整合式电力推进

由美国海军在上个世纪90年代提出的新兴舰船动力方式

整合式电力推进(英语:Integrated electric propulsion,IEP)是由美国海军在上个世纪90年代提出的新兴舰船动力方式。

发展沿革
传统的船舰动力系统中,通常由一套功率最大的主机,通过直接机械耦合来驱动推进器,另外再设置独立的发电机组来供应舰上所需的电力。一般而言,船舰推进系统的功率远高于发电机组,然而在实际运作时,船舰推进系统全功率满载的情况不多,导致许多能量遭到浪费;而舰上的各项吃电设备则无时无刻都需要电力供应,导致发电机组经常处于满载,有时甚至会发生供电吃紧、部分系统无法获得足够功率的状况,空调是其中常见的例子。根据研究显示,船舰推进机组与发电机组的总功率比为8~9:1,然而年度燃料消耗比例却降为2~3:1,显示两者之间的操作负载失衡。
在1994年,美国海军提出一项名“整合动力系统”(Integrated electric propulsion,IEP)的概念,这是“海军先进船舰轮机计划”(Advanced Ship Machinery Program,ASMP)的其中一个项目。在IPS系统中,主机的动力全部先通过发电机转成电力,再通过配电设施来供应船上一切的次系统;而在IPS架构下的推进系统,就是用来带动推进器的电动马达,算是系统之中的一个吃电负载,不再由主机通过传动齿轮来直接带动。由于电力管理分配技术的大幅进步,整合电力推进系统之下,主发电机所产生的交流电力可直接通过管理系统经过变压而任意分配给所有不同的负载,而不是过去的单独供应或转换成直流的方式。
为了精确调控全舰所有的电力,满足船舰上各式各样性质不同、电压各异的负载, 整合电力推进需要一套精密复杂、由电脑控制的功率管理系统(Power Management System,PMS),其主要的控制功能包括对各项装备进行控制、监视与保护,例如控制马达的启动/调速/反转、防止电机与马达过载、监测各装备的运转数据(包括电压、电流、频率、温度、压力等);而PMS则根据船舰各系统不同的运转情况与负载需求,在电脑的运算下进行电力分配。万一部份供电系统发生故障,PMS还需自动采取应变措施,由其他可工作的输配电网路尽快恢复船舰供电运转。
概念特点
通过现代化电脑配电输配电控制系统的控制,整合电力推进系统能随时任意调整船舰上所有系统的功率分配;例如某时刻,某些系统不需要全功率运作,便可关闭部分主机或者将动力移转至其他系统。藉由精确调控电力负载,配备整合电力推进系统的船舰能将发动机控制在最佳燃油速率(fuel-efficient speed)下运作;根据美国国会研究处(Congressional Research Service)的一份报告,美国海军若采用整合电力推进系统,能比传统机械系统节省10~25%的燃油消耗,以及降低15~19%的后勤维修成本。采用全电力系统之后,以往船舰上空调功率不足的情况就不再重演,电子系统也可以获得较强的功率;此外,对于需要瞬间高功率输出乃至高能量密度脉冲电源的装备,如电磁炮、雷射炮等等, 整合电力系统也提供了更为良好的设置条件,能在无须大幅改变平常用电的情况下,满足这类大功率新系统的需求。电力产生/调控/输配送等系统也能轻易设计成模块化,使舰队不同功能、吨位的各型船舰能采用相同系列的模组,使后勤组件与系统标准得以尽量统一,不像过去每设计一种船舰、往往就要重新设计一套推进传动与电力供应系统。
整合电力推进系统可大幅简化整体轮机的结构,它以电缆传递能量,取代了传统系统复杂庞大的齿轮、轴系、液压管路等等,可节省许多体积重量,多出的空间便可用于增加燃油、武器筹载量或人员居住空间;而电缆贯穿舱间的设计也远比机械与液压管路简单,可简化船舶的设计与建造工作。此外,主机的安置也比以往更自由且更紧致,不一定要如同以往设于舰底;例如可将主机放置于烟囱下方,使得维修拆换更加容易,也可减低传至水中的噪讯。传统推进系统由于笨重庞大、限制繁多,会相当程度地船舶的设计构型;而采用整合电力系统后,船舶更能依照流体力学设计进行最佳化,理论上可节省10%的推进功率需求。省去大批复杂机械后, 整合电力推进系统的购置与维修成本、故障率、系统复杂度等皆可大幅降低(因为电动马达的可靠性极佳,探钻油井或邮轮上的大型马达,输出数千马力、上万小时不需维修的例子可谓稀松平常),噪音与震动亦大幅减少。而全电力系统依赖高度自动化数位功率控制系统,也可降低全舰配置的人力需求,有助于降低船舰服役期间的整体成本。
