Накопленный опыт проектирования и эксплуатации судов позволил перейти к новому этапу развития – расширенному применению на судах электродвижения. Традиционные установки с прямой передачей мощности тепловых двигателей на движители накладывают заметный отпечаток на архитектуру судна и компоновку его внутренних объемов. Они имеют большие массу и габариты, требуют длинных валопроводов (вплоть до 40 % от длины корпуса). Возмущения со стороны движителя от волнения и других причин непосредственно передаются на тепловой двигатель, заметно ускоряя его износ.
Большой интерес к созданию систем электродвижения надводных судов проявляют и военные моряки.
Следует рассказать о достоинствах установки с электродвижением.
Прежде всего – меньшая шумность. Ни одну другую энергетическую установку нельзя сделать менее шумной, чем установку с электродвигателем.
Значительный вклад в общий шумовой "фон" корабля вносит гребной вал, жестко связанный через редуктор с главными двигателями. Для уменьшения этой составляющей применяются специальные муфты. Кроме того, вибрация двигателей передается на обшивку корпуса (судовые двигатели, редукторы, механизмы устанавливаются на фундаментах, жестко связанных с набором корпуса корабля, а набор в свою очередь – с обшивкой), а она, в свою очередь, излучает колебания во внешнюю среду (в воду), что и является источником т.н. "структурного шума". Для его снижения практикуется установка механизмов на амортизаторы.
В ЭЭУ с полным электродвижением гребной вал никак не связан с основным (для него) источником шума – главными двигателями, поскольку на всех ходовых режимах вращается только электродвигателем. Кроме того, в "электрической" ГЭУ генератор вместе о первичным двигателем можно разместить даже в надстройке (как, например, размещена часть дизель-генераторов на английских фрегатах пр.23), тем самым максимально удалив его и от наружной обшивки.
Правда, на высоких скоростях (свыше 15-18 узлов) преимущества электродвижения в плане бесшумности сходят "на нет", вследствие того, что основной составляющей подводного шума (на некотором удалении от корабля) становится шум от кавитации гребного винта. Таким образом на боевых кораблях имеет смысл бороться с уменьшением шума ГЭУ только на скоростях хода до 15-18 узлов. Соответственно и применение электродвижения дает свои плоды только на скоростях не выше 18 узлов, и нет никакого смысла делать ГЭУ с полным электродвижением (когда малошумный электродвигатель вращает вал с "ревущим" на полном ходу винтом), достаточно применить частичное для обеспечения поискового хода.
Следующим положительным качеством электродвижения считается его маневренность. Как у дизеля, так и у газовой турбины есть значение минимальной мощности, следовательно, существует минимальное значение устойчивой скорости хода. С помощью электродвигателя же легко менять частоту и направление вращения гребного вала, а, следовательно, скорость и направление движения корабля. Благодаря этому, ГЭУ с электродвигателем уже давно используются на тех судах, которые по своему назначению должны обладать повышенной маневренностью: на ледоколах, паромах, буксирах, плавкранах и т.п. В перспективе еще одним плюсом электродвижения может стать отказ от гребных валов: начиная с 1992 г. в качестве гребных электродвигателей (ГЭД) начали широко применяться винто-рулевые комплексы (ВРК) с погруженным гребным двигателем (podded drive), в которых ГЭД вынесен за пределы корпуса судна и размещен в подводной капсуле (коконе) с высокими гидродинамическими свойствами. Типовые ВРК строятся либо с одним упорным либо с двумя соосными (тяговым и упорным) винтами. В России наибольшее распространение получили Финские системы “Азипод” (Azipod – azimuthing podded propulsion system) с одним упорным винтом и ГЭД мощностью от 1,5 до 4,5 МВт.
Главными достоинствами ВРК являются:
возможность разворота капсулы в горизонтальной плоскости на 360°, т.е. реверс направления вращения винта на 100%-ной мощности;
сверхкороткий валопровод и возможность работы винта фиксированного шага на низких скоростях (до 0.1 от ном.).
ВРК позволяют существенно уменьшить уровень шума и вибрации СЭУ и установить электроэнергетическое оборудование в труднодоступных для размещения груза местах, что позволяет более рационально использовать объем судна. Наиболее эффективным источником тока для ВРК является сеть переменного тока, позволяющая не только увеличить надежность и экономичность ГЭУ, но и использовать для привода винта асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, не требующие обслуживания в эксплуатации.
Для улучшения пусковых качеств асинхронного привода часто используются двухклеточные и глубокопазные роторы специального исполнения. Регулировку частоты вращения винта в системе Azipod осуществляют с помощью тиристорных преобразователей частоты.
