龍 飛 方 斌 楊 超

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所 武漢 430064 ；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011；3.渤海造船廠(chǎng)集團(tuán)有限公司 葫蘆島 125003）

0 引言

2017 年7 月，中俄兩國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人提出要開(kāi)展北極航道合作，共同打造“冰上絲綢之路”。隨著北極海冰加速融化以及北極航道可利用程度的逐漸提高，北極航道在保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行、拉動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、維護(hù)國(guó)家安全和海外權(quán)益，提升國(guó)家海洋軟硬實(shí)力等方面對(duì)我國(guó)“海運(yùn)強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的價(jià)值更加凸顯[1]。由于北極航道長(zhǎng)期存在海冰的原因，開(kāi)辟及利用北極航道需要破冰船進(jìn)行保障。破冰船是用于破碎水面冰層、開(kāi)辟航道，保障艦船進(jìn)出冰封港口、錨地或引導(dǎo)艦船在冰區(qū)航行的工作船，其推進(jìn)系統(tǒng)多采用雙軸和雙軸以上的多螺旋槳裝置，通過(guò)壓擠冰層在行進(jìn)中連續(xù)破冰或反復(fù)突進(jìn)破冰。目前俄羅斯擁有世界上最大的極地破冰船隊(duì)[2]，為其船隊(duì)的極地航行提供了安全保障。早期的破冰船主動(dòng)力系統(tǒng)采用蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及柴油機(jī)等直接推進(jìn)，隨著電力推進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代破冰船大量采用電力推進(jìn)技術(shù)[3]。由于吊艙電力推進(jìn)系統(tǒng)具有冰區(qū)操縱性好，可實(shí)現(xiàn)艏、艉雙向破冰等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的破冰船開(kāi)始采用吊艙電力推進(jìn)系統(tǒng)[4]。極地破冰船是北極航道開(kāi)發(fā)利用的利器。我國(guó)作為造船大國(guó)，研究極地破冰船吊艙推進(jìn)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及其發(fā)展，對(duì)于未來(lái)自主建造大型破冰船和打造北極航道具有重要價(jià)值。

1 吊艙推進(jìn)系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 吊艙推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展概況

1899 年，英國(guó)為俄國(guó)建造的葉爾馬克號(hào)破冰船是世界上首艘在極地航行的破冰船，最大可破開(kāi)2 m 厚冰層。通常將可連續(xù)破除2～ 3 m 厚度冰層的破冰船稱(chēng)為重型破冰船（PC2—PC1 冰級(jí)），其推進(jìn)功率>33 MW；破冰厚度1～ 1.5 m 的破冰船稱(chēng)為中型破冰船（PC5—PC3 冰級(jí)），其推進(jìn)功率 <33 MW[5]。我國(guó)的“雪龍2”號(hào)極地破冰船就是可連續(xù)破除1.5 m 厚度冰層的PC3 級(jí)中型破冰船，推進(jìn)功率為15 MW。早期的中小型破冰船采用由柴油機(jī)、減速齒輪箱和可調(diào)螺距螺旋槳（controllable pitch propeller，CPP）構(gòu)成的動(dòng)力系統(tǒng)，但隨著破冰能力的提升，破冰船推進(jìn)功率越來(lái)越大，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)過(guò)扭矩及冰區(qū)操縱性的要求也越來(lái)越高，原來(lái)的動(dòng)力系統(tǒng)形式已難以滿(mǎn)足要求，于是國(guó)外推出了吊艙推進(jìn)系統(tǒng)。

20 世紀(jì)90 年代，為適應(yīng)冰區(qū)航行需求，芬蘭的海事部門(mén)尋求一種適合于冰區(qū)航行船舶的高性能推進(jìn)系統(tǒng)方案，希望該推進(jìn)系統(tǒng)在低速情況下可提供任意方向的推力，且具備較大的推進(jìn)功率。在這一需求的牽引下，芬蘭ABB 公司、KMY 船廠(chǎng)與芬坎蒂尼（Fincantieri）造船集團(tuán)共同推出了世界上第1 套吊艙推進(jìn)器。產(chǎn)品研發(fā)成功后，他們成立了ABB Azipod Oy 公司[6]，推出了Azipod 系列吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品并沿用至今。吊艙推進(jìn)器作為一種行之有效的推進(jìn)方式，很快就獲得了船舶行業(yè)的廣泛認(rèn)可，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于破冰船、豪華郵輪、公務(wù)船和海工船等多種場(chǎng)合。

