新型柴油-电动和燃气轮机混合动力系统助力26型成“猎潜杀手”

英国皇家海军的26型护卫舰被认为目前世界上最好的反潜战舰设计之一。对于船舶辐射噪声进行了充分抑制的安静型推进系统是其能够发现潜艇的关键部分。稀星天外将使用这篇文章,对这个非常技术性的问题进行一个描述。
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英国26型护卫舰建成后的艺术想象图
26型护卫舰的单艘造价高达10亿英镑,是一艘非常昂贵的护卫舰。这一高昂造价中的很大一部分是对其隐形的需求所致。通过综合采用一系列工程解决方案,包括舰体形状优化,内部管道设计以及将全舰的重要设备都固定在抗冲击和防振动的底座上,来实现。但是到目前为止,最大的挑战是确保发动机和齿轮传动系统能够安静地推动战舰前进。英国海军和造船业从上世纪90年代初开始服役的23型护卫舰的设计和建造中吸取经验和知识,因为23型护卫舰在当时为军舰隐身树立了新的标杆。
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26型护卫舰CODELOG混合推进系统的草图
尽管配置明显不同,但对于23型护卫舰,45型驱逐舰,“伊丽莎白女王”级航空母舰以及全球其他军舰而言,在巡航时使用柴油发电机驱动电动机和而在更高航速时使用燃气轮机的推进组合是一种很好的推进系统选择。26型护卫舰引入了另一种形式的柴油-电动或燃气轮机组合(COmbined Diesel-Electric Or Gas turbine,CODELOG)设计。这种新的设计本质上有两种主要的操作模式:
  1. 为了获得更高的速度,一台罗尔斯·罗伊斯MT30燃气轮机直接通过齿轮箱驱动螺旋桨推进战舰前进。
  2. 对于巡航和较慢的速度时,燃气轮机脱开离合器,最多由四台柴油发电机为两台电动机提供电力驱动两个螺旋桨。
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26型护卫舰两种推进方式,低速巡航(左)和高速(右),下推进系统连接示意图
26型护卫舰从两个方面得益于船舶推进技术在最近30年来的技术进步。
  1. 由Trent航空发动机开发而来的MT30燃气轮机具有如此高的功率密度,以至单台动力设备就可以将排水量6900吨的军舰推进到至少28节的速度。相对的23型护卫舰的CODELOG系统则需要两台Spey燃气轮机及其电机组合才能达到这一速度。
  2. 与设计23型护卫舰时可用的电动机相比,现代电动机的功率密度也大得多
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26型护卫舰动力系统计算机生成图,后部的两台水线上方的柴油发电机没有显示

强大的MT30

罗尔斯·罗伊斯公司的MT30燃气轮机是世界上最强大的船用涡轮机,也是英国现代工程技术和制造业的典范。该发动机的核心机在德比(Derby)建造,并在布里斯托尔(Bristol)组装,第50台已于本月下线。目前,美国、日本、韩国和意大利海军都有军舰采用该引擎作为动力,26型护卫舰国内国外的三个客户(稀星天外注:英国、澳大利亚和加拿大)也都采用了该引擎。由于,正在海试的“伊丽莎白女王”号航母也使用该发动机,英国海军将在26型护卫舰投入服役之前,就获得相当丰富的该发动机使用经验。
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MT-30燃气轮机主要部件示意图
MT30的输出功率被保守地限制在36兆瓦,但它有可能进一步提高10%,这可以用来抵消未来由于增加新设备而导致的排水量增加对战舰航速的负面影响。由经过验证的组件构建而成,结合了最新叶片冷却技术的燃气轮机核心机被涂上了保护性涂层,以防止海洋环境中充满盐分的空气对其进行腐蚀。
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MT-30燃气轮机的核心机来自于Trent 800航空发动机
MT30是一种基于Trent 800航空发动机的极其耐用的四级动力涡轮机,已经经历了高环境温度(38°C)下,持续1500小时的严格连续运转测试。它无需修改即可满足当前所有排放法规。通过弹性连接安装在隔音罩中,该机的设计最大程度地减少了振动和辐射噪声。该隔音罩具有整体防火保护,维护人员可以很轻松对其进行维护。由于,MT30被设计使用集成式数字控制和监视系统进行远程操作,每周需要的日常维护工作少于两个工时
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MT-30燃气轮机的尺寸非常紧凑,是海军所梦寐以求的

柴油发电机——任劳任怨老黄牛

四台柴油发电机组为战舰在慢速行驶和巡航时使用的电动机提供电力。每台柴油发电机组由一个MTU公司的20缸4000系列M53B引擎及其驱动的交流发电机组成,发电功率约为3兆瓦。柴油发电机组还向战舰的其他设备提供电力。随着将来可能会为战舰增加功能更强大的传感器和定向能武器,对于电力的要求将会增加。因此,这些发电机组都还预留大量的额外发电容量。现在,虽然MTU已经是罗尔斯·罗伊斯动力系统的子品牌,但是柴油引擎仍在德国制造。
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MTU 4000系列M53B柴油发电机组安装在一个有着双弹性连接基座的隔音罩内
柴油电动驱动非常省油。而且四个发电机组可以根据对于功率的需求而被依次选择,以便它们可以始终工作在最佳范围内。这样可以减少发动机的磨损,并且非常省油。它还可以在发生故障或损坏的情况下互为冗余后备,并且可以在海上使引擎脱机进行维护。现代船用柴油机以其简单性和可靠性著称,MTU说4000系列每运行5年仅需进行一次大修即可。26型护卫舰应该有更多的时间处于这种模式下,而不是用更高油耗的燃气轮机驱动下进行“冲刺”。
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柴油发电机组隔音罩的透视图
像燃气轮机一样,柴油发电机套件也被完全包含在隔音罩中。柴油机位于隔音罩内部弹性连接的安装座上,而整个隔音罩又被安装在自己的底座上,以将其与军舰的船体结构隔离。护卫舰在猎杀潜艇时,大多情况下使用电动机以中低速行进。保证柴油发电机在此时不会散发出噪声尤为重要。像23型护卫舰一样,26型的后面两台柴油发电机也被安置在水线上方,以进一步减少传入水中的声音。
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MTU公司4000系列M53B柴油机的结构草图
从河流级巡逻舰“添马”号开始,英国海军所有新军舰的建造,都符合国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)的III级排放标准。柴油机都配备了选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction,SCR)尾气处理系统,以中和排放物中的氮氧化物。另外,还安装了发动机废气冷却系统,以减少船舶的红外信号
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MTU公司4000系列M53B柴油机

