1、3.6.1 摆线推进器的结构原理图 摆线推进器的外形和安装图3.6.2 摆线推进器的基本原理 摆线推进器桨叶片（不考虑枢轴旋转）运动轨迹为摆线，通过操纵机构可以使圆盘上桨叶片在任何位置时都不产生升力（也就无推力）、或都产生升力（升力在船前进方向的分力为推力），也可以在船前进方向的分力为负推力，使船后退。推进器桨叶片的运动轨迹图 桨叶片在不同位置产生的升力图 3.6.3 摆线推进器的特点由于摆线推进器的盘面积大，是螺旋桨盘面积的2倍等原因，摆线推进器运行转速较低，其转速大约是相同尺寸和功率的螺旋桨的25。运行转速低了带来推进器的长寿命，尤其是轴承和密封装置有较长寿命。摆线推进器能发出任何方向的推
2、力。装有摆线推进器的船舶不用舵和全方位推进器，也不装侧推装置，具有优良的操纵性。装有摆线推进器的舰船运行机动性能好。摆线推进器采用无磁材料，可达到很低的磁性。桨叶垂直安装和绕垂直轴旋转，其效果实际上不受周围水流方向的影响，推进效率较高，在海上运行适应性强。机构复杂，造价高，重量大，功率小。摆线推进器具有良好的机动性3.6.4 摆线推进器用于摆线舵 利用摆线推进器具有产生不同方向推力的功能，为提高螺旋桨船的操纵性，特别在低工况下的操纵性，把摆线推进器用作螺旋桨推进船的舵，称为摆线舵。可用于研究船、赛艇、特殊船、海军舰船等多种船舶。摆线舵示意图 3.6.5 摆线推进器的应用实例瑞典landsort
3、级扫雷舰3.6.5 摆线推进器的应用实例韩国反水雷舰船瑞典landsort级扫雷舰美国海军扫雷舰船荷兰海军新型防空指挥护卫舰四、四、舰船综合电力推进系统发展趋势舰船综合电力推进系统发展趋势 4.1前言 综合电力推进系统是把舰船推进系统与电力系统融为一体，将全舰所需的能源以电力的形式集中提供，统一调度、分配和管理。主要由发配电、变电、推进、储能、监控等部分组成。舰艇电力推进的应用历史悠久，早在二战期间就曾流行一时。二战后，由于齿轮传动加工技术的提高及发动机技术的进步，而当时电力推进装置笨重、效率低、成本高等问题比较突出，使电力推进较少采用。时至今日，大部分水面舰船仍采用机械推进动力。进入二十世纪
4、八十年代之后，随着电力电子器件、高功率密度电机及其控制技术的发展，舰船综合电力推进系统在功率密度、效率、控制等方面更好地满足了舰船发展的需要，其应用范围不断扩大。2010年前将建造的美国14000吨(DDX)多用途驱逐舰、英国7200吨45型驱逐舰和英国60000吨航母等一批新型战舰都将采用综合电力推进系统。美国新世纪攻击型核潜艇“弗吉尼亚”级首艇2004年完工，2010年后建造的将采用综合电力推进系统。这样可进一步降低噪声，提高隐蔽性以及给艇内布置带来灵活性。4.1.1 舰船综合电力推进系统优点 综合电力推进系统把电力推进、高能武器、探测设备和日常用电综合为统一系统来考虑和设计。能够为舰船总
5、体设计、作战使用、施工建造、动力配置和选型，以及动力系统的使用管理等都带来最大的灵活性；能够降低舰船噪声，提高隐身性和作战能力；能够满足高能武器电力需求；能够降低动力装置全寿命周期费用。综合电力推进系统既能满足现代舰船对提高作战效能的要求，同时又能降低费用，各国海军高度重视，是新世纪舰船动力发展的重要方向。4.2 综合电力推进的应用对舰船发展影响 使舰船的舰型设计、总体布置更具灵活性，需研究新的设计准则和方法；电力推进系统各模块分别在各设备厂组装完毕，运到船厂进行模块化组装，要研究新的舰船施工建造方法；电力推进使舰船动力面貌发生根本性变化，对发电模块原动机的科研和选择、推进器的设计和选择；舰船