吊艙推進(jìn)系統(tǒng)是船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的形式之一，其核心是吊艙推進(jìn)器，如圖1所示。

圖1 吊艙推進(jìn)器示意圖

吊艙推進(jìn)器由推進(jìn)電機(jī)、槳葉、滑環(huán)組件、轉(zhuǎn)舵驅(qū)動(dòng)單元、液壓驅(qū)動(dòng)泵站和推進(jìn)電機(jī)冷卻系統(tǒng)等組成，其特點(diǎn)是集推進(jìn)及轉(zhuǎn)舵功能于一體。推進(jìn)電機(jī)位于吊艙艙體中，與螺旋槳直連，吊艙艙體外置于船體外，可在水平面實(shí)現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)，是一種先進(jìn)的矢量推進(jìn)裝置。其與機(jī)械式全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器相比，最大不同之處在于吊艙推進(jìn)器的推進(jìn)電機(jī)置于船體之外，與螺旋槳通過(guò)短軸直接相連，屬于低速直驅(qū)系統(tǒng)；而驅(qū)動(dòng)全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器的推進(jìn)電機(jī)置于船體內(nèi)部，推進(jìn)電機(jī)通過(guò)舵槳裝置內(nèi)部的傘齒輪對(duì)減速后驅(qū)動(dòng)螺旋槳，是一種非直驅(qū)系統(tǒng)。全回轉(zhuǎn)舵槳適配的推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速通常較高，由于齒輪傳動(dòng)存在損耗，其效率低于吊艙推進(jìn)器。全回轉(zhuǎn)舵槳內(nèi)部采用傘齒輪對(duì)傳遞扭矩，因此其最大功率受限于大扭矩傘齒輪的加工能力，功率上限低于吊艙推進(jìn)器。目前全球最大的冰區(qū)全回轉(zhuǎn)舵槳功率為 9 MW，由芬蘭STEERPROP 公司為俄羅斯破冰船提供，而ABB 公司交付的最大冰區(qū)吊艙功率達(dá)到 17 MW[7]。

1.2 吊艙推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）吊艙推進(jìn)系統(tǒng)可360°全回轉(zhuǎn)。與常規(guī)軸槳相比，其低速時(shí)操控性能更好，冰區(qū)轉(zhuǎn)彎半徑更小，有利于極地破冰船破冰時(shí)的靈活機(jī)動(dòng)，尋找最佳航行路線(xiàn)，同時(shí)使破冰船擁有雙向破冰能力。在船舶正車(chē)航行時(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)的適航特征，使其能保持良好的航速且有能力進(jìn)行連續(xù)破冰作業(yè)；而在遇到嚴(yán)重冰情時(shí)，又使船舶具有一定艉向破冰能力。雙向破冰不僅能提升破冰船從冰層中脫困的能力，而且能提高其破冰效率[8]。

（2）吊艙推進(jìn)器整體位于船體之外，船艙內(nèi)沒(méi)有推進(jìn)電機(jī)及較長(zhǎng)的軸系，節(jié)省了艙內(nèi)空間，對(duì)于具有多個(gè)推進(jìn)器的破冰船，簡(jiǎn)化了船體尾部布置。

（3）吊艙推進(jìn)電機(jī)與螺旋槳直連，由于沒(méi)有復(fù)雜的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，推進(jìn)電機(jī)扭矩可以很大，適用于極地破冰船低速大扭矩的要求。

1.3 吊艙推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)品介紹

由于吊艙推新系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)突出，全球新建破冰類(lèi)船舶的推進(jìn)方式中，吊艙推進(jìn)系統(tǒng)占據(jù)主導(dǎo)地位。迄今為止，全球吊艙推進(jìn)系統(tǒng)主要有4 個(gè)產(chǎn)品系列，分別是Azipod 系列、SSP 系列、Mermaid 系列及Dolphin 系列，其中只有Azipod 系列吊艙可用于極地船舶。時(shí)至今日，Mermaid 系列及Dolphin 系列吊艙產(chǎn)品研發(fā)處于停滯狀態(tài)，不再推出新產(chǎn)品。