Применение ВРК значительно повышает маневренность корабля (судна) и позволяет даже крупным судам обходиться в портах без помощи буксиров. Кроме того, отсутствие гребных валов увеличивает полезный объем в корпусе корабля (судна).
Рассмотрим несколько кораблей и подводных лодок с электродвижением, состоящих на вооружении, строящихся или проектируемых для ВМС ведущих морских держав:
Проект 45 Daring (Великобритания)
Энергетическая установка ЭМ пр.45 состоит из двух ГТГ (в качестве первичного двигателя применена газовая турбина WR-21, генератор – Alstom) мощностью по 21,5 МВт каждый (максимальная допустимая 25,5 МВт), двух дизель-генераторов Wartsila-Hitzinger мощностью по 2,2 МВт и двух ГЭД Alstom мощностью 20 МВт при 150 об/мин и массой 90 т каждый.
Турбины WR-21, так же как и LM2500, размещаются в специальных контейнерах (посадочные места контейнеров унифицированы), обеспечивающих шумоизоляцию и пожарную безопасность. ГТУ WR-21 поставляется на корабль уже установленной в данный контейнер (габариты 8,0x3,6x5,3 м и масса 54,4 т), где находятся все ее системы и устройства, что существенно облегчает монтаж и демонтаж газовой турбины. Турбина рассчитана на 40 лет эксплуатации, а гарантированная фирмой наработка на отказ составляет 1000 часов. Энергетическая установка размещается в двух машинных отделениях и двух отделениях вспомогательных механизмов. В каждом машинном отделении находиться по одному ГЭД и ГТГ, в каждом отделении вспомогательных механизмов – по одному дизель-генератору. ГТГ размещаются продольно в центре машинного отделения. ГЭД – в носовом машинном отделении с левого, а в кормовом машинном отделении с правого борта. Все генераторы вырабатывают переменный ток, что облегчает их конструкцию и управление ими (создать такой же мощности генераторы на постоянном токе очень сложно и пока не представляется возможным). ГЭД работают на постоянном токе. Для преобразования переменного тока в постоянный, как и для управления ГЭД используются трансформаторы по одному на каждый электромотор.
В качестве движителей применяются винты регулируемого шага (ВРШ).
Zumwalt (США)
14 февраля 2008, корпорация «Bath Iron Works» была выбрана для строительства USS Zumwalt с номером DDG-1000, а «Northrop Grumman Shipbuilding» для строительства DDG-1001, ценой по 1,4 млрд долл. США за каждый. Согласно «Defense Industry Daily», стоимость может увеличиться до 3,2 млрд долл. США за каждое судно, плюс $ 4 млрд будет стоить жизненный цикл каждого корабля.
Эсминцы класса Zumwalt являются многоцелевыми и предназначенны для атак противника на наземной поверхности, борьбой с авиацией противника и огневой поддержки войск с моря. 22 июля 2008 года было принято решение о строительстве лишь двух подобных эсминцев. Через несколько недель было принято решение о строительстве третьего эсминца этого типа. О строительстве следующих кораблей этой серий речи не идёт вообще.
Энергетическая установка корабля состоит из 2 газовых турбин МТ30 фирмы Rolls-Royce мощностью по 36,5 МВт и 2 асинхронных двигателей мощностью 36,5 МВт работающих на два винта, рабочее напряжение 6600 В. На третий эсминец планируется установить в качестве гребного электродвигателя высокотемпературный сверхпроводимый синхронный двигатель с постоянными магнитами мощностью 36,5 МВт, рабочим напряжением 6600 В с частотой вращения 120 об/мин.
Перспективный авианосец CVF-PA2 (Великобритания ,Франция)
На перспективных неатомных авианосцах CVF-PA2 ВМС Великобритании и Франции должна устанавливаться комбинированная дизель-электрическая/газотурбинная энергетическая установка, построенная по схеме CODLAG, которая обеспечит авианосцу полное электродвижение. Энергетическая установка по своей сути представляет двух эшелонную установку. В состав каждого эшелона входят: один ГТГ с ГТУ типа MT30 мощностью 36 МВт (может быть увеличена до 40 МВт) фирмы Rolls-Royce; один дизель-генератор мощностью 11 МВт и один дизель-генератор мощностью 9 МВт – оба фирмы Warlsila; два индукционных ГЭД мощностью по 20 МВт фирмы Alstom. Параметры электроэнергетической системы – 440 В, 60 Гц.