6、动力政策的制订、舰船动力结构的调整等都有重大影响；对舰船动力系统维修理念、维修方式、相关设施建设、使用管理、人员编制和培训都将产生重大影响。4.3 电力推进系统按应用方式分类 混合式电力推进混合式电力推进与英国23型护卫舰相似，联合使用机械推进与电力推进，推进用电与日用电是结合在一起的。综合电力推进综合电力推进推进用电和舰船日常用电共用一个电源，采用电力推进作为唯一的推进方式，英国45型驱逐舰、辅助油船和船坞登陆舰都属于这种形式。综合全电力推进综合全电力推进比综合电力推进概念更进一步，在综合电力推进的基础上使用先进的电力电子器件和储能装置，进一步提高性能，减小费用。电力舰电力舰在综合全电力推进
7、的基础上，使用更为先进的原动机，辅助机械实现广泛电气化。如果电力舰上采用高性能武器，一般称为电力战舰。4.4 综合电力推进是军事需求与技术推动的结果4.4.1 现代舰船武器系统和日用电对电能的需求日益提高4.4.2 技术进步促进了综合电力推进系统的发展4.4.1 现代舰船武器系统和日用电对电能的需求日益提高 目前舰船上携带燃料的80%的能量直接用于舰船机械推进，只有20%的能量用于发电，提供武器、辅机、生活等所需的电能。未来舰船新概念武器系统直接能量武器、探测设备和电子装置都要求舰船平台提供更大功率的电力保障。据报道，高能激光武器在战备时耗电130kW，工作时为390kW；中能级激光武器耗电大
8、约为100kW；电化学炮平均消耗电功率在17003500kW范围内，而对空作战时的峰值可达7000kW；大功率微波武器大约需要5000kW；电磁弹射器需平均功率10MW等等。这些武器在未来1020年内将逐步应用到舰艇上。高能武器上舰将大大改变平台的能量供需结构，平台设计应首先考虑武器系统的需求来统筹全舰的能源，把原动机全部用来发电，使更多的电能可供武器系统利用。目前与未来舰船电力需求比较图几型舰船新概念武器系统 以色列和美国合作研制的战术高能激光武器4.4.2 技术进步促进了综合电力推进系统的发展 电力电子器件的发展 高功率密度原动机、电机的发展 计算机及控制技术的发展4.5 综合电力推进系统
9、的组成 根据功能不同，可将组成综合电力推进系统的所有模块分成7种功能单元，即发电、配电、电力变换、能量储存、推进、平台负载管理和电力监控。不同的功能单元与不同类型的模块组相对应，在具体舰船综合电力推进系统结构中，被组合在4个分系统中，即发配电分系统、电力变换分系统、推进分系统、能量管理分系统。综合电力推进系统（IPS）的最大特点之一就是模块化。4.6 综合电力推进系统的主要先进技术与设备4.6.1 超导材料与超导技术4.6.2 发电机4.6.3 配电板4.6.4 变频器4.6.5 推进电动机4.6.6 储能装置4.6.7 其他设备(如变压器、限流器等)4.6.1 超导材料与超导技术 在过去的1
10、0多年中，高温超导得到快速发展，其运行简单，造价低，冷却系统有较高的效率，一些高温超导材料已达到产业化生产的水平。4.6.2 发电机 综合电力推进系统由于电站容量大，因而发电机功率较大，如与LM2500燃气轮机配套的发电机功率达到20MW。大功率发电机一般采用中压（3300V、4160V、6600V、11000V）系统。舰用发电机向高效、高功率密度发展，永磁与高温超导发电机是发展方向。永磁与高温超导发电机与传统发电机相比，具有质量轻，紧凑性好，效率和可靠性高的特点，高温超导发电机在维持电力系统稳定性方面极具优势。永磁与高温超导发电机在部分负荷工况时也具有较高的效率。美国超导公司研制出一种50M
