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      【獨家】全電力艦的概念和現狀

      來源:本站作者:噴霧器 日期:2020-03-24 09:25 瀏覽:

        在對海軍艦船的推進系統進行選擇時,理想的推進系統應能夠在功率、效率和靈活性中有所均衡,避免因設備的添置和維護引起過高的成本。面對有限的經費預算和增長的燃油經濟性需求,為了在日益濃厚的節能經濟的氛圍中具有競爭力,我們需努力優化艦船的電站設計。1海上主導地位

        當今世界上,許多民用和軍用船舶使用機械推進系統。艦船原動機產生最高效的較高轉速,通過剛性軸傳導到一套減速齒輪,將較高轉速轉換為更適合于艦船螺旋槳的較低轉速。具有多種螺旋槳的艦船因而具有多種發動機、減速齒輪和配套軸系。

        與之不同的是,在電力推進系統中,發電機將其最佳高速的旋轉轉換為電能。電能通過高壓匯流排輸送至艦船艉部的電機控制設備,該控制設備調制其電壓和頻率,驅動艦上電機在所需轉速下正常工作。電機將電能傳遞給一定轉速的螺旋槳。具有多種螺旋槳的艦船則需多種電動機和電動機驅動設備。

        海軍研究局(ONR)投資了海上噴水推進先進電力艦試驗艦(AESD)(圖中為該艦在Pend Oreille湖上),對全電力推進系統和噴水推進系統的使用進行驗證。由羅·羅公司設計的AWJ-21,使用了水下噴水釋放系統,被證明能夠提高推進效率,減少聲信號,并比之前的驅逐艦型設計方案提高了操縱靈活性。源自海上噴射試驗艦的技術將集成到“朱姆沃爾特”級(DDG 1000)驅逐艦上

        2綜合電力推進概念的進展

        用于向船上各類電力負荷提供電能。比如,美國海軍“阿利·伯克”級驅逐艦,其一套發電機系統包含了4臺通用公司LM2500-30燃氣輪機,每臺27 000 shp(20 MW),連接于2個軸上,每軸驅動1個5渦輪葉片可調槳,總共輸出推進功率108 000 shp。另一套發動機系統包含3臺較小型的LM500燃氣輪機,提供4.5 MW的船舶電力。

        在機械推進的艦船中,推進發動機的輸出功率一般為艦船總共產生功率容量的60%~75%。這些能量僅用于艦船推進,即便是在艦船停泊、錨泊或者低速航行的狀態下,也不能作其他任何非推進的用途。

        與之不同的是,電力推進系統的設計中,一套發動機系統可以產生共用的電能,既可以供給艦船的推進,又可以供給非推進的電力負荷。這種系統被稱作綜合電力推進(IED)系統,或者稱作綜合電力系統(IPS)。

        在綜合電力推進的艦船中,發動機和發電機產生的電能通過匯流排和電纜輸送至主配電板,將電能按照推進需求轉換為高壓,并按艦船其他電力負載的需求轉換為中壓和低壓。

        在綜合電力推進系統中,艦船高速航行時所需的大容量的功率在需要的情況下,可用于其他用途。即便是在艦船高速航行當中,功率也能及時地從推進系統轉移到需要瞬時高功率的非推進系統,而無需大幅地降低航速。

        電力推進基于強大的電力技術和工業的優勢基礎,在降低軍用艦船壽期內的成本,提高艦船隱蔽性、有效負載、生命力和非推進負載可用功率方面,為軍用戰艦提供了顯著的預期利益。其潛在的劣勢在于增加了短期成本,增加了技術風險,提高了系統復雜度,以及降低了滿功率情況下的效率。由于現階段缺少精確、系統的電力推進成本和收益估算,使決策者難以為采用電力推進作出不同技術方案的評估。

        電力推進發展過程中的一部分風險已由于電力推進技術在商船上的成功應用而得以化解。IED概念早期是在使用柴油機作為原動機和商用現貨推進系統的供給船上得到采用?;始液\娸o助艦隊的“波浪”級油船和美國海軍“劉易斯和克拉克”級干貨船是最好的例子。

