蔡鈿

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海洋工程船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)要求分析

蔡鈿

(中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149 )

采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)已成為船舶推進(jìn)發(fā)展的趨勢，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)為綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)重要設(shè)備之一，其性能的好壞直接影響整個(gè)船舶的性能。本文通過對海洋工程船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本要求和規(guī)范要求進(jìn)行分析，為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造提供參考。

綜合電力推進(jìn)系統(tǒng) 推進(jìn)電動(dòng)機(jī) 規(guī)范

0 引言

船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)具有布置方便、噪聲低、節(jié)能、環(huán)保、安全、高效、高可靠、高智能、高效率、低維護(hù)、操縱靈活、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，已成為國內(nèi)外新建船舶推進(jìn)方式的首選。同時(shí)為了保證船舶行業(yè)又快又好迅速健康發(fā)展，國家工信部制訂了《船舶工業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃（2006～2015）》、《船舶工業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》、《船舶工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》等指導(dǎo)性文件，特別在《船舶工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的“船舶配套業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品及技術(shù)”專欄中將“電力推進(jìn)裝置”列為了重點(diǎn)產(chǎn)品，將“船舶推進(jìn)系統(tǒng)、船舶供電系統(tǒng)等集成技術(shù)”列為了關(guān)鍵技術(shù)，“大功率綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備”列為了重大創(chuàng)新項(xiàng)目。而推進(jìn)電動(dòng)機(jī)為船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)重要設(shè)備之一，為整個(gè)船舶提供推進(jìn)動(dòng)力，其性能的好壞直接影響船舶的生命力和可靠性。

因此有必要對海洋工程船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求進(jìn)行分析，指導(dǎo)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)。

1 海洋工程船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)基本要求

推進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為海洋工程船舶的推進(jìn)動(dòng)力，與一般電機(jī)不同。首先，它要考慮船舶的使用環(huán)境條件如潮濕、鹽霧、霉菌、橫傾、縱傾、橫搖、縱搖等；還要考慮艙室內(nèi)的布置等要求。

船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢是高轉(zhuǎn)矩密度、低振動(dòng)噪聲、高可靠性?，F(xiàn)分別敘述如下：

1) 高轉(zhuǎn)矩密度

船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)要求重量輕、體積小等特點(diǎn)，而推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的體積、重量由下式?jīng)Q定：

DlP/n/B/A

式中：-電機(jī)定子外徑 l-鐵心長;-功率/轉(zhuǎn)速=轉(zhuǎn)矩;B-磁負(fù)荷;-線負(fù)荷。

可以看出轉(zhuǎn)矩一定的情況下，提高磁負(fù)荷和線負(fù)荷，有效的降低電機(jī)的體積和重量，但不可無限的提高磁負(fù)荷和線負(fù)荷，會帶來電機(jī)振動(dòng)和發(fā)熱的問題，這需通過對電機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力場分析和電機(jī)冷卻溫度場分析綜合考慮。一般，磁負(fù)荷不超過10000高斯；線負(fù)荷和電密決定了熱負(fù)荷，即電機(jī)的發(fā)熱水平，合理布置電機(jī)內(nèi)部的風(fēng)道（增加擋風(fēng)板和道風(fēng)板，降低風(fēng)阻）空水冷卻電機(jī)功率2000 kW，熱負(fù)荷可取到3500 A2/mm2cm，而常規(guī)電機(jī)不采用優(yōu)化風(fēng)道，熱負(fù)荷只能取為2000 A2/mm2cm。

2）低振動(dòng)噪聲

推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的噪聲的大小直接影響船舶的安靜性和舒適性，其來源于三個(gè)方面：電磁噪聲、通風(fēng)噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲。氣隙磁密的大小和槽配合的好壞決定了電磁噪聲，特別是重點(diǎn)考慮槽配合；選用低噪聲風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)和葉輪，通過冷卻風(fēng)路的優(yōu)化可有效降低通風(fēng)噪聲；通過對電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對噪聲傳遞的路徑進(jìn)行阻尼隔斷，可有效的降低結(jié)構(gòu)噪聲。

