目前世界上采用全电推进系统的舰艇有福特号航母、朱姆沃尔特驱逐舰、英国伊丽莎白号航母、45型驱逐舰,法国西北风两栖登陆舰,而我们的003是目前世界上最大的常规动力的全电力推进航母。而正是采用的是常规动力,更彰显我们全电力推进系统之先进。全电力推进系统主要包含四部分:一、动力系统,二、能源转换系统,三、能源分配系统,四能源输出系统。五、贮能系统,其它还众多的伺服系统……。
一、动力系统——055的GT25000重型燃气轮机只是试刀石
我们很多朋友认为003航母采用蒸气轮机,也就是辽宁舰与山东舰上的那一种,其实是对我们燃气轮的不自信,我们是世界上第五个具备重型燃气轮机研制能力的国家,西方最初的燃气轮机研发往往需要几十亿美元,而且经历了半个多世纪才开始成熟,而中国科研人员只用6亿人民币就搞了出来第一代,而且只用了5年时间,经过十数年发展,近年我国在重型燃气轮机也取得重大突破。055是四台GT25000两两并联产生超10万马力的推力,这就是我们在燃气轮机的突破之一。相较于003航母,GT25000显然还是太小。
2019年9月27日,由中国自主研发的首台F级50兆瓦重型燃气轮机整机正式下线,该设备由我国东方电气集团公司研发,在首次测试时8个燃烧筒同时点火燃烧并稳定运行,整机点火试验一次成功,标志着我国从制造大国向制造强国开始转变。
"伊丽莎白女王"级航母是全世界首批使用全电推进的舰艇之一,舰上搭载的主要动力系统为两台英国罗尔斯·罗伊斯(劳斯莱斯)公司开发的MT36燃气轮机,该发动机热效率达到了40%可以为全舰提供36MW的澎湃动力输出。
我们的单台是50MW,"伊丽莎白女王"全舰两台提供36MW,当然在热效率方面我们应该还有差距,而且比较大。但是全电推进系统可以赋予003在动力选择上多种组合。重型燃气轮机相较于蒸气轮机的锅炉,将节约2/3的空间与重量。
二、能源转换系统——大功率发电机组
对于全电推进技术来说,无论是采用蒸汽轮机、燃气轮机还是核动力都需要将热能转化为机械能,再将机械能转化为电能。所以要想做到全电推进就必须用到大功率发电机组。
根据中国船舶集团旗下七〇四研究所官微消息,中国自主研发的20兆瓦级船用汽轮发电机组获得巨大成功并被成功试验应用。本次704研究所研制成功的20兆瓦的汽轮发电机组就相当于2.7万匹马力,在经过2年110%的满负荷运行考验之后通过了船用应用审核。所以20兆瓦汽轮发电机组就在50兆瓦重型燃气轮机的能量转换过程中担任着核心角色。有的人觉得用全电推进还不如用机械能直接做功推进,美国这么多年拼死拼活将“福特级”核动力航母建成全电推进的原因那是为了什么?按照美国的测试结果,第一代全电推进系统系统的能量利用率提升了114%。事实上,英国的伊丽莎白女王号航母也采用了燃气轮机+全电推进系统。。
事实上,我国此番研制成功的20兆瓦汽轮电机组就是为了给大型舰艇或航母,潜艇上用的。为什么这么说?因为正常的战舰根本不要那么大的电机组,美国“宙斯盾”系统使用的是3台艾利森501K34燃气轮机,总功率也就7.5兆瓦,正常的战舰只考虑雷达搜索和武器火力等系统需要的用电功率都不会超过10兆瓦。该20兆瓦是目前我国汽发机组功率的数倍不止,整体性能达到了世界一流水准,汽轮电机组是船舶电力系统的核心设备,这也证明了中国已经掌握了大型船用汽轮电机组的核心技术。
三、电能分配系统——舰船综合电力系统
