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海军舰船推进技术：

减少石油使用的选择 - 国会背景

1介绍

本报告提供了可能减少海军对其船舶石油依赖的技术选项的背景信息。它是基于2006年4月6日在众议院武装部队委员会投影力小组委员会举行听证会后准备的证词，该委员会准许将证词转换成本报告。该报告讨论了减少海军对其船舶石油依赖的四项一般战略：①减少海军舰船的能源消耗；②替代碳氢燃料；③核推进和帆；④太阳能。以下讨论是关于此活动的一节。

2006年7月的政府问责局（GAO）报告讨论了海军关于替代船舶推进方法的研究状况，以及海军为开发新的船舶推进技术所做的努力政府问责局，海军舰艇和潜艇推进系统，GAO-06- 789R，2006年7月6日]

减少海军舰船的能源消耗

意义：

减少海军对石油依赖的一个策略是减少海军舰船的能源消耗。

现状：

美国国防部于2006年9月作证说，其能源使用总量约占美国能源使用总量的1.2%，2005年度国防部消耗大约1.25亿桶石油。美国国防部证实，在DOD总能源消耗中，飞机，轮船和车辆所用燃料约占74%。国防部作证说，喷气燃料不仅用于飞机，而且还用于坦克，其他地面车辆和发动机，约占国防部消耗的58%，而船用柴油占13%。

海军在2006年10月表示，为了实现所有的目标，它每年使用大约4100万桶石油（约占上述2005财年1.25亿桶DOD数字的33％），而2005财年海军花费9亿美元为船舶和飞机提供燃料，约为该年度总额28.3亿美元的32％。

对于使用化石燃料的海军舰艇来说，减少能源消耗可以降低燃料成本并增加航程。增加巡航距离可以通过增加加油时间和船舶离开下一加油点的距离来提高作战灵活性。它也可以通过减少热废气的排放来降低船舶的红外特征，从而提高生存能力。如果应用于相当数量的舰船，巡航距离的增加可能降低与燃油有关的机械（例如油器）和海军基础设施（例如储存设施）的成本。

国防科学委员会（DSB）2001年提出的关于提高国防部武器平台燃料效率的报告指出：自1977年以来，海军已经制定了一项旨在提高武器平台燃油效率的计划，主要侧重于遗留系统。海军工作人员估计，该计划已经使船舶和机队的燃油消耗量分别减少了15％和6％。 技术和产品的部署主要通过无成本和低成本的途径，例如正常的检修过程或程序变更。然而，在未来的系统设计中，燃油效率并未受到高度重视。燃料消耗由于作为运营成本组成部分之一而进入设计权衡之中，并且在大多数情况下，燃料消耗是最不重要的组成部分之一，这是因为他所带来的好处被报告中的其他地方提出的原因低估了。由于这种低估和分歧的激励措施，如果初期投资高并且几年内不出现节省，承诺提高绩效和正面投资回报的新节能技术对于资金竞争力不佳。

根据2005年10月向国防部高级官员介绍的海军研究咨询委员会（NRAC）的研究，美国政府在2003财政年度每天使用约33万桶石油（BPD），约占美国使用总量1600万桶的2％。 在美国政府总额中，国防部（DOD）占BPD约30万，约占91％。 在国防部总数中，飞机占73％，地面车辆占15％，装置占4％，剩下的8％是船舶，约24,000桶BPD，或每年876万桶。

2006年11月1日，Geoff Fein在防务日报上说：海军正在研究船舶化石燃料替代品。

海军开发，测试和评估（DT＆E）计划（类别6.4和6.5）的一部分专门用于提高船舶（主要是传统船舶）的燃油效率。 这个项目始于20世纪70年代后期，1984年的资金达到3500万美元。1985年燃料价格下降后，该项目的资助水平较为温和，到90年代达到每年800万美元左右。

DSB报告列出了可以提高燃油效率3％至8％的电厂改进方案，可改进船体系统流体动力学的改进方案（可提高燃油效率3％至8％），以及改进船体涂层和清洁，辅助系统，传感器，控制和程序以及可能导致燃料效率进一步提高的“酒店负载”（功能如照明和淡水生产）。 DSB报告中列出的一些选项将在下面进行更详细的讨论。

电气系统

洛基山研究所（RMI）主任兼DSB特别工作组成员艾默里洛文斯博士估计，2001年海军非航空燃料中有30％似乎用于为酒店负荷供电。2001年由RMI为海军在宙斯盾巡洋舰普林斯顿（CG-59）上进行的能源使用研究发现，这些船舶上的酒店负荷可能会大幅下降。 根据DSB报告，RMI研究发现：酒店负载的可节能潜力在20％至50％左右，还有很多机会尚待评估。 许多储蓄机会纯粹是可操作的，只需要很少或没有投资。在一篇关于RMI研究的在线文章中，Lovins博士说：海军海上系统司令部的能干的工程师NAVSEA估计，在这个船上可以节省19％，其中普林斯顿效率最高的四分之一....；我们的初步调查发现了可观的节约潜力，或许，如果可行的话，可能是NAVSEA预期的好几倍。