（1）Azipod 系列

自ABB 公司推出第1 套Azipod 吊艙推進(jìn)系統(tǒng)以來(lái)，已經(jīng)為超過(guò)25 種船型提供了該系列產(chǎn)品，涵蓋破冰船、豪華郵輪、LNG 運(yùn)輸船、渡輪和游艇等，至今已在全球安裝了700 多臺(tái)Azipod 吊艙推進(jìn)系統(tǒng)，產(chǎn)品系列如表1所示。

表1 ABB 公司Azipod 系列吊艙推進(jìn)器

（2）Mermaid 系列

瑞典的卡梅瓦（KAMEWA）公司聯(lián)合法國(guó)的西技來(lái)克（CEGELEC）公司共同推出了美人魚(yú)（Mermaid）系列吊艙推進(jìn)器[9]。CEGELEC 是法國(guó)著名的電氣設(shè)備制造商，在1998 年被法國(guó)阿爾斯通（ALSTOM）公司收購(gòu)，成為ALSTOM 公司電氣工程產(chǎn)業(yè)的支柱，而ALSTOM 在2015 年被通用電氣（GE）收購(gòu)?？吠吖臼谴皺C(jī)械設(shè)備制造公司，后被英國(guó)羅爾斯-羅伊斯（Rolls-Royce）公司收購(gòu)，Rolls-Royce 公司的海事板塊2019 年又整體出售給挪威Kongsberg（康士伯）公司，其中就包含Mermaid 系列吊艙產(chǎn)品，此后該系列吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品研發(fā)已處于停滯狀態(tài)。

（3）SSP 系列

SSP 系列吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品由德國(guó)的SIEMENS（西門(mén)子）公司聯(lián)合肖特爾（SCHOTTEL）公司研制，推出了Siemens-Schottel-Propulsor系列吊艙推進(jìn)器，簡(jiǎn)稱(chēng)SSP 吊艙。SSP 吊艙推進(jìn)器是世界上第1 個(gè)采用永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳的吊艙產(chǎn)品，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、效率高且振動(dòng)噪聲低。和采用同步電動(dòng)機(jī)的吊艙推進(jìn)器相比，同樣功率的永磁同步電動(dòng)機(jī)直徑減少約40%，質(zhì)量減輕約15%。SCHOTTEL 公司后期退出了吊艙推進(jìn)器的研發(fā)，由西門(mén)子公司獨(dú)立研發(fā)吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品，產(chǎn)品系列也更名為SiPOD，但依然采用永磁電機(jī)，最小功率等級(jí)約10 MW。

（4）Dolphin 系列

荷蘭推進(jìn)器制造商LIPS 公司和德國(guó)的STN Atlas 船舶電氣公司聯(lián)合研制了海豚（Dolphin）系列吊艙推進(jìn)器，Dolphin 吊艙推進(jìn)器采用六相同步電機(jī)為推進(jìn)電機(jī)，其功率范圍為3～ 19 MW[10]。芬蘭瓦錫蘭（W?rtsil?）公司收購(gòu)了LIPS 公司后，Dolphin 系列吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品的發(fā)展也處于停滯狀態(tài)。

從吊艙推進(jìn)器發(fā)展過(guò)程來(lái)看，吊艙推進(jìn)器的研發(fā)團(tuán)隊(duì)均離不開(kāi)研發(fā)電氣產(chǎn)品的公司，例如前文提到的ABB、CEGELEC、SIEMENS 及STN Atlas 等，主要原因是吊艙推進(jìn)器的核心組件是吊艙艙體內(nèi)的推進(jìn)電機(jī)。由于艙體空間狹小且位于船體之外，同時(shí)為了滿(mǎn)足船舶水動(dòng)力性能等一系列要求，推進(jìn)電機(jī)的功率、尺寸、自重、冷卻及維護(hù)方式與艙體的匹配十分重要，因此吊艙推進(jìn)電機(jī)通常都是特殊設(shè)計(jì)的，需要供貨廠(chǎng)商有較好的電機(jī)定制化能力；此外，由于吊艙推進(jìn)電機(jī)通常都是變頻驅(qū)動(dòng)的，需要電氣廠(chǎng)商提供配套的推進(jìn)變頻器，因此至今依然還在發(fā)展吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品的企業(yè)均是大型電氣產(chǎn)品公司，例如ABB 與SIEMENS 公司，以機(jī)械制造為主業(yè)的公司由于無(wú)法快速開(kāi)發(fā)吊艙電機(jī)，逐漸放棄了吊艙推進(jìn)器業(yè)務(wù)。