再者,整合电力推进系统使得船舰不必拘泥于传统的“螺旋桨─船舵”动力与方向控制配置,而可以采用新型的囊荚式推进器(Podded Propulsor)。囊荚式推进器乃将电动机与螺旋桨的组合安装在一个荚舱里,并将此一荚舱以一旋转基座“悬吊”在船尾,而舰体只需要提供荚舱内电动机所需的电力即可。要改变船舰行进方向时,就转动囊荚推进器以改变推进方向。传统的船舵依靠舵效应来改变船只行进方向,然而舵效应必须在一定的水流速度下才能生效,而且势必产生延迟与较大的能量损耗;如果能让推力来源转向,直接靠着反作用力的方向来决定船只航向,便能免除传统舵面的种种问题,大幅增加操控的灵活度,使船舰的回转半径大幅缩小,甚至可能实现原地回转。取消船舵、大轴也利于降低阻力,而且囊荚推进器的外壳可根据流体力学进行优化设计,能有效减少阻力与噪音振动。根据美国国会研究处的研究报告,全电力推进船舰若搭配囊荚式推进器,可进一步节省4~15%的操作成本。生存性方面,以往贯穿舰体舱间直通舱外的大轴,往往是舰体水密性的致命弱点,而囊荚推进器也可以免除这个弱点。
然而直到本世纪初,囊荚式推进器仍不算是一种够成熟到可用于第一线大型作战舰艇的推进方式,许多使用此种推进器的民间大型船只都面临组件受力过巨而需要频繁维修的问题,对于经常需要急遽加减速以及重视战场可靠度的作战舰艇而言并不合适;而虽然囊荚推进器可以避免许多大轴带来的问题, 但由于把电动机与推进器都整合在一起并放在船舱以外,需要进入干坞才能维修,不仅不利于第一线即时处理,遭受鱼雷攻击时更需要直接承受爆震,甚至可能直接掉落脱离船体;而传统布置方式则可确保主机、传动系统都在舰体内部,不仅受到保护,也能对电动机实施第一线的即时维修作业。再者,囊荚推进器把电动机放在囊荚之中,因此比传统舰内布置方式更容易遇到尺寸问题;对于中型的高速作战舰艇而言,功率足够的囊荚推进器很可能超过舰体所能安装的上限,除非采用新科技的马达在更小的体积内产生更高功率。
生存性方面,传统推进系统笨重而冗长的齿轮箱/推进轴由于转速高、磨耗巨大,经常是影响动力系统可靠度的关键点,只要发生故障,船舰就会丧失机动能力;整合电力推进系统能使船舰摆脱大轴与齿轮箱的束缚,也免除了许多传统轴系的致命弱点。以往船舰的主机传动系统在遭遇战损时,系藉由将各推进轴与相关装备分隔来达成,然而万一关键的减速齿轮遭遇重大损坏,整个机械推进系统便会陷入瘫痪。整合电力系统由于不是通过硬性轴系、齿轮箱来连接各装备,可用更绵密的方式相互连结,而且连结方式不受机械装置位置的影响(例如左舷的发电机亦可连结右舷的电动机),因此任一发电机或电动机失效时,不至于影响推进系统其他部分。
但是整合电力系统将发动机产生的力学能先转换成电能输配、再将电能转换回力学能使用,其间的功率消耗高于以往直接以机械传递的方式;这对于不需要高速的商船或研究船等还不成问题,但对时速需要达到30节以上的军舰而言,电力推进系统根本无法满足需求。这就是为何电力推进概念在1970年代末期就进入商船界(目前已成主流),但是在2000年代才开始被主战舰艇军采用的原因。此外,电力推进系统本身的成本也比传统机械推进系统高约25%,不过这可以藉由寿命周期相对较低的操作与维持成本来抵销。采用大量电力系统虽然免除过去许多机械装置的问题,但却面临了电力分配、管理领域的种种技术难题,容易衍生易发生电器/电线走火以及交流马达同步变频器易受谐波干扰等问题。为了满足下一代作战舰艇更高、更精确、更可靠的供电需求,全电力推进系统仍需要许多领域的突破,包括高功率燃气涡轮、高能量密度电容(用于直接能量武器需要的瞬间高能量)、低损耗的电子电力开关、高性能电力储存体(如再生式燃料电池)、永磁同步马达(Permanent Magnet synchronous Motors,PMM)、高温超导同步马达(High Temperature Superconducter Motor,HTSM) 、高爆驱动磁流体电动机或固态/液态驱动磁流体电动机等领域。
全国各地天气预报查询

