Влияние электрического движения на скорость и маневренность судна

В отличие от традиционных механических приводных поездов, которые соединяют большой дизельный двигатель непосредственно с валом винта, электрические двигательные установки отделяют основные движущие силы от движителей. Это разделение открывает операционную гибкость, которая непосредственно приводит к измеримым улучшениям в том, как корабль ускоряется, поворачивается и поддерживает скорость. Эта статья обеспечивает авторитетный, глубокий анализ механизмов, посредством которых электрическая тяга влияет на скорость судна и маневренность, поддерживаемую реальными примерами, отраслевыми данными и перспективами.

Что такое электрическое движение? Ключевые компоненты и системные архитектуры

Чтобы оценить влияние на скорость и маневренность, необходимо сначала понять базовую анатомию электрической двигательной системы. В ее основе электрическая двигательная система состоит из трех основных компонентов: первичного двигателя (который может быть дизель-генератором, газовой турбиной или топливным элементом), электрического генератора или аккумуляторного банка и одного или нескольких электродвигателей, которые приводят в движение винты. Моторы могут быть фиксированной скоростью или переменной скоростью, и они могут быть монтированы в едином виде с винтом (подвесными приводами) или соединены через валовую линию.

Сегодня в мире используются три основные архитектуры:

• Полный электрический (All-Electric): Основные двигатели используются исключительно для выработки электроэнергии, которая питает все корабельные нагрузки, включая двигатель. Эта архитектура, распространенная на круизных судах и морских судах, позволяет оптимально загружать генераторы и устраняет необходимость в отдельном двигателе.
• Гибридный электромотор: Комбинация традиционных механических двигателей и электродвигателей, часто с батареями. Корабль может работать в разных режимах — только на дизельном топливе, только на электрическом топливе или и на обоих — для оптимизации эффективности и скорости для конкретных условий эксплуатации.
• Включаемые гибридные/батареи-электрические: Батареи являются основным или единственным источником мощности двигателя, а генераторы действуют как расширители дальности. Это все чаще наблюдается на паромах и судах на коротких морях, где существует инфраструктура зарядки.

Независимо от архитектуры, электрическая тяга заменяет жесткое механическое соединение между двигателем и винтом гибкой электрической шиной. Эта гибкость является основной причиной преимуществ скорости и маневренности, описанных в следующих разделах.

Для получения дополнительной информации об определениях системы, обратитесь к Обзор реестра Ллойда электрических двигательных систем .

Влияние электрического движения на скорость корабля

Скорость на судах — это функция мощности, подаваемой в воду против сопротивления. Электрическая тяга влияет на обе стороны этого уравнения, часто способами, которые противоречат интуиции по сравнению с традиционными механическими приводами. Самые глубокие эффекты наблюдаются не при устойчивой максимальной скорости, а во время ускорения, переходных фаз и работы при неоптимальных нагрузках двигателя.

Характеристики крутящего момента и ускорение

Электродвигатели выдают почти мгновенный максимальный крутящий момент от нуля оборотов в минуту. Это принципиальное отличие от двигателей внутреннего сгорания, для которых требуется минимальный оборот в минуту для выработки осмысленного крутящего момента. Для корабля это означает, что электрическая двигательная установка может разгоняться от мертвой остановки до крейсерской скорости гораздо быстрее, чем эквивалентная дизель-механическая система. В портовых операциях, где требуются частые маневры старт-стоп, это напрямую переводится в экономию времени и повышение надежности графика.

Рассмотрим типичный паром Ro-Ro, выполняющий 15-минутный вызов в порт; возможность перекачивать до полной мощности за секунды, а не за десятки секунд, может сэкономить несколько минут на вызов, кумулятивно увеличивая годовую скорость обслуживания.Данные от действующих паромов в Норвегии указывают на то, что электрическая тяга сокращает время разгона корпуса до квадратного на 30% по сравнению с дизель-механическими предшественниками.

