ВМС Великобритании [вторая половина ХХ века и современность...]

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
Электродвижение

Еще в ходе совместных работ по программе "Horizon", Французская, а вместе с ней и итальянская сторона, склонялась к установке на ЭМ комбинированной дизель-газотурбинной установки с раздельной работой дизеля (на экономическом ходу) и газовой турбины (на полном ходу). Подобная схема ГЭУ была на тот момент наиболее дешевой и наиболее отработанной как во французском, так и в итальянском флотах. В свою очередь, англичане предлагали комбинированную электрогазотурбинную ГЭУ, аналогичную по схеме с использованной на фрегатах пр.23, где дизель-генераторы и электромоторы обеспечивали малошумный экономический ход, а при совместной работе с газовыми турбинами обеспечивался полный ход.
После выхода Англии из программы "Horizon" ЭМ пр.45 все больше "электрифицировался" пока его ГЭУ не превратилась в комбинированную электроэнергетическую установку ОЗУ) с полным электродвижением.
"Сорок пятый" станет первым в мире эсминцем, имеющим полное электродвижение, рассчитанное на все режимы хода от самого малого до самого полного. До этого на крупных боевых кораблях полное электродвижение применялось только на американских линкорах и авианосцах в 30-е годы прошлого века, и было вызвано неспособностью американской промышленности тех лет освоить производство мощных редукторов. Таким образом, полное электродвижение для них было вынужденным явлением. Теперь же появление такой ГЭУ на "сорок пятом" является осознанным выбором из всего возможного множества имеющихся схем энергетических установок.
К примеру, на наиболее близком к ЭМ пр.45 франко-итальянском ФР проекта «Horizon», применена проверенная временем комбинированная дизель-газотурбинная установка (CODOG) с раздельной работой газовых турбин и дизелей на разных режимах хода.
В ГЭУ типа CODAG дизели и ГТУ работают совместно на один вал. Именно по этому пути пошли немецкие кораблестроители, установившие на фрегате пр. 124 подобную ГЭУ и ставшие пионерами в данной области.
Вероятно, было бы проще выбрать для ЭМ пр.45 единую газотурбинную ГЭУ (COGAG), как это делают американцы вот уже почти как тридцать лет, оснащая такими установками свои эсминцы и крейсера. Но английские конструкторы пошли по другому пути. 1 ноября 2000 г. было объявлено, что на новых эсминцах будет применена ГЭУ, построенная по схеме объединенного электродвижения, когда совместно используются дизель-генераторы (на малых ходах) и газотурбинные электрогенераторы (на всех остальных режимах), передающие мощность на всережимные гребные электродвигатели (ГЭД). Эта схема получила обозначение IEP - Integrated Electric Propulsion (см. рис 2).
По какой причине англичане выбрали именно IEP, а не COGAG вопрос сложный и однозначного ответа на него, пожалуй, нет. Для того чтобы это понять, следует коротко рассмотреть ее положительные и отрицательные стороны.
К недостаткам IEP принято относить ее большие стоимость, массу и потребные объемы. Так, при одинаковой мощности, ГЭУ, выполненная по схеме CODOG (таковая применена на ФР «Horizon»), весила бы около 450 т, в то время как выполненная по схеме IEP, она будет ориентировочно весить около 650 т и иметь объем, примерно на 30-403! больший.
Кроме того, поскольку в ГЭУ, построенной по схеме IEP, происходит двойное превращение энергии (вначале из механической в электрическую - электрический ток получается при механической работе ДГ или ГТГ, а затем снова из электрической в механическую - на электромоторе) то, соответственно, и КПД будет ниже, чем у COGAG. Если потеря мощности на редукторе газовой турбины составляет примерно 2-4%, то у ГЭУ с полным электродвижением уже около 6-8%.
И, наконец, следует учитывать и сложность (а, соответственно, и стоимость) самого создания ГЭУ типа IEP. Хотя здесь, конечно, следует признать, что англичане начинают не с пустого места - ведь именно они создали фрегат пр.23 с частичным электродвижением (CODLAG) для обеспечения малошумного хода.{0}
Кроме вышеперечисленного, следует также отметить и некоторую особенность в выборе источников питания для ГЭД.
Как известно, для получения тока одной частоты необходимо чтобы генератор (а соответственно и его первичный двигатель - дизель, газовая или паровая турбины и т.п.) имел постоянное число оборотов. При увеличении количества потребителей тока, либо изменении нагрузки на валу электродвигателя (например, при увеличении скорости хода), обороты генератора падают, вследствие увеличения сопротивления. Поддержание постоянного числа оборотов производится путем изменения подачи топлива на первичный двигатель. Для такого режима (работа двигателя при стабильных оборотах, но с различной мощностью) наилучшим образом подходит газовая турбина, способная продолжительное время работать (при постоянном числе оборотов) в диапазоне мощностей от 20% до 100%. В тоже время диапазон нормальной работы дизеля -от 50-60% мощности, и лишь на короткое аремя порядка 20-25%. Однако применение ГТУ, а не дизеля в качестве первичного двигателя (привода) генератора имеет и отрицательные моменты. Газовая турбина обладает более высокой стоимостью, сложна в обслуживании и имеет большие массогабаритные показатели, чем дизель.
Теперь 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. В данном случае 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.{1}
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. Но нужна ли такая "сверхманевренность" эсминцу?
В перспективе еще одним плюсом электродвижения может стать отказ от гребных валов. В последние годы в судостроении получили распространение электрические движетельные винто-рулевые комплексы (ЭДВРК). ЭДВРК представляет собой гондолу с помещенным внутрь электромотором (или электромоторами), имеющую толкающий или тянущий (иногда оба) гребной винт и размещенную в кормовом подзоре. ЭДВРК выполняется поворотным, что позволяет обходиться кораблю без классического рулевого комплекса. Применение ЭДВРК 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).{2}
Итак, почему же англичане выбрали для нового эсминца именно ГЭУ типа IEP, а не опробованную и хорошо зарекомендовавшую себя на фрегате пр. 23 ГЭУ типа CODLAG? Однозначного ответа на этот вопрос нет. В создании корабля, в выборе его концепции и облике часто замешаны далекие от военного дела политические или экономические соображения, поэтому, не зная "кулуарных" сторон дела трудно разобраться, почему были выбраны именно эти технические решения, а не иные. Можно сделать лишь некоторые предположения, касающиеся выбора типа ГЭУ для ЭМ пр.45.
Во-первых, англичане могли выбрать ГЭУ типа IEP с целью дальнейшей отработки электродвижения. "Сорок пятые" предполагается эксплуатировать не менее 30 лет и, быть может, они будут составлять основу английского флота даже в 2040 году, а к этому времени корабельные ГЭУ могут существенно видоизмениться. Вот уже много лет во многих развитых странах мира ведутся работы над альтернативными источниками энергии, одним из которых являются топливные элементы.{3} Наиболее перспективными для применения на надводных кораблях считаются топливные элементы, которые должны потреблять атмосферный кислород и органическое топливо (синтетический газ, дизельное топливо, другое водородосодержащее топливо). По сравнению о двигателями внутреннего сгорания, такие топливные элементы имеют ряд существенных преимуществ - они экологически чисты (при работе выделяют только углекислый газ и воду), бесшумны и, наконец, имеют более высокий КПД (в два и более раза). На данный момент в этой области наибольшего успеха достигли американцы, которые неоднократно заявляли, что их перспективный эсминец DD-21 будет иметь полное электродвижение с источниками питания в виде топливных элементов. Поэтому есть основания предполагать, что англичане в перспективе хотят заменить свои ГТГ на топливные элементы американской разработки. В этом случае ГЭУ типа IEP выглядит как переходная (подготовительная) перед заменой на принципиально новую энергетическую установку.
Во-вторых, не исключено, что, отдавая предпочтение ГЭУ типа IEP, руководство ВМС Великобритании могло просто поддержать интересы английских разработчиков, защитив перед парламентом финансирование перспективной проблемы электродвижения "пропиской" его на новый эсминец и доказав, тем самым, что уже сейчас этой проблеме надо уделять значительное внимание.
В-третьих, заказчик (МО Великобритании в лице командования ВМС) считает, что, несмотря на значительную стоимость установки типа IEP (а она превышает таковую у ГЭУ любого другого типа, кроме ЯЭУ), удастся сэкономить значительные средства во время ее эксплуатации за счет экономии топлива и затрат на обслуживание.

