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从伯克3看综合电力系统是否更加紧凑?

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2024-10-16 【 字体:

基于伯克III型驱逐舰现有的动力和电力供应方案,倒推模拟出一种综合电力系统方案和一种机电混合动力方案,三种动力方案分别是:

1. 伯克III装备的COGAG+独立发电机组,动力系统由4台LM2500燃机(黄色块)和两套COGAG联合并车齿轮箱(红色块)组成,单台燃机输出21-22MW,动力系统最高输出80-88MW。常用电力机组为2台AG9160燃气发电机组(浅蓝色块),单台功率4MW,常用发电总功率8MW,动力+电力总功为88-96MW。如下图最左侧:

2. 综合电力系统(IPS),动力-电力功率由2台MT30燃机发电机组(深蓝色块)和2台AG9160燃气发电机组(浅蓝色块)共同提供,MT30机组单台输出功率为35-36MW,AG9160机组单台功率4MW,4机组合并输出功率为78-80MW。推进电机为2台AIM推进电机,单机推进功率32-33MW,合并输出功率64-66MW,在推进电机全功率运转时,舰上电网可用电功率为12-14MW。如下图中间:

3. 机电混合动力系统(COGLAG/LOG),动力系统由2台LM2500+G4燃机(黄色块)、两套COGAG联合齿轮箱(红色块)、以及两台3MW轴带电动机组成(灰蓝色块),单台LM2500+G4输出功率为32-33MW,常用电力机组为两台AG9160燃气发电机组(浅蓝色块),单台功率4MW,发电总功率8MW。在动力输出方面,2燃机合并功率为62-66MW,在发电功率方面,2机组+2电机合并最大功率为14MW。如下图最下侧:

图1-3为三种方案的动力-电力机组模拟图。

图4-8为各种动力和电力机组的体积尺寸资料。

MT30发电机组的确切尺寸数据至今仍未出现在相关资料中,因此在建模中,使用体积稍小的LM2500+发电机组数据,用以模拟MT30机组。

海豚大佬@不会游泳的小海豚呀 之前参与撰写的文章中,提到了伯克级驱逐舰在不同功率下的航行速度:朝三暮四,能让伯克更省油?

伯克级在两台燃机全速输出,推进功率达到42-44MW的条件,可以实现27节的航速,基于此进行粗略推算,预计伯克级在60-64MW的推进功率下可达到30节的航速。此前USN开展的HED项目中,加装两台1.5MW推进电机的伯克IIA型可在全电推进下实现14节的经济巡航速度,预计在3.5—6MW的电力推进输出下,伯克级可实现15-17节的经济巡航速度。

从模拟图中可以看出,相比于传统的COGAG+传统发电机组和机电混合动力系统时,IPS全系统在占地尺寸上并没有显得“很小”,其紧凑程度相比机械推进-独立发电机组要更高一些,但面对机电混合系统时,两套系统在机组占地尺寸上可以说是旗鼓相当。当然,受限于资料的不足,模拟图中未能展示出驱动轴的长短和尺寸,而IPS的一大优势就是能显著缩短驱动轴的长度,为舰上省出一大截原本需要安放驱动轴的空间,但这一优势不仅仅是IPS才有,许多紧凑型机械驱动系统和机电混合动力系统也具有同样的优势。所以,现有部分宣传材料和教育资料中有关“综合电力系统能节省大量空间”的论调,放到现在已经显得有些落伍了。

对于IPS的体积占用大小问题,莱昂纳多DRS的科研人员比许多人都更有发言权,作为US海军机电领域的最大供应商之一,莱昂纳多DRS参与了DDG1000等多个电力推进舰船的建设项目,正在建造中的哥伦比亚级战略核潜艇已确认采用莱昂纳多DRS提供的36.5MW永磁推进电机。在2023年发布的相关文章中,该公司的研发人员已经指出:综合电力/全电力推进系统在占地尺寸和设备重量上会高于机电混动系统甚至传统机械推进系统。因此,依然咬定“综合电力系统会更加紧凑”,如今已经显得不合时宜。

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