Устойчивые ограничения скорости и плотности мощности

В то время как электродвигатели превосходят на низком крутящем моменте, устойчивая высокая скорость требует высокой непрерывной мощности. Для данной установленной мощности электродвигатели могут соответствовать максимальной скорости дизель-механического аналога, но ограничивающим фактором часто становится источник энергии. Батареи-электрические суда, в частности, сталкиваются с компромиссом между диапазоном и скоростью. Поскольку плотность энергии батареи (кВтч / кг) намного ниже, чем у дизельного топлива, судно с исключительно батарейным питанием может иметь ограниченную выносливость на высокой скорости, если аккумуляторная батарея не очень большая. Вот почему многие быстрые паромы и контейнеровозы принимают гибридные решения: использование дизель-генераторов для высокоскоростного транзита и батарей для низкоскоростных маневров или зон без выбросов.

Тем не менее, мощные электродвигатели (в диапазоне мегаватт) теперь являются проверенной технологией. Например, системы ABB Azipod приводили в действие ледокольные танкеры на устойчивых скоростях транзита через балтийский лед, демонстрируя, что электродвигатели могут доставлять мощность, необходимую для требовательных требований к скорости, в сочетании с адекватной электрической генерацией.

Оптимизация через управление питанием

Менее очевидным, но не менее важным влиянием на скорость является способность оптимизировать загрузку генератора. В традиционном расположении, основной двигатель должен работать на значительной части своей номинальной мощности, чтобы избежать чрезмерного износа и неэффективного расхода топлива. Это ограничение может заставить судно работать быстрее, чем оптимально, чтобы поддерживать загруженность двигателя. Электрическая тяга, напротив, позволяет генераторам работать в своей наиболее эффективной точке, независимо от скорости винта, потому что избыточная мощность может быть направлена на батареи, гостиничные нагрузки или даже сбрасываться в качестве тепла. Это означает, что судно может поддерживать свою оптимальную скорость (скорость, которая минимизирует расход топлива на морскую милю) без ограничений двигателя.

Передовые системы управления мощностью (PMS) непрерывно вычисляют наиболее эффективную комбинацию генераторов, батарей и силовой нагрузки. Результатом является «оболочка скорости», где судно может работать с требуемой скоростью, без компромисса для здоровья двигателя. Исследования классификационных обществ, таких как DNV, показали, что такая оптимизация может дать 15-20% экономии топлива при типичных скоростях обслуживания, косвенно означая, что для того же расхода топлива судно может достичь более высокой устойчивой скорости.

Скорость в динамичных условиях: море и мелководье

Электрические двигатели также быстрее реагируют на изменение условий нагрузки. Когда судно сталкивается с головным морем или мелководьем, сопротивление увеличивается, а крутящий момент спроса на винт повышается. Электродвигатель может регулировать выход крутящего момента почти мгновенно, поддерживая управляемую скорость более точно, чем дизельный двигатель, который имеет задержку из-за реакции турбокомпрессора и динамики губернатора. Это приводит к лучшей способности к поддержанию скорости в непогоде, что является критерием производительности для морских судов и дорогостоящих грузовых лайнеров.

Улучшение маневренности за счет электрического движения

Маневренность включает в себя способность судна изменять курс, удерживать положение и безопасно работать в замкнутых водных путях. Электрическая тяга обеспечивает несколько механизмов, которые резко повышают эти возможности.

Мгновенный отклик крутящего момента для быстрых изменений курса

Наиболее непосредственным преимуществом является скорость крутящего момента. Поворот корабля требует изменения вектора тяги - либо путем изменения шага винта, изменения вала RPM, либо с помощью рулей. С электродвигателями время от команды до подачи крутящего момента может быть всего 20 миллисекунд. Это позволяет автопилоту или рулевому выполнять плотные повороты с минимальным перенапряжением. Напротив, механическая трансмиссия включает инерцию от тяжелого вращающегося вала, зацепление сцепления и изменения скорости двигателя, добавляя секунды задержки. Для крупных судов эти секунды могут перевести в десятки метров дополнительного радиуса поворота.

Azipod и Podded Drives: 360-градусная тяга

Подвесные двигательные установки, где электродвигатель содержится в обтекаемом стручке, который может вращаться на 360 градусов, представляют собой вершину электрической маневренности. ABB Azipod является хорошо известным примером, используемым на всем, от круизных судов до ледоколов. Поскольку стручка может быть повернута в любом направлении, судно может генерировать тягу в любом горизонтальном направлении, эффективно устраняя необходимость в рулях. Это позволяет использовать такие функции, как:

• Последнее движение (крабирование) без помощи буксира.
• Вращение на месте (повороты нулевого радиуса).
• Динамическое позиционирование без выделенных двигателей.

