Фрегат Type 26: силовая установка

Фрегат Type 26 широко известен как лучший противолодочный военный корабль, доступный в мире на данный момент, и ключевой составляющей его способности обнаруживать подводные лодки является его бесшумная двигательная установка.

Каждый фрегат Type 26 стоит более 1 миллиарда фунтов стерлингов, и значительная часть его стоимости обусловлена необходимостью обеспечения малозаметности. Снижение уровня шума достигается за счет сочетания инженерных решений, которые включают в себя форму корпуса, конструкцию трубопроводов и крепление оборудования по всему судну на удароустойчивых и виброустойчивых креплениях. Но, безусловно, самой сложной задачей является обеспечение бесшумной работы двигателей и главного редуктора. Американская и британская промышленность, опираясь на опыт и знания, уже строит фрегаты Type 23, которые с момента их появления в начале 1990-х годов стали новым стандартом в области малозаметности военных кораблей. (Для сравнения: Type 23 стоили 130 млн по ценам 1987 года.)
Предпочтительной силовой установкой для фрегатов Type 23, эсминцев Type 45, авианосцев Queen Elizabeth и, возможно, других военных кораблей по всему миру является комбинация газовых турбин для обеспечения высокой скорости и дизель-генераторов, приводящих в действие гребные электродвигатели. Хотя конфигурация такой силовой установки может существенно отличаться.
Для Type 26 выбран вариант комбинированной дизель-электрической ИЛИ газотурбинной установки CODELOG (COmbined Diesel-Electric Or Gas turbine). По сути, у такой системы существует всего два основных режима работы. Для достижения высоких скоростей газовая турбина Rolls Royce MT30 передает вращение гребным винтам непосредственно через редукторы.


А для движения на крейсерской и более низких скоростях будут задействованы два гребных электродвигателя, питание которых обеспечивают до четырех дизель-генераторов, в то время как газовая турбина будет при этом отключена.
Для сравнения: фрегаты Type 23 имеют силовую установку по схеме CODELAG (Combined Diesel-Electric And Gas turbine), и им для достижения скорости полного хода требуется одновременная работа всех четырех дизель-генераторов, двух гребных электродвигателей мощностью по 3000 кВт и двух газовых турбин Rolls-Royce Marine Spey мощностью 19500 кВт каждая.
Вообще-то силовая установка фрегатов Type 23 была заковыристая и, по-моему, не очень-то удобная в эксплуатации. Четыре дизель-генератора выдавали напряжение 600 В с частотой 61–65 Гц, которое затем поступало на управляемые тиристорные выпрямители, а от них уже на гребные электродвигатели постоянного тока. Выпрямители, естественно, вносили сильные помехи в электрическую сеть. Видимо, чтобы особо не заморачиваться с фильтрацией помех, для снабжения обычных потребителей, оружия и прочего, имелись два электромашинных преобразователя: электродвигатель 600 В крутил генератор мощностью 900 кВт, выдававший уже нормальные 440 В 60 Гц.

Видимо, после не вполне удачного опыта с единой электроэнергетической системой эсминцев Type 45, флот решил не умничать. По крайней мере, с фрегатами.


Компьютерное изображение машинных отделений фрегата Type 26. Жёлтые параллелепипеды в клеточку – это дизель-генераторы, между ними находится газовая турбина. Центральный отсек – это помещение редукторов, а справа – гребные электродвигатели. Дизель-генераторов четыре штуки, ещё два прячутся где-то в другой части судна
Поскольку корабли еще строятся, то «живых» фото найти не удалось.

Турбина Rolls-Royce MT30

Судовая газовая турбина MT30 разработана на основе авиационного двигателя Rolls-Royce Trent 800, который создан для самолетов В-777 и пошел в производство в 1996 году. Ее уникальной особенностью является возможность работать на полной мощности в широком диапазоне температур входного воздуха: от -40 до +38 градусов. Она обладает такой мощностью, что один агрегат может разогнать корабль водоизмещением 6900 тонн как минимум до 28 узлов.
MT30 наследовала почти 80% общего с авиационной турбиной, и на данный момент это самая мощная судовая турбина в мире и британский инженерный и производственный успех. В этом месяце с конвейера сошел 50-й образец (статья от сентября 2019 года). Этот двигатель используется военно-морскими силами США, Японии, Кореи и Италии, а также заказчиками фрегатов Type 26 (на 2019 год интерес к кораблям выразили Австралия, Малайзия, Новая Зеландия и, возможно, Турция). Эти турбины уже работают на авианосцах типа Queen Elizabeth, и к моменту, когда фрегаты Т26 поступят на вооружение, RN накопит значительный опыт по их эксплуатации.