        英國皇家輔助艦隊的2艘“波浪”級大型艦隊油船參加了加勒比海緝毒和颶風營救行動以及非洲之角附近的打擊海盜活動

        馬可尼海事與維氏造船工程有限公司(Marconi Marine VSEL)1997年簽訂了“波浪”級艦船的建造合同。第1艘HMS“波浪騎士”(A 389)于1998年開始在維氏公司巴洛船廠開始建造,于2000年下水。隨著1999年對馬可尼電子系統及其馬可尼海洋子公司的收購,英國航空公司成為英國BAE系統公司。BAE系統公司現在擁有維氏克萊德河上的巴洛和戈萬船廠。2000年,BAE系統公司將第2艘HMS“波浪統治者”(A 390)的建造移交給了戈萬船廠,該船于2001年下水。2艘艦均在2003年服役。

        每艘艦安裝了4臺瓦錫蘭12 V 32E/GECLM柴油發電機組,共25 514 hp(18.76 MW),以及配有Cegelec變頻器的2臺GEC Alstom電機,共19 040 hp(14 MW)。其推進器是18 t的電力Kamewa船艏推力器和12 t的電力船艉推力器,均由Cegelec變頻器和電動機驅動。裝船后,其額定航速是18 kn(33 km/h),15 kn(28 km/h),10 000 n mile續航力較合適于其工作。

        “劉易斯和克拉克”T-AKE級補給艦是干貨/彈藥船,總共14艘。這些T-AKE補給艦長時間在海上獨立工作,供給正在使用中的裝備,保障海軍更長的作戰能力。這些補給艦不論在港口或是在海上,都提升了物流供給,并能轉運武器彈藥、食品、修理備件和消耗品等貨物到海上留守船或者其他的海上戰艦。T-AKE補給艦替代了已服役多年并將要結束服役的T-AE彈藥船和T-AFS戰斗儲備船。

        2008年2月,美國海軍給予了第11艘T-AKE級補給艦1億美元的長期投產物資(LLTM)合同。4個月后,美國海軍為第11艘T-AKE級補給艦提供了1億美元的LLTM基金。2008年11月,美國海軍又給予了通用電力公司下屬的國家鋼鐵與造船公司(NASSCO)9.4億美元的合同,全面投入第11、12艘T-AKE級補給艦,以及第13、14艘的LLTM基金。2010年2月,NASSCO又接到了8.25億美元的全面投入第13、14艘T-AKE級補給艦的合同。

        T-AKE級補給艦是美海軍標準規模的全電力推進船舶,裝配柴油發電機組用于推進或內部系統。電力推進的應用使得在戰損情況下,有了更多的能量冗余。并且取消了推進軸和減速齒輪箱,對船的內部空間非常有益,使其成為不易被聲吶設備探測到的安靜的艦船。船上裝備的4臺Fairbanks Morse/MAN B&W 9 L和8 L 48/60柴油發電機組,能夠為全艦提供35.7 MW的電力,而相比之下,“阿利·伯克”級(DDG 51)宙斯盾導彈驅逐艦僅有7.5 MW電力供給內部機械設備和作戰系統。

        3燃氣輪機相對于柴油機的優勢

        對戰斗艦艇來說,燃氣輪機特性使它們與柴油機相比有了某些方面的優勢。第1點優勢就是燃氣輪機具有相當高的功率密度。一般來說,同等功率容量下,汽輪機的體積是柴油機的1/3~1/5,是蒸汽輪機的1/5~1/10。這是因為燃氣輪機本身是一種連續旋轉的緊湊型結構。燃氣輪機的小體積和高功率使之十分適合航速要求高的小型船舶。

