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内燃机车普遍采用电传动,为啥货轮很少这样?

回答
内燃机车普遍采用电传动,而货轮上却很少见到类似配置,这背后其实是两种截然不同的动力需求、技术取舍以及成本效益考量。简单来说,内燃机车需要的是灵活的动力输出和快速的响应,而货轮则更看重稳定、持续的巨量动力输出以及极致的燃油经济性。

咱们就来好好聊聊这其中的门道。

内燃机车为何青睐电传动?

想象一下内燃机车的工作场景。它需要频繁地起步、加速、减速,还得适应不同的坡度和载重。机车头不是固定在一个地方,而是要推着几十上百节车厢,这中间的阻力是相当可观的。

动力输出的灵活性与精确控制: 内燃机,特别是柴油机,虽然扭矩大,但本身的转速范围相对较窄,而且直接将内燃机的动力输出给车轮,中间需要复杂的变速箱来匹配不同的速度和载重。这种机械传动方式的效率会随着转速和负荷的变化而波动,而且响应速度不够快。
电传动的好处在这里就显现出来了。 机车上的柴油机(或者其他内燃机)带动一台发电机发电,产生的电能再输送给安装在车轴上的电动机。这中间相当于把“发动机”和“驱动轮”分开了。
就好比你有一个强大的电源(柴油发电机组),你可以用它来驱动任何你需要的用电器(电动机)。 如果你需要更大的力量,你就让柴油机转得更快,发更多的电。如果你需要慢一点,就调整柴油机的转速。
电动机的优势在于它的控制非常精妙。 通过改变输入的电流和电压,可以非常平滑地、精确地控制电动机的转速和扭矩。这意味着机车在起步时可以提供强大的、平稳的拉力,避免对线路造成过大冲击;在爬坡时,可以稳定地输出动力;在需要减速时,也可以非常细腻地控制。
简化了传动结构。 过去那种繁琐的机械变速箱在电传动机车上就不再是必需品了,取而代之的是更简单、更可靠的电力传输系统。这不仅降低了维护成本,也减轻了机车的重量。

重载牵引时的优势: 货运列车动辄数千吨,起步时需要克服巨大的静止摩擦力。电动机能够提供非常高的启动扭矩,并且这种扭矩可以持续输出,非常适合这种重载起步和爬坡的工况。

燃油经济性与排放: 虽然初衷是为了牵引,但电传动也为优化柴油机的运行状态提供了可能。柴油机可以被设定在最经济、最清洁的转速和负荷区间运行,即使列车速度不高,柴油机也能保持相对稳定的效率,从而提高整体的燃油经济性,并可能降低有害物质的排放。

货轮为何“少”采用电传动?

现在我们来看看货轮。货轮最核心的需求是什么?是稳定、持续、巨量的动力输出,以及极致的经济性。一艘大型货轮,吨位是内燃机车的几十倍甚至上百倍,它要航行的距离也是动辄数千海里。

动力需求模式不同: 货轮的航行模式相对单一,主要是在海上以相对恒定的速度航行。它不像机车那样需要频繁地加减速,也不需要应对剧烈的地形变化。一旦船舶进入巡航状态,发动机的工况相对稳定。
直接驱动或齿轮箱传动更“省事”: 传统的货轮,尤其是大型散货船、油轮等,其主机(通常是大型低速柴油机)的动力直接通过一个减速齿轮箱传递给螺旋桨。
低速大扭矩的优势: 这种大型低速柴油机本身的设计就是为了在较低的转速下输出巨大的扭矩,非常适合直接驱动大直径的螺旋桨。它的燃油效率在稳定工况下已经做到了很高。
机械传动的简洁与可靠: 机械传动系统相比电力系统,在如此巨大的功率输出下,其结构更简单,可靠性也更高。想想看,要处理上万甚至数十万千瓦的电力,需要多庞大、多复杂的电力系统?而机械传动在这方面显得更为“朴实”和“耐用”。
成本考量: 建造一套能够承受如此巨大功率输出的电力传输系统(发电机、变压器、电缆、高功率电动机、变频器等)其成本是惊人的。而传统的机械传动系统,虽然也需要制造精密的大型齿轮,但整体而言,初始投资和维护成本会相对较低。

燃油经济性与功率需求: 货轮对燃油经济性的要求到了极致。大型船舶主机通常是二冲程低速柴油机,这类发动机经过几十年的发展,已经在热效率、燃油消耗率方面做得非常出色。它们以较低的燃油消耗就能输出巨大的动力,这对于需要长时间、长距离航行的货轮来说至关重要。
电力系统的损耗: 任何能量转换都会有损耗。即使是高效的电力系统,在将内燃机产生的机械能转化为电能,再通过电动机转换回机械能的过程中,也会有能量损失。在低速、高负荷的航行状态下,这种能量损失累积起来是相当可观的,会进一步降低整体的燃油经济性。
主机的直接优化: 传统的机械传动,其主机可以针对船舶的特定航速和载重进行优化设计。例如,通过选择合适的齿轮比,使主机在最经济的转速下运行。

