Перспективы развития энергетических установок надводных кораблей ВМС зарубежных стран

Капитан 2 ранга Д. Шинкоренко

В первой части статьи* были подробно описаны основные этапы создания энергетических установок надводных кораблей ВМС иностранных государств, рассмотрены система их классификации и основные направления развития.

Согласно реализуемым программам ОЭЭС основой для разработки, последующей поставки и обслуживания корабельных энергетических установок станет модульная технология. Предусматривается использование стандартных общих модулей, производимых независимо несколькими компаниями, для компоновки ЭУ кораблей различных классов. Такой принцип построения КЭУ обеспечит возможности внедрения перспективных конструктивно-схемных решений путем замены стандартных модулей без серьезной модернизации всей установки.

ОЭЭС будет включать шесть основных модулей: генераторы (PGM - Power Generation Modules), распределители (PDM - Power Distribution Modules), преобразователи (PCM - Power Conversion Modules) и накопители (ESM - Energy Storage Modules) электроэнергии, а также гребные электродвигатели (PMM - Power Motor Modules) и посты дистанционного управления силовой установкой (PCON -Power Control Modules).

Согласно зарубежным публикациям по проблемам корабельной энергетики по мере разработки и апробации перспективных технологий и конструктивно-схемных решений, внедряемых в ЭУ строящихся кораблей ВМС США, таких как ЭМ УРО проекта DD (X), эволюционное развитие ОЭЭС будет проходить в два этапа и коснется в основном модулей генераторов электроэнергии.

Модули генераторов электроэнергии. На первом этапе (2010-2025 год) в качестве модулей генераторов электроэнергии для систем электродвижения и обеспечения общекорабельных потребностей перспективных ЭМ УРО проекта DD (X), которые вступят в строй в 2010-2013 годах, планируется использовать два модуля газотурбинных генераторов, в состав которых входят ГТУ МТ30 производства компании "Роллс-Ройс", и синхронные генераторы мощностью по 36 МВт, вырабатывающие переменный ток напряжением 4 150 В с частотой 400 Гц. В качестве резервных источников электроэнергии будут служить два газотурбогенератора производства компании "Эллисон энджин" марки AG9150 суммарной мощностью 8 МВт. Таким образом, выходная мощность всей ОЭЭС перспективного ЭМ УРО DD (X) ВМС США будет составлять около 80 МВт что практически в 10 раз больше, чем у ЭЭС ЭМ УРО типа "Орли Бёрк".

Вполне возможно, что уже на первом этапе развития КЭУ в ВМС США в составе ОЭЭС будут использоваться синхронные генераторы с обмотками из высокотемпературных сверхпроводящих (ВТСП) материалов.

Применение ВТСП-генераторов (в сравнении с имеющими обмотки из меди) позволит вдвое снизить массовые характеристики этих модулей, увеличить крутящий момент на малых нагрузках, уменьшить стоимость жизненного цикла и достичь высокого КПД (до 98 %) в широком диапазоне нагрузок.

Основные характеристики генераторов с обмотками из ВТСП-материалов мощностью 40 и 50 МВт, разработанных компанией "Америкэн суперкондактор". представлены в табл. 1.

Проектом ОЭЭС для перспективного ЭМ УРО DD(X) ВМС США при нормальном режиме предполагается задействовать оба основных модуля газотурбогенераторов (ГТГ). Газотурбинные установки генераторов будут работать в оптимальном режиме, то есть в диапазоне нагрузок с наименьшим расходом топлива, обеспечивая тем самым высокую экономичность ОЭЭС в целом. Однако при выходе из строя одного ГТГ (в случае аварии или боевого повреждения), скорость хода до 27 уз будет в состоянии обеспечить другой генератор.

На втором этапе развития ОЭЭС надводных кораблей ВМС США, реализация которого начнется с 2025 года, в качестве источников электроэнергии планируется использовать топливные элементы (ТЭ). Так как они вырабатывают постоянный ток с заданными характеристиками, отпадет необходимость в инверторах (преобразователях переменного тока в постоянный), что повлияет на МГХ КЭУ Постоянный ток будет поступать напрямую от ТЭ в основную силовую шину корабля и от нее - к потребителям. На данном этапе технологического развития наиболее предпочтительными для использования на кораблях являются два типа ТЭ -на твердых окислах и на протонных мембранах.

Модули распределения электроэнергии. Корабельная распределительная система (SSDS - Ship Service Distribution System) отличается высокой гибкостью, надежностью и живучестью и обеспечивает высокое качество энергетического обеспечения. В состав такой системы войдут модули распределения электроэнергии, в основе которых будут компактные мощные модульные переключатели (силовые исполнительные механизмы), созданные в рамках программы ВМС США РЕВВ (Power Electronic Building Block).

ОЭЭС предполагает гибкую систему распределения электроэнергии в зависимости от тактической обстановки. Например, при развитии полного хода большая ее часть пойдет на ГЭД. При уменьшении нагрузок (на средних и малых скоростях хода) ГТГ будут вырабатывать электроэнергию с "излишком", что предоставляет возможность для использования новых энергоемких систем вооружения, разработка которых в настоящее время ведется за рубежом. Основные режимы работы ОЭЭС ЭМ УРО проекта DD (X) и распределение нагрузки по различного рода потребителям представлены в табл. 2.

Модули преобразователей электроэнергии. ОЭЭС ЭМ УРО проекта DD (X) является полностью автоматизированной системой постоянного тока с зональным распределением электроэнергии. В ней используются твердотельные модули преобразователей переменного тока в электроэнергию постоянного тока с такими характеристиками, которые требуются для питания общекорабельных потребителей или потребителей конкретной зоны корабля. Принципиальная схема такой электрораспределительной системы представлена на рис. 1.

