proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
К юбилею атомной отрасли
  Агентство  ПРоАтом. 20 ЛЕТ с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Обсудим?!
РАСУ исполнился год. Что дальше?
Не закрывать РАСУ, оставить все как есть
Не закрывать РАСУ, но сменить руководство
Закрыть РАСУ, всех уволить, лучших - во ВНИИАЭС
Закрыть,найти другого главного конструктора АСУ ТП
Закрыть РАСУ и создать новое предприятие

Результаты
Другие опросы
Актуальная тема
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. Информация: (812) 438-32-77, E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.

[23/08/2016]     Перспективы развития энергетических установок кораблей ВМС зарубежных стран

В.Н. Половинкин, Советник генерального директора ФГУП «Крыловский государственный научный центр», д. т. н., проф.; В.В.Барановский, проф. кафедры энергетических установок (неядерных) ВУНЦ ВМФ «ВМА», д. т. н.

Достижения фундаментальной науки и развитие техники позволяли энергомашиностроителям решать принципиально новые задачи, существенно повышая боевые и эксплуатационные возможности кораблей Военно-морского флота.



Корабельная энергетика переживает переломный момент. Всережимные и комбинированные энергетические установки (ЭУ) различного типа, используемые на крупных кораблях ВМС зарубежных стран, исчерпали свой потенциал модернизации. Затрачивая колоссальные средства, разработчики способны лишь незначительно улучшить характеристики корабельных энергетических установок (КЭУ) традиционного типа. Большие надежды зарубежные специалисты возлагают на компоновочную схему ЭУ нового поколения типа объединенной энергетической системы (IPS - Integrated Power System), обеспечивающую реализацию концепций «полное электродвижение» (Full Electric Propulsion) и «полностью электрифицированный корабль» (Full Electric Ship). Такая перспективная энергетическая установка обладает значительно более высокими техническими возможностями по сравнению с современными ЭУ. Данные концепции энергетической системы способны обеспечить надежную работу всех корабельных систем, включая оружие и вооружение, требующих больших затрат энергии от единых источников питания.

ЭУ нового поколения успешно используются на боевых надводных кораблях передовых морских держав, например, на эскадренных миноносцах (ЭМ) УРО типа «Daring» ВМС Великобритании и ЭМ УРО типа «Zumwalt»  ВМС США.

 

Рис. 1. Эскадренный миноносец УРО типа «Daring» ВМС Великобритании

 

Рис. 2. Эскадренный миноносец УРО типа «Zumwalt»

В ВМФ России мы только ещё подходим к осознанию необходимости разработки ЭУ нового поколения, причем окончательное формирование «вектора направленности» развития КЭУ пока не произошло. В научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях ВМФ по этому поводу встречаются противоречивые мнения. Целью данной статьи является освещение основных научных проблем развития КЭУ ВМС, на базе зарубежного опыта развития корабельной энергетики.

В США, Великобритании, Германии, Франции, Японии проводятся НИOKP по созданию КЭУ нового поколения для надводных кораблей и подводных лодок с компоновочной схемой объединенной электроэнергетической системы (ОЭЭС). Наиболее интенсивно такие проекты разрабатываются в США и Великобритании.

Характерным примером действующих кораблей, на которых были установлены гребные электродвигатели, явилась серия фрегатов (12 единиц) ВМС Великобритании типа «Duke» постройки 1990-2002 гг. с компоновочной схемой ГЭУ типа CODLAG с электрической передачей мощности на винт.

Рис. 3. Фрегат ВМС Великобритании типа «Duke»

 

Рис. 4. Схема компоновки ГЭУ фрегата типа 23 ВМС Великобритании

Энергетическая установка корабля, выполненная по схеме CODLAG, включает два газотурбинных двигателя «Spey» SM1С» фирмы «Rolls-Royse» суммарной мощностью 23,0 МВт, четыре дизель-генератора «PaxmanValenta 12CM» мощностью по 1,5 МВт каждый и два гребных электродвигателя GEC мощностью по 3,0 МВт, работающих на два винта регулируемого шага.

Лучшим ГТД второго поколения зарубежные специалисты считают американский двигатель LM-2500 фирмы «Дженерал электрик». Он создан на базе авиационного турбореактивного двухконтурного двигателя TF39 той же фирмы и представляет собой двухвальный двигатель простого цикла, в состав которого входят 16-ступенчатый компрессор, быстросъемная кольцевая камера сгорания малого диаметра, двухступенчатая турбина высокого давления и шестиступенчатая свободная силовая турбина. При нормальных эксплуатационных условиях (температура окружающего воздуха 15°С, давление 1,03 кг/кв. см) и теплотворной способности топлива 10270 ккал/кг двигатель имеет максимальную длительную мощность 24 700 л.с. при 3400 об/мин. Удельный расход топлива на этой мощности равен 181,9 г/л.с.ч., расход воздуха 59-65 кг/с. Длина двигателя составляет 6,25 м, масса около 3,8 т. Компрессор однороторный со степенью сжатия 17:1.

Рис. 5 Газотурбинный двигатель LM-2500

 

Рис. 6. Дизельные генераторные установки MTU 12V 4000 M53B для оснащения фрегатов тип 23 "Duke"

 

При проектировании фрегатов типа «Duke» одним из основных требований было обеспечение малой шумности силовой установки, особенно на поисковых скоростях хода 12-15 уз при работе с развернутой буксируемой ГАС. Поэтому была выбрана компоновочная схема типа CODLAG, в которой режимы малой скорости хода обеспечиваются работой только гребных электродвигателей, питающихся от дизель-генераторов (ДГ).