电动机

通用电气海事集团(GE Marine)制造了特殊的先进感应式电动机(Advanced Induction Motor,AIM)来驱动26型护卫舰。它们必须在非常专业的工厂设施中精心制造,以防止振动和抗冲击。直到最近,这一位于英格兰沃里克郡拉格比(Rugby,Warwickshire)的工厂一直面临被关闭的威胁,这将影响到所有26型护卫舰客户的供应链。为此,在当地国会议员、工会和其他相关人士的积极运作推动下,英国国防部在舰船建造合同发布之前,就为最后5艘26型护卫舰下达了剩余10台电动机的预购订单。这一举措拯救了重要的拉格比工厂,该工厂现在成为了专业海军舰用电动机的制造商。之后,12艘澳大利亚26型护卫舰变体船和15艘加拿大变体船另外54台驱动电动机的需求,以及其他海军对购买这种高度先进的英国制造产品的兴趣,让该工厂突然变得前景光明起来。
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GE海事集团的先进感应式电动机
慢速电机直接安置在螺旋桨驱动轴上以驱动螺旋桨推进器,并通过同步自动换档(Synchro-Self-Shifting,SSS)离合器与变速箱和燃气轮机断开连接。这是一种自动离合器,当由电动机驱动的主轴速度超过由燃气轮机驱动的速度时会和后者断开连接。解开和变速箱连接会进一步降低战舰在超静音行驶状态下的噪音。
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26型护卫舰螺旋桨推进器的模型
电动机的转速是通过通用电气生产的MV3000船用变频器调节电流的频率来控制的。来自4台交流发电机的固定频率交流电在变频器中被转换为直流电,并使用称为脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)的技术产生输入到电动机的波形。MV3000已经在工业界得到了广泛的应用,但针对海军的要求进行了增强,使其具有防电弧,抗冲击的性能,并装有谐波滤波器和电力电子设备,以保持电流质量,从而避免电动机内部的振动。这些措施是建立在首先实用于45型驱逐舰上的某些技术基础上(稀星天外注:广受诟病的英国海军45型驱逐舰推进系统问题根本原因出自其WR21燃气轮机,而不是电气系统)。
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26型护卫舰的上代舰23型使用的螺旋桨

顶级齿轮传动系统

齿轮传动系统是由大卫·布朗·圣塔斯洛(David Brown Santaslo)公司专门为26型护卫舰开发的。该公司将其描述为“世界上最安静的船用变速箱”,汲取了该公司在潜艇传动系统方面数十年的设计生产经验和消音技术。该齿轮传动系统包括一个分离变速箱和两个减速变速箱。它们都按照最高标准制造,以最大程度地减少会引起振动的传动误差。尽管最大的齿轮直径约为3米,但齿轮齿的加工公差却以微米为单位。致力于确保传动系统具有如此高品质的努力是为了确保,即使在由燃气轮机驱动的更高速度下,26型护卫舰仍将是一艘安静的战舰,能够在不被发现的情况下迅速拉进与潜艇的距离。
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26型传动系统有三个齿轮箱,没够都有独立的滑油系统
大卫·布朗·圣塔斯洛公司在其位于哈德斯菲尔德(Huddersfield)的工厂中建造了一个专用的船用齿轮装配和测试设施。该试验台复制了一套船上安装的齿轮传动系统,并能够使变速箱满负荷全速运转。每套出厂的产品在交付前都将在这里进行测试。由于英国海军要求这些变速箱的寿命达到军舰的全使用寿命,因此它们的质量和可靠性至关重要。
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26型护卫舰齿轮箱模型

由于推进系统将在军舰的建造初期就必须安装,因此上述模块都已经开发了很多年并日渐成熟。2015年英国海军为首批3艘26型护卫舰的发布了推进系统的“预订”合同,其中一些设备已经交付给造船厂,并且正在首舰“格拉斯哥”号上安装。虽然,安装在澳大利亚和加拿大的变型舰艇上的武器和传感器会有很大不同,但它们将具有相同的推进系统。这将使制造商可以预见到长期的持续性订单。通用性也将减少客户的单位成本,他们也可以共享培训、物流和运营经验。除了在维持就业、工业技能和当地经济利益外,工业界还能够投资进一步的研发工作。在某些情况下,英国海军26型护卫舰项目正在巩固其在军用船舶推进领域作为世界领导者的地位,从而产生了更多的出口机会。
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26型护卫舰的螺旋桨推进器安装示意图
稀星天外利用本文略述了建造一艘超静音战舰所涉及的工程复杂性,以及所需的高昂成本和大量工作。尽管舰员们的训练、战术技能、环境条件和对手的素质对于成功侦测和攻击潜艇也很重要,但是在获得了26型护卫舰及其变型之后,英国海军、澳大利亚海军和加拿大海军将至少拥有了一个完成此工作的最佳平台。

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