Номинальная выходная мощность MT30 — 40 МВт, но для фрегатов она была ограничена до 36 МВт, хотя может быть легко увеличена еще на 10% для компенсации возможного будущего увеличения водоизмещения корабля с добавлением нового оборудования. Сердечник турбины, изготовленный из проверенных компонентов с использованием новейших технологий охлаждения лопаток, имеет защитное покрытие, предотвращающее коррозию из-за насыщенного солью морского воздуха.
Прим. turbine core, сердечник – насколько я понял, это основная часть турбины, включающая в себя компрессор, камеру сгорания и собственно турбину. Если я не прав, пусть меня поправят.
MT30 — это надежная четырехступенчатая турбина, соответствующая всем действующим нормам по выбросам вредных веществ. Турбина прошла тщательные испытания в течение 1500 часов непрерывной работы при температуре окружающего воздуха 38°C. Конструкция турбины, установленной в акустическом корпусе, позволяет свести к минимуму вибрацию и излучаемый шум. Корпус оснащен встроенной противопожарной защитой и имеет удобный доступ для обслуживающего персонала. Управление осуществляется дистанционно с использованием интегрированной цифровой системы управления и мониторинга, а для рутинного обслуживания требуется не более двух человеко-часов в неделю.

Вес турбины 6500 кг.


Прим. Конечно, в таком виде турбину на корабль не поставишь. Ее надо одеть тепло- и звукоизоляционным кожухом, приделать воздухозаборник и выпускной коллектор горячих газов, поставить на фундамент и добавить туда же вспомогательные устройства. Тогда она станет газотурбинным двигателем.


Выходной вал отбора мощности проходит через выхлопной коллектор.



На этом снимке «живой» газотурбинный двигатель на основе турбины МТ30 авианосца HMS Prince of Wales. ГТД включает в себя корпус и вспомогательное оборудование, и в сборе весит около 30 тонн. В виде единого узла вместе с опорным фундаментом он может быть установлен с помощью одного подъемника (желтая рельса вверху)

Дизель-генераторы

Для передвижения на крейсерской скорости (т. е. такой, которая обеспечивает наибольшую дальность хода) и на более низких скоростях фрегат будет использовать два гребных электродвигателя, снабжать которые электроэнергией будут четыре дизель-генератора. Каждый ДГ состоит из 20-цилиндрового двигателя MTU 4000 M53B и генератора переменного тока (напряжение не указано, но, скорее всего, это будет не 440 В, а гораздо выше, то, что называется MV – medium voltage) мощностью около 3 МВт. Бренд MTU входит в состав Rolls-Royce Power Systems, а двигатели производятся в Германии.

Дизель-генераторы также обеспечивают «гостиничную нагрузку», то есть снабжают электроэнергией всё, что не относится к электродвижению: общесудовые системы и оружие. Поскольку в будущем, вероятно, будут добавлены более мощные датчики и оружие направленной энергии, потребность в электроэнергии возрастет, поэтому мощность судовой электростанции выбрана с запасом.
Дизель-электрический привод очень экономичен. Четыре ДГ не обязательно будут работать одновременно и на полной мощности, а в зависимости от потребности, что обеспечит их оптимальную работу. Это снижает износ двигателей и обеспечивает экономию топлива. Это также обеспечивает резервирование на случай повреждения и возможности технического обслуживания в море. Современные судовые дизели известны своей простотой и надежностью, и, по данным MTU, серия 4000 нуждается в капитальном ремонте только после пяти лет эксплуатации. В крейсерском режиме судно, скорее всего, проведет гораздо больше времени, чем в режиме «спринтер» с мощным и обладающим повышенным аппетитом ГТД.

Как и ГТД, дизель-генераторы полностью защищены акустическими кожухами. Дизели установлены на собственных упругих опорах внутри кожуха, а всё вместе также устанавливается на специальных креплениях, изолирующих его от корпуса корабля. Вот так это выглядит:


Особенно важно, чтобы дизель-генераторы не издавали шума, поскольку большая часть охоты на подводные лодки будет происходить с использованием электродвигателей на низких или средних скоростях. Как и на Type 23, кормовая пара ДГ на Type 26 расположена выше ватерлинии, чтобы еще больше снизить уровень шума, передающийся через воду.

Все новые военные корабли RN должны с самого начала строиться в соответствии с директивой Международной морской организации (IMO) о выбросах вредных веществ. Дизели будут оснащены системой доочистки выхлопных газов с селективным каталитическим восстановлением для нейтрализации выбросов NO2. Весьма вероятно, что будут установлены системы охлаждения выхлопных газов для уменьшения инфракрасного излучения судна.


