電力推進下的小型船舶動力系統(tǒng)設(shè)計范文

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摘要：響應(yīng)“綠色航運”、“綠色船舶”等的環(huán)保節(jié)能理念，針對內(nèi)燃機推進船舶存在廢氣和油污污染問題，研究和設(shè)計了一種基于電力推進的小型船舶動力系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)組成方案，詳細(xì)分析了推進系統(tǒng)中推進電機和動力電池組的相關(guān)參數(shù)的計算方法。

關(guān)鍵詞：船舶動力；電力推進；系統(tǒng)設(shè)計

1概述

2006年起，國際海事組織（IMO）《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL）附則六“防止船舶造成空氣污染”及其修正案，對船舶的氮氧化物、硫氧化物和顆粒物等污染物排放最大標(biāo)準(zhǔn)及油耗收集機制做出規(guī)定。2015年，我國交通運輸部《珠三角、長三角、環(huán)渤海（京津冀）水域船舶排放控制區(qū)實施方案》。在船舶制造和研究的領(lǐng)域，隨著“綠色航運”、“綠色船舶”等的環(huán)保節(jié)能理念的影響，純電能動力船艇的研究力度加大，進展日漸引人矚目[1]。小型船舶的電動推進系統(tǒng)/裝置可廣泛應(yīng)用于執(zhí)法公務(wù)艇、游艇、渡輪等小型船舶。隨著功率器件和交流調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的普及，電力推進技術(shù)迅速發(fā)展，已具備向中小型船舶動力系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)濟可行性。本文針對某型小型船舶，研究和設(shè)計了一種基于電力推進的小型船舶動力系統(tǒng)。

2系統(tǒng)組成

小型船舶電力推進動力系統(tǒng)主要由動力蓄電池組、推進電機、電機控制器等部分組成，各組成部分通過通訊總線、高壓線束、低壓線束連接，系統(tǒng)組成圖如圖1所示。動力蓄電池組由電芯模組和電池管理模塊組成，為小型船舶電力推進動力系統(tǒng)的主動力來源，為電機控制器提供動力電源，電機控制器推進電機旋轉(zhuǎn)做功，經(jīng)過齒輪箱、尾軸等機械傳動部分，最終拖動螺旋槳選裝，驅(qū)動船舶前行。操縱部分通過通信總線向電機控制器下達(dá)轉(zhuǎn)速指令，并監(jiān)測電池組和電機的狀態(tài)。充電機采用岸基充電方式，船舶停靠碼頭時可以為動力電池組充電。

3主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計

某小型船舶主要參數(shù)指標(biāo)如表1，采用燃油動力的同型船舶試驗參考數(shù)據(jù)如表2。

3.1電機參數(shù)設(shè)計

3.1.1電機額定轉(zhuǎn)速船舶主機轉(zhuǎn)速可按下式計算：單位r/s；Vs-航速，單位m/s；i-齒輪箱減速比；Sr-滑失比；P-螺旋槳螺距，單位m。水是柔性介質(zhì)，所以螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn)一周沿軸向?qū)嶋H行進的距離，即進距hp小于螺距p，這個距離差稱為滑失。滑失比可按下式計算其中：p-螺距，單位m；hp-進距，單位m。進距hp按下式計算：根據(jù)表2試驗數(shù)據(jù)帶入式（2）和式（3），計算得Sr=0.204。則根據(jù)式（1）計算可知，最大航速為30km/h時，電機對應(yīng)轉(zhuǎn)速為31.25r/s，即1875r/min。由于船舶可以在最大航速下持續(xù)航行，故最大航速時對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速為電機的額定轉(zhuǎn)速。考慮傳動效率、間隙等因素，取10%的余量并取整，則電機額定轉(zhuǎn)速可取2100r/min。

3.1.2電機額定扭矩進速比是關(guān)系螺旋槳推力和扭矩的一個無量綱參數(shù)[2]，定義為式中，Vp-進速，即螺旋槳相對水流的速度，單位m/s；n-螺旋槳轉(zhuǎn)速，單位r/s；D-螺旋槳直徑，單位m。螺旋槳相對水流的進速Vp小于航速，這個減少的速度為伴流速度，伴流速度的大小取決于船方型系數(shù)、螺旋槳盤面比等參數(shù)。作為推進電機負(fù)載的螺旋槳是以其轉(zhuǎn)矩q作用到異步電動機上的[3]，則電機扭矩T（N•m）可表示為：式中：q-螺旋槳扭矩，單位N•m；Kq-螺旋槳扭矩系數(shù)；ρ-水的密度，單位kg/m3。螺旋槳扭矩系數(shù)Kq與進速比J有關(guān)，對應(yīng)關(guān)系見圖2螺旋槳敞水特性曲線[4-5]。取Vp=0.6Vs。依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，按照式（4）計算進速比，可得J=0.585，結(jié)合圖2，可得Kq=0.038。帶入式（5）計算可得電機在額定轉(zhuǎn)速為1875r/min時對應(yīng)的輸出扭矩為233.5N•m，考慮不同水域水的密度差異，以及傳動間隙和效率等，取10%的余量并取整，則電機額定扭矩為260N•m。

3.1.3電機額定功率電機額定功率按下式計算：當(dāng)電機額定轉(zhuǎn)速為2100r/min，輸出扭矩為260N•m時，電機額定功率為57.2kW。

3.2電池組容量估計

電池組總?cè)萘堪聪率接嬎?式中：Q-電源系統(tǒng)總?cè)萘浚籛-負(fù)載功率；t-續(xù)航時間；ρ-電池能量轉(zhuǎn)換效率，按0.98計；f-電池放電率，按0.85計。航速15km/h時，指標(biāo)要求續(xù)航時間/里程為5h/75km，按照3.1節(jié)計算方法可得，此時電機輸出功率為5.7kW。代人式（7），則電池組容量為34.2kWh。

4結(jié)論

本文針對某型小型船舶，設(shè)計了一種小型船舶電力推進動力系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)組成，并詳細(xì)分析了推進系統(tǒng)中推進電機和動力電池組的相關(guān)參數(shù)的計算方法。通過該方法計算出的結(jié)果，可以作為動力系統(tǒng)中電機和電池組研制或選型的依據(jù)。

參考文獻：

[1]丁晨雷，康偉，褚建新.小型船舶綠色動力電池推進系統(tǒng)研究設(shè)計[J].上海造船，2011（2）：38-46.

[2]馬繼先，陳源，陸振偉.船舶電力推進系統(tǒng)螺旋槳負(fù)載的建模與仿真[J].電子設(shè)計工程，2014，22（1）：56-59.

[3]趙紅，郭晨，吳志良.船舶電力推進系統(tǒng)的建模與仿真[J].中國造船，2006，47（4）：51-56.

[4]陳源.小型船舶電力推進裝置系統(tǒng)仿真研究[D].江蘇科技大學(xué)，2014.

作者：江和耀 劉冠輝 劉家勝 單位：中國船舶重工集團公司第七一三研究所