На полной скорости хода корабля (28 уз) при совместной работе электромоторов и газотурбинных двигателей (ГТД) суммарная мощность ГЭУ достигает 26 МВт. Но такая схема силовой установки обладает рядом недостатков: слишком малой удельной мощностью (кВт/кг) гребного электродвигателя (ГЭД) при достаточно  больших потерях при преобразовании и передаче электроэнергии от ДГ к ГЭД (более 10 %).

Во Франции и Италии по программе FREMM (Fregates Europeenne Multi-Mission) строится серия многоцелевых фрегатов с ГЭУ типа CODLAG.

На рис.7, 8 представлены типы КЭУ крупных кораблей зарубежных ВМС.

Рис.7. Типы энергетических установок, используемых на кораблях ВМС иностранных государств классов «фрегат» и «эсминец»

 

Рис. 8. Типы энергетических установок кораблей классов «фрегат» и «эсминец», которые к 2020 г. будут состоять на вооружении ВМС зарубежных стран

 

КЭУ типа объединенная электроэнергетическая система

Весьма перспективным представляется использование новой компоновочной схемы корабельной энергетической установки типа «объединенная электроэнергетическая система» (ОЭЭС), в которой реализуются две ключевые концепции: «полное электродвижение» (Full Electric Propulsion) и «полностью электрифицированный корабль» (Full Electric Ship).

Концепция «полное электродвижение» подразумевает использование на всех ходовых режимах только ГЭД. Реализация концепции «полностью электрифицированного корабля» предполагает полный отказ от пневматических, паровых и гидравлических приводов главных и вспомогательных механизмов и систем корабля и замену их электроприводами. Такая компоновочная схема КЭУ известна достаточно давно, но несовершенство технологий, доступных на тот период времени, не позволяло создать всережимную ГЭУ для надводных кораблей и подводных лодок, отвечающую требованиям по мощности и массогабаритным характеристикам (МГХ), где роль главных двигателей играли бы исключительно электромоторы и электроприводы, работающие на всех ходовых режимах. Этим объясняется преимущественное оснащение современных надводных кораблей ВМС зарубежных стран ЭУ с механической передачей мощности на винт, соответствующие требованиям по мощности и MГX.

Благодаря разработке новых технологий стало возможным создание ОЭЭС, значительно превосходящей по ряду ТТХ современные типы КЭУ. Технология производства твердотельных полупроводников, используемых в силовом электрооборудовании, позволила значительно снизить массогабаритные характеристики электрооборудования. Новые технологии создания конструкционных материалов (ключевыми из которых являются технологии производства постоянных магнитов с полем большой индуктивности и высокотемпературных сверхпроводников), а также технологии производства усовершенствованного 15-фазного асинхронного гребного электродвигателя (AIM – Advanced Induction Motor), позволяют значительно увеличить удельную мощность (кВт/кг) и КПД установки.

Компанией «Konvertim» в Великобритании проведены успешные испытания и налажено производство усовершенствованных асинхронных электродвигателей мощностью 21 МВт, которые используются в качестве ГЭД ЭМ УРО типа «Daring».

 

Рис. 9. ГТУ WR-21 на эсминцах типа «Daring» (проект 45)

ЭЭС корабля включает два газотурбогенератора общей мощностью 42000 кВт и два резервных дизель-генератора  общей мощностью 4000 кВт. В качестве приводов ГТГ используются ГТД типа WR-21 со сложным циклом фирмы «Rolls-Royce-Northrop Grumman» максимальной мощностью по 24680 кВт, в качестве приводов ДГ – дизельные двигатели типа 12V200 фирмы «Wartsila», что позволило улучшить экономичность ГЭУ в целом. В ЭЭС для движения используется повышенное напряжение 4160 В, при этом в качестве приводов ВФШ используются два 15-фазных асинхронных ЭД. Общекорабельная сеть распределения электроэнергии рассчитана на напряжение 440 В при частоте тока 60 Гц. ГЭУ обеспечивает скорость полного хода около 29 уз, дальность плавания на скорости 18 уз — 7000 миль.

Эскадренные миноносцы УРО типа «Zumwalt» ВМС США также оснащаются ГЭД мощностью 36,5 МВт, разработанными компанией «American Super Сonductor», но уже с обмотками из высокотемпературных сверхпроводников.

Рис. 10. Устройство ЭМ УРО типа «Zumwalt» ВМС США

 

Рис. 11. Финансирование программы строительства эсминцев типа «Zumwalt» (млн долл.)

 Рис. 12 Корабельный ВТСП-электродвигатель мощностью 36,5 МВт для эсминца «Zumwalt»

Характеристики ГЭД кораблей типа «Daring» и «Zumwalt» представлены в табл. 1.

 Табл. 1 Характеристики ГЭД кораблей типа «Daring» и «Zumwalt» 

Характеристики

Усовершенствованный асинхронный ЭД AIM

Синхронный ВТСП ЭД (опытный образец)

Номинальная мощность, МВт

21

36

Частота оборотов ротора, об/мин

150

120

Масса модуля (с фундаментной рамой), т

117

75 (с криогенной системой)

Занимаемый объем и габариты (Д×Ш×В), м3(м)

85,5 (4,75×4,5×4)

45,7 (4,2×3,3×3,3)

 

Кроме гребных электродвигателей компанией «American Super conductor» разработаны электрические генераторы с обмотками из ВТСП, характеристики которых представлены в табл. 2.