Схема ЭУ АВ CVF-PA2:
1-ГВ; 2 – редуктор; 3 – ГЭД; 4 – преобразователь переменно-переменного тока; 5 – распределительный щит; 6 – питание с берега; 7 – питание общекорабельных потребителей; 8 – ГТГ; 9 – ДГ 11 МВт; 10 – ДГ 9,0 МВт
Мистраль (Франция)
В феврале 2006 г. во Франции вошел в строй первый большой, полностью "дизель-электрический", транспортно-десантный корабль "Мистраль" (Mistral, L9013, дедвейт 16500 т.) с энергетической установкой из 4 главных дизель-генераторов переменного тока (Wartsila diesels-alternators) 16V32 мощностью по 6,2 МВт, одного РДГ 18V20 мощностью 3 MВт и двумя ВРК с электродвигателями по 7 МВт.
Подводные лодки:
Проект 212 (Германия)
В настоящее время наиболее широко применяются энергоустановки с низкотемпературными топливными элементами с рабочей температурой до 90°С. Современная гибридная СЭУ использует для движения ПЛ в надводном положении дизель-генератор, а для подводного хода аккумуляторные батареи (полный ход) или ЭХГ (экономичный ход). Наиболее существенным преимуществом новых ГЭУ стала их практическая бесшумность, высокий к.п.д. ЭХГ (до 75%) и значительное повышение автономности ПЛ, которая на режиме экономичного подводного хода может достигать 15-20 дней. Предполагается, что СЭУ ПЛ с ЭХГ будут обеспечивать подводную автономность до 60-90 суток и все скорости ее хода.
Для сравнения проект Амур-1650 должен иметь дальность подводного хода 650 миль при времени пребывания под водой до 9 суток.
Характеристики ПЛ: водоизмещение – 1450/1830 т, длина – 55,9 м, диаметр внешнего/внутреннего корпуса – 7/6 м, глубина погружения 250-350 м, мощность дизель-генератора (MTU 16V396) – 3,12 МВт, мощность ГЭД (Siemens Permasyn) – 2,85 МВт, мощность AIP системы из 9 ТВЭЛ по 34 кВт – 306 кВт, скорость надводного/подводного (+аккумуляторы) хода – 20/12 узлов; скорость подводного хода на ЭХГ – от 2 до 6 узлов, удельный расход кислорода при номинальной мощности ЭУ – 0,336 кг/кВт-час, водорода – 0,042 кг/кВт-час, к.п.д. ЭХГ – не менее 70 %. Ввод установки с холодного состояния до полной номинальной мощности составляет не более 4 часов. Время заправки ЭУ криогенными реагентами – 18,5 часов. Вооружение ПЛ – 6 торпедных аппаратов калибра 533 мм, дальность автономного плавания в надводном/подводном положении на скорости 8 узлов – 8000/420 миль, экипаж – 5 офицеров, 22 матроса, продолжительность нахождения в подводном положении – до 3 недель, автономность по запасам провизии и пресной воды – до 12 недель.
S-1000 (Италия):
В 2003 году итальянская фирма Fincntieri и российское ЦКБ «Рубин» начали совместную разработку подводной лодки нового поколения для действий прибрежной зоне. Основные задачи новой ПЛ – проведение операций противолодочной обороны и специальных сил, скрытное наблюдение и сбор разведывательных данных в прибрежной зоне. В разработанном упомянутыми фирмами проекте ПЛ предусматривались: увеличенная продолжительность подводного плавания, максимальная глубина погружения 250 меторв, численность экипажа – 16 человек. ПЛ будет однокорпусной с одним отсеком. Энергетическая установка представляет собой комбинацию классической дизель-электрической системы с воздухонезависимой ЭУ на основе ЭХГ. Два ДГ мощностью по 650 кВт питаются от двух АБ, содержащих по 112 свинцово-цинковых элементов. ГЭД на постоянных магнитах, обеспечивающий мощность 1000 кВт при 150 об/мин, приводит семилопастной малошумный винт.
Выводы.
1. Надводные корабли и подводные лодки с электродвижением, наиболее распространенные в наше время будут и далее совершенствоваться и развиваться, особенно с возможностью широкого применения винто-рулевых комплексов.
2. В будущем намечается широкое использование электродвижения на кораблях Военно-морского флота.
Литература:
Военно-морские силы и кораблестроение. Дайджест. – 2009. – № 55. – С. 90–92. – (Испытание гребного электродвигателя для перспективного эсминца ВМС США).
Военно-морские силы и кораблестроение. Дайджест. – 2008. – № 50. – С. 89. – (Энергетическая установка перспективного авианосца).
Военно-морские силы и кораблестроение. Дайджест. – 2009. – № 53-54. – С. 40–41. – (Подводная лодка типа S-1000).