Подвесные электроприводы стали стандартом для судов с высокой маневренностью, таких как морские суда снабжения, круизные лайнеры и исследовательские суда.Независимое управление несколькими струнами позволяет создавать дифференциальную тягу, которая может производить поворотные моменты, намного большие, чем у одного руля.

Динамическое позиционирование (DP) и позиционирование станций

Электрическая тяга почти синонимично с возможностью динамического позиционирования, которая является способностью поддерживать фиксированное положение и направление с использованием только двигателей. DP системы полагаются на точные, быстрые регулировки тяги. Электродвигатели обеспечивают тонкое управление, необходимое для противодействия ветру, току и волновым силам в реальном времени. Современные системы DP2 и DP3 - необходимые для морского бурения и поддержки погружения - почти всегда используют электрическую тягу из-за превосходной скорости и точности реагирования.

Интеграция аккумулятора дополнительно повышает производительность DP. Батареи могут поглощать быстрые колебания нагрузки, которые происходят, когда двигателям приказано часто менять направление, защищая генераторы от внезапных шагов нагрузки и позволяя кораблю поддерживать положение с чрезвычайной точностью. Полевые испытания на морском вспомогательном судне «Viking Princess» продемонстрировали ошибки позиционирования под 1 метром в умеренных морских состояниях с использованием гибридной электрической тяги.

Независимый контроль пропеллера для асимметричной тяги

На судах с несколькими пропеллерами (например, двухвинтовым, трехвинтовым или тройным винтом) электрическая тяга позволяет каждому винту двигаться с независимой скоростью и направлением. Это облегчает передовые стратегии маневрирования, такие как:

• Противостоящие вращения винта генерируют чистый поворотный момент (например, один вперед, один сзади).
• Асимметричная тяга для противодействия поперечным ветрам во время причала.
• Низкоскоростной точный подход к докам или морским платформам.

Этот уровень управления практически невозможен с механическими приводами, которые используют одну коробку передач или фиксированную связь. Электрические двигательные системы могут использовать приводы с переменной частотой (VFD) для непрерывной настройки оборотов и крутящего момента каждого двигателя независимо, что дает судовому обработчику беспрецедентную маневренность.

Уменьшение шума и вибрации усиливает контроль

Маневренность заключается не только в радиусе поворота; она также включает в себя способность оператора чувствовать реакцию корабля. Электрические двигатели тише и производят меньшую вибрацию, чем дизельные двигатели, особенно на низких скоростях. Это уменьшает маскирование гидроакустических сигналов и позволяет экипажу чувствовать тонкие изменения в движении корабля. Для морских судов, работающих в противолодочной войне или для исследовательских судов, требующих низкого шума, это приводит к лучшей ситуационной осведомленности и более тонкой обработке.

Проблемы и ограничения электрического движения для скорости и маневренности

Несмотря на явные преимущества, электрическая тяга не является серебряной пулей.Для реализации ее полного потенциала в плане скорости и маневренности необходимо решить ряд технических и экономических задач.

Плотность энергии и ограничения по диапазону

Как отмечалось ранее, батареи имеют значительно более низкую плотность энергии, чем жидкие ископаемые виды топлива. Типичный литий-ионный аккумулятор имеет плотность энергии около 0,15-0,25 кВтч/кг, по сравнению с дизельным топливом примерно 12 кВтч/кг (при учете эффективности двигателя). Для судна, которое требует высокой устойчивой скорости на больших расстояниях, чистое электрическое решение для батареи непрактично с текущей технологией. Это ограничивает принятие полностью электрической тяги к короткой морской доставке, паромам и внутренним водным путям, если не используются гибридные решения. Для трансокеанских судов преимущество скорости электрической тяги реализуется только в пределах диапазона ограничений накопленной энергии.

Первоначальные капитальные затраты и инфраструктура

Электродвигательные системы дороже в установке, чем обычные механические системы, из-за стоимости силовой электроники, двигателей, распределительных устройств и часто батарей. Например, подвесной привод может стоить на 20-30% дороже, чем традиционная схема вала и руля. Инфраструктура зарядки для батарейных электрических судов также дорогостоящая, требующая береговых подстанций и подключения большой мощности. Пока экономия масштаба не снизит эти затраты, многие судовладельцы будут колебаться инвестировать, особенно в чистые сегменты рынка с ограниченными скоростями.