 Табл. 2 Основные характеристики генераторов с обмотками из ВТСП-материалов, разработанных компанией «American Super conductor» 

Мощность, МВт

40

50

Частота вращения, об/мин

3 600

3 600

Количество полюсов

2

2

Коэффициент мощности (cos φ)

0,9

0,9

Количество фаз

3

3

Напряжение, кВ

13,8

13,8

Коэффициент полезного действия, %

98,9

99,0

 

 

 

 

 

В ОЭЭС ЭМ УРО «Zumwalt» в полном объеме реализованы концепции "полного электродвижения" и "полностью электрического корабля". Данная идея частично была воплощена на десантных кораблях и судах снабжения американских ВМС. Эсминцы нового поколения оснащены двухвальными всережимными ОЭЭС (IPS - Integrated Power System) с винтами фиксированного шага. Такая система использует общий первичный источник для выработки электроэнергии с целью обеспечения движения и электроснабжения всех корабельных систем (от оружия до вентиляции и кондиционирования воздуха).

 

Преимуществами ОЭЭС

Архитектура ОЭЭС предусматривает глубокую интеграцию составных частей корабельной энергетической установки, как ГЭУ, так и ЭЭС, в единую систему с централизованным управлением и контролем.

Реализация новых технологий и конструктивно-схемных решений позволила полностью исключить пневматические, паровые и гидравлические приводы главных и вспомогательных механизмов, систем КЭУ, и заменить их электроприводами. Электроэнергетическая система корабля вырабатывает электроэнергию и распределяет ее как на корабельные системы и механизмы, так и на гребные электродвигатели. Схема распределения электроэнергии в ОЭЭС ЭМ типа «Zumwalt» показана на рис. 13

 

Рис. 13. Схема распределения электроэнергии в ОЭЭС ЭМ УРО типа «Zumwalt»

Применением передовых технологий в сочетании с новой компоновочной схемой КЭУ - ОЭЭС достигается улучшение ТТХ и технико-экономических показателей не только энергоустановки, но и корабля в целом.

Основными преимуществами ОЭЭС в сравнении с всережимными и комбинированными КЭУ различного типа являются:

- Высокий КПД (КПД двигателя тем выше, чем ближе диапазон его нагрузок к номинальным). Архитектурное построение ОЭЭС обеспечивает ее функционирование по принципу электростанции, где выработка электроэнергии происходит с помощью генераторов, количество и номинальная мощность которых подобрана согласно общей нагрузке, необходимой для обеспечения движения, а также потребителей в соответствии с ходовыми режимами.

- Высокая гибкость компоновки (архитектурное построение ОЭЭС ЭМ УРО типа «Zumwalt» обеспечивает большую гибкость в размещении агрегатов КЭУ, так как с гребными валами соединены только ГЭД, расположенные в корме). Для боевых кораблей размещение оборудования влияет на уровень резервирования и, соответственно, на живучесть при боевых повреждениях. Расположение однотипного оборудования в различных отсеках позволяет функционировать системе при боевом повреждении одного из них.

- Низкий уровень шумности и вибрации (в ГЭУ с механической передачей энергии на винт для снижения шумности используется дополнительное оборудование - специальные фундаменты и эластичные муфты). Электродвигатели изначально намного тише и могут жестко устанавливаться на фундаментной раме.

- Низкие массогабаритные характеристики (МГХ). Хотя современные системы "электродвижения" имеют тенденцию занимать больший объем и иметь большую массу, чем механические, но сокращение количества главных двигателей - четыре ГТУ на ЭМ УРО типа «Zumwalt» и семь на эсминце типа "О. Бёрк" при равной суммарной мощности, а также отсутствие ГРП и протяженных линий вала компенсируют данный недостаток. Этому способствует техническое решение объединения мощности ГЭУ и ЭЭСК, что позволяет в итоге снизить МГХ КЭУ. Более того, высокий КПД ОЭЭС позволяет уменьшить расход топлива, а, следовательно, и объем его запасов на корабле при использовании тех же ходовых режимов.

- Высокий уровень резервирования (в ГЭУ с механической передачей энергии на винт неполадки главного двигателя или ГРП, как правило, приводят к полной остановке соответствующей линии вала). Большую часть времени ОЭЭС может обеспечивать характерные для данного класса кораблей ходовые режимы только с двумя введенными в действие вспомогательными ГТГ, а при выходе из строя одного из главных генераторов обеспечивать скорость хода свыше 27 уз. В ОЭЭС ЭМ УРО типа «Zumwalt» применяется встроенное резервирование для поддержания хода корабля на приемлемом уровне при аварийном или боевом повреждении, что обеспечивается конструкцией усовершенствованных асинхронных ГЭД, которые имеют группы обмоток, питающиеся от разных источников, что позволяет одной группе оставаться изолированной в случае повреждения другой группы или источника питания, а двигателю функционировать в аварийном режиме при пониженных нагрузках. Кроме того, на ЭМ УРО «Zumwalt» была выбрана тандемная компоновочная схема усовершенствованных асинхронных ГЭД, предусматривающая расположение двух электродвигателей равной мощности (в сумме 34,6 МВт на одном валу ротора, но с раздельным электропитанием).

- Высокая надежность. Несмотря на достаточную сложность и большое число компонентов, что теоретически снижает надежность системы, на практике силовая электроника демонстрирует феноменальную надежность (наработка на отказ более 100 000 ч).

- Высокий уровень автоматизации в сочетании с высокой надежностью электрической ГЭУ предполагает сокращение численности личного состава, занятого ее эксплуатацией. Это зависит от требований заказчиков и, следовательно, от выбранной системы управления и контроля установки. Как многие современные корабли, ЭМ УРО типа «Zumwalt» спроектирован с машинными отделениями, доступ в которые осуществляется для проведения ремонтных регламентных работ и инспекций. Сокращение численности экипажа корабля влечет за собой снижение расходов на его содержание и благодаря высвободившимся объемам увеличение полезной нагрузки. Компоновочная схема ОЭЭС позволяет уменьшить расход топлива за счет применения наиболее оптимальных режимов работы (в том числе работа с одним введенным в действие генератором). При этих режимах исключается "горячий" резерв, подразумевающий постоянную работу резервного генератора на холостом ходу наравне с действующим генератором.