上海市

  • 市辖区
  • 云南省

  • 临沧市
  • 云南省

  • 丽江市
  • 云南省

  • 保山市
  • 云南省

  • 大理白族自治州
  • 云南省

  • 德宏傣族景颇族自治州
  • 云南省

  • 怒江傈僳族自治州
  • 云南省

  • 文山壮族苗族自治州
  • 云南省

  • 昆明市
  • 云南省

  • 昭通市
  • 云南省

  • 普洱市
  • 云南省

  • 曲靖市
  • 云南省

  • 楚雄彝族自治州
  • 云南省

  • 玉溪市
  • 云南省

  • 红河哈尼族彝族自治州
  • 云南省

  • 西双版纳傣族自治州
  • 云南省

  • 迪庆藏族自治州
  • 内蒙古自治区

  • 乌兰察布市
  • 内蒙古自治区

  • 乌海市
  • 内蒙古自治区

  • 兴安盟
  • 内蒙古自治区

  • 包头市
  • 内蒙古自治区

  • 呼伦贝尔市
  • 内蒙古自治区

  • 呼和浩特市
  • 内蒙古自治区

  • 巴彦淖尔市
  • 内蒙古自治区

  • 赤峰市
  • 内蒙古自治区

  • 通辽市
  • 内蒙古自治区

  • 鄂尔多斯市
  • 内蒙古自治区

  • 锡林郭勒盟
  • 内蒙古自治区

  • 阿拉善盟
  • 北京市

  • 市辖区
  • 吉林省

  • 吉林市
  • 吉林省

  • 四平市
  • 吉林省

  • 延边朝鲜族自治州
  • 吉林省

  • 松原市
  • 吉林省

  • 白城市
  • 吉林省

  • 白山市
  • 吉林省

  • 辽源市
  • 吉林省

  • 通化市
  • 吉林省

  • 长春市
  • 四川省

  • 乐山市
  • 四川省

  • 内江市
  • 四川省

  • 凉山彝族自治州
  • 四川省

  • 南充市
  • 四川省

  • 宜宾市
  • 四川省

  • 巴中市
  • 四川省

  • 广元市
  • 四川省

  • 广安市
  • 四川省

  • 德阳市
  • 四川省

  • 成都市
  • 四川省

  • 攀枝花市
  • 四川省

  • 泸州市
  • 四川省

  • 甘孜藏族自治州
  • 四川省

  • 眉山市
  • 四川省

  • 绵阳市
  • 四川省

  • 自贡市
  • 四川省

  • 资阳市
  • 四川省

  • 达州市
  • 四川省

  • 遂宁市
  • 四川省

  • 阿坝藏族羌族自治州
  • 四川省

  • 雅安市
  • 天津市

  • 市辖区
  • 宁夏回族自治区

  • 中卫市
  • 宁夏回族自治区

  • 吴忠市
  • 宁夏回族自治区

  • 固原市
  • 宁夏回族自治区

  • 石嘴山市
  • 宁夏回族自治区

  • 银川市
  • 安徽省

  • 亳州市
  • 安徽省

  • 六安市
  • 安徽省

  • 合肥市
  • 安徽省

  • 安庆市
  • 安徽省

  • 宣城市
  • 安徽省

  • 宿州市
  • 安徽省

  • 池州市
  • 安徽省

  • 淮北市
  • 安徽省

  • 淮南市
  • 安徽省

  • 滁州市
  • 安徽省

  • 芜湖市
  • 安徽省

  • 蚌埠市
  • 安徽省

  • 铜陵市
  • 安徽省

  • 阜阳市
  • 安徽省

  • 马鞍山市
  • 安徽省

  • 黄山市
  • 山东省

  • 东营市
  • 山东省

  • 临沂市
  • 山东省

  • 威海市
  • 山东省

  • 德州市
  • 山东省

  • 日照市
  • 山东省

  • 枣庄市
  • 山东省

  • 泰安市
  • 山东省

  • 济南市