吊艙推進(jìn)器屬于高端海工產(chǎn)品。我國(guó)起步較晚，自主研發(fā)并實(shí)船應(yīng)用的非冰區(qū)吊艙，最大功率為 3 000 kW。在極地破冰船冰區(qū)吊艙領(lǐng)域，我國(guó)經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺，較多的關(guān)鍵技術(shù)尚有待突破。

2 冰區(qū)吊艙推進(jìn)系統(tǒng)特點(diǎn)

冰區(qū)吊艙推進(jìn)系統(tǒng)由吊艙推進(jìn)器、推進(jìn)變頻器及推進(jìn)控制系統(tǒng)等組成，圖2 為某破冰型LNG 運(yùn)輸船吊艙電力推進(jìn)系統(tǒng)單線(xiàn)圖。

圖2 某破冰型LNG 運(yùn)輸船吊艙電力推進(jìn)系統(tǒng)單線(xiàn)圖

該船配置3 個(gè)15 MW 的Azipod PC2 級(jí)吊艙推進(jìn)器，吊艙推進(jìn)器采用電勵(lì)磁同步電機(jī)，電機(jī)采用雙三相繞組結(jié)構(gòu)，單個(gè)三相繞組故障還具有50%的推進(jìn)功率，提高了推進(jìn)系統(tǒng)的冗余性。每個(gè)吊艙推進(jìn)器配置1 臺(tái)ABB 公司ACS6000 變頻器，該變頻器含有獨(dú)立的勵(lì)磁單元，用于給推進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組供電；變頻器含有2 組逆變器，分別為推進(jìn)電機(jī)的2 個(gè)三相繞組供電[11]。變頻器前端由24 脈整流裝置供電，降低了諧波小對(duì)船舶電網(wǎng)的影響。每臺(tái)推進(jìn)變頻器配置峰值功率5 MW 的制動(dòng)電阻，其有2 種用途：一是吸收船舶制動(dòng)時(shí)螺旋槳回饋的能量；二是在破冰工況中出現(xiàn)螺旋槳負(fù)載突卸時(shí)，制動(dòng)電阻快速投入使電網(wǎng)不會(huì)有巨大的功率波動(dòng)，保持電站的穩(wěn)定。與非冰區(qū)推進(jìn)系統(tǒng)相比，冰區(qū)吊艙推進(jìn)系統(tǒng)特點(diǎn)如下：

（1）冰區(qū)吊艙推進(jìn)系統(tǒng)工況復(fù)雜，具有敞水航行及破冰航行2 種工況，而這2 種工況下推進(jìn)電機(jī)的工作點(diǎn)差距較大，因此，吊艙推進(jìn)電機(jī)的扭矩曲線(xiàn)要求十分復(fù)雜。敞水航行時(shí)，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，但負(fù)載扭矩較低；破冰航行時(shí)，推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低，但扭矩較大，同時(shí)考慮到碎冰需求，推進(jìn)電機(jī)還需要較大的短時(shí)過(guò)載倍數(shù)。某極地破冰船總體對(duì)推進(jìn)電機(jī)扭矩曲線(xiàn)要求如圖3 所示。該電機(jī)的額定點(diǎn)選擇在系柱狀態(tài)下，此時(shí)冷卻水溫約36℃，電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速161 r/min 時(shí)需提供的最大扭矩為682 kN·m；其敞水航行最高轉(zhuǎn)速可達(dá)207 r/min，需要提供最大扭矩為530 kN·m。當(dāng)進(jìn)入冰區(qū)后，冷卻水溫降低到22℃左右，要求推進(jìn)電機(jī)可在122 r/min 持續(xù)輸出最大900 kN·m 扭矩，即持續(xù)提供1.32 倍過(guò)載能力；同時(shí)每600 s 具備1.91倍過(guò)載60 s 能力，每600 s 具備2.2 倍過(guò)載30 s 的能力。持續(xù)過(guò)載能力提升了破冰航行時(shí)的推力，短時(shí)過(guò)載用于螺旋槳碰冰時(shí)，具有足夠的轉(zhuǎn)矩切削冰塊，防止冰塊將螺旋槳卡死。

