Новые источники электроэнергии единых электроэнергетических систем кораблей

 

Рассмотрены тенденции развития единых электроэнергетических систем кораблей с использованием электрохимических генераторов и высокотемпературной сверхпроводимости. Внедрение новых источников электроэнергии на кораблях ВМФ улучшит тактико-технические характеристики кораблей и потребует решения новых задач по проектированию и испытаниям нового оборудования, а также для обеспечения качества электроэнергии.

 

1. Электрохимические генераторы тока на водородно-кислородных топливных элементах с матричным щелочным электролитом предназначены для прямого преобразования химической энергии топлива в электроэнергию. Процесс преобразования осуществляется на электродах топливных элементов, использующих в качестве реагентов чистые водород и кислород.

 

Впервые серийный корабельный электрохимический генератор применили в Германии на подводной лодке (ПЛ) проекта 212 [1, с.67]. Благодаря электрохимическому генератору ПЛ может находиться в подводном положении до тех пор, пока не закончится кислород и водород. Хранение водорода осуществляется в связанном состоянии в форме гидрида металла (специальный сплав металла в соединении с водородом), а кислород — в сжиженном виде в специальных емкостях между легким и прочным корпусами ПЛ. В модулях топливных элементов бесшумно соединяется водород и кислород, образуется дистиллированная вода и выделяется электроэнергия. Электрохимический генератор состоящий из 9 топливных элементов имеет суммарную мощность 300 кВт и обеспечивает движение ПЛ в подводном положении со скоростью 3 узла в течение 20 суток с показателями шумности ниже уровня естественных шумов моря. Топливные элементы функционируют при температуре 80°С, и тепло, выделяющееся при работе, используется для дальнейшего поддержания электрохимической реакции [4, с.75].

 

В результате значительно снижена заметность ПЛ по тепловому полю. Ввиду использования драгоценных металлов для катализаторов ЭХГ очень дорог. Стоимость топливных элементов электрохимического генератора равна 3–10 тыс. долларам за 1 кВт установленной мощности. Поэтому применимость ЭХГ до сегодняшнего дня на ПЛ проекта 212 оказалось «не по карману» многим странам-заказчикам. (см.таблицу1)

 

Таблица 1

Количественный состав неатомных ПЛ с использованием ЭХГ зарубежных ВМС

ВМС	Проект	Тип ВНЭУ	Количество серии	В составе ВМС, гг.
Германии	212 А	ЭХГ	4	2005–2007
Германии	212 В	ЭХГ	2	2012–2013
Италии	212 А	ЭХГ	4	2007–2009
Греции	214	ЭХГ	4	2005–2009
Израиля	Dolphin	ЭХГ	2	2012

 

Эффективность использования топлива в ЭХГ близка к 100 %, при этом 52 % полученной энергии используется для обеспечения хода ПЛ, 10 % — для вспомогательных нужд, а 38 % — для создания избыточного тепла, которое используется в замкнутых контурах воздухонезависимых ЭУ для высвобождения хранящего водорода.

 

2. Новое энергетическое оружие требует создания мощных электроэнергетических систем с использованием сверхпроводниковых технологий, позволяющих обеспечить производство и распределение больших потоков энергии с низкими потерями. В связи с этим на первом американском эсминце «Zumwalt» ВМС США проекта DD1000 энергетическая установка корабля, выполнена по принципу полного электродвижения (integrated power system IPS). Технические средства электроэнергетической системы корабля отрабатывались на наземном стенде (LBES — Land Based Engineering Site). Характеристики модулей систем IPS представлены в таблице 2 [2, с.62]. В качестве основных электрических машин корабля проекта DD-1000 используются два главных генератора мощностью 36 МВт каждый, с газотурбинными двигателями Rolls-Royce Mt-30, два вспомогательных генератора по 4 МВт каждый, с газотурбинными двигателями Rolls-Royce RR-4500, и два всережимных 15-фазных асинхронных электродвигателя (на первых двух кораблях проекта DD1000). На третьем корабле будут применены синхронные электродвигатели с использованием явления высокотемпературной сверхпроводимостью (ВТСП). Для ВТСП — используется жидкий азот при температуре минус 200° С. Суммарная мощность энергетической установки эсминца составляет 78 МВт, что позволяет кораблю водоизмещением 14500 тонн иметь скорость полного хода более 30 узлов [7, с.71].

 

Таблица 2

Основные характеристики модулей IPS

Модули генерации ЭЭ	Параметры модулей
PGM-1	ГТГ 21 МВт; 4160 В; 60Гц; 3 фазы
PGM-2	ДГ 3,75 МВт; 4160 В; 60Гц; 3 фазы
PGM-3	ГТГ 3,0 МВт; 4160 В; 60Гц; 3 фазы
PGM-4	ДГ 8,0 МВт; 4160 В; 60Гц; 3 фазы
PGM-5	ДГ 12 МВт; 4160 В; 60Гц; 3 фазы

 

 

На первом эсминце проекта 45 ВМС Великобритании энергетическая установка корабля также построена по схеме полного электродвижения. IPS корабля включает в себя: два газотурбогенератора переменного тока на базе газо-турбиной установки типа WR-21 фирмы Rolls-Royce суммарной мощностью 42 МВт, два резервных дизель генератора суммарной мощностью 4,0 МВт. В главной сети используется повышенное напряжение 4,16 кВ, для вращения винтов применены два 15-фазных асинхронных электродвигателя фирмы Alstom суммарной мощностью по 20 МВт каждый, массой 90 т при 150 об/мин [6, с.82]. Все четыре генераторные установки могут включаться в главную электрическую сеть в любом сочетании в зависимости от фактической нагрузки. Общекорабельная сеть распределения электроэнергии выполнена напряжением 440 В при частоте 60 Гц.