- Низкая стоимость жизненного цикла. Не смотря на то, что закупочная стоимость ОЭЭС может быть выше таковой для ГЭУ с механической передачей энергии на винт, меньшее количество главных двигателей, наличие винтов фиксированного шага и более низкая эксплуатационная стоимость, как результат повышенной экономичности и невысоких расходов на техническое обслуживание, позволяют сократить стоимость жизненного цикла в сравнении с ГЭУ с механической передачей энергии на винт.

- Высокий потенциал при модернизации. ОЭЭС ЭМ УРО типа «Zumwalt» построена по принципу открытой архитектуры, что способствует использованию стандартных общих модулей, производимых независимо несколькими компаниями, в энергоустановках кораблей различных классов. Подобный принцип построения КЭУ позволяет внедрять передовые технологии и конструктивно-схемные решения путем замены морально устаревших стандартных модулей на усовершенствованные с такими же входными и выходными параметрами, но с улучшенными характеристиками. Такой подход не требует серьезной модернизации всей установки, значительных финансовых вложений и трудозатрат.

 

ОЭЭС ЭМ УРО типа «Zumwalt»

В состав ОЭЭС ЭМ УРО типа «Zumwalt» входит пять основных модулей:

- генераторы электроэнергии (PGM - Power Generation Modules), в качестве которых на ЭМ УРО типа «Zumwalt» используются ill и ДГ различной мощности;

- системы распределения электроэнергии (PDM - Power Distribution Modules) - кабельные трассы, коммутационное оборудование, фильтры гармоник и др.;

- преобразователи электроэнергии (PCM - Power Conversion Modules) - различного рода преобразователи: переменного тока в постоянный (обратные преобразователи), постоянного в переменный, частотные преобразователи;

- гребные электродвигателей (РММ - Power Motor Modules). В настоящее время используются усовершенствованные асинхронные электродвигатели с обмотками из меди;

- посты дистанционного управления установкой (PCON - Power Control Modules).

Два модуля главных ГТГ мощностью по 36 МВт вырабатывают электрический ток напряжением 13,8 кВ. Приводом электрогенератора фирмы "Кёртис Врайт" служит ГТУ МТ-30 (Marine Trent-30), выпускаемая "Роллс-Ройс". Она включает два вспомогательных модуля ГТУ RR-4500 с генераторами мощностью по 3,9 МВт. Главные и вспомогательные ГТГ вырабатывают ток переменного тока напряжением 4 160 В и частотой 60 Гц.

 

Рис.14. Энергетические модули ОЭЭС ЭМ УРО типа «Zumwalt»

Кроме того, предусмотрены два модуля аварийных ДГ, которые автоматически вводятся в действие в нештатных ситуациях, и вырабатывают переменный ток напряжением 450 В. Общая мощность ОЭЭС составляет 80 МВт (118 000 л. с).

Ход кораблю обеспечивают два модуля всережимных асинхронных ГЭД переменного тока мощностью по 34,6 МВт производства компании "Конвертим" с передачей крутящего момента по коротким валам на гребные винты. Подобный тип электродвигателей использовался при создании ОЭЭС ЭМ УРО типа "Дэринг" ВМС Великобритании.

Но требования по мощности к ГЭУ британских эсминцев ниже - она составляет около 60% мощности ГЭД американских ЭМ УРО типа «Zumwalt». Кроме них, в состав каждого модуля входит силовой преобразователь с широтно-импульсной модуляцией для регулировки частоты вращения ГЭД и линии вала. Какая-либо редукторная передача в системе движения отсутствует.

ОЭЭС обеспечивает скорость полного хода эсминца более 30 уз (необходимая для этого мощность менее 75 МВт, для обеспечения общекорабельных нужд - до 5 МВт). При размещении на корабле перспективного оружия на новых физических принципах распределение потребной энергии изменится принципиально. Основная доля мощности будет направлена на обеспечение оружия и вооружения. Наличие на корабле ОЭЭС мощностью 80 МВт достаточно для выработки энергии в 64 МДж, обеспечивающей функционирование электромагнитной пушки с требуемой скорострельностью.

Планировалось, что на третьем ЭМ УРО типа «Zumwalt» будут установлены модули ГЭД с высокотемпературной сверхпроводимостью. Полномасштабный ВТСП ГЭД (фирмы "Америкэн суперкондактор" с участием фирмы "Нортроп-Грумман" - "Электрик марине системз") проходит испытания. Он имеет следующие характеристики: мощность 36 МВт, рабочее напряжение 6,6 кВ, частота вращения 120 об/мин, крутящий момент 31 кН*м; рабочая температура обмоток ВТСП около 30 К; масса менее 75 т; КПД 98,6% (потери на 57% меньше, чем у традиционного ГЭД с обмотками из медной проволоки); объем 47% от обычного ГЭД.

