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本文由蓝海星智库授权转载，作者：张义农 马晓晨 舰艇综合电力系统的最主要特征就是舰艇日用电和推进用电由同一个电网提供，日用电和推进用电可相互调配使用。综合电力系统已成为21世纪海军舰船的重大技术变革之一。目前综合电力系统已用于水面作战舰艇，未来还会在核潜艇上采用。采用综合电力系统，可以实现舰船的电气化，不仅会使舰船推进方式产生重大变化，更重要的是为一些新概念武器上舰铺平了道路。对美、英等国海军来说，水面战舰和核潜艇综合电力系统无疑是其未来动力系统最重要的发展方向。未来英、美等国海军会有多型采用综合电力系统的航空母舰、驱逐舰和核潜艇服役。 一、舰艇综合电力系统发展的意义 1、为装备新一代武器负载和设备负载提供可能 可比较容易地将高脉冲功率武器负载并入综合电力系统，可使大量的功率瞬间从推进负载转移至武器负载，而不会对舰的航行性能产生太大的影响，从而促进电磁炮、激光武器等先进武器装备上舰。
2、提高舰艇可承受性 综合电力系统统一协调分配日用电和推进用电，使各发电机组的原动机能以最佳油耗的工况运行，从而具有较好的经济性。美国海军估计运行费用可节约36～38%。同时也减少了发电机组装机数量以及推进减速齿轮装置和可调螺距螺旋桨等的采购费用。 3、提高舰艇性能 由于可不使用推进减速齿轮装置和可调螺距螺旋桨，轴系较短。因此，舰艇武器装备在布置上有更大的灵活性，同时也降低了舰艇的内部噪音，提高了舰艇的隐身性。未来如果采用吊舱推进系统，舰艇的推进性能和水动力特性将会有望得到进一步的改善。 二、舰艇综合电力系统的发展 舰艇综合电力系统发展到今天，大致可分为三个阶段：一是发展柴油机为主发电机组原动机的军辅船综合电力系统，二是发展燃气轮机为主发电机组原动机的水面作战舰艇综合电力系统，三是发展蒸汽轮机为主发电机组原动机的核潜艇综合电力系统。 1、军辅船综合电力推进系统 首先发展柴油机综合电力系统最主要的原因是技术难度低。辅船与战斗舰艇不同，要求的航速比较低，最高航速都在20节上下，因此，相应的推进功率也比较小，推进电机的推进功率也小。由于推进电机功率小，输配电系统就可采用低压输配电，综合电力系统实现起来就相对容易，因此，上世纪90年代中期发展的综合电力系统主要是采用柴油机为发电机组原动机的军辅船综合电力系统。如英海军2000年12月下水的“海神之子”级船坞登陆舰，该级舰是英海军首次采用柴油机综合电力系统的水面辅助舰船，采用2台柴油机，双轴推进，还设有低速的电力推进装置和首侧推装置，满载排水量为16981吨，最高航速18节。此外，还有2006年3月服役的法国“西北风”级两艘两栖直升机母舰，该舰采用4台5.2MW的柴油机，推进装置为2部7.5MW吊舱推进器，最大航速是19～20节。 2、大型水面作战舰艇综合电力系统 对于大型水面作战舰艇，为满足作战需求必须具有30节左右和以上的高航速。此外，还要装备大功率雷达和电磁炮等耗电量大的武器装备，因此，水面舰艇综合电力系统的功率需求远高于军辅船。为实现水面舰艇综合电力系统的高功率必须解决如下技术： （1）大功率燃气轮机 目前舰用柴油机在功率等级和功率密度上与舰用燃气轮机相比，存在比较大的差距，出于布置和功率等级的考虑，大型水面舰艇综合电力系统的发电机组的原动机只能采用大功率燃气轮机，否则根本无法布置。目前使用综合电力系统的大型水面舰艇主要是英海军CVF航母、45型驱逐舰和美海军DDG-1000级驱逐舰，它们发电机组的原动机均采用了大功率舰用燃气轮机。英海军45型驱逐舰采用两台WR-21中冷回热燃气轮机，功率各为21MW；CVF航母和DDG-1000级驱逐舰均采用两台MT-30燃气轮机，功率各为36.5MW。 MT-30燃气轮机 （2）大功率推进电机 大型水面作战舰艇综合电力系统的推进电机结构上需要非常紧凑，同时还要具有很高的功率密度。而常规推进电机由于体积、重量非常庞大，根本无法在舰上使用。只有通过研制先进感应推进电机、永磁推进电机和超导推进电机才能实现综合电力系统。英国45型驱逐舰采用2台单机功率为20MW的先进感应推进电机，美国DDG-1000级驱逐舰的首舰采用2台串接先进感应推进电机，每台功率36.5MW。 