По предварительным оценкам, генератор с явлением ВТСП в будущем должен развивать эффективную мощность 40 МВт и будет иметь, вдвое меньшие габариты и массу, а также существенно более низкий уровень шумоизлучения по сравнению с традиционным генератором. Поскольку перспективный «Электрический корабль» будет нести энергоемкие виды оружия, нуждающиеся в электропитании большой мощности, явление ВТСП будет ключевой технологией, которая сможет обеспечить высокую плотность энергии [3, с.68]. Характеристики некоторых сверхпроводниковых генераторов, созданных в последние годы, приведены в табл.3

 

Таблица 3

Характеристики сверхпроводниковых электрических машин

Показатели	Westinghouse (США)	Westinghouse (США)	Fuji Electric(Япония)	Hitachi(Япония)	AMSC(США)	AMSC(США)
Мощность, МВт	8,0	5,0	30,0	50,0	5,0	36,5
Напряжение, кВ	4,16	4,16	11,0	16,0	4,16	6,0
Ток, А	700	700	1576	1804	722	1270
Масса генератора, т	56,7	5,9	17	24	23	75

 

 

3. В настоящее время все ударные авианосцы США оснащены высоковольтной электроэнергетической системой, в которой применены синхронные генераторы большой мощности обеспечивающие корабельную сеть высоким напряжением 4,16 кВ, частотой 60 Гц. От этой сети питается ЦНПК атомной энергетической установки, а также преобразователи для питания общекорабельных потребителей и корабельных систем напряжением 440 В. Предусмотрена высокая степень живучести электросетей, в том числе путем распределения электроэнергии по защищенной броней кольцевой магистрали. Компания Westinghouse еще в 90-х прошлого века, разработала корабельные генераторы мощностью 4 ÷ 8 МВт с различным уровнем рабочего напряжения, предназначенные для сопряжения с паровой турбиной. (см. таблицу 4).

 

Таблица 4

Характеристики корабельных генераторов компании Westinghouse

Показатели	Существующие машины
Мощность, МВт	4	8	4
Напряжение, В	450	4160	450
Частота тока, Гц	60	60	60
Частота вращения, об/мин	3600	3600	900
КПД, %	97,5	96,1	97,5
Масса, т	22,7	56,7	19,1

 

Дальнейшее развитие корабельного электрооборудования и ЭЭС идет по пути повышения их надежности, живучести, а также электропожаробезопасности и взрывопожароопасности, увеличения срока службы, улучшения виброакустических характеристик.

Выводы:

Таким образом, в ближайшем времени будут применяться новые источники электроэнергии: для неатомных подводных лодок — ЭХГ, для надводных кораблей с энергетическим оружием — синхронные генераторы большой мощности и с высоким напряжением. Это выдвигает новые задачи для отечественного кораблестроения. Необходимо проводить теоретические и экспериментальные исследования, принимать новые конструкторские решения.

 

Литература:

 

1.      Воздухонезависимые энергетические установки для подводных лодок // ВМС и кораблестроение. Дайджест зарубежной прессы (по материалам зарубежных источников). 2003. № 34. — С.71–73.
2.      Интегрированная электроэнергетическая система для кораблей ВМС США // ВМС и кораблестроение. Дайджест зарубежной прессы (по материалам зарубежных источников). 2007. № 46. — С.103–105.
3.      Сверхпроводящий генератор для «электрического корабля» ВМС США // ВМС и кораблестроение. Дайджест зарубежной прессы (по материалам зарубежных источников). 2007. № 46. — С.107–108.
4.      Пропульсивная система подводных лодок со вспомогательной воздухонезависимой энергетической установкой // ВМС и кораблестроение. Дайджест зарубежной прессы (по материалам зарубежных источников). 2007. № 46. — С.108–109.
5.      Постановка первого газотурбинного двигателя для эсминца DD(X) ВМС США // ВМС и кораблестроение. Дайджест зарубежной прессы (по материалам зарубежных источников). 2006. № 44. — С.111.
6.      Энергетическая установка перспективного эсминца ВМС Великобритании // ВМС и кораблестроение. Дайджест зарубежной прессы (по материалам зарубежных источников). 2006. № 44. — С.111.
7.      Эсминцы нового поколения ВМС США // ВМС и кораблестроение. Дайджест зарубежной прессы (по материалам зарубежных источников). 2006. № 45. — С.38–39.