普林斯顿每年使用价值近600万美元的类似柴油的涡轮机燃料。 当中的燃气轮机，与旧式喷气客机上的那些类似，使用价值约2-3百万美元的石油来补充2.5兆瓦的电力，其余的则用于80000马力的推进。RMI小组发现，改造电机，水泵，风扇，冷水机组，灯和饮用水系统可以节省约20-50％的电力。这可能会将燃料总消耗量降低10-25％左右......

就像在岸上的民用设施一样，RMI团致电力效率低下，所以令人吃惊的27美分关税，是岸上典型工业关税的6倍。这种高成本使得“negawatts”真的多支。例如，单台100马力永久启动电机的效率提高的每个百分点价值为每年1000美元。每个冷水机组可以进行改进，以便每八个月节省自己的资本成本电价（约合120000美元）。如果在非关键的低威胁条件下，某些备份系统可以在需要时自动启动，而不是一直运行，那么每年可节省大约40万美元。这所省的一半可能来自两个125马力的消防泵，这些消防泵的作用是将海水泵送到船上，并绕过船舶返回船外。在像精炼厂这样的重要民用设施中，人们同样希望确定消防水始终准备好，然后用2马力的泵给管道加压（通常是用淡水），然后用主泵将钻井机变的行动压力瞬间下降。

普朗斯顿的总节电潜力可能每年减少的能源成本近100万美元，或者在现在的整个生命周期中大约有1000万美元的现值，同时提高作战能力。

球形船头（图1）可以降低船舶的波浪阻力，从而提高其燃油效率。 美国海军建筑师泰勒弓和工程师David W. Taylor开发的球形弓的早期形式 ，被安装在特拉华（BB-28）战列舰上，后者于1910年投入使用，随后服役于 美国建造的别的大型高功率船只。Inui Bow--是由日本的Takao Inui于20世纪50年代末和60年代初开发的一种球形弓的新形式，广泛用于大型商业船舶，其巡航速度通常可降低约5％的燃料消耗，现在正在应用于小型商业船舶。海军航空母舰，两栖舰，辅助舰和国防部海上运输船现在具有球形弓，而海军已经研究了将它们并入其他舰艇如水面舰艇的想法。

图1. CVN-77的球形弓部分

海军David Taylor模型盆地的一项研究估计，将弓形灯泡装配到Arleigh Burke（DDG-51）级驱逐舰上可以减少3.9％的燃料消耗，每年可节约2400桶燃料。早期的（1994年）研究同一组织估计，现有的79艘海军巡洋舰和驱逐舰可装备弓形灯泡，总开发和安装成本不到3000万美元，而79艘船的不变美元生命周期燃料节省将为2.5亿美元.10 DOD在2000年指出，将球形弓安装在50个DDG-51上（共获得62个DDG-51）可以节省2亿美元的生命周期燃料成本.11为DDG- 51（图2）可容纳船上现有的弓形声呐圆顶。 2006年9月，美国国家航空航天局的一名开发人员也证实，安装一个球形船首可以将船舶的燃料使用量减少近4％，每年将船舶燃料消耗量减少约10万桶。

Dominic S. Cusanelli，“开发一种结合了水动力灯泡和声纳穹顶的海军表面战斗机的弓”，在美国海军工程师技术创新研讨会上发表的论文。

图2. DDG-51的泡泡弓设计

（灯泡上方，现有的声纳圆顶）

斯特恩襟翼

船尾的襟翼（图3）是一个相对较小的板，延伸到船的尾部后面，延长了船体的底部表面。艉板改变了船尾的水流，减少了船只的阻力并提高了几个百分点的燃油效率。2000年海军水面战斗员的襟翼的制造和安装费用约为170000美元.对DDG-51的艉板进行的初步测试显示，每艘船的年燃油消耗量减少3800至4700桶，即约6.0％至7.5％。14 DOD在2006年9月作证说，DDG-51s的节省约为7.5％，每艘船每年可节省近195,000美元，“用于现有船舶的船尾襟翼和弓形灯泡，减少船上燃料消耗和排放”，以及气候变化，能源效率和臭氧保护，保护国家安全和环境。