В частности, модули типа РСМ4 мощностью по 5,0 МВт используются для преобразования переменного тока в постоянный, который подается на автономные общекорабельные шины правого и левого борта, а типа РСМ-1 (по 3,0 МВт) с защитой от перегрузки - для обособленного питания постоянным током всех потребителей конкретной зоны корабля. Модули типа РСМ-2 мощностью 3 МВт служат для преобразования постоянного тока, получаемого от модуля типа РСМ-1, в переменный ток высокого качества (по требованиям военного стандарта Mil-STD-1399 Туре 1). Они используются для питания потребителей переменного тока той же зоны, которая обслуживается модулем РСМ-1.

Применение управляемых диодных вентилей позволяет осуществлять питание модуля РСМ-2 (рис. 2) постоянным током от зонального модуля РСМ-1 (рис. 3) через шины правого или левого борта. Такое варьирование способами питания обеспечивает возможность мгновенной "переброски" потребляемой мощности с одного источника на другой в случае получения кораблем боевого повреждения.

Рис. 1. Принципиальная схема электрораспределительной системы ЭМ УРО проекта DD (X)

Рис. 2. Модуль РСМ-2 обратного преобразователя постоянного тока в переменный: 1 - диод; 2 - теплообменник и осушитель воздуха; 3 - сменный блок модуля обратного преобразователя постоянного тока в переменный; 4 - модуль РСМ-2 обратного преобразователя постоянного тока в переменный; 5 - выходная панель

Рис. 3. Модуль РСМ-1 преобразователя постоянного тока с исходными параметрами в постоянный ток необходимых для конкретных потребителей параметров: 1 - сменный блок модуля преобразователя постоянного тока с исходными параметрами в постоянный ток необходимых для конкретных потребителей параметров; 2 - модуль РСМ-1 преобразователя постоянного тока с исходными параметрами в постоянный ток необходимых для конкретных потребителей параметров; 3 - теплообменник и осушитель воздуха

Серийные модули РСМ для ОЭЭС перспективных кораблей будет поставлять 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.

Модули гребных электродвигателей. Тип гребных электродвигателей строящихся ЭМ УРО проекта DD(X) пока окончательно не определен. В настоящее время предполагается использовать два низкооборотных синхронных ЭД постоянного тока с системой возбуждения на постоянных магнитах (производства компании "DRS текнолоджис"). При мощности порядка 36 МВт их частота вращения составляет 300 об/мин.

Полномасштабный прототип синхронного гребного ЭД с системой возбуждения на постоянных магнитах в составе экспериментальной установки IPS успешно прошел испытания в 2004 году. Однако, по оценкам американских специалистов, еще на начальном этапе в качестве модулей ГЭД на ЭМ УРО проекта DD(X) возможно использование ЭД на высокотемпературной сверхпроводимости. Такой двигатель мощностью 36,5 МВт с частотой вращения ротора 120 об/мин, разработанный компанией "Америкэн суперкондак-тор", находится на заключительной стадии производства и в 2007 году будет готов к испытаниям. Его общая масса (включая системы охлаждения обмоток ротора и статора) составляет 75 т, что практически в 5 раз меньше в сравнении с массой асинхронного двигателя с обмотками, изготовленными из меди.

Модули постов дистанционного управления установкой. Управление и контроль состояния ОЭЭС корабля будет осуществляться дистанционно с ходового мостика или поста энергообеспечения при помощи модулей, разрабатываемых компанией "Локхид-Мартин". Цифровая система контроля и управления, основанная на программном обеспечении, совместимом со всеми корабельными системами управления, позволит обеспечить полную автоматизацию этого процесса. В систему модулей постов дистанционного управления установкой входят цифровые подсистемы сбора данных о параметрах работы ОЭЭС, вспомогательных систем и механизмов, а также противопожарной защиты. Индикация режимов работы с визуальной и звуковой сигнализацией о неисправностях либо отказах тех или иных механизмов при аварийных (боевых) повреждениях отображается на мнемонических схемах соответствующих блоков.

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

Система контроля и управления ОЭЭС ЭМ УРО проекта DD(X) автоматически обеспечит изолирование поврежденных участков, а также изменение конфигурации сети с восстановлением системы при появлении поврежденных модулей РСМ и, таким образом, позволит непрерывно поддерживать питание всех потребителей корабля.

Достижения зарубежной науки и техники последнего десятилетия позволяют создать корабельную энергетическую установку нового поколения - ОЭЭС, символизирующую переход на новый этап развития корабельной энергетики. Такая КЭУ (по сравнению с существующими) уже на начальной стадии развития обладает меньшими массогабаритными характеристиками, более высокой надежностью, живучестью и экономичностью, а также низким уровнем акустического и теплового полей. Внедрение в производство перспективных технологий позволит и дальше качественно улучшать ее параметры, повышая тем самым энергооснащенность боевых кораблей будущего.

* Окончание. Начало см.: Зарубежное военное обозрение. - 2007. - № 1. - С. 54-61.

Зарубежное военное обозрение. 2007, №3, С. 58-61

• Основные кораблестроительные программы ВМС США
• Основные кораблестроительные программы ВМС США ч.2
• Работы в США, Великобритании и Франции по модернизации и созданию нового поколения десантно-высадочных катеров (2012)
• Работы в США, Великобритании и Франции по модернизации и созданию нового поколения десантно-высадочных катеров 2012 (таблицы)
• Планы строительства и модернизации авианосцев ВМС США (2012)
• Планы строительства и модернизации авианосцев ВМС США (2012)