「中國心臟」艦艇電力推進，他能幫中國贏得未來海戰
導讀：中國船舶重工集團公司第712研究所在船舶綜合電力推進系統的自主創新上取得了重大進展，該所研製出了以變頻器、推進電機、推進變壓器、功率管理系統、操縱控制系統為核心的推進系統，實現了單軸推進功率20兆瓦以下船舶電力推進系統的全部國產化。這意味著未來中國海軍艦艇有望裝備國產電力推進系統，擁有真正的「中國心臟」。
目前世界上大多數軍用及民用船舶的主要推進系統是採用機械方式的推進系統，機械式推進系統的原理是高速旋轉的原動機(柴油機、燃氣輪機和蒸汽輪機等)通過齒輪減速機構將原動機輸出的高速動力降速後驅動螺旋槳以低速旋轉推進艦船運動。使用機械式推進系統的艦船至少需要配置兩套原動機，一套用於推進，另一套用於發電。在採用機械式推進系統的艦船上，推進用原動機的功率佔全船總功率的四分之三以上，而且只能提供給艦船推進使用，不能為其它需要提供能量，故此在大型軍用艦艇和一些特種民用船舶上，往往設置數個發電機組來滿足艦船電力負荷的需要。
資料圖：法國「西北風」級兩棲攻擊艦也採用了電力推進。
在電力推進的艦船上，發電機將高速原動機的旋轉機械能量轉換為電能，通過電力傳輸線將電能傳遞到艦船後部的推進電機，驅動推進電機工作，推進電機與螺旋槳直接連接，從而將電能轉換為螺旋槳旋轉的機械能來推進艦船運動。艦船綜合電力系統是從艦船電力推進系統的基礎上發展而來，採用電力推進系統的艦船，可以用一套原動機和發電機組來產生電能，既用於艦船的推進，也用於其它設備對電力的需求，這種系統就稱為綜合電力系統。用獨立的發電機組分別為推進系統和日用系統提供電能的系統稱為電力推進系統和日用電力系統，這種提供電能的方式並非綜合電力系統，只有電力推進系統和日用電力系統合為一體的才稱之為綜合電力系統。
資料圖：電力推進之英國海軍45型驅逐艦
綜合電力系統有著諸多的優點。採用電力推進系統的艦船在總體布局上具有很大的靈活性，發電機組的布置比機械式推進系統更為方便，可以摒棄串聯式布置方式而布置在艦船上其他合適的位置，節省了空間，簡化了動力系統的結構，提高燃料和彈藥的攜帶量。由於只需將推進電機布置在艦船艉部，還可以大大縮短艦船的軸系。由於安裝綜合電力系統的艦船可不再需要龐大的推進動力艙，一些武器如導彈垂直發射裝置的布置可以更為方便和優化。綜合電力系統採用模塊化設計，可以形成標準化和系列化，針對不同種類的艦船，進行不同的模塊搭配組合，這對於減少動力裝置的型號具有很大的意義，並且在勤務保障方面也有著諸多的便利性。
因為電力推進系統具有良好的調速特性，無需配置傳統的減速齒輪箱，原動機部分與軸系沒有剛性連接，發電機組安置在彈性基座上，通過電纜與推進電機聯接，這樣可以大大降低艦船的自身雜訊，提高隱蔽性，這對於作戰艦艇而言是至關重要的，可以提高艦艇反聲導魚雷的效率、降低潛艇的自雜訊、增大反潛艦聲吶的探測威力和探測距離；
採用綜合電力系統的艦船可根據艦船的航速變化、排水量變化、艦船上電力負荷的變化而任意調整發電機組的運行數量，保持高效率的運行，減少燃料的消耗，故此具有較好的經濟性。現代艦船綜合電力系統具有電力實時調節的功能，這對於裝備如大功率探測裝備、電磁彈射裝置、電磁阻攔裝置、激光武器等高能耗武器的艦船極其重要。綜合電力系統可以在電力推進系統和高能設備之間進行快速切換，比如電磁彈射器在需要大量電能時，可以對電力推進系統的電能和其他系統的電能進行短暫限制，將電力推進系統的電能快速全部或部分轉換給電磁彈射系統，當電磁彈射系統工作循環完畢後又快速將電能轉換給電力推進系統。
資料圖：電力推進之中國海軍912III型消磁船
在艦船綜合電力系統的發展過程中，先後出現過混合電力推進系統、綜合電力推進系統、綜合全電力推進系統、綜合電力系統、全電力艦、電力戰艦等多種形式和先進概念。「綜合電力系統」是一個不斷發展的技術領域並且成為各國海軍在艦艇動力上的主流發展方向。艦船採用電力推進系統已有一百多年的歷史，由於大功率機械減速裝置當時在製造上存在一定的難度，故此，在相當長的一段時間內軍用艦船和民用艦船都使用電力推進系統，這種狀況一直延續至二十世紀四十年代。當時的電力推進系統由於技術水平不高，普遍存在效率低、成本高和體積龐大的缺點，故此隨著大功率機械齒輪減速裝置的日漸成熟，機械式推進系統逐步替代電力推進系統而成為各國在艦船動力上的主要選擇。