“电力推进”的应用与误区: 需要澄清的是,并非所有货轮都完全没有“电力”的参与。现在确实有一些船舶采用了“电力推进”,但这与内燃机车的“电传动”概念有所不同。
船舶电力推进: 在这些船舶上,通常是多台主机(可以是柴油机、燃气轮机,甚至LNG发动机)带动发电机,产生的电能供给一台或多台大型电动机,然后通过齿轮箱驱动螺旋桨,或者直接驱动“吊舱推进器”。
为何会有电力推进? 这种方式的优势在于:
布局灵活性: 发动机和发电机可以安装在船体任何方便的位置,而不是必须和螺旋桨直接连接,这使得船体设计更自由,可以有更大的载货空间。
多主机协同: 可以根据航行需求,启动或关闭部分发动机,使其始终运行在最高效的工况下。
精确控制与低速性能: 电动机的精确控制使得船舶在低速港口作业、靠泊时非常灵活,响应迅速。
噪声与振动: 电动机通常比大型低速柴油机产生的噪声和振动要小。
混合动力与未来趋势: 随着环保要求的提高,未来可能会有更多采用混合动力甚至纯电动推进的船舶,但目前来看,对于大型远洋货轮,全电动的能量储存(电池)和供能问题依然是巨大的挑战。

总结一下,

内燃机车采用电传动,是因为其需要灵活、快速、精确的动力响应来适应复杂的线路和多变的工况。电动机的特性完美契合了这一需求,并且简化了传动系统。

而货轮,尤其是大型远洋货轮,则需要稳定、持续、巨量的动力输出,并且燃油经济性是首要考虑因素。传统的机械传动(直接驱动或齿轮箱传动)在这一点上表现出色,其大型低速柴油机已经高度优化,直接驱动的系统也更简单、可靠且成本效益更高。虽然“电力推进”在某些船舶上有所应用,但其驱动能源通常仍是内燃机,并且是为了实现更优的布局和控制,而非完全替代内燃机的直接动力输出。

所以,不是货轮“不”用电传动,而是对于它们最核心的需求而言,传统的机械传动依然是目前最“划算”、“实用”的选择。

网友意见

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货轮基本上用直接驱动,发动机主轴直接连螺旋桨,要那劳什子电传系统干啥?影响热效率。

低速船用柴油机转速才100转/分钟上下,这个转速下推进效率是很高的,而且省去了传动系统热效率也非常高。

电传系统反而是用在燃气轮机上,燃气轮机转速非常高,如果上减速器就太麻烦了,干脆接个发电机,而且级数很多,发出来高频交流电,然后经过IGBT、VVVF等系统,出来的就是你想要的交流电了

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好问题。写嗨了啰嗦一大篇,凑合看吧。

其实说简单一点,就是船柴只要螺旋桨能转就行,反正大不了螺旋桨空转。但是机车空转可是件很严重的事情,如果直驱就很有可能把发动机憋熄火。所以为了防止憋熄火以及空转,铁路机车自直驱衍生出两种驱动方式,液力与电力。液力嘛,就是发动机主轴接上液力变矩器,通过变矩器腔体内的液压油传动,输出轴再接变速箱,基本上跟汽车传动那一套一个原理。电力则更简单,发动机接发电机发电,电经过各种变形送到牵引电机以驱动车轮。

二战时美军某些登陆艇或者护航驱逐舰之类排水量几百上千吨的微型军舰,采用过FM38双轴式活塞对冲柴油机。这种机器战前装上过电传铁路机车,战后被苏联人学去衍生成D10系列被装在各种铁路机车上,再衍生就是国朝东风型内燃机车的10L207E发动机。

但是吧,这种机器在美国就是歪门邪道。到50年代,作为北美内燃机车独角兽EMD,其产品基本上都是各种12V、16V(或者换个更熟悉的说法,V12、V16)的传统构型柴油机,额定转速1000上下。

这个转速对于船柴来说偏高,所以后来一般不用,能把额定转速压到五六百,怠速压到一百甚至几十的才是好船柴。这样的船柴都是一栋房子那么大的玩意,自重破百吨轻轻松松,马力数也是几万起花,可不是火车柴油机那种被严重限制尺寸重量的“小玩具”能比的。当然这种也只能塞进大货轮,小船用火车柴油机的也不少,加个固定齿轮箱就行了。

大船采用电传动最早的案例我只知道主力舰的,就是没赶上一战,二战基本打满全场但是基本上只喝汤没抢到肉的BB-40新墨西哥号战列舰,后期大修还把电传改直驱了。说起来新墨西哥也是吃了年代早思路广技术差的亏,晚20来年的北卡罗莱纳基本上舰艇总马力是新墨西哥的几倍(十来万vs两万出头),连克利夫兰那种巡洋舰都比新墨西哥总马力大,还真是欲哭无泪。也就是战列舰在二战明日黄花了,不然我还真想见识见识新墨西哥四座三联炮塔战列舰的终极精神续作——蒙大拿级投入实战。

当然对于战列舰这种船来说,舰艇上用电太多(炮塔转动机构、炮弹输送机构、全舰照明、指挥等等部分都得大量用电)自然得有一大部分发动机功率用来发电,直接电传以方便分配也不是不可以。至于潜艇则是更早电传的,毕竟潜海的时候可没办法直接从海水里提取氧气。等到核能时代,则更是最好电传,反正都要靠核反应堆发电。要是所有的船都能搭上大小不等的反应堆,那么这些船必然全部电传。

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