  • 山东省

  • 济宁市
  • 山东省

  • 淄博市
  • 山东省

  • 滨州市
  • 山东省

  • 潍坊市
  • 山东省

  • 烟台市
  • 山东省

  • 聊城市
  • 山东省

  • 菏泽市
  • 山东省

  • 青岛市
  • 山西省

  • 临汾市
  • 山西省

  • 吕梁市
  • 山西省

  • 大同市
  • 山西省

  • 太原市
  • 山西省

  • 忻州市
  • 山西省

  • 晋中市
  • 山西省

  • 晋城市
  • 山西省

  • 朔州市
  • 山西省

  • 运城市
  • 山西省

  • 长治市
  • 山西省

  • 阳泉市
  • 广东省

  • 东莞市
  • 广东省

  • 中山市
  • 广东省

  • 云浮市
  • 广东省

  • 佛山市
  • 广东省

  • 广州市
  • 广东省

  • 惠州市
  • 广东省

  • 揭阳市
  • 广东省

  • 梅州市
  • 广东省

  • 汕头市
  • 广东省

  • 汕尾市
  • 广东省

  • 江门市
  • 广东省

  • 河源市
  • 广东省

  • 深圳市
  • 广东省

  • 清远市
  • 广东省

  • 湛江市
  • 广东省

  • 潮州市
  • 广东省

  • 珠海市
  • 广东省

  • 肇庆市
  • 广东省

  • 茂名市
  • 广东省

  • 阳江市
  • 广东省

  • 韶关市
  • 广西壮族自治区

  • 北海市
  • 广西壮族自治区

  • 南宁市
  • 广西壮族自治区

  • 崇左市
  • 广西壮族自治区

  • 来宾市
  • 广西壮族自治区

  • 柳州市
  • 广西壮族自治区

  • 桂林市
  • 广西壮族自治区

  • 梧州市
  • 广西壮族自治区

  • 河池市
  • 广西壮族自治区

  • 玉林市
  • 广西壮族自治区

  • 百色市
  • 广西壮族自治区

  • 贵港市
  • 广西壮族自治区

  • 贺州市
  • 广西壮族自治区

  • 钦州市
  • 广西壮族自治区

  • 防城港市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 乌鲁木齐市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 伊犁哈萨克自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 克孜勒苏柯尔克孜自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 克拉玛依市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 博尔塔拉蒙古自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 吐鲁番市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 和田地区
  • 新疆维吾尔自治区

  • 哈密市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 喀什地区
  • 新疆维吾尔自治区

  • 塔城地区
  • 新疆维吾尔自治区

  • 巴音郭楞蒙古自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 昌吉回族自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 自治区直辖县级行政区划
  • 新疆维吾尔自治区