        燃氣輪機第2點優勢就是啟動速度快。盡管燃氣輪機的轉速是3種功率系統中最高的,由于轉子很輕,只需要1~2 min就可以達到最高轉速。蒸汽輪機響應較慢,要達到最大的輸出功率可能需要1 h。啟動速度的升速和降速性能對戰斗任務中作戰艦艇有直接的影響。

        燃氣輪機第3點優勢就是其低頻噪聲成分非常低。由于燃氣輪機自身運轉在高速,它產生更多的高音尖嘯噪聲。而往復活塞式發動機會產生大量的低頻機械振動和噪聲,而致使被敵方聲吶系統輕易地探測到。因此,柴油機對于反潛型戰斗艦艇特別不適合。艦船推進系統和日用負載采用共用的功率系統的優點,能夠優化商船的總體布置,節省10%~25%的運行成本。對戰斗艦艇而言,減少有限的設備采購成本和運行成本可能使系統燃油經濟性上達不到最優,然而這些節省的開支卻可以足夠為一級艦艇多支付一艘船。

        4對未來短期的展望

        現在許多類似的船都設計成具備冗余的能量以應對應急技術。核動力的USS“福特”號(CVN 78)和HMS“伊麗莎白女王”號航母都具有電磁彈射系統(EMALS),用于替代航空母艦上現有的蒸汽彈射。由通用原子公司(GeneralAtomics)開發的EMALS使用線性電動機取代傳統的蒸汽活塞,實現艦載飛機的彈射。相比蒸汽動力的彈射,這種技術由于可以逐步地為飛機加速到起飛速度,而減少了機身的壓力。除此之外的優勢還包括,降低了系統的重量和維護的成本,相比蒸汽彈射,能夠彈射重型和輕型的飛機,而且對淡水需求量減少,減少了海水淡化的需求。

        通用原子公司也提供了先進制動系統(AAG)的方案,其具有在飛機恢復狀態降速時,能夠取代現用的液壓系統的電動機系統,能夠改進和進一步適合于海軍航空母艦。AAG能夠在更廣的范圍內阻攔各類飛機,減少了人力投入和維護,并具有更高的可靠性和安全裕量。通用原子公司的設計使用旋轉的發動機取代了機械液壓系統,采用了簡單的、經過驗證的能量吸收型的與大感應電動機聯接的水力渦輪機,為飛機阻攔提供了很好的控制。

        另一個適合于未來全電力艦的理想應急系統包括軌道炮、自由電子激光和動力裝甲。電磁炮由一對并列的軌道和由電流產生的電磁效應加速的滑動線圈組成。通用原子公司正在為將先進電磁彈射技術帶入到美國國防部門的幾個重要領域而積極工作。該公司目前正在支持先進脈沖能量、發射器和彈射技術的開發,作為ONR軌道炮的創新海軍樣機計劃。通過ONR計劃的努力和通用原子公司內部資金支持的Blitzer軌道炮計劃,電磁軌道炮技術在近6年迅速地成熟起來。

        美國海軍最近給予波音公司總價值1.63億美元的合同,用于自由電子激光技術,并集成為一個100 kW的武器系統,海軍希望該系統不僅能用于毀滅目標,也能夠用于艦上通信、跟蹤和探測,以更高的精確性來使用這種能源的應用范圍中的一小部分。

        電磁裝甲(動力裝甲防護系統DAPS)的概念在CVN-21航空母艦上提出。DAPS的基礎技術并不復雜。水線以上的區域需要有由小空間的空氣間隔開的2層薄裝甲。這2層裝甲應充電,當裝甲被有形的電荷載體(理想的是巡航導彈頭)撞擊時,由有形電荷載體離開所形成的超熱的等離子體噴射流,會被2層裝甲結合起來時形成的電磁場打斷。

       ?。ㄗg自SCHMALZER B. All-electric ship-concepts andrealities. Naval Forces, 2013(2):32-35.作者BillSchmalzer是一名高級能源系統/渦輪機分析師,服役于美國海軍,自1982年開始從事電站的操作和維護工作,曾任“弗林特”號輪機艙主管。)

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