动能转化成电能后,在计算机的控制下,精确地将电力输送到有需要的设备中。这就是舰船综合电力系统。凭借这项技术创新很大程度上弥补了和美国"福特"号航母的差距,不说追平"福特"号的两台"AW1"反应堆,至少没有被其甩开太大的差距。
舰船综合电力系统将常规用电与推进用电合二为一,实现了全舰能源的综合利用,是舰船平台由机械化向电气化和信息化发展的必由之路,代表了现代舰船动力平台的发展方向。我国的直流中压综合电力推进系统是一个多源多负荷的独立电力系统,船舶MVDC综合电力推进系统的稳定性是指系统运行过程中模块功率发生变化时,直流母线电压能够保持或恢复到允许范围、避免系统崩溃的能力。如何调控多个发电、用电模块的运行方式,协调各模块之间的能量流动以满足系统稳定运行和经济运行等目标是全电力船舶能量智能决策系统的关键功能之一,特别是系统引入了既可以作为发电模块也可以作为负载模块的储能装置,使得系统的情况更为复杂,引入储能装置固然能提高系统运行的稳定性和可靠性,但其核心问题是如何实现储能装置自动控制。
2009年7月服役的英国45型驱逐舰,是世界上首艘采用中压交流综合电力系统的水面主战舰艇。此外,英国CVF航母、美国DDG1000驱逐舰、法国“西北风”级两栖攻击舰等均采用了中压交流综合电力系统。我们的舰船综合电力系统在马伟明教授的带领下,独创性地采取了中压直流。
由中船重工下属的无锡赛思亿电气科技有限公司建造的“雄程天威1”风电运维船是首艘使用马伟明团队低压直流综合电子推进系统的民用船只。马伟明院士团队的这项技术在民用领域的应用取得了巨大成果,一艘开创多个国内第一的商船正式交付,开启了这项尖端科技“白菜化”的序幕。马伟明长期致力于独立系统集成化发电、独立电力系统电磁兼容、电力电子应用技术等领域的教学与研究。
四、能源输出系统:
这些系统都是满满黑科技,动力装置有水面舰艇的电力推进系统、水下有无轴泵推系统,一体化桅杆上有各雷达系统、中央超级电脑处理系统,甲板上有指挥系统、电磁弹射系统、电磁炮系统、垂化系统,据说凭借中压直流的支持,我们在很多方面领先美国10年,比如无轴泵推。
我国在电磁领域取得了重大突破同样离不开马院士,003航母的电磁弹射就有它的心血,它的成功能极大提升航母战力,并且该领域我国在技术上至少不落后于美国。不过马院士可不是专门研究电磁弹射器,他是专注于电力系统的,属于电磁弹射的基础,而负责电磁弹射器项目的是鲁军勇院士团队,这位鲁院士也是马伟明院士的学生。
五、贮能系统:
舰船综合电力系统核心问题是如何实现储能装置自动控制。目的是对电力的削峰填谷,从而做到节能,电力平稳运行。
结束语:
相对传统动力装置,"全电推进"的优点包括:一、系统各组件容易实现模块化后让舱室利用率大为提高,电力推进系统还具有噪声低、燃油消耗少,能够显著提高舰艇隐蔽性并提高续航力等多方面优点,可直接带动大直径螺旋桨推动舰船行进,省却了齿轮减速装置,因而可有效降低动力系统的噪声;大大增加舰上电站容量,为以后装备大功率激光武器打下基础。
和传统的舰船动力系统相比,全电推进的好处就在于:1.体积小,布局上更灵活。2.调速范围更大,舰艇的机动性更强。3.安装起来更简便,维护保养上更方便低廉。4.绿色环保,代表人类前进的象征等等。虽然说电力推进在民用领域已经得到较大的应用,但是作为军用的话我们就不得不考虑动力,照明,机动,设备运转等问题,所以科研人员就将这些全都整合起来,创造出完整的综合全电用电系统。