3）高可靠性

根據(jù)船舶推進(jìn)的實(shí)際情況，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的可靠性應(yīng)放在第一位，其次是先進(jìn)性、可維性、現(xiàn)實(shí)性、經(jīng)濟(jì)性和通用性。因此推進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮“六性”，是必須明確的設(shè)計(jì)思想。推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮兩點(diǎn)：①推進(jìn)電動(dòng)機(jī)由變頻器供電，變頻器輸出存在大量的諧波和較大的dV/dt，會直接影響電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命；因此絕緣設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮船用條件下的三防（潮濕、霉菌和鹽霧）要求外，特別要考慮變頻條件的熱老化和電老化，通過樣棒的可靠性試驗(yàn)，確保電機(jī)的絕緣的壽命；②變頻供電會產(chǎn)生共模電壓，在電機(jī)轉(zhuǎn)子上形成軸電流，軸電流通過軸承，會破壞軸承油膜，導(dǎo)致軸承損壞，降低軸承的壽命，需采用絕緣軸承或絕緣端蓋，阻斷軸電流通過軸承，提高軸承的壽命。

2 海洋工程船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)規(guī)范要求

目前推進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造采用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有國家標(biāo)準(zhǔn)《GB755-2008 旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》《GB/T 7060-2008 船用旋轉(zhuǎn)電機(jī)基本技術(shù)要求》以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《CCS 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范（2012）》、以及DNV 、ABS、GL等船級社船舶入級規(guī)范相關(guān)規(guī)范。

特別需注意的船級社標(biāo)準(zhǔn)部分采用了IEC標(biāo)準(zhǔn)，而國家標(biāo)準(zhǔn)部分等同于IEC標(biāo)準(zhǔn)，有些要求基本一致，諸如：GB7060-2008第5.7.1溫升要求與CCS 第4篇第三章3.2.3溫升要求一致。但在具體實(shí)施時(shí)，應(yīng)注意兩者的不同要求，某些方面船級社要求高于國家標(biāo)準(zhǔn)，諸如：《GB14711-2013 中小型旋轉(zhuǎn)電機(jī)通用安全要求》第11.2節(jié)《額定電壓1000V》及以上電機(jī)的電氣間隙和爬電距離》規(guī)定3000V的最小電氣間隙為26mm；而CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范（2012）》《第四篇電氣裝置》第2章2.14.2.3規(guī)定3000V的最小電氣間隙為55 mm，兩者相差1倍?，F(xiàn)將中國船級社對推進(jìn)電動(dòng)機(jī)特殊要求總結(jié)如下：

a) 當(dāng)推進(jìn)電機(jī)采用強(qiáng)迫通風(fēng)時(shí)，應(yīng)在電機(jī)外面舍友直讀式溫度計(jì)和遠(yuǎn)距離聲響報(bào)警器，以對電機(jī)的冷卻空氣溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視(第八篇 15.2.5.2)。

b) 對裝有熱交換器采用封閉回路方式進(jìn)行冷卻的推進(jìn)電機(jī)，應(yīng)對一次冷卻劑和二次冷卻劑的流量進(jìn)行監(jiān)視，或者也可采用溫度監(jiān)視并帶報(bào)警器代替這個(gè)流量監(jiān)視(第八篇 15.2.5.3)。

c) 由半導(dǎo)體變換器供電的交流推進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)有措施限制軸電流的產(chǎn)生，防止軸承過早損壞(第八篇 15.2.5.9)。

d) 推進(jìn)電動(dòng)機(jī)和主機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸為推進(jìn)軸的組成部分的發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)軸的材料應(yīng)具有CCS頒發(fā)的證書(第四篇3.2.1.3)。

e) 感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)應(yīng)能承受60%過轉(zhuǎn)矩15s而不發(fā)生有害變形(第四篇3.2.5)。

3 結(jié)論

我國對海洋工程船舶有著迫切的需求，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)為船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)重要設(shè)備之一，船級社規(guī)范對推進(jìn)電動(dòng)機(jī)有著嚴(yán)格的要求。本文通過對海洋工程船舶推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本要求和規(guī)范要求，進(jìn)行了較為細(xì)致的敘述，為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)、制造提供參考。

[1] 任修明，楊德望.艦船推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)展展望. 船電技術(shù)，2002, (5).

[2] 中國船級社. 鋼質(zhì)海船入級規(guī)范.北京：人民交通出版社，2012.

Analysis on Requirements of Electric Propulsion Motor for Oceanographic Engineering Ship

Cai Tian

（China Oilfield Services Limited, COSL, Beijing 101149, China ）

TM351

A

1003-4862（2014）09-0079-02

2014-03-04

蔡鈿(1962-), 男，教授級高級工程師。研究方向：海洋工程裝備。