Дизель-генератор в акустическом кожухе и снятыми панелями доступа на выставке DSEI 2019. Слева дизель, справа виден генератор.

Это красочное изображение дизеля

А это он в натуре
Такой же двигатель, но в 12-цилиндровом исполнении, сейчас устанавливаются на фрегатах Т23 при модернизации, поэтому к моменту, когда Т26 войдут в строй, судовые механики получат достаточный опыт. На сайте MTU пишут, что двигатель имеет топливную систему common rail, номинальная мощность 3015 кВт при 1800 оборотах, диаметр цилиндра 170 мм, ход поршня 210 мм, расход топлива на номинальной мощности 580 л/час, вес в сборе с генератором 18 тонн. Буква V в маркировке означает, что он V-образный.

Гребные электродвигатели

Их производит компания GE Marine, и она называет эти двигатели Advanced Induction Motors.
Прим. На сайте компании GE Marine сказано, что это асинхронные малооборотные электродвигатели большой мощности (до 40 МВт), разработанные специально для нужд военно-морского флота. В чем конкретно заключается «Advance», никак не объясняется. Из особенностей называют бесшумную работу, отсутствие вибрации, способность выдерживать ударные нагрузки и встроенную многоканальную инверторную систему Power Conversion VDM25000. Имеют замкнутую систему вентиляции с промежуточным водяным охлаждением.

Электродвигатели изготавливаются на специализированных предприятиях с особой тщательностью и точностью. До недавнего времени завод в Rugby (городок в графстве Уорикшир, в 20 км к востоку от Ковентри) находился под угрозой закрытия, что ставило под угрозу надежность поставок для всех заказчиков Type 26. Кампания, организованная заинтересованными членами парламента, профсоюзами и другими лицами, привела к тому, что Министерство обороны разместило на заводе предварительный заказ на оставшиеся 10 двигателей для последних 5 фрегатов. Это спасло важнейшее предприятие, которое теперь будет специализироваться на производстве электродвигателей для ВМФ. Для 9 австралийских и 15 канадских кораблей потребуется еще 48 электродвигателей, так что это предприятие ожидает блестящее будущее.

Малооборотные электродвигатели устанавливаются непосредственно в линию вала и отсоединяются от редуктора и газовой турбины с помощью муфт с синхронным переключением. Это автоматическое сцепление, которое отключается, когда частота вращения главного вала, приводимого в движение электродвигателем, превышает частоту вращения входного вала, приводимого в движение турбиной. Отключение редуктора при этом дополнительно снижает уровень шумов, издаваемый судном.

Частота вращения электродвигателей регулируется с помощью преобразователя MV3000 производства GE. Напряжение переменного тока постоянной величины и частоты, поступающее от генераторов, сначала выпрямляется, а затем превращается опять в переменное, но уже изменяемой величины и частоты.
Прим. В принципе, подобная технология, но без военно-морских заморочек, применяется на современных ледоколах, газовозах ледового плавания и круизных лайнерах – то есть на судах, где используется электродвижение. Там, правда, могут применить прямое преобразование переменного в переменный, без промежуточного звена постоянного тока.

MV300 широко используется в промышленности, но был усовершенствован в соответствии с требованиями военно-морского флота (что это за требования, не объясняется). Это основано на некоторых технологиях, впервые использованных на эсминцах Type 45 (основной причиной проблем с двигательной установкой Type 45 были газовые турбины WR21, а не электрическая система).

Прим. Что это были за проблемы, из-за которых весь флот Т-45-х однажды оказался прикованным к причалу, может быть, расскажу позднее.

Редуктор

Вот так выглядит его модель, сделанная фирмой David Brown Santasalo, производителем редукторов.

Основная ступень передает вращение от ГТД к двум раздельным редукторам, передающим вращение уже на гребные валы. Выходной вал правого борта на основной ступени несколько смещен, потому что там потребовалась дополнительная передача, обеспечивающая разное направление вращения винтов правого и левого борта. Если бы оба винта вращались в одном направлении, то это вызывало бы отклоняющий момент, постоянно уводящий корабль с курса. Нюансы!

Прим. David Brown Santasalo позиционирует себя как ведущего мирового производителя механических систем передачи мощности, имеющего 300-летний опыт в этой области. Занимается конструированием, изготовлением и техобслуживанием, имеет филиалы в 25 странах. Фирма образовалась в 2016 году после слияния компаний David Brown и Santasalo.