Табл. 3 Характеристики генераторов с обмотками из ВТСП-материалов,  разработанных "Америкэн  Суперкондактор" 

Мощность, МВт

40

50

Частота вращения, об/мин

3 600

3 600

Количество полюсов

2

2

Коэффициент мощности (cos Ф)

0,9

0,9

Количество фаз

3

3

Напряжение, кВ

13,8

13,8

Коэффициент полезного действия, %

98,9

99,0

 

Основные преимущества ВТСП ГЭД по сравнению с обычными двигателями заключаются в следующем:

- в 3 раза больший крутящий момент при существенно меньших массогабаритных характеристиках;

- высокий КПД во всем диапазоне мощностей - от минимальной до номинальной;

- высокая маневренность - готовность к изменению мощности в связи с постоянной температурой обмоток ротора (изменение мощности в таких условиях не вызывает термической усталости ротора);

- низкая виброактивность, обусловленная отсутствием высших гармоник в составе питающего тока (питание ГЭД может осуществляться либо от циклоконвертора с фильтром высших гармоник, либо от синхроконвертора) и снижением уровня структурного шума в связи с отсутствием "зубцового эффекта" в железе статора;

- низкие массогабаритные характеристики (вдвое меньшие линейные габариты и более чем в 2 раза меньшая масса ВТСП ГЭД по сравнению с обычным ГЭД  позволят сократить водоизмещение корабля на 200 т или увеличить его полезную нагрузку).

Электроэнергетическая система ОЭЭС ЭМ УРО типа «Zumwalt» включает системы высокого и низкого напряжения. В состав первой входят два главных модуля и два вспомогательных генератора, а также четыре ГРЩ. ЭЭС низкого напряжения включает два модуля аварийных дизель-генераторов, интегрированную систему бесперебойного электроснабжения (IFTPS - Integrated Fight Through Power System) и электрораспределительную систему корабля (SSDS - Ship Service Distribution System).

В составе интегрированной системы бесперебойного электроснабжения имеются четыре типа модулей преобразователей: РСМ-1, -2, -2А и -4, которые преобразуют электроэнергию, поступающую от ГТГ, в электроэнергию с различными параметрами, необходимую конкретным потребителям. Электрораспределительная система корабля включает: модули автоматов аварийных переключений, источники бесперебойного электропитания (обеспечивают автономное питание потребителей в течение 10 мин) и модули распределительных щитов. Модули типа РСМ-4 мощностью 5 МВт каждый используются для преобразования переменного тока в постоянный, который подается на автономные общекорабельные шины правого и левого борта. Модули типа РСМ-1 по 3 МВт с защитой от перегрузки по току применяются для обособленного питания постоянным током всех потребителей конкретной зоны корабля. Модули типа РСМ-2 по 3 МВт служат для преобразования постоянного тока, получаемого от модуля типа РСМ-1, в переменный ток высокого качества, что соответствует требованиям военного стандарта Mil-STD-1399, Туре 1. Они предназначены для питания потребителей переменного тока той же зоны, которая получает его от конкретного модуля типа РСМ-1.

Использование управляемых диодных вентилей позволяет осуществлять питание модуля типа РСМ-2 постоянным током от зонального модуля типа PCM-1 либо от шины правого или левого борта. Различные способы питания обеспечивают возможность мгновенной "переброски" потребляемой мощности с одного источника на другой в случае получения кораблем боевого повреждения.

Серийные модули РСМ для ОЭЭУ перспективных кораблей поставляет компания "СатКом текнолоджи", специализирующаяся на выпуске электронных инвертеров мощностью от 5 кВт до 5 МВт и распределительных щитов, а также микросхем промышленного, медицинского, военного и авиакосмического назначения.

По сути, модули постов дистанционного управления на эсминце УРО типа "Zumwalt" отсутствуют. Система управления ОЭЭС интегрирована в информационно-управляющую систему корабля, посредством которой операторами из главного командного пункта осуществляется автоматизированный контроль и управление всеми его системами. Таким образом, объединенная энергетическая система (IPS - Integrated Power System) предусматривает интеграцию составных частей корабельной энергетической установки (ГЭУ и ЭЭС) в единую систему с централизованным управлением и контролем. Ее ядром является электроэнергетическая система корабля, вырабатывающая и распределяющая электроэнергию как на корабельные системы и механизмы, так и на гребные электродвигатели, обеспечивающие ход корабля. Иными словами, ОЭЭС использует общий первичный источник выработки электроэнергии для обеспечения движения и электроснабжения всех корабельных систем - от систем оружия до систем вентиляции и кондиционирования воздуха.

Такая ЭУ в настоящее время устанавливается только на надводных кораблях. В ВМС США - на ЭМ УРО «Zumwalt» и на кораблях ближней морской зоны, разрабатываемых по программе LCS (Littoral Combat Ship). В ВМС Великобритании - на кораблях трех типов: ЭМ УРО «Daring», десантно-вертолетных кораблях-доках (ДКВД) типа «Albion», танкерах-заправщиках (ТЗ) типа «Wave», а также на универсальных десантных кораблях (УДК) ВМС Франции типа «Mistral».

Рис.15. Боевой корабль прибрежной зоны ВМС США LCS

Рис. 16. Десантно-вертолетный корабль-док типа «Albion»

Рис.17. Танкер-заправщик типа «Wave»

Применением передовых технологий в сочетании с новой компоновочной схемой ОЭЭС достигается улучшение тактико-технических характеристик (ТТХ) и технико-экономических показателей не только КЭУ, но и корабля в целом.

 

Преимущества новой архитектуры

Главными преимуществами архитектуры построения таких систем по сравнению с традиционными КЭУ с механической передачей крутящего момента на винт являются:

- Обеспечение большей гибкости в размещении элементов КЭУ, так как только ГЭД должны быть механически соединены с гребным валом. Остальные элементы КЭУ могут быть размещены в различных отсеках, что положительно влияет на обеспечение живучести.

- Эффективность - КПД любого теплового двигателя тем выше, чем более его нагрузка приближается к номинальному значению. Архитектура построения ОЭЭС обеспечивает работу по принципу электростанции, где выработка электроэнергии происходит посредством генераторов, количество и номинальная мощность которых подбираются согласно общей нагрузке, необходимой для обеспечения движения и работы корабельных потребителей, в соответствии с ходовыми режимами корабля.