11、W、3600r/min的高温超导发电机。通用电气公司也设计和开发了一台100MVA的高温超导发电机。美国超导公司2001年试制的3730kW高温超导同步发电机 4.6.3 配电板 配电板是实现电力系统保护和人对舰艇电力实施控制、分配、监测的部位。配电板的技术水平主要取决于二个方面：一是电器和电工测量仪表等配套设备的技术水平；二是配电板的设计、结构和制造工艺水平。配电板的设计发展趋势是由目前的集中式过渡到分布式。现代舰船综合电力推进系统一般采用中压系统。舰船中压配电板和中压断路器 4.6.4 变频器 变频器的作用是通过改变推进电动机的电压、频率来调节推进电动机的转速。按变频原理不同可分为脉宽调制
12、变频器（PWM）、循环变频器、同步变频器等类型，冷却方式可采用风冷或水冷。用于20MW先进感应电动机的舰用变频器4.6.5 推进电动机 对舰船推进电动机的要求：转矩大，体积小，重量轻，效率高，噪音小。推进电动机类型的选择与供电变频器的选择相关。有交流感应电动机（异步电动机）、同步电动机、永磁电动机和超导电动机等多种类型可选择。4.6.5.1 交流感应电动机 交流感应电动机简单、耐用、可靠、技术成熟。法国阿尔斯通（ALSTOM）公司的先进感应电动机水平最高，已被美国海军综合电力推进系统、英国海军45型驱逐舰主推进电机和电力舰技术演示样机选中（美国演示试验还选用永磁电机）。它在功率和转矩密度方面有
13、很大进展。先进感应电动机采用了具有高功率密度的一些新技术。主要有：电动机电磁优化设计技术，有效的冷却技术。20MW 180r/min先进感应电动机试验装置按照舰船冲击要求设计的先进感应电机 交流感应电动机4.6.5.2 同步电动机 同步电动机在电力推进舰船中使用普遍，是一种性能可靠的电动机。目前采用同步推进电动机的例子有英国船坞登陆舰“堡垒”号和“海神之子”号（双轴，每轴一台6MW电动机），以及美国海军的运输油船等。这些系统中使用的电动机和同步变换器技术成熟，但比基于先进感应电动机及脉宽调制变频器的推进系统要求占有的空间大、重量稍重些、费用也高。同步电动机4.6.5.3 永磁电动机 与传统绕组
14、式电动机相比，永磁电动机有很大优点：一是没有转子损失；二是使用永磁材料可以突破绕组式电机的常规限制，提高功率密度；三是永磁推进电机的重量可以减小30%，体积可以减小40%，减少建造、维护工时和费用等。在永磁电动机的早期研制中，各国都采用径向磁场结构，在减少电动机重量和体积方面都受到一定的限制。后来美国和法国研发了轴向磁通结构电动机，使电动机体积更小，重量更轻。英国进行了横向磁通电动机的研发工作，这比轴向永磁电机的性能有进一步的改善。4.6.5.3.1 径向磁通永磁推进电动机德国西门子潜艇用永磁电动机结构和外形图4.6.5.3.2 轴向磁通永磁推进电动机 美国和法国对这种电动机做了大量的研究工作
15、。早在1990年1月，美国卡曼公司与纽波特纽斯船厂共同研究25000hp永磁电动机。法国舰艇建造局和热蒙公司从1987年开始研制轴向永磁电机，首先制造了400kW，500r/min，25相的样机。1990到1996年期间，建造和试验1800kW（总重14t）舰用轴向永磁电动机的演示样机。在此基础上，1997年10月为智利海军研制艇用电动机。法国卖给智利的“蝎子”(鱿鱼)级潜艇，其推进用的轴向永磁电动机额定功率3.3MW，160r/min，电动机重35t。2001年7月进行电动机的出厂试验。试验表明，电动机可长期过载10%运行，包括辅机耗功在内电机系统效率为76%到93%，相应转速为32r/mi