  • 阿克苏地区
  • 新疆维吾尔自治区

  • 阿勒泰地区
  • 江苏省

  • 南京市
  • 江苏省

  • 南通市
  • 江苏省

  • 宿迁市
  • 江苏省

  • 常州市
  • 江苏省

  • 徐州市
  • 江苏省

  • 扬州市
  • 江苏省

  • 无锡市
  • 江苏省

  • 泰州市
  • 江苏省

  • 淮安市
  • 江苏省

  • 盐城市
  • 江苏省

  • 苏州市
  • 江苏省

  • 连云港市
  • 江苏省

  • 镇江市
  • 江西省

  • 上饶市
  • 江西省

  • 九江市
  • 江西省

  • 南昌市
  • 江西省

  • 吉安市
  • 江西省

  • 宜春市
  • 江西省

  • 抚州市
  • 江西省

  • 新余市
  • 江西省

  • 景德镇市
  • 江西省

  • 萍乡市
  • 江西省

  • 赣州市
  • 江西省

  • 鹰潭市
  • 河北省

  • 保定市
  • 河北省

  • 唐山市
  • 河北省

  • 廊坊市
  • 河北省

  • 张家口市
  • 河北省

  • 承德市
  • 河北省

  • 沧州市
  • 河北省

  • 石家庄市
  • 河北省

  • 秦皇岛市
  • 河北省

  • 衡水市
  • 河北省

  • 邢台市
  • 河北省

  • 邯郸市
  • 河南省

  • 三门峡市
  • 河南省

  • 信阳市
  • 河南省

  • 南阳市
  • 河南省

  • 周口市
  • 河南省

  • 商丘市
  • 河南省

  • 安阳市
  • 河南省

  • 平顶山市
  • 河南省

  • 开封市
  • 河南省

  • 新乡市
  • 河南省

  • 洛阳市
  • 河南省

  • 漯河市
  • 河南省

  • 濮阳市
  • 河南省

  • 焦作市
  • 河南省

  • 省直辖县级行政区划
  • 河南省

  • 许昌市
  • 河南省

  • 郑州市
  • 河南省

  • 驻马店市
  • 河南省

  • 鹤壁市
  • 浙江省

  • 丽水市
  • 浙江省

  • 台州市
  • 浙江省

  • 嘉兴市
  • 浙江省

  • 宁波市
  • 浙江省

  • 杭州市
  • 浙江省

  • 温州市
  • 浙江省

  • 湖州市
  • 浙江省

  • 绍兴市
  • 浙江省

  • 舟山市
  • 浙江省

  • 衢州市
  • 浙江省

  • 金华市
  • 海南省

  • 三亚市
  • 海南省

  • 三沙市
  • 海南省

  • 儋州市
  • 海南省

  • 海口市
  • 海南省

  • 省直辖县级行政区划
  • 湖北省

  • 十堰市
  • 湖北省

  • 咸宁市
  • 湖北省

  • 孝感市
  • 湖北省

  • 宜昌市
  • 湖北省

  • 恩施土家族苗族自治州
  • 湖北省

  • 武汉市
  • 湖北省

  • 省直辖县级行政区划
  • 湖北省

  • 荆州市
  • 湖北省

  • 荆门市
  • 湖北省

  • 襄阳市
  • 湖北省

  • 鄂州市
  • 湖北省

  • 随州市
  • 湖北省

  • 黄冈市
  • 湖北省

  • 黄石市
  • 湖南省

  • 娄底市
  • 湖南省

  • 岳阳市
  • 湖南省

  • 常德市
  • 湖南省

  • 张家界市
  • 湖南省

  • 怀化市
  • 湖南省

  • 株洲市
  • 湖南省

  • 永州市
  • 湖南省

  • 湘潭市
  • 湖南省

  • 湘西土家族苗族自治州