- Низкий уровень шума и вибрации (в ГЭУ с механической передачей энергии на винт для снижения шумности используется дополнительное оборудование, такое как специальные фундаменты и эластичные муфты).

- Снижение массогабаритных характеристик. Сокращение количества главных двигателей и отсутствие главных редукторных передач, а также протяженных линий вала компенсируют недостаток КЭУ с ОЭЭС, вызванный громоздкостью гребных электродвигателей и генераторов электроэнергии. Кроме того, высокий КПД ОЭЭС позволяет снизить расход топлива, а, следовательно, и объем его запасов на корабле при аналогичных ходовых режимах.

- Надежность. В ГЭУ с механической передачей энергии на винт неполадки главного двигателя или ГРП приводят к полной остановке соответствующей линии вала. В ОЭЭС может применяться встроенное резервирование для поддержания хода корабля на приемлемом уровне даже при аварийном или боевом повреждении. Электрические машины могут иметь более чем одну группу обмоток, независимо питающихся от разных источников, что позволяет одной группе быть изолированной в случае повреждения другой группы или повреждения источника питания, и функционировать агрегату даже на пониженных нагрузках в аварийном режиме. Хотя силовая электроника достаточно сложна и имеет большое число компонентов, наработка на отказ на практике превышала 100 000 ч.

- Закупочная стоимость ОЭЭС существенно выше, чем для ГЭУ с механической передачей энергии на винт, однако меньшее количество главных двигателей, применение винтов фиксируемого шага и более умеренные эксплуатационные расходы (в результате экономичности технического обслуживания) позволят снизить стоимость жизненного цикла.

- Высокий уровень автоматизации и надежности электрической ГЭУ ведут к сокращению численности обслуживающего персонала. В зависимости от требований заказчиков и выбранной системы управления и контроля установкой многие современные корабли проектируются с необитаемыми машинными отделениями, доступ в которые разрешается только для проведения ремонтных регламентных работ и инспекций. Это приводит к снижению стоимости жизненного цикла КЭУ путем снижения затрат на содержание обслуживающего персонала.

ОЭЭС современных кораблей состоит из набора модулей, что облегчает разработку, поставку и материально-техническое обеспечение энергетических установок кораблей различных классов. Такая архитектура способствует использованию стандартных общих модулей, разрабатываемых и производимых несколькими компаниями. Подобный принцип построения КЭУ позволяет внедрять передовые технологии и конструктивно-схемные решения путем замены морально устаревших стандартных модулей на усовершенствованные с такими же входными и выходными параметрами, но с улучшенными характеристиками. Этот подход не требует серьезной модернизации всей установки, больших финансовых вложений и трудозатрат.

Принципиальная схема электрораспределительной системы ЭМ УРО представлена на рис.18

 

Рис.18. Принципиальная схема электрораспределительной системы ЭМ УРО проекта DD(X)

В автоматизированной системе управления и контроля ОЭЭС используется принцип распределенного контроля и управления. Это позволяет снизить потребности в управлении со стороны личного состава корабля по сравнению с традиционной ЭЭС. Централизованное автоматизированное управле­ние и контроль параметров работы ОЭЭС исключают необходимость несения вахты у работающих механизмов непосред­ственно в машинном отделении.

По оценкам зарубежных специалистов, ОЭЭС, применяемые на современных кораблях, по большинству характеристик превосходят комбинированные энергетические установки, однако не в полной мере соответствуют возможности использования перспективного энергоемкого оружия и вооружения, поэтому являются переходным вариантом к ОЭЭС следующего поколения.

 

Объединенная энергетическая система нового поколения

Объединенная энергетическая система нового поколения (NGIPS – Next Generation Integrated Power System) является результатом дальнейшего эволюционного развития ОЭЭС. Принципиальное отличие КЭУ следующих поколений от существующих ОЭЭС (ЭМ УРО типа «Daring»,) состоит, во-первых, в использовании в них модулей - накопителей электроэнергии (ESM – Energy Storage Modules), что позволит оснащать корабли новыми энергоемкими видами оружия, а во-вторых, в возможности совершенствования модулей электрогенераторов и гребных электродвигателей за счет внедрения перспективных технологий, в частности сверхпроводимости и топливных элементов.

Примером корабля с такой энергетической установкой является перспективный ЭМ УРО ВМС США типа «Zumwalt» (проект DD 1000), проходящий ходовые испытания. С этими кораблями ВМС США связывают надежды на сохранение доминирования на Тихом океане. Головной корабль серии в качестве зоны ответственности получит Южно-Китайское море для сдерживания т. н. «китайской экспансии». Идеология его применения с конфликтов малой интенсивности смещается в сторону глобальных войн, в которых им уготована роль стратегического резерва.

В ближайшее время  должны вступить в строй два авианосца ВМС Великобритании с КЭУ типа объединенная электроэнергетическая система: «HMS Queen Elizabeth» в 2016 г. и «HMS Prince of Wales» в 2018 г.

Рис.19. HMS «Queen Elizabeth» 

Рис. 20. HMS «Prince of Wales»

Министерство обороны Великобритании решило не применять на данных авианосцах ядерные установки из-за их высокой стоимости. Энергетической установкой для надводных кораблей стали две газотурбинные установки компании «Rolls-Royce Marine» типа MT-30 и четыре дизель-генератора, вырабатывающие общее количество энергии до 20 МВт, изготовленные компанией «Wartsila». Все машины обеспечивают кораблю скорость хода свыше 25 узлов.