Редукторы были разработаны специально для фрегата Type 26. Компания называет их «самым бесшумным судовым редуктором в мире» и использует многолетний опыт и технологии уменьшения шумности, используемые в редукторах для подводных лодок. Всё изготовлено по самым высоким стандартам, чтобы свести к минимуму неточности, которые являются источником вибрации. Диаметр самых крупных шестерен составляет около 3 м, но зубья обрабатываются с допусками, измеряемыми в микронах. В результате даже на высоких скоростях, когда будет работать газовая турбина, фрегат по-прежнему будет бесшумным судном, способным быстро приблизиться к подводной лодке незамеченным.

Компания DBS построила на своем заводе в Хаддерсфилде (город с населением около 200 тыс. человек в округе Керклис в Англии, неподалёку от слияния рек Кольн и Холм, в 16 километрах от Брадфорда) специализированный завод по сборке и испытанию судовых редукторов. Испытательный стенд способен выводить редукторы на полную мощность с полной нагрузкой. Каждый изготовленный комплект перед поставкой будет протестирован.
И, наконец, гребные винты, то есть то, что непосредственно толкает корабль.

Пока что доступно лишь компьютерное изображение винтов фрегатов Т26

Вот так выглядят настоящие винты фрегата HMS Iron Duke типа Т23, когда он находился в сухом доке в 2007 году
В принципе, ничего особенного тут не проглядывается. У фрегатов Т26 должно быть что-то похожее: 5-лопастные, постоянного шага, изготовленные из бронзового сплава, оптимизированные для относительно малых оборотов (подробности, вроде диаметра, веса, шага винта и оборотов, не сообщаются). Выглядеть в натуре должно как-то так:


Поскольку силовая установка должна быть установлена в корпусе на ранних стадиях строительства, многие элементы уже готовы. Они разрабатывались в течение многих лет, а заказы на «длинномерные детали» для первых трех судов были размещены еще в 2015 году. Часть оборудования уже доставлена на верфь и находится в процессе установки на головном судне HMS Glasgow. Вооружение и датчики, установленные на австралийских и канадских кораблях, будут значительно отличаться, но у всех кораблей будет одна и та же силовая установка. Проект Type 26 укрепляет позиции британских производителей как мировых лидеров, привлекая дополнительные экспортные возможности.

Ну вот как-то так. Разные словоизвержения с рекламным уклоном опускаем.
В заключение несколько примеров обсуждения статьи читателями, многие из которых, чувствуется, имеют представление о службе на кораблях:

1. Приятно читать, рад видеть, что T26 в качестве платформы будет поддерживать опыт RN в области противолодочной обороны. Теперь всё, что нужно, — это оружие ASROC, чтобы фрегат сам мог преследовать цели.

Ответ: Да, было бы довольно неловко, если подводная лодка будет обнаружена через 15 минут после того, как с единственного вертолета сняли двигатель для проведения какого-либо технического обслуживания.

2. Спасибо за статью, у меня есть пара вопросов.

- На одной из фотографий изображен корабль ее величества «Вестминстер» с новым гребным винтом и с саблевидными лопастями. Почему гребные винты по-прежнему с фиксированным шагом, а не используют принцип ВРШ?

- На кораблях LCS ВМС США используются водометы Rolls Royce. В частности, они позволяют тримаранам развивать скорость более 40 узлов. Насколько водометы более шумные на малых скоростях по сравнению с гребным винтом?

- В связи с вероятностью того, что в ближайшем будущем радар T45 будет модернизирован и что «Dragonfire» может быть установлен как часть системы CIWS, не было бы хорошей возможностью заодно заменить WR21 на MT30?

Прим. Dragonfire – британская разработка системы лазерного оружия.
CISW – оружие ближнего боя.
WR21 – газовые турбины, установленные на фрегатах Т23.

Ответ: Для T23 и T26 не требуются ВРШ, поскольку электродвигатели изменяют скорость вращения за счет изменения параметров напряжения, питающего их. Электродвигатели также могут быть запущены на задний ход, что устраняет необходимость в реверсивном редукторе или ВРШ.

- Не могу с уверенностью сказать о характеристиках водометов, но они эффективны далеко не во всех диапазонах скоростей.

- WR21 нельзя удалить, поскольку это было бы сложной инженерной задачей. Проблемы с T45 устраняются с помощью 3 новых, более мощных дизель-генераторов.

Ответ: Винт постоянного шага может быть чрезвычайно малошумным в некотором диапазоне оборотов, но как только вы выйдете за эти пределы, он станет гораздо шумнее ВРШ. Можно с уверенностью сказать, что как Т23, так и Т26 будут очень малошумными при поиске ПЛ, но очень заметными на больших скоростях.