截至2004年11月，海军已在98艘船舶（主要是水面作战人员）上安装了艉板，并计划另外安装85艘。截至2004年11月装备的98艘船舶累计装载了403艘船，并节省了4400万美元燃油成本.16美国能源部在2003年表示，到2005年，海军舰艇上的艉板装置每年将节省446,000桶燃油或$ 1800万美元.17 2006年9月，国防部作证说，使用球形弓和襟翼 在水面舰艇上导致选定船舶燃油效率提高15％。

更早的（2003年）能源部出版物指出，在61艘船上安装了严厉的襟翼，预计可节省20.3万桶燃料，并且在2005年全面实施时，海军舰艇上的严厉襟翼装置将节省446000桶燃料，或每年1800万美元。美国能源部提出“以身作则改善能源安全”， “以身作则提高能源安全”。

图3.斯特恩襟翼

（DDG-51级驱逐舰）

螺旋桨涂层

燃气涡轮机的效率比目前在海军舰艇中使用的简单循环燃气涡轮机的效率更高，可以大大减少海军舰船燃料的使用。 这种发动机的一个例子是WR-21中冷回收（ICR）燃气轮机发动机，该发动机由美国，英国和法国政府于1991年至2000年共同开发，用于未来军舰的潜在使用，共用总成本为4亿美元。该项目的工业团队包括诺斯罗普·格鲁曼公司，作为主承包商，罗尔斯·罗伊斯公司作为负责燃气轮机设计的主要分包商和其他公司。 与海军水面作战人员使用的简单循环通用电气LM-2500燃气轮机相比，WR-21采购体积更大，成本更高，但可将机械驾驶表面战斗机的燃料用量减少约25％-30％。

集成电力驱动推进

与传统的机械驱动推进系统相比，这个有两套独立的涡轮机（一套用于推进，另一套用于船用电力发电），集成的电力驱动推进系统可以通过允许船只的单一组合装置减少船舶的燃料使用的涡轮机以最节油的速度更频繁地运行。一份调查电驱动推进技术的。2000年CRS报告指出：

根据所讨论船舶的种类及其运行情况（船舶以不同速度行驶的时间），具有集成电力驱动系统的海军船舶可能比类似的船舶消耗10％至25％的燃料采用机械传动系统。海军估计，像水面战舰这样的舰只可以节省15％到19％的成本。

此外，电力驱动使得可以使用新的螺旋桨船尾配置，例如吊舱推进器，由于其流体动力学效率的提高。可以进一步降低船舶燃料消耗。额外节省的费用估计范围从4％到15％，具体取决于船型和所使用的螺旋桨船尾配置。

海军的TAKE-1级货船使用安装在游轮等船舶上的商用系统的集成电力驱动系统。 海军领先的DDG-1000驱逐舰将使用集成电力驱动系统和更先进的电机类型，即先进感应电机（AIM）。海军潜艇部门表示有兴趣从机械驱动转向电动驱动技术，但需要一种技术，其扭矩密度（即功率密度更高）比用于DDG-1000的主导技术的AIM技术。 更高扭矩密度技术的候选人包括永磁电机（PMM）和高温超导（HTS）同步电机。

燃料电池

燃料电池技术如果成功开发用于海军舰载应用，可以通过比通过燃烧可能更有效地发电来减少海军舰船燃料的使用。图4是海军简报幻灯片，比较了燃烧和燃料电池发电厂的相对效率。

图4。发电厂

CRS报告RL30622，美国海军舰艇的电驱动推进：国会的背景和问题，由罗纳德奥罗克在2002年的国防部报告同样指出：在运行最少两套发电机组时，集成电力驱动推进可以比现有燃气轮机战斗人员节省15％至19％的费用。

海军表示：海军的舰载燃气轮机发动机的效率通常在16％到18％之间，因为海军舰艇通常以低到中速航行，不需要在电厂高峰期使用。ONR（海军研究办公室）正在开发的燃料电池系统的效率将在37％到52％之间。由于这些相对效率的提高，海军声称DDG-51燃气轮机发电机运行3000小时将消耗641465加仑燃料，而装有燃料处理器（即燃料重整器）的船用燃料电池装置用于由海军柴油形成氢气，如果在相同的时间内运行，则消耗214315加仑或33％.海军估计，按照过去几年的燃料价格，转向使用燃料电池技术每艘船每年可节省超过100万美元的船用燃料成本。燃料电池技术的其余潜在优势包括降低维护成本，减少排放（从而降低红外特征），降低声学特征，减小雷达横截面（可能是因为排气管结构尺寸减小）等。

欧洲，日本和美国对开发船载燃料电池技术为船载设备和船舶推进提供动力方面有着浓厚的兴趣。在欧洲，燃料电池技术已被纳入非核动力潜艇，如德国的212型潜艇，并开始应用于民用水面舰艇。 2006年7月的GAO报告指出：ONR和海军海上系

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