Одной из не менее важных отличительных особенностей британских авианосцев является уровень автоматизации, существенно сокративший расходы на эксплуатацию судна, включая меньшую численность экипажа, которая составляет всего 679 человек, не считая 1600 человек летного персонала. Эти корабли, вероятно, смогут побить рекорд по тоннажу кораблей с «электродвижением» (со времен постройки авианосцев ВМС США «Leksington» и «Saratoga»).

ОЭЭС нового поколения предполагает гибкую систему распределения электроэнергии в зависимости от тактической обстановки. Например, при необходимости развития полного хода большая ее часть будет предназначена для ГЭД. При средних нагрузках, на скоростях малого или экономического хода модули генераторов будут вырабатывать дополнительную электроэнергию, что позволит использовать новые энергоемкие системы вооружения, которые создаются за рубежом.

Табл. 4 Основные режимы работы ОЭЭС ЭМ УРО типа «Zumwalt» и распределение нагрузки по потребителям 

Основные режимы работы ОЭЭС (скорость хода корабля, %)

Распределение нагрузки по потребителям (%)

Резерв мощности ОЭЭС

Системы оружия и вооружения

Общекорабельные потребители

Система электродвижения

Скорость полного хода (100)

8,0

3,5

3,5

85,0

Скорость эконом, хода (75)

55,0

3,5

3,5

38,0

Скорость эконом, хода (50)

75,0

14,0 (РЛС большой мощности)

3,5

7,5

Скорость малого хода (25)

38,5

48,0 (защита акватории лазерным оружием)

8,5

5,0

Скорость малого хода (менее 25)

8,0

73,5 (атака наземных целей ЭМП)

15,0

3,5

 

Газотурбинные двигатели для ОЭЭС перспективных кораблей

Для ОЭЭС перспективных кораблей зарубежными энергомашиностроительными компаниями были разработаны новые газотурбинные двигатели. Среди них следует выделить ГТД сложного цикла WR-21 агрегатной мощностью 25 МВт, и газотурбинный двигатель простого открытого цикла МТ-30 агрегатной мощностью 36 МВт с КПД 40%.

ГТД сложного цикла WR-21 с промежуточным охлаждением рабочего тела и регенерацией тепла уходящих газов обеспечивает 30%-ную экономию топлива на корабле. В отличие от ГТД простого открытого цикла, КПД ГТД сложного цикла остается высоким даже при снижении нагрузки. На 30%-ной нагрузке КПД ГТД WR-21 составляет порядка 43%, что сопоставимо с дизельными двигателями, имеющими самую высокую термодинамическую эффективность.

 

Рис. 21. Изменение удельного расхода топлива ГТД сложного цикла типа WR-21 и простого открытого цикла (типа М90ФР)

Контракт на создание ГТД WR-21 был заключен в декабре 1991 г. с группой компаний, возглавляемой фирмой «Westinghouse», в которую входили: «Westinghouse Marine Division» – генеральный подрядчик и создатель агрегата, «Rolls-Royse» – проектирование газовой турбины и проведение ОКР, «Allied-Signal» – разработчик регенератора и охладителя, «CAE Electronics» – разработчик системы управления. Таким образом, при создании ГТД сложного цикла были объединены усилия ведущих мировых энергомашиностроительных компаний – потенциальных конкурентов. К 2004 г. были завершены разработка и испытания двигателя. Сейчас он устанавливается в составе ГЭУ на эскадренные миноносцы ВМС Великобритании типа 45 «Daring» (в составе ВМС - 6 единиц, к постройке планировалось 8 единиц). Временные затраты на ОКР по созданию двигателя составили порядка 15 лет, а финансовые - более 2,0 млрд $.

ГТД простого открытого цикла МТ-30 представляет морской вариант авиационного двигателя Trent 800 фирмы «Rolls-Royce», разработанный для применения на боевых кораблях и торговых судах, где требуется высокая энергетическая плотность при плотной компоновке с массогабаритными характеристиками стандартного промышленного двигателя мощностью не менее 25 МВт. Максимальная мощность ГТД МТ-30 составляет 36 МВт, КПД 40%.

Рис.22. ГТД типа МТ-30 фирмы «Rolls-Royce»

Рис.23. ГТД типа Trent-800 фирмы «Rolls-Royce»

 Фирма «Rolls-Royce» начала разработку ГТУ МТ-3О на инициативной основе в 2000 г. Производство и поставка нового двигателя началась с 2005 г., что свидетельствует о сжатых сроках от начала до завершения разработки. Финансовые затраты были существенно меньше по сравнению с затратами на создание ГТД типа WR-21.

Достижение высоких КПД (до 40%) у ГТД простого открытого цикла стало возможным благодаря освоению высокой температуры газов перед турбиной (не менее 1350 0С), повышению степени сжатия рабочего тела до значений не ниже π≥28 и совершенствованию аэродинамических характеристик проточных частей компрессора и газовой турбины.

«Rolls-Royce» рассматривает несколько вариантов продвижения ГТУ МТ-30 на рынок США, включая использование ее в программе DD(X) ВМС США, а также на кораблях береговой охраны, где она может использоваться в комбинированных ЭУ различной комплектации. Рассматривается также предложение использовать новую ГТУ на кораблях, разрабатываемых по программе LCS.

Турбина МТ-30 также рассматривается как базовый первичный двигатель для авианосцев типа CVF ВМС Великобритании «HMS Queen Elizabeth» и «HMS Prince of Wales», схема ЭУ которых представлена на рис. 24.