{0} — Комбинированной двухвальной установкой с электродвижением был оборудован норвежский минный заградитель "Olaf Tiyggvason" водоизмещением 1924 т, построенный в 1934 г. На полном ходу (21,6 уз) предусматривалась совместная работа на валы ТЗА мощностью по 2300 л.с. и электродвигателей мощностью по 560 кВт, запутывавшихся от дизель-генераторов. Экономический ход (14 уз) осуществлялся под гребными электродвигателями при отключенной КТУ. - Прим. ред.
{1} - Именно по такой схеме и сделана ПЗУ фрегата пр.23, в которой ГЭД, работающие от дизель-генераторов, обеспечивают ход в 15 узлов, а при скоростях хода 16-28 узлов совместно с ГЭД начинают работать газовые турбины. - Прим. авт.
{2} - На перспективном немецком проекте ЭМ водоизмещением около 8000 т предположительно будут применены ЭДВРК. Не исключена их установка и на американском ЭМ проекта DD-21. - Прим. ред.
{3} - Или электрохимические генераторы - устройства, в которых электроэнергия получается напрямую из химической реакции между кислородом и водородом. Топливные элементы уже применяются немцами на своих дизель-электрических подводных лодках, но работают они на водороде и жидком кислороде, сложны в эксплуатации и дороги. Кроме того, они имеют большие массу и габариты, по сравнению с ГЭУ традиционного типа. - Прим. авт.