可360度水平旋轉:神奇的艦艇吊艙電力推進系統

海軍 能源 通用動力 西門子 諍聞軍事 2017-05-05

吊艙推進器主要由內置驅動電機、螺旋槳、水平轉動機構、以及冷卻裝置組成,推進電機直接與螺旋槳相連,組成了獨立的推進模塊,置於船艉下方舷外的吊艙內,可實現360°的水平旋轉。由於吊艙推進裝置具有體積小、重量輕、效率高、建造週期短、拆裝方便、初始投資成本和維護費用低等優點,很多艦艇採用了吊艙電力推進系統。經過二十幾年的發展,吊艙推進器產品已逐漸成熟,典型公司包括芬蘭ABB、德國西門子、法國科孚德(現己被美國通用電氣收購)、德國SAM電子等,推出了不同形式的吊艙推進系統。

世界上研究較多的吊艙推進器產品有Azipod、SSP、Mermaid和Dolphin,這四種吊艙推進裝置基本概念相同,不同點主要在水動力設計、螺旋槳配置、電機選擇及變頻器系統等方面。其它典型產品還有德國肖特爾的SEP和SCD、日本川崎重工的Podpeller、西班牙英赫特安船舶的PODPISCIS等。此外,例如美國通用電氣還研發了Inovdis泵噴吊艙推進器,通用動力公司電船分部發展了輪緣驅動吊艙推進器(RDP,Rim Drive Propulsor),荷蘭維哈阿爾•歐米前公司發展了加齒輪吊艙推進器V-POD等。

可360度水平旋轉:神奇的艦艇吊艙電力推進系統

吊艙推進器由推進模塊和轉向模塊組成。推進模塊包括吊艙殼體、螺旋槳、密封裝置(軸承與電機、吊艙殼體與外界海水之間)、接地裝置、剎車制動裝置、軸承、螺旋槳軸、電機和變頻器、汙水系統等。轉向模塊包括轉舵機構、滑環、氣液旋轉接頭、冷卻系統等故吊艙推進器的研究涉及機械、電子、液壓、水動力學、自動控制等學科。

吊艙推進器的關鍵技術一般集中在兩個方面,分別是系統可靠性和水動力特性,可靠性問題本質上為電氣問題和機械問題,水動力特性問題是指船體、支承、吊艙室及螺旋槳在水流中的相互作用。

吊艙推進器的電氣問題體現在兩個方面,一是迴轉滑環上的電力傳輸,旋轉接頭上的電力傳輸部件需保證無故障運行,將最大能量傳送到吊艙電機。二是電機的能量密度。受吊艙尺寸限制,電機功率一般不大,難以在大中型水面艦艇上廣泛應用^吊艙推進器的機械問題在於軸承和密封故障和振動,主要故障是推力軸承、螺旋槳軸承及其密封。

水動力特性相關的問題包括螺旋槳、支承和吊艙室設計和使用,在一定程度上受到電機設計和尺寸及吊艙運轉方式的影響,需靈活設計。

可360度水平旋轉:神奇的艦艇吊艙電力推進系統

推進電機是吊艙推進器的核心。推進電機的定子一般是雙繞組設計,即使一套繞組發生故障,另一套繞組可獨立提供50%推進功率,從而提高系統可靠性。吊艙推進器主推進電機置於水下密封的吊艙內,其體積、重量和通風等為響應的關鍵技術,目前大部分吊艙推進器採用永磁同步電機。永磁電機尺寸更小,轉子不需要設置額外勵磁機構,可直接用殼體周圍的海水對電機進行冷卻。

推進電機控制則主要有矢量控制和直接轉矩控制。其中,直接轉矩控制技術摒棄了矢量控制中電流解耦控制思想,省去了矢量控制複雜的座標變換與電機數學模型的簡化,沒有通常的PWM脈寬調製信號發生器,結構簡單。針對直接轉矩控制的問題,大量研究了模糊控制、神經網絡控制、自適應控制、滑模變結構、小波分析等控制,以及交叉混合控制。

吊艙推進器永磁電機的關鍵技術在於電機起動/低速時的控制問題等。除永磁電機外,美、日、韓等國還研究了吊艙用高溫超導同步電機,降低電機尺寸並提高效率和功率輸出。日本住友電機、福井大學、石川島播磨重工公司等聯合研製了世界上第一臺液氮冷卻的高溫超導電機用於吊艙推進器,並認為軸向氣隙結構適合高溫超導電機。

吊艙密封是影響整個推進器穩定性和可靠性的關鍵因素。吊艙推進器轉向模塊有高壓螺旋槳軸密封裝置、主動緊急密封裝置、監控系統;推進模塊有電機與軸承密封系統、緊急密封系統、艙底水泵系統、電機與軸承密封系統的報警和監控傳感器。電機推力軸承軸封是吊艙密封中的關鍵因素。通常在電機兩端分別佈置兩道密封,密封環材料特殊,軸套接觸面間塗專用油漆,減小摩擦,確保密封效果;同時密封腔內空氣壓力稍大於水壓,利用壓差來保證密封性能。另一方面,一旦水從密封處洩露,後面設有排汙艙,汙水聚集到一定程度能由泵自動排出,同時裝有汙水高位報警。Azipod吊艙軸系的滾柱軸承(推力軸承和螺旋槳軸承)一部分充滿了潤滑油,且油池由強制循環油潤滑。軸封子系統由螺旋槳軸系、推力軸承、及螺旋槳軸承的密封組成,密封油箱、自動送料槽和空氣控制單元也包含在軸封子系統中。

可360度水平旋轉:神奇的艦艇吊艙電力推進系統

轉向模塊用以實現無限制的方位操作等功能。例如西門子公司SSP吊艙的轉向模塊由一個用法蘭固定在船體結構上的船用鋼錐形支架組成,包括滑環、電動-液壓(互為備份)迴轉操縱裝置等。

冷卻系統是吊艙推進器的重要構成部分,電機散熱不充分容易引起吊艙事故。冷卻系統將冷卻空氣從電機的兩端進入電機,然後從電機的中間流出。通常吊艙推進器的冷卻系統包括:風機、冷卻器、空氣過濾裝置(濾去水分和灰塵)。當推進器推進功率小於5MW,並釆用永磁電機的吊艙推進器時,一般不設置空氣冷卻系統,而直接用殼體周圍海水對其進行冷卻。

目前各國海軍都在積極研發吊艙推進器,但尚未有主力戰艦採用。主要原因是吊艙中的電磁輻射和振動難以抑制,聲學和電磁特徵信號較大,隱身特性較差,容易成為水中兵器探測、攻擊的目標。國外海軍和公司研製的新型吊艙推進器主要包括輪緣驅動吊艙和加齒輪的吊艙。在未來新型艦船的研製和論證過程中,新型吊艙推進方式將在電動力魚雷、無人潛航器、自航水雷、無人運載器、水下運載器等武器和平臺、潛艇和艦船的推進上都擁有廣闊的應用前景。

相關推薦

推薦中...