  • 湖南省

  • 益阳市
  • 湖南省

  • 衡阳市
  • 湖南省

  • 邵阳市
  • 湖南省

  • 郴州市
  • 湖南省

  • 长沙市
  • 甘肃省

  • 临夏回族自治州
  • 甘肃省

  • 兰州市
  • 甘肃省

  • 嘉峪关市
  • 甘肃省

  • 天水市
  • 甘肃省

  • 定西市
  • 甘肃省

  • 平凉市
  • 甘肃省

  • 庆阳市
  • 甘肃省

  • 张掖市
  • 甘肃省

  • 武威市
  • 甘肃省

  • 甘南藏族自治州
  • 甘肃省

  • 白银市
  • 甘肃省

  • 酒泉市
  • 甘肃省

  • 金昌市
  • 甘肃省

  • 陇南市
  • 福建省

  • 三明市
  • 福建省

  • 南平市
  • 福建省

  • 厦门市
  • 福建省

  • 宁德市
  • 福建省

  • 泉州市
  • 福建省

  • 漳州市
  • 福建省

  • 福州市
  • 福建省

  • 莆田市
  • 福建省

  • 龙岩市
  • 西藏自治区

  • 山南市
  • 西藏自治区

  • 拉萨市
  • 西藏自治区

  • 日喀则市
  • 西藏自治区

  • 昌都市
  • 西藏自治区

  • 林芝市
  • 西藏自治区

  • 那曲市
  • 西藏自治区

  • 阿里地区
  • 贵州省

  • 六盘水市
  • 贵州省

  • 安顺市
  • 贵州省

  • 毕节市
  • 贵州省

  • 贵阳市
  • 贵州省

  • 遵义市
  • 贵州省

  • 铜仁市
  • 贵州省

  • 黔东南苗族侗族自治州
  • 贵州省

  • 黔南布依族苗族自治州
  • 贵州省

  • 黔西南布依族苗族自治州
  • 辽宁省

  • 丹东市
  • 辽宁省

  • 大连市
  • 辽宁省

  • 抚顺市
  • 辽宁省

  • 朝阳市
  • 辽宁省

  • 本溪市
  • 辽宁省

  • 沈阳市
  • 辽宁省

  • 盘锦市
  • 辽宁省

  • 营口市
  • 辽宁省

  • 葫芦岛市
  • 辽宁省

  • 辽阳市
  • 辽宁省

  • 铁岭市
  • 辽宁省

  • 锦州市
  • 辽宁省

  • 阜新市
  • 辽宁省

  • 鞍山市
  • 重庆市

  • 重庆市

  • 市辖区
  • 陕西省

  • 咸阳市
  • 陕西省

  • 商洛市
  • 陕西省

  • 安康市
  • 陕西省

  • 宝鸡市
  • 陕西省

  • 延安市
  • 陕西省

  • 榆林市
  • 陕西省

  • 汉中市
  • 陕西省

  • 渭南市
  • 陕西省

  • 西安市
  • 陕西省

  • 铜川市
  • 青海省

  • 果洛藏族自治州
  • 青海省

  • 海东市
  • 青海省

  • 海北藏族自治州
  • 青海省

  • 海南藏族自治州
  • 青海省

  • 海西蒙古族藏族自治州
  • 青海省

  • 玉树藏族自治州
  • 青海省

  • 西宁市
  • 青海省

  • 黄南藏族自治州
  • 黑龙江省

  • 七台河市
  • 黑龙江省

  • 伊春市
  • 黑龙江省

  • 佳木斯市
  • 黑龙江省

  • 双鸭山市
  • 黑龙江省

  • 哈尔滨市
  • 黑龙江省

  • 大兴安岭地区
  • 黑龙江省

  • 大庆市
  • 黑龙江省

  • 牡丹江市
  • 黑龙江省

  • 绥化市
  • 黑龙江省

  • 鸡西市
  • 黑龙江省

  • 鹤岗市
  • 黑龙江省

  • 黑河市
  • 黑龙江省

  • 齐齐哈尔市