隨著科技水平的發展和現代艦船對大功率電能需求的日益增加，綜合電力系統艦船又被逐漸各國重視，現代交流電機及其調速技術的發展為艦船採用綜合電力系統提供了支持。交流電機與直流電機相比，具有可靠性高、容量大、體積小和結構簡單的特點。隨著大功率、高頻化、模塊化、全控型電力電子器件的研製成功，高性能變頻器得到了較快的發展。矢量控制、直接轉矩控制等現代交流電機調速技術得到實際應用，交流電機獲得了與直流電機同樣優異的調速性能。艦船推進電機採用交流電機後，電力推進系統的優勢得到充分的發揮。感應電機的研製成功將電力推進技術推上一個更高的台階，感應電機是一種高功率密度非同步電機，具有比同步電機更高的功率密度，比永磁電機更加成熟，更加適合軍用艦船的需求，如英國45型驅逐艦就選用此種電機作為推進電機。艦船的推進電機通常分為五類，即直流電機、電勵磁同步電機、感應電機、永磁電機和超導電機。其中感應電機、永磁電機、超導電機屬於高功率密度推進電機。感應電機常用於水面艦船，而潛艇則更常使用的是永磁電機。超導電機由於具有比永磁電機更高的功率密度和更好的靜音性能，以後取代永磁電機將會成為一種趨勢。
現代艦船綜合電力系統核心技術主要有總體技術、供電技術、推進裝置及其調速技術、電力電子變流技術。總體技術主要是指頂層設計中全系統特性預測與優化設計技術，系統匹配合理性、穩定性和可靠性指標等技術；供電技術主要有發電及配電系統的規劃設計、儲能和能量管理的技術、艦船區域配電技術；推進裝置及其調速技術主要有高功率密度的低速大功率推進電機的設計和製造技術以及推進電機的調速技術等；艦船綜合電力系統的電子變流技術主要指大功率推進變頻驅動裝置的設計製造技術。
資料料圖：電力推進之美國海軍朱姆沃爾特級驅逐艦
美國海軍於1986年提出了「海上革命」計劃，發展艦船綜合全電力推動系統。1988年又啟動了綜合電力推動項目，意圖通過將艦船電力推進系統和日用電力系統進行合并來提高作戰艦艇的性能。1990年後，綜合電力推動項目將注意力轉移到提高艦船費效比上，在海軍的艦船上發展和部署經濟有效的電力系統以滿足任務需求。通過設備的通用性、筒易性、標準化來實現未來艦艇的高性能與低成本，這就是艦船綜合電力系統。艦船綜合電力系統由發電系統、儲能系統、變電系統、配電系統、推進電機、日用負載、電力管理這七種模塊組成，通過各種模塊的選用，滿足艦艇的電力推進和輔助用電的要求。2002年，美國海軍提出了「電力海上力量之路」計劃，首先是在綜合全電力推進的基礎上，使用更先進的原動機和輔助機械實現廣泛電氣化的艦船戰鬥艦艇上應用綜合電力系統實現「電力艦」。然後在「電力艦」的基礎上實現「電力戰艦」，「電力戰艦」是應用高能武器和先進探測設備的作戰艦艇。而最終目標就是「電力海上力量之路」，即電力戰艦通過先進的方式為艦外無人裝備如無人潛水器和無人飛機以及岸基裝備如無人戰車等提供電力支持，形成「電力海上力量」。英國海軍在1996年也啟動了綜合全電力推進項目的研究，其成果在45型驅逐艦上得到應用。英國海軍的「電力艦」和「電力戰艦」發展模式與美國海軍大致一樣，英國還計劃在海軍新建的各級艦艇上採用電力推進系統，力圖減少動力裝置種類、降低艦船全壽命周期費用，簡化勤務保障難度。
中國海軍早期設計的一些水面艦船上也採用過電力推進的方式，這主要應用於一些輔助艦船上，比如912III型大型消磁船。912III大型消磁船是專門用於為7000噸以下艦船臨時線圈消磁、檢測艦船磁場及消除艦船磁性的輔助艦船。消磁船在進行消磁作業時，需要大功率電能，為提高消磁發電機組及其控制設備的利用率，推進系統採用電力推進，當進行消磁系統作業時船不航行，全部電能供消磁系統使用，而船航行時消磁系統不作業，電能供推進電機和日用電系統使用。912III消磁船採用2台12VE230ZC-A型柴油機(單台額定功率1617千瓦)帶動2台ZFH99/40型直流發電機，在作為推進時，單台額定功率1380千瓦，作為消磁時單台額定脈衝功率2100千瓦，2台發電機再驅動2台ZDH99/50型推進電動機，單台額定功率1250千瓦。由於912III型消磁船設計於上世界八十年代初期，限於當時的技術水平和設備先進程度，總體技術水平不高。我國在常規潛艇上使用電力推進系統則較早，通過採用中高速柴油機拖動12相交流整流型充電發電機給直流推動電動機供電的方式實現電力推進。在本世紀初期，中國啟動了艦船綜合電力系統新技術的研究工作並取得了較大的進展，這對於中國海軍電力艦和電力戰艦的發展起到了至關重要的作用，隨著中國艦船綜合電力系統的技術成果的不斷創新並被逐步運用到海軍艦船上，中國海軍實現全電艦隊展示自己的海上電力力量已經不再是夢想。
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