16、n和160r/min。盘式轴向永磁电动机结构图 轴向磁通永磁电机基本结构图4.6.5.3.3 横向磁通永磁推进电动机 磁通方向与转子旋转方向垂直的电动机称为横向磁通电动机。横向磁通永磁电动机主要由英国罗罗公司国际研发中心和德国不伦瑞克理工大学共同开发。受英国国防部委托进行了20MW、180r/min电动机的研发工作。先设计制造了一台3MW样机，为研制用于未来护卫舰的1624MW横向磁通永磁电机作准备。由于英国45型驱逐舰采用了先进感应电动机，所以暂不考虑制造20MW的横向磁通永磁电机样机。横向磁通永磁电机是一种新结构布局的电动机，优化了磁通集中的原理，改进了电动机的电磁性能，提高了转矩密度。横
17、向磁通永磁电动机结构图 4.6.5.4 超导电动机 近年来，高温超导电动机技术发展迅速。美国超导公司宣布：世界上第一台735kW高温超导交流同步电动机试验成功。2002年7月美国超导公司又宣布3.7MW、1800r/min已完成研究开发和试制。2003年7月完成海试，费用800万美元。2003年3月，美国海军与美国超导公司签订了7000万美元合同，研制36.5MW船用交流同步高温超导电动机，研制时间规定为37个月，2006年上半年完成试制，预计大功率低速高扭矩舰用超导推进电机不久将会问世。随着低温技术的发展，超导技术将有更快的进步。至今世界上研发成功的功率最大的高温超导电动机 该高温超导电机，
18、功率3.7MW，1000r/min，电压6.6kV，磁场导线圈BSCCO-2223，工作温度为-405F，定子绕组由水冷却。外形尺寸：15941118mm，重量6804kg，效率97.7%。美国海军订购的舰用5MW高温超导同步电动机 5MW电动机外形图5MW电动机结构示意图 4.6.6 储能装置 储能装置对舰船电力系统而言可调节有功功率和无功功率；消除电网的低频功率振荡，改善电网的稳定性，提高电能质量；同时也为高能武器提供脉冲能量保证。能量贮存技术包括飞轮、电化学电池、可再生燃料电池、超导磁性能量贮存器以及大容量电容器等。超导电磁储能系统是利用超导材料制成的超导电感线圈，由交流电网经变流器转换
19、电能而向超导线圈供电，将能量（电磁能）储存在超导线圈中。在需要时可以将此能量经逆变器送回电网或作其它用途。超导储能的特点：一是转换效率高达95%；二是响应速度快；三是寿命长、维护方便和无污染 超导电磁储能系统实物图4.7 几种典型的综合电力推进系统方案4.7.1 美国DD（X）驱逐舰综合电力推进系统简图4.7.1 美国DD（X）驱逐舰综合电力推进系统 永磁电动机永磁电动机 DD（X）驱逐舰综合电力推进系统的推进电动机原方案为先进感应电动机，现又采用永磁电动机进行陆上试验，永磁电动机有更轻的重量、低工况更高的效率和运行噪声更低；试验用燃气轮机试验用燃气轮机 DD（X）驱逐舰综合电力推进系统采用2
20、台大功率燃气轮机MT30和2台小功率燃气轮机。陆上试验时的发电机组原动机采用MT30燃气轮机（原方案为WR-21）和小档功率RR公司的MT5和GE公司的LM500燃气轮机；发电机组的使用情况发电机组的使用情况 在大部分时间内使用两台小档功率燃气轮机，当航速超过27节时，使用大档燃气轮机，使运行机组较少。DD（X）驱逐舰综合电力推进系）驱逐舰综合电力推进系统试验装置统试验装置图综合电力推进系统陆上试验现场4.7.2 美国护卫舰综合电力推进系统 选择了两种布置方案：一种是交流推进汇流排系统，另一种是直流推进汇流排系统。采用二台WR21燃气轮机发电机组（拟改用MT30燃气轮机机发电机组），以及二台2