圖3 某破冰船推進(jìn)電機(jī)扭矩曲線(xiàn)圖

（2）極地破冰船在破冰時(shí)，可采用艏向直航破冰、艉向直航破冰、斜航拓展航道破冰、大角度操舵回轉(zhuǎn)破冰救援、短距離緊急停車(chē)和動(dòng)態(tài)操舵避讓等航行方式，這些工況下吊艙殼體及螺旋槳會(huì)持續(xù)地碰撞冰塊，導(dǎo)致吊艙的受力狀態(tài)十分復(fù)雜，如 圖4所示。

圖4 吊艙冰碰撞受力示意圖

吊艙槳葉會(huì)承受軸向碰撞力和徑向碰撞力，吊艙殼體會(huì)承受縱向及橫向碰撞力，同時(shí)螺旋槳及轉(zhuǎn)舵回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)會(huì)受到切向力，與非冰區(qū)吊艙推進(jìn)器受力狀態(tài)不同。因此設(shè)計(jì)冰區(qū)吊艙推進(jìn)器時(shí)，需要針對(duì)可能出現(xiàn)的冰碰撞情況，按照海冰強(qiáng)度和船舶所設(shè)計(jì)的破冰航速，建立仿真計(jì)算模型對(duì)破冰工況下的吊艙受力情況開(kāi)展分析，必要時(shí)需在冰水池開(kāi)展船模試驗(yàn)，對(duì)吊艙殼體、電機(jī)軸承及轉(zhuǎn)舵回轉(zhuǎn)軸承強(qiáng)度提出要求；同時(shí)，需掌握推進(jìn)電機(jī)及轉(zhuǎn)舵回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的扭矩變化情況，對(duì)變頻器及液壓系統(tǒng)的控制性能提出要求。冰區(qū)吊艙通常采用高強(qiáng)度不銹鋼螺旋槳，為防止槳葉在冰載荷沖擊下?lián)p壞，其殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較大，體積和質(zhì)量均大于非冰區(qū)吊艙。ABB 公司10 MW PC2冰級(jí)吊艙推進(jìn)器重達(dá)450 t，高度超過(guò)15 m。

3 冰級(jí)吊艙推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高冰級(jí)吊艙高轉(zhuǎn)矩抗過(guò)載推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì) 技術(shù)

破冰船破冰時(shí)有采用艏向破冰和艉向破冰2 種方式。采用艉向破冰方式時(shí)，通常將船尾作為船首，吊艙推進(jìn)器回轉(zhuǎn)180°朝向船尾，以“鉆冰”的方式實(shí)現(xiàn)破冰，并以吊艙槳葉研磨冰脊，同時(shí)利用吊艙推進(jìn)器尾流的沖洗效果，將冰塊碾碎后轉(zhuǎn)移至船頭。破冰船通過(guò)這種方式持續(xù)在厚冰區(qū)破冰前進(jìn)，使船體緩緩?fù)ㄟ^(guò)冰脊區(qū)。此時(shí)，吊艙推進(jìn)器長(zhǎng)期在低轉(zhuǎn)速過(guò)轉(zhuǎn)矩的工況下工作，故對(duì)吊艙的低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力及對(duì)長(zhǎng)期間歇性載荷的適應(yīng)性提出了新要求。此外，研磨冰脊時(shí)，吊艙槳葉也不斷承受間歇性振動(dòng)和沖擊。以ABB 公司PC3 冰級(jí)10 MW 冰區(qū)加強(qiáng)型吊艙為例，破冰時(shí)，其槳葉葉梢承受12～ 18 t 壓力，對(duì)吊艙推進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生了軸向的扭轉(zhuǎn)過(guò)載和多個(gè)方向的載荷沖擊。因此對(duì)吊艙推進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力、定子本體強(qiáng)度、軸承和密封的耐沖擊抗過(guò)載能力，以及軸系的耐沖擊抗過(guò)載能力等方面提出了嚴(yán)格的要求。因此，提升推進(jìn)電機(jī)的本體強(qiáng)度、輸出轉(zhuǎn)矩的過(guò)載能力、軸承及密封的抗過(guò)載和耐沖擊能力，實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩抗過(guò)載推進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)是吊艙推進(jìn)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2 高冰級(jí)吊艙推進(jìn)電機(jī)高效冷卻設(shè)計(jì)技術(shù)