Рис. 24. Схема ЭУ перспективных авианосцев CVF ВМС Великобритании

Фирмы «BAE Systems» и «Thales», участвующие в конкурсе по этой программе, в своих проектных предложениях предусмотрели схему полного электродвижения для этих кораблей с использованием двух газотурбогенераторов переменного тока на ГТД МТ-30 и четырех дизелей. По мнению специалистов «Rolls-Royce», может быть предложено альтернативное сочетание двух или трех ГТД МТ-30 мощностью по 36 МВт и двух ГТД WR-21 мощностью по 21 МВт.

 

Заключение

1.    Достижения зарубежной науки и техники последнего десятилетия позволяют создавать корабельную энергетическую установку нового поколения - ОЭЭС, символизирующую переход на новый этап развития корабельной энергетики. Такая КЭУ  обладает меньшими массогабаритными характеристиками, более высокой надежностью, живучестью и экономичностью, низким уровнем акустического и теплового полей и высокой степенью автоматизации. Внедрение в производство перспективных технологий позволит качественно улучшать ее параметры, повышая энергооснащенность боевых кораблей.

2.    Принцип распределенного контроля и управления, используемый в автоматизированной системе управления и контроля ОЭЭС, позволяет снизить потребности в управлении со стороны личного состава, исключают необходимость несения вахты у работающих механизмов непосредственно в машинном отделении.

3.    Эволюция корабельной энергетики сказывается и на техническом облике кораблей. Внедрением ОЭЭС нового поколения предусматривается обеспечить не только значительное улучшение ТТХ и технико-экономических показателей КЭУ, но и возможность применения на кораблях оружия высокой энергии направленного действия (электромагнитной пушки, лазерного оружия), новых радиолокационных станций и электромагнитных катапульт на авианосцах.

4.    Для создания ОЭЭС кораблей ведущими зарубежными энергомашиностроительными компаниями были разработаны перспективные газотурбинные двигатели типа WR-21 и МТ-30, являющиеся на сегодняшний день лучшими образцами корабельной энергетики по технико-экономическим показателям.

 

Литература

1.    Шинкоренко Д. Перспективы развития энергетических установок надводных кораблей ВМС зарубежных стран. – Зарубежное военное обозрение, 2007. - № 1. - с.54-61 и № 3. - с.58-61.

2.    Шинкоренко Д.  Разработка новых энергетических установок за рубежом – шаг к кораблям нового поколения. Зарубежное военное обозрение. 2010. - №11. - С. 62-70.

3.    Рабочие материалы по НИР «РАВНЕНИЕ – 2020» «Комплексные   исследования по сравнительному анализу оперативной информации о развитии корабельных энергетических установок в России и за рубежом для информационного обеспечения руководства органов управления Военно-морского флота», СПб.: ВМА, 2007. – 181 с.

4.    Капцов О. Военное обозрение.  Атомный эсминец для ВМФ России. Взгляд снаружи. http://topwar.ru/81389-atomnyy-esminec-dlya-vmf-rossii-vzglyad-snaruzhi.html.

5.    Капцов О. Военное обозрение.  Грехи атомных крейсеров, или зачем реактор на перспективном российском эсминце? http://topwar.ru/33353-grehi-atomnyh-kreyserov-ili-zachem-reaktor-na-perspektivnom-rossiyskom-esmince.html

6.    Иванов Ю.  Применение перспективных технологий в надводном кораблестроении за рубежом. Зарубежное военное обозрение. - 2011. - №1. - С. 79-95.

7.    Солонин В., Палкин В. Разработка США технологий создания двигателей шестого поколения для боевой авиации. Журнал «Двигатель» №4, 2014.

8.    Федоров И. Сегодня мы строим новый «Сатурн». http://vtbrussia.ru/. 15.08.2013.

9.    Иноземцев А. Двигатель ПД-14 – будущее российского авиапрома. Военно-промышленный курьер. http://vpk-news.ru/articles/17206.

 

 
Связанные ссылки
· Больше про Атомный флот
· Новость от Proatom


Самая читаемая статья: Атомный флот:
Энергетические блоки атомного подводного флота

Рейтинг статьи
Средняя оценка: 4
Ответов: 3


Пожалуйста, проголосуйте за эту статью:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 6 Комментарии | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Перспективы развития энергетических установок кораблей ВМС зарубежных стран (Всего: 0)
от Гость на 23/08/2016
Так и не понятно, что хотел донести автор. Из сделанного заключения не видно выводов для нашего военного судостроения. Понятно только, что для судов береговой охраны не нужна ядерная силовая установка.


[ Ответить на это ]


Re: Перспективы развития энергетических установок кораблей ВМС зарубежных стран (Всего: 0)
от Гость на 23/08/2016
Но какие красивые картинки!


[
Ответить на это ]


Re: Перспективы развития энергетических установок кораблей ВМС зарубежных стран (Всего: 0)
от Гость на 23/08/2016
А куда же автор предлагает деть чумазого якута в тельняшке с лопатой флотского мазута? Чем ему прикажете заняться, если все это внедрить у нас?


[ Ответить на это ]


Re: Перспективы развития энергетических установок кораблей ВМС зарубежных стран (Всего: 0)
от Гость на 23/08/2016
Правильнее всего - поменять вас местами: якута - в твой теплый офис, а тебе - лопату в руки и к топке котла. Это будет справедливо и правильно.


[
Ответить на это ]


Re: Перспективы развития энергетических установок кораблей ВМС зарубежных стран (Всего: 0)
от Гость на 23/08/2016
Кесарю кесарево, а слесарю слесарево.


[
Ответить на это ]


Re: Перспективы развития энергетических установок кораблей ВМС зарубежных стран (Всего: 0)
от Гость на 25/08/2016
Если вас поменять местами, то так и получится.


[
Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(812)438-3277
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
Сайт построен на основе технологии PHP-Nuke. Открытие страницы: 0.12 секунды
Рейтинг@Mail.ru