21、0MW的推进电机，均采用高压推进汇流排（6.6kV交流电或4kV直流电）。4.7.3 美国航空母舰综合电力推进系统方案航母空舰所需的发电机数量和推进功率都有增加。图示的推进方案是在每根轴上使用二台串接的20MW电动机。WR-21燃气轮机拟改用MT30燃气轮机。4.7.4 英国45型驱逐舰综合电力推进系统图4.7.5 民船吊舱综合电力推进系统 世界上最大的柴油机电力推进的游船“玛丽女王二世”客船排水量为150000t，主尺度：3454110m，最高航速30kn。动力采用CODAG柴燃联合综合全电力推进装置。由2台LM25000+燃气轮机、4台瓦特西拉柴油发电机组成。总功率118MW。4部吊舱推进
22、器，每部功率为21.5MW，重量为250t，4部中靠后的2部吊舱能360旋转，而靠前的2部不能旋转。装有3部3.2MW的首侧推器使船可以原地转向。五、常规潜艇五、常规潜艇AIP发展趋势发展趋势5.1 前言 常规动力潜艇具有吨位小、噪声低、机动性好、造价低（约为核潜艇1/51/4）、技术简单、没有核泄漏和退役后核废料处理问题等优点，但常规潜艇必须定期上浮充电，暴露率高，限制了常规潜艇的作战使用。针对常规潜艇暴露率高和水下一次续航力小的问题，世界各国都在寻求解决方法，其最佳途径是发展AIP潜艇。常规潜艇AIP动力是依靠潜艇内部所带的能源物质提供能量，不必用空气中的氧，因此潜艇不必上浮，故称不依赖空
23、气的动力。较成熟的AIP技术（按能量转换装置的不同）主要有：（1）燃料电池（FC）；（2）热气机（SE）；（3）闭式循环柴油机（CCD）；（4）闭式循环蒸汽轮机（MESMA）；（5）小核堆（AMPS）。5.1.1 潜艇AIP技术发展特点 一.应用更广泛，许多国家新造常规潜艇都在考虑装AIP装置；二.选择何种AIP已从多方案论证、研制，趋向某一方案重点应用研制，更多的国家选择燃料电池AIP方案；三.研制多采用国际合作的形式；四.目前以柴电和AIP混合动力为主，已开始提出燃料电池的单一型AIP动力潜艇；五.液氧应用技术成熟。氢源由金属储氢向甲醇制氢等重整制氢方向发展。5.2 热气机（也称斯特林发动
24、机）（1）工作原理：液态氧气化后与柴油混合燃烧，产生一定压力的高温燃气（一般为定压，23个大气压），通过热交换器将燃气的热量传给工质（一般为氦气），由工质推动发动机的活塞做功。热气机是外燃机。（2）特点：振动噪声比柴油机小；工作状态与潜艇深度无关（200米内）;结合了柴油机和燃气轮机的部分特点，制造难度大、造价高（瑞典75kW机组，每台300万美元），没有民用市场作依托；（3）国外使用情况：瑞典已交付海军三艘SE/AIP潜艇（唯一正式交付海军使用的SE/AIP潜艇）。韩国从瑞典购买一套热气机装置作评估试验。日本2002年进行热气机AIP装艇试验。已计划建造1艘AIP潜艇。5.2.1 瑞典热气机
25、外形结构图5.2.2 装热气机的瑞典“哥特兰”（A-19）级潜艇5.2.3 日本“朝潮”号潜艇改装热气机的布置图5.3 闭式循环柴油机（CCD/AIP）（1）工作原理：液态氧气化后与柴油机排出的部分废气（清除相当数量二氧化碳后的气体）混合，送到柴油机气缸内燃烧，形成闭式循环，燃气直接做功。是内燃机。（2）特点：单机功率大；大部分零部件与一般柴油机相同（据德国MTU公司介绍，闭式循环柴油机可以通过对普通柴油机进行改装来实现）；振动噪声较大；对外排气需要一套比较复杂的辅助装置（水管理系统）；（3）国外使用情况：荷兰和德国已完成第三代闭式循环柴油机的装艇试验，正在发展第四代。荷兰“海鳝”级潜艇曾有采