作為船舶主動(dòng)力裝置，推進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)散發(fā)出大量熱量，其冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是保障推進(jìn)電機(jī)高效散熱、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。吊艙推進(jìn)電機(jī)在破冰時(shí)頻繁處于過(guò)載狀態(tài)，這種短時(shí)過(guò)載工況使推進(jìn)電機(jī)溫升顯著提升。以3 MW 吊艙電機(jī)為例，15 s 內(nèi)1.35 倍轉(zhuǎn)矩過(guò)載導(dǎo)致吊艙電機(jī)最高溫度點(diǎn)的溫升增加了13℃。此時(shí)若冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不滿(mǎn)足過(guò)載時(shí)散熱需求，將導(dǎo)致吊艙推進(jìn)器無(wú)法滿(mǎn)足破冰要求。大型吊艙推進(jìn)電機(jī)散熱量大，又位于狹小艙體內(nèi)，因此不能簡(jiǎn)單依靠機(jī)殼完成冷卻散熱，需要適配冷卻系統(tǒng)增強(qiáng)散熱。高冰級(jí)吊艙推進(jìn)器通常采用復(fù)合冷卻方式，冷卻系統(tǒng)要建立精確的冷卻系統(tǒng)模型，結(jié)合敞水及破冰航行的2 種不同工況，針對(duì)吊艙的細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)、推進(jìn)電機(jī)散熱及其風(fēng)路結(jié)構(gòu)、滑環(huán)組件和轉(zhuǎn)舵模塊導(dǎo)風(fēng)風(fēng)路結(jié)構(gòu)、掛舵體過(guò)渡導(dǎo)風(fēng)結(jié)構(gòu)及換熱裝置等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，防止過(guò)度設(shè)計(jì)帶來(lái)冷卻系統(tǒng)能耗及尺寸等方面的增加?？傊?，實(shí)現(xiàn)吊艙推進(jìn)電機(jī)高效冷卻設(shè)計(jì)是保障吊艙推進(jìn)器正常穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

3.3 沖擊負(fù)載下變頻器轉(zhuǎn)矩控制魯棒性技術(shù)

極地破冰船在低速破冰航行時(shí)，變頻器控制電機(jī)運(yùn)行于低轉(zhuǎn)速下，在觸碰到冰體瞬間負(fù)載扭矩會(huì)呈階躍態(tài)突加至最大值；而在冰體破裂瞬間負(fù)載扭矩又會(huì)突卸負(fù)載，因此在低速破冰時(shí)，變頻器控制電機(jī)持續(xù)工作在突加和突卸大轉(zhuǎn)矩工況下，需要變頻器具有低速下對(duì)沖擊負(fù)載快速響應(yīng)的能力。

破冰船在中高速航行時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)速較高，當(dāng)槳葉觸碰到堅(jiān)硬的浮冰時(shí)，同樣會(huì)導(dǎo)致電機(jī)瞬間突加大的負(fù)載扭矩；當(dāng)冰體破裂或被彈開(kāi)時(shí)，變頻器會(huì)突卸負(fù)載，且轉(zhuǎn)速會(huì)急速拉升并穩(wěn)定在原給定值。

變頻器控制電機(jī)此時(shí)工作在高速突加和突卸滿(mǎn)載的工況，極端情況下會(huì)由高速直接切換為低速破冰工況，因此要求變頻器具有高速下的沖擊負(fù)載快速響應(yīng)能力。

以上極端工況下，推進(jìn)電機(jī)承受的瞬時(shí)沖擊負(fù)載最高可達(dá)2 倍額定扭矩，長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)載變化率下，推進(jìn)電機(jī)內(nèi)部參數(shù)也會(huì)有較大變化。通常電機(jī)電阻和DQ 軸電感有20%的變化，磁場(chǎng)強(qiáng)度有8%的變化，因此需要變頻器具有全速范圍內(nèi)針對(duì)推進(jìn)電機(jī)參數(shù)大范圍變化情況下的自適應(yīng)控制能力，以滿(mǎn)足沖擊負(fù)載下的快速響應(yīng)性，且必須保持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行[12]。若控制算法魯棒性較低，在PC2 環(huán)境下，連續(xù)極端工況運(yùn)行極易引起吊艙系統(tǒng)停機(jī)甚至推進(jìn)器的損壞。因此，針對(duì)極地復(fù)雜極端工況，變頻器的控制系統(tǒng)在沖擊負(fù)載下保持暫態(tài)快速響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性，是高冰級(jí)吊艙推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