3. По моему опыту, ВРШ создает сильную вибрацию из-за кавитации, возникающей при любом значительном изменении шага. Гидравлические насосы, необходимые для изменения шага гребного винта, также имеют неприятную тенденцию постоянно «петь», усиливая любой шум. Кроме того, существует вероятность протечки уплотнений ступицы, что потребует постановки судна в сухой док – а это время и деньги (теперь это усиливается требованием к использованию на всех судах экологически чистых и дорогих масел).
В дополнение к этому, масляные насосы системы изменения шага (как с механическим, так и с электрическим приводом) могут быть довольно шумными. При включении любого резервного гидравлического насоса возникает первоначальный «всплеск» шума из-за скопления воздуха, холодных насосов и т.д. По мере старения судна всё это становится еще хуже. Вся система нуждается в охлаждении, и она занимает много места, и, кстати, всё это обычно находится ниже ватерлинии.
Да, дизель-электрические системы — это шаг вперед. Двигатели с частотным преобразователем очень эффективны, и их можно легко демонтировать для технического обслуживания. Недостатком являются возможные импульсные помехи и тот факт, что они (преобразователи) не потребляют реактивную мощность. Некоторые генераторы теперь требуют защиты от низкой реактивной мощности, а также защиты от обратной мощности. (Специалисты-электрики поймут.)

Они (частотные приводы) существуют уже более 20 лет, и Rolls Royce являются мировыми лидерами в этой области.
На самом деле, я был на (эсминцах) Leander, и они были удивительно тихими для того времени.

Ответ: Гармонические частотные помехи — это проблема, которую можно решить путем тщательного проектирования, однако даже в этом случае есть свои нюансы. У LPD были проблемы с частотными гармониками в очень, очень экстремальном виде. Это на некоторое время ограничило электропитание, подаваемое на системы вооружения, которые требуют стабильной частоты, пока не было внесено конструктивное исправление.

Прим. LPD – видимо, имеются в виду десантный транспорт-док. Они есть и в британском, и американском, и других флотах. О каких кораблях говорится, неясно.

4. Спасибо за хорошо проработанную статью и (у меня) несколько комментариев:

- «Одна турбина [MT30] может сообщить скорость кораблю водоизмещением 6900 тонн, по крайней мере, до 28 узлов», хотя BAE не утверждает, что 6900 тонн — это «легкое» водоизмещение, а австралийцы говорят, что «Hunter» будет иметь водоизмещение 8000 тонн FLD и 8800 тонн EOL, что равно обычному 10% увеличению водоизмещения за весь срок службы корабля. Единственное требование, предъявляемое BAE, — скорость более 26 узлов, но это зависит от фактического водоизмещения на данный момент.

- Нигде не было упомянуто о мощности электродвигателей T26. У немецких 7200-тонных фрегатов типа F125 используются два электромотора Siemens мощностью по 4,7 МВт каждый, в итальянских 6700-тонных кораблях типа FREMM — два электромотора мощностью по 2,1 МВт. Это дает скорости около 20 и 16 узлов соответственно, что выглядит примерно так, как показывает эмпирическое правило: для увеличения скорости на каждые 4 узла требуется удвоенная мощность. До тех пор, пока не будет указана мощность электродвигателей, вы не поймете, какая скорость у T26 будет в режиме электродвижения.

Прим.
1. «Легкое» водоизмещение — это «вес» абсолютно пустого корабля со всей техникой и механизмами, но без топлива, воды, боеприпасов, экипажа — вообще без ничего. Вообще-то Вики, говоря о головном фрегате Т26 «HMS Glasgow», называет цифры 6900 т, без указания, что это такое, и 8000 т как «полное» водоизмещение.
2. «Hunter» — австралийские фрегаты, строящиеся на основе проекта Т26.

3. FLD и EOL — водоизмещение при различных условиях. FLD = Full Load Displacement, то есть то, что мы можем назвать «полным водоизмещением». Корабль со всем, что ему нужно для выполнения задач. Даже с багажом экипажа. EOL — не уверен, но, видимо, это означает End Of Life, если судить по контексту.

4. Что касается мощности гребных электродвигателей, то ее можно было бы приблизительно рассчитать, используя ту самую эмпирическую формулу, если бы была указана величина крейсерской скорости. Но этого нигде нет.

Ну и так далее. Там обсуждений на несколько страниц, они сами по себе интересные, но замучаешься всё переводить.

Спасибо за внимание.

• Игорь К