DRS公司为DDG 1000驱逐舰研制的36.5MW永磁电机 对于DDG-1000级驱逐舰的推进电机，美海军设想的最终目标是使用超导电机，因为超导电机具有功率密度高、部分负荷效率高、噪声低和维修工作量少等许多优良的特性。而现阶段主要瞄准永磁推进电机。但永磁推进电机在研制中出现了一些问题，至今仍未克服。不得已目前只好使用串接先进感应电机作应急。至于超导推进电机，则更属于未来的探讨，在相当时间内尚不可能实舰使用。 36.5MW高温超导推进电机概念示意图 （3）新型大功率电力电子变换器 电力电子变换器是水面舰艇综合电力系统最重要的主要设备之一。它是推进电机变流、调频、调速所必需的设备。水面舰船综合电力系统今天能够得到这样快速的发展，受到国外海军的高度重视，除其它相应的重要设备如推进电机等有重大的进展以外，其最主要的原因就是这些年来电力电子变换技术的进步，特别是半导体电力电子器件技术的划时代进展。 对水面战斗舰艇的大功率电力推进系统，采用低压推进系统是不合适的，比较恰当的做法是采用中、高压供电系统。中、高压电力系统较低压电力系统要求变换器的电力电子器件具有较高的耐压等级。目前中压大功率变换器所采用的电力电子器件按照容量及耐压情况由高到低，主要有可控硅晶闸管（SCR）、矩形脉冲断开闸流晶体管（GTO）、金属氧化物场效应晶闸管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、集成门极换向晶闸管（IGCT），以及反向传导门极断开换向晶闸管（RCGCT）等等。 （4）大功率保护电器 由于综合电力系统输配电的功率非常大，因此要实现综合电力系统就必须采用中、高压输配电。45型驱逐舰的主配电盘电压为中压4160V，DDG-1000级驱逐舰的主配电盘电压为高压13800V。而输配电电压越高，保护电器就越难分断。 目前真空断路器已有了很大进步，主要表现在同等级下体积不断缩小，价格有所降低。真空断路器是保护电器重要的发展方向。目前使用的真空断路器容量在7200～10000V、630～3150A等级，其额定分断能力一般能做到40000～50000A。 3、核潜艇综合电力系统 核潜艇采用综合电力系统是综合电力系统发展的下一目标。核潜艇采用电力推进后，可取消减速齿轮装置和缩短推进轴，为艇艉设计和布置提供灵活性，并可显著减少潜艇推进系统的噪声。 DARPA早在2004年就开展了“技术瓶颈”计划，就有一项技术是发展无轴推进技术。无轴推进的实质就是在“弗吉尼亚”级核潜艇上采用综合电力系统。美海军计划将“弗吉尼亚”级核潜艇的原来2台推进用的蒸汽轮机改为发电蒸汽轮机，原来的2台日用电蒸汽轮机发电机组保持不动。推进器采用2台艇外布置的轮缘推进器取代2台泵喷推进装置。目前，美海军正在“南达科他”号潜艇（SSN 790，预计2018年交付）上试验应用无轴推进技术，未来还将推广至“弗吉尼亚”级其他潜艇和新型“哥伦比亚”级战略核潜艇上。 核潜艇综合电力系统的功率等级要比水面作战舰艇综合电力系统低，因此，电力电子变换器和保护电器等技术实现起来要比水面作战舰艇容易。但由于核潜艇舱室空间有限，发展来用于水面舰艇的先进感应推进电机、永磁推进电机和超导推进电机很难在核潜艇上采用。因此，需要研制新型推进电机解决推进电机的布置和使用问题。因此，美海军通过研制新型轮缘推进器，以解决此问题。轮缘推进器由于在形状、结构上与常规推进器有所不同，其螺旋桨叶尖直接焊接在推进电机的环形转子上，推进电机使用永磁电机。基于轮缘推进器结构上的特殊性和工作特点，要解决如下技术问题： （1）环形永磁电机的优化设计 轮缘推进器结构上比较紧凑，同时还要具有较大的功率密度，因此就需要采用高扭矩密度的永磁环形电机。环形永磁电机与普通永磁电机在结构上和磁场设计上有很大不同，研制起来比较困难。 （2）电磁信号和声信号屏蔽设计 由于轮缘推进器的永磁电机直接裸露在海水中，存在很大的电磁辐射和声辐射，为解决核潜艇隐身问题，必须对电磁信号和声信号进行屏蔽。 （3）推进器外形设计 由于轮缘推进器是在艇外布置，因此，必须解决附体阻力问题。通过优化推进器外壳的几何形状和尺寸，使其具有良好的水动力学特性，并能与艇艉的水动力特性相协调。（蓝海星：张义农 马晓晨） |
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