳 剛

（708研究所，上海 200011）

0 引 言

20世紀90年代以來，隨著大功率交流電機變頻調速技術日臻完善，Z型推進器、吊艙推進器和電力推進元器件的設計制造技術日趨成熟，以及電力推進系統具有的布置靈活、操控自動可靠、噪聲振動低、符合環保趨勢并且容易滿足各種大容量用電需求等優點，該系統在船舶上的應用得到了迅速發展。在國外新建的郵輪、渡輪、破冰船、挖泥船、半潛船、科考船以及集裝箱船、油船、LNG船和滾裝船等各類船型中均得到推廣應用。國內由于電力推進系統的成套化和設計能力不足，幾乎都是采用西門子、ABB等公司的成套產品，而且主要應用在某些特種用途船上，尤其是科考船上。

708研究所最近幾年先后設計并成功交付了多型采用電力推進系統的船舶項目，如海監83、天然氣水合物綜合調查船(海洋六號)、12纜物探船(海洋石油720)以及最近剛交付使用的當前國內最先進的科考船—中科院“科學”號海洋綜合考察船，此外，708所作為國內聯合設計單位，正在積極參與并推進國家海洋局新建極地科學考察破冰船項目。這些科考船都采用電力推進系統，而且其電氣單元和推進單元均有各自的技術風格和應用特點。

1 系統組成及特點

電力推進系統的主要組成部件有原動機、發電機、主配電板、推進變壓器、變頻器以及推進電機（亦稱推進馬達）、推進器，如采用吊艙推進器，則推進電機包含在推進器自身模塊的水下艙體內。

1.1 電制

電力推進系統采用中高壓電制有利于減少推進電機尺寸和線路損耗，如總功率較大，一般選擇中壓或高壓系統，例如需要三維地震采集作業的12纜物探船，需要極地破冰作業的科考破冰船，采用6600V中壓系統；為降低成本，如總功率不高，采用690V低壓系統是較經濟的方案。如海監83、海洋六號、“科學”號等船采用的均是690V低壓系統。

1.2 推進電機

目前電力推進系統常用的推進電機有以下兩種：

1) 交流同步電機：多為永磁同步電機；

2) 交流異步電機：多為鼠籠式感應電機。

電機種類影響傳動形式繼而影響傳遞效率：同步電機適用于低速傳動，調速范圍一般在0~350r/min，可與螺旋槳直接相連；而鼠籠式感應電動機則用于中高速傳動，一般在 750~1200r/min，它與螺旋槳之間通常需經減速裝置連接，存在傳遞效率損失。

海監83和“科學”號均采用吊艙推進，推進電機為ABB永磁同步電機，推進電機與螺旋槳之間幾乎不存在傳遞損失；而“海洋六號”采用異步電機，與Z型推進器之間通過螺旋錐減速齒輪傳遞，有約5%的傳遞損失；“海洋石油720”采用鼠籠式異步電機，通過減速齒輪箱聯合驅動一對可調式導管槳，同樣存在約3%的傳遞損失。

1.3 推進器

在電力推進系統中，有軸槳推進、 Z型、L型傳動式推進、吊艙式推進等多種形式（見圖1）。目前吊艙式推進器因其噪聲振動水平低等優點已得到推廣使用，尤其是對噪聲振動要求較高的科考船。

推進器是電力推進系統中重要的組成部件。為在前期方案設計中更加準確地估算主要工況負荷和用電功率，有必要熟悉和掌握各種推進器的推進單元敞水效率、空泡性能以及推進器與船體之間的相互影響，尤其要注意有冰區加強后的影響。以上提到的“推進單元敞水效率”不單指螺旋槳葉輪的敞水效率，而是整個水下部分推進器的敞水效率 ηunitopenwater。在考慮推進單元敞水效率、船身效率Hη和相對旋轉效率rη后為總的推進效率dη：

圖1 電力推進系統常用推進形式

“海洋六號”尾部安裝兩臺肖特爾STP 1515的Z型推進器（CCS B3級冰區加強）（見圖2(a)），整個推進模塊總的推進效率dη預估為0.625[1]；“海監83”在國內首次成功采用了Compact Azipod吊艙推進器（CCS B級冰區加強）（見圖2(b)），整個吊艙裝置總的推進效率約為0.64[2]，以上總的推進效率考慮了推力減額、伴流分數和相對旋轉的影響。

圖2 Z型和吊艙推進器

2 總體設計要點

電力推進系統在快速發展的同時，已不僅僅局限于船舶電氣裝置這一單一范疇。與非電力推進船舶設計相比，電力推進系統設計在面臨大量新任務、新問題的同時，總體、輪機等專業的主動跟進和緊密配合已變得必不可少。