4 冰區(qū)吊艙推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，推進(jìn)電機(jī)按照直流電機(jī)、電勵(lì)磁同步電機(jī)、異步電機(jī)和永磁電機(jī)的技術(shù)路線(xiàn)在發(fā)展，永磁推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體，不發(fā)熱且具有全轉(zhuǎn)速范圍效率高、振動(dòng)噪聲低和轉(zhuǎn)矩密度高等特點(diǎn)。隨著永磁電機(jī)制造成本下降，近年來(lái)冰區(qū)吊艙推進(jìn)器的推進(jìn)電機(jī)開(kāi)始從電勵(lì)磁同步電機(jī)向永磁同步電機(jī)方向發(fā)展[13]。永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)無(wú)法調(diào)節(jié)的問(wèn)題曾經(jīng)引來(lái)業(yè)界對(duì)其寬范圍運(yùn)行的懷疑。事實(shí)上，只要電機(jī)工作點(diǎn)選擇合適，可完全滿(mǎn)足冰區(qū)推進(jìn)系統(tǒng)的要求。值得一提的是，在冰區(qū)全回轉(zhuǎn)舵槳領(lǐng)域，芬蘭Steerprop 公司的全回轉(zhuǎn)舵槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)也開(kāi)始采用永磁電機(jī)。其近期推出的CRP ECO LM 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器就是采用永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并獲得PC2 冰級(jí)認(rèn)證。

冰區(qū)吊艙采用永磁推進(jìn)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）永磁推進(jìn)電機(jī)省略了電勵(lì)磁同步電機(jī)所必須的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁裝置。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合長(zhǎng)期沖擊運(yùn)行工況，尤其是有刷勵(lì)磁裝置，其滑環(huán)系統(tǒng)在長(zhǎng)期的沖擊過(guò)程中是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。在采用電勵(lì)磁同步電機(jī)的吊艙推進(jìn)器應(yīng)用過(guò)程中，曾出現(xiàn)因過(guò)勵(lì)磁裝置損壞而導(dǎo)致全船失去動(dòng)力的情況。

（2）永磁同步電機(jī)在同樣的扭矩要求下，電機(jī)體積要小于電勵(lì)磁同步電機(jī)。國(guó)內(nèi)外同功率等級(jí)冰區(qū)吊艙電機(jī)對(duì)比如表2 所示。由此可見(jiàn)，在功率及最大扭矩近似的情況下，永磁推進(jìn)電機(jī)軸向長(zhǎng)度最小，電勵(lì)磁同步電機(jī)如果計(jì)算勵(lì)磁裝置的，其軸向長(zhǎng)度將遠(yuǎn)超永磁電機(jī)。電機(jī)的軸向長(zhǎng)度直接影響吊艙推進(jìn)器的軸向長(zhǎng)度，對(duì)于多推進(jìn)器的破冰船，吊艙推進(jìn)器的軸向長(zhǎng)度是一個(gè)重要的限制指標(biāo)，如果過(guò)長(zhǎng)則將導(dǎo)致船體寬度增加。

表2 采用不同電機(jī)類(lèi)型吊艙推進(jìn)器體積比較

5 結(jié)語(yǔ)

極地破冰船吊艙推進(jìn)系統(tǒng)是重要的動(dòng)力裝備之一，國(guó)外已發(fā)展近30 年且形成了成熟的技術(shù)體系，相比之下，我國(guó)在該領(lǐng)域差距較大。因此，需要借鑒國(guó)外技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，由專(zhuān)業(yè)的電氣公司牽頭，聯(lián)合行業(yè)內(nèi)優(yōu)勢(shì)資源，盡快發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高冰級(jí)吊艙推進(jìn)系統(tǒng)，支撐我國(guó)北極航道的開(kāi)辟。在高冰級(jí)吊艙研制技術(shù)路線(xiàn)上，重點(diǎn)研發(fā)以永磁推進(jìn)電機(jī)為核心的吊艙推進(jìn)器，同時(shí)解決高過(guò)載、狹窄空間高效冷卻和變頻器魯棒性控制等關(guān)鍵技術(shù)，為高冰級(jí)吊艙推進(jìn)器的研制奠定基礎(chǔ)。