Сложность управления электроэнергией

Сложные системы управления мощностью, которые обеспечивают преимущества в скорости и маневренности, также вносят сложность. Эти системы должны координировать несколько генераторов, батарей, двигателей и нагрузок при сохранении стабильной электрической шины. Неудачи могут привести к отключению или потере движения, что является критическим риском безопасности. Необходимо избыточность, но это добавляет вес и стоимость. Обучение операторов для управления электрическими двигательными системами является дополнительной проблемой для морского образования.

Термическое управление на высоких нагрузках

Электродвигатели и силовая электроника вырабатывают тепло, особенно при доставке высокого крутящего момента на низких скоростях (обычно во время маневрирования) или устойчивой высокой мощности (на высокой скорости). Для предотвращения деринга необходимы эффективные системы охлаждения, часто использующие морскую воду или принудительный воздух. В крайних случаях, таких как ледокольная или буксировка, тепловая нагрузка может превышать холодопроизводительность, ограничивая практическую скорость или рабочий цикл. Достижения в двигателях с жидким охлаждением и силовой электронике с кремниевым карбидом постепенно смягчают это.

Будущий прогноз: электрическое движение следующего поколения для скорости и маневренности

Траектория движения электродвигателя безошибочно восходит.Несколько новых технологий обещают еще больше усилить его влияние на скорость и маневренность корабля.

Твердотельные батареи и топливные элементы

Батарейки следующего поколения с более высокой плотностью энергии (нацеленные на 0,5-1,0 кВтч / кг) расширят диапазон полностью электрических судов, что сделает возможным высокоскоростной электрический транзит на средние расстояния. Одновременно водородные топливные элементы предлагают дополнительное решение для первичных грузоотправителей, обеспечивая чистую электрическую генерацию без штрафа за вес крупных батарейных банков. Эти технологии позволят более крупным судам, включая контейнеровозы, принимать электрическую тягу без ущерба для скорости.

Сверхпроводящие двигатели

Криогенно охлажденные сверхпроводящие электродвигатели могут достигать чрезвычайно высокой плотности мощности (до 20 МВт в компактном форм-факторе). Эти двигатели легче и эффективнее обычных двигателей ТЧ, потенциально обеспечивая более высокие устойчивые скорости для морских комбатантов и быстрых паромов. ВМС США разрабатывают сверхпроводящие двигатели для своих будущих полностью электрических надводных кораблей, стремясь к скорости более 35 узлов с превосходной маневренностью.

Интегрированные системы движения и управления

Тенденция к интегрированной архитектуре «корабль как система», где движение, двигатели, рулевое управление и стабилизация управляются центральным компьютером, ускоряется. Электрическая тяга является естественным фактором для этой интеграции, потому что она использует общую электрическую шину. Будущие суда могут иметь искусственный интеллект (ИИ), который автоматически планирует оптимальную последовательность скорости и маневра на основе морского состояния в реальном времени, трафика и энергетических ограничений. Результатом будут корабли, которые не только быстрее и более гибкие, но и умнее.

Автономные и дистанционно управляемые операции

Точная управляемость электрического двигателя является необходимым условием для автономных судов. Автоматизированная стыковка, предотвращение столкновений и алгоритмы управления дорожным движением полагаются на способность командовать мгновенными изменениями тяги. По мере созревания морской автономии корабли с электрическими приводами будут иметь явное преимущество в маневренности. Например, Yara Birkeland, первый в мире полностью электрический автономный контейнеровоз, использует ступенчатые электрические приводы для выполнения автоматических транзитов на причале без вмешательства человека.

Вывод: Электрическое преимущество в скорости и маневренности

Электрическая тяга перешла от нишевых применений к основному варианту для новых судов, обусловленному экологическими нормами и эксплуатационными преимуществами. Его влияние на скорость корабля многогранно: в то время как полностью электрические суда сталкиваются с ограничениями дальности, которые ограничивают устойчивую высокую скорость на больших расстояниях, они предлагают превосходное ускорение, лучшее поддержание скорости в грубых условиях и способность оптимизировать расход топлива за счет гибкого управления мощностью. Гибридные системы преодолевают разрыв, обеспечивая лучшее из обоих миров.