26、用第三代闭式循环柴油机的方案。5.3.1 闭式循环柴油机系统的组成5.3.2 闭式循环柴油机在德国“U1”潜艇上布置和安装的部件图5.4 闭式循环蒸汽轮机（MESMA/AIP）5.4.2 安装闭式循环蒸汽轮机的“阿戈斯塔”90B级潜艇“汉札”号 “汉札”号潜艇是巴基斯坦海军引进法国技术建造的第3艘艇，水面排水量1570吨，水下排水量1960t，艇长76m，吃水5m，最大航速20kn，潜深300m以上。“汉札”号使用MESMA/AIP后水下连续航行时间超过17天，将在2006年入役。还将对该级前两艘进行加装闭式循环蒸汽轮机的改装。5.4.3 法国“天蝎座”（鮋鱼）级潜艇 该潜艇由法国和西班牙联合
27、研制，水面排水量1550t，水下排水量1700t，长66.4m，宽6.2m，自持力50天，水下航速20kn（2h），续航力78000海里。推进系统装有1台永磁推进电机、1部螺旋桨、柴油机发电机组、2台MESAM AIP系统。5.5 潜艇用质子交换膜燃料电池（PEMFC/AIP）特点：无回转机械，信号特征小，隐身性好，反应物是水；效率高（60%）、功率密度大；电堆单元组合方便；有民用开发和应用市场作依托；在潜艇内除液态氧外，还必须要有氢源（金属储氢或其它氢化物制氢）。国外使用情况：德国在1993年研制出单块功率34kW的质子交换膜燃料电池，装在212型潜艇上（共采用9块，300kW）。212潜艇
28、1997年开工，已于2004年3月正式交付德国海军；同时研制单块功率为120kW的质子交换膜燃料电池，计划装在214型潜艇上。意大利、希腊、土耳其、美国也拟向或已向德国订购了燃料电池潜艇。据称韩国可能计划向德国采购6艘214级AIP潜艇。燃料电池是常规潜艇AIP的发展方向。5.5.1 PEMFC的基本结构 燃料电池的基本结构主要由四部分组成，即阳极（氢电极）、阴极（氧电极）、电解质（质子交换膜）和外部电路。通常，阳极和阴极上都含有一定量的催化剂。5.5.2潜艇PEMFC/AIP系统组成 电池本体（电堆）氢源（金属储氢和甲醇制氢等）及其循环系统 氧源（一般潜用液氧）及其循环系统 水/热管理系统
29、控制系统 5.5.3 德国212艇PEMFC系统示意图5.5.4 德国212艇液氧罐和金属储氢装置5.5.5 德国209级潜艇改装前后性能对比项项 目目改装前改装前改装后改装后总长度（m）54.761.2水面排水量（t3）12001420燃油量（t）10092载氢量（t）1.7载氧量（t）14柴油发电机组4MTU4404MTU440燃料电池6个PEMFC单元蓄电池H45P513EWH45P513K水下4.5kn时节续航力（海里）蓄电池燃料电池系统共计系数3703701390125016404.434.5kn时总续航力（海里）柴-电系统燃料电池系统总计系数1213012130198301250110800.915.5.6 德国潜艇用34kW、120kW燃料电池模块图 5.5.7 德国212、214潜艇剖面示意图5.5.8 PEMFC/AIP系统在艇上布置示意图5.5.8 PEMFC/AIP系统在艇上布置示意图5.5.9 德国209潜艇加装燃料电池AIP舱段和加装热气机AIP舱段的布置图5.5.10 俄罗斯“阿穆尔”级FC/AIP潜艇谢 谢!