2.1 電站配置

采用電力推進系統的船舶，其電站配置是首先需要論證的技術難點，在方案論證時需綜合考慮：最大用電工況的總功率需求、各用電工況下的負荷平衡、航速特殊要求以及發電機備用、選型和油耗、電站初投資和未來功能擴展等諸多方面。

采用電力推進的科考船，除對航速或航渡時間有較高要求的船型外，一般決定電站總功率的最大用電工況為科考作業工況。尤其是新設計的科考船，均要求有動力定位能力，加大了科考作業工況的最大用電需求。除海監83外，其他幾條科考船最大用電工況或為ROV（纜控機器人）水下作業工況，或為地質取樣工況，或為三維地質作業工況。

電站總功率一旦確定，大小發電機的組成也是需要綜合論證的主要方面。例如，同樣的電站總功率，三大一小發電機組與兩大兩小發電機組對于不同工況的負荷匹配和經濟油耗等是需要綜合論證的。

2.2 效率流程計算

雖然目前的電器元件功耗在逐步降低，但電力推進系統在將原動機的機械能轉換成推進電機機械能的二次轉換過程中能量損失總是無法避免的。圖3是從原動機直至推進電機之間的效率流程圖。

圖3 從原動機直至推進電機之間的傳遞效率

從流程圖中可以了解，電力推進系統從發電機組輸出到推進電機輸出之間的電力系統傳遞效率為：

在電力平衡計算中，“電站通過配電板分配給推進器的輸出功率”與航速預估時得到的“推進器所需輸入功率”兩者之間存在傳遞過程中電力模塊的功率損失，需區別對待。圖4是某科考船采用吊艙推進的船舶電站分配功率的位置示意圖。

2.3 螺旋槳設計點和電機扭矩特性

25屆ITTC吊艙推進專家委員會針對吊艙推進的水動力試驗和預報規程明確提出將螺旋槳與水下艙體作為一個推進器單元處理的建議。相關方法和應用介紹已在文獻[3~5]中提及和介紹。在航速預估中應充分關注吊艙裸槳效率和吊艙單元效率的區別。圖5是“海洋六號”科考船采用的Z型推進在德國波茨坦進行的水下推進單元試驗照片[1]。

圖4 船舶電站分解功率示意

相關規范[6]規定，電力推進船舶的推進系統應有足夠的轉矩余量，以便船舶能在惡劣天氣下航行，或多螺旋槳船舶在轉向情況下電機不致失步，并確保電機在任何環境下可靠起動。因此，在核算最大營運航速時推進電機的輸出轉矩應留有一定的風浪裕度，需注意，一般的推進電機在轉速超過一定范圍后均會出現扭矩下降的現象，此高轉速區域屬于電動機的弱磁區。螺旋槳的航速設計點需盡可能遠離此區域。

2012年6月試航結束的“科學”號科考船最大航速和單機經濟航速均達到預定指標，各項工況的電站負荷分布合理，電力推進設計獲得圓滿成功。這些成果與合理選擇電站配置、準確把握螺旋槳設計點、充分考慮推進與電氣單元效率、吊艙與船身相互影響等關鍵要點是密不可分的。表1為電力推進船海監83、海洋六號等4艘船的實船數據對比。

表1 電力推進船實船數據對比表

圖5 肖特爾對Z型推進作敞水試驗

續 表 1

3 結 語

本文通過對幾艘實船配置的電力推進系統的不同特點比較，結合作者船型設計的工作經歷，闡述了使用電力推進系統的科考船的設計特點和需要注意的技術要點，為科考船在總體設計階段選用電力推進系統提供參考。

[1] SCHOTTEL. NGHRV STP1515 Updated Propulsion Prediction[Z]. 2006.

[2] ABB. SOA RESEARCH VESSEL Power Prediction[Z]. 2003.

[3] 王文濤，繆泉明，應良鎂. 吊艙推進船舶模型快速性試驗技術[A]. 第九屆全國水動力學學術會議暨第二十二屆全國水動力學研討會[C].

[4] 楊晨俊. 吊艙推進器模型試驗及性能預報的ITTC推薦規程[R].

[5] The Specialist Committee on Azimuthing Podded Propulison. Final Report and Recommendations to the 25th ITTC[A].Proc.25th ITTC,Vol.2, Fukuoka, Japan, 2008.

[6] CCS鋼制海船入級規范，電力推進船舶補充規定[S].