邢維升，馮筱剛，胡 亮

(1.海軍駐426 廠軍事代表室，遼寧 大連，116005;2.海軍裝備研究院，北京100161)

0 引 言

英國在1998年《防務(wù)與安全戰(zhàn)略審查》中決定用2艘中型航母代替“無敵”級(jí)輕型航母，即未來航母計(jì)劃(CVF)。CVF航母由BAE 系統(tǒng)公司、泰利斯公司和英國國防部等組成的航母聯(lián)盟負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和建造。該航母是世界上第1艘采用綜合電力系統(tǒng)的航母。綜合電力系統(tǒng)具有可減少機(jī)械齒輪傳動(dòng)、裝置布置靈活、燃油經(jīng)濟(jì)性好、操作人員少、維護(hù)簡易等優(yōu)點(diǎn)［1－2］。

CVF航母綜合電力系統(tǒng)的主發(fā)電機(jī)組由2 臺(tái)羅爾斯·羅伊斯公司的MT30燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)成，總功率72 MW。本文介紹了CVF航母對主發(fā)電機(jī)組的性能要求及選擇MT30燃?xì)廨啓C(jī)作為CVF航母原動(dòng)機(jī)的原因;重點(diǎn)闡述將MT30燃?xì)廨啓C(jī)集成到CVF航母上的動(dòng)力系統(tǒng)中所面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對方法。

1 英國CVF航母的動(dòng)力系統(tǒng)及性能

為了滿足CVF航母的推進(jìn)需求(航速至少達(dá)到25 kn)及全艦低壓供電需求，CVF航母所需的功率為:

1)環(huán)境溫度為－20℃～ + 38℃時(shí)，總功率109 MW;

2)環(huán)境溫度為+ 38℃～ + 45℃時(shí)，總功率105 MW。

CVF航母采用綜合電力系統(tǒng)。相對于機(jī)械推進(jìn)或者機(jī)械/電力混合推進(jìn)，綜合電力系統(tǒng)的一個(gè)主要優(yōu)勢在于所有原動(dòng)機(jī)都可用于為螺旋槳提供動(dòng)力，使其可以在最經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下運(yùn)行。綜合全電力系統(tǒng)中，所有發(fā)電裝置向通用高壓母線供電，然后通過變壓器向推進(jìn)系統(tǒng)及日用電負(fù)荷供電。因此綜合全電力系統(tǒng)具有高度的靈活性，允許在部分原動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)的情況下仍可為推進(jìn)軸提供均衡的動(dòng)力。CVF航母利用4 臺(tái)瓦錫蘭38 系列柴油機(jī)，在環(huán)境溫度范圍內(nèi)可提供39 MW的基礎(chǔ)電力;利用燃?xì)廨啓C(jī)作為補(bǔ)充，在38℃下可輸出70 MW功率，在45℃下為68 MW。圖1為CVF航母發(fā)電及推進(jìn)系統(tǒng)示意圖。

圖1 CVF航母發(fā)電及推進(jìn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Electricity generation and propulsion system of CVF

柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的組合為經(jīng)濟(jì)巡航以及飛機(jī)起飛和回收時(shí)的高速航行提供了最優(yōu)化的發(fā)電配置。在巡航狀態(tài)下，僅采用柴油發(fā)電機(jī)即能滿足要求，可有效提高燃油利用率以及航母在海上的續(xù)航能力。70 MW的燃?xì)廨啓C(jī)可在進(jìn)行飛行起降作業(yè)時(shí)啟動(dòng)，并可提高航母的靈活性和生存力。發(fā)電裝置布置在4個(gè)分散的機(jī)艙內(nèi)，各自都帶有專用的高壓配電盤，使電力供應(yīng)和分配系統(tǒng)可以在不同的模式下工作，這種布置形式被稱之為“島”。在單島模式下，所有的配電盤都互相連接，允許最小數(shù)量的發(fā)電機(jī)運(yùn)行即可滿足推進(jìn)軸及低壓電力需求，因此這也是最經(jīng)濟(jì)的模式。在和平時(shí)期，為了提高應(yīng)對突發(fā)機(jī)械或系統(tǒng)故障的靈活性，動(dòng)力系統(tǒng)被劃分成2個(gè)島，分別位于艦首和艦尾。在限定海域、繁忙海道或危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行飛行作業(yè)時(shí)，通常啟用這種分離配置，此時(shí)一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)。在作戰(zhàn)時(shí)，所有發(fā)動(dòng)機(jī)都處于運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)力系統(tǒng)劃分為4個(gè)島，分別位于左舷、右舷、艦首、艦尾4個(gè)區(qū)域，這可保持航母在戰(zhàn)損時(shí)的最大生存能力。

2 英國CVF航母選擇MT30燃?xì)廨啓C(jī)的原因

需要利用關(guān)鍵參數(shù)的選取和權(quán)衡原則來對CVF航母原動(dòng)機(jī)的選擇進(jìn)行考量，需兼顧航母的成本和作戰(zhàn)性能。成本的考慮包括采購、總風(fēng)險(xiǎn)及全壽期費(fèi)用;作戰(zhàn)性能的考慮主要涉及諸如速度、裕度、改裝能力等航母總體性能。結(jié)果顯示采用大約40 MW的柴油發(fā)電機(jī)和70 MW的燃?xì)廨啓C(jī)能使CVF航母平臺(tái)作戰(zhàn)性能和成本達(dá)到最好的平衡。目前在這個(gè)功率范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)上最可行的選擇為羅爾斯·羅伊斯公司的MT30燃?xì)廨啓C(jī)，其具備挪威船級(jí)社和美國船級(jí)社認(rèn)證。雖然安裝6 臺(tái)羅爾斯·羅伊斯公司公司的WR21燃?xì)廨啓C(jī)將具備更高的性能，但其全壽期費(fèi)用更高，因而未被采用。

圖2所示為MT30燃?xì)廨啓C(jī)，其與“特倫特”系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有80%的通用性?！疤貍愄亍毕盗泻娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)具有超過2 500 萬小時(shí)的安全運(yùn)行記錄。將這款得到驗(yàn)證的優(yōu)秀航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行艦用改裝，只需開展諸如增加葉片涂層、換用不同的動(dòng)力渦輪等有限的改動(dòng)。

圖2 羅爾斯·羅伊斯公司的MT30燃?xì)廨啓C(jī)Fig.2 Rolls－Royce MT30 gas tubirne

基于對CVF航母可能的作戰(zhàn)剖面分析可知，航母上裝備的燃?xì)廨啓C(jī)不會(huì)保持長時(shí)間的運(yùn)行，但需要周期性地經(jīng)常開啟。這種使用模式符合MT30燃?xì)廨啓C(jī)的特點(diǎn)。在CVF航母燃?xì)廨啓C(jī)的選擇上，預(yù)期所需大修次數(shù)少、適于短時(shí)間運(yùn)行及定期的維護(hù)需求等特點(diǎn)，使MT30燃?xì)廨啓C(jī)成為效費(fèi)比最高的選擇。MT30為雙軸燃?xì)廨啓C(jī)，壓氣機(jī)與動(dòng)力渦輪不共軸，動(dòng)力渦輪軸與負(fù)載(發(fā)電機(jī))相連。在CVF航母上，MT30燃?xì)廨啓C(jī)直接連接到一個(gè)“科孚德”交流發(fā)電機(jī)上。MT30燃?xì)廨啓C(jī)的功率為36 MW (38℃)，考慮到能量損失，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的輸出功率接近35 MW。

圖3 MT30燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組Fig.3 MT30 gas tubirne generators

MT30燃?xì)廨啓C(jī)將由羅爾斯·羅伊斯公司負(fù)責(zé)封裝到燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組中，交流發(fā)電機(jī)由科孚德公司提供。如圖3所示，包覆結(jié)構(gòu)及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組支承系統(tǒng)將安裝在同一個(gè)基架上，總重量為120 t。每個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的功率密度約為300 kW/t (柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組功率密度僅為50 kW/t)。

大型艦船上的空間布置具有更大的靈活性，可最大程度提高生存能力;便于實(shí)現(xiàn)重量布置優(yōu)化，且原動(dòng)機(jī)可以布置在船體內(nèi)部中心位置以外的其他區(qū)域。CVF航母綜合電力系統(tǒng)利用了大型艦船的這種優(yōu)勢，將MT30燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)置在水線以上20 m的4 甲，偏離船體中心線布置。2個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組都位于右舷舷臺(tái)。

圖4 船尾的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組及推進(jìn)電機(jī)Fig.4 Gas tubirne generators and propulasion electromotor of stern

圖4所示為船尾燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和推進(jìn)電機(jī)的布置。如此大功率的發(fā)電裝置通常不布置在這么高的位置，但由于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組相對較輕(僅約為位于9 甲的單個(gè)柴油發(fā)電機(jī)重量的一半)，并且下方的柴油機(jī)組存在左舷偏差，這種設(shè)計(jì)保證了發(fā)電系統(tǒng)在重量分配以及艦首和艦尾發(fā)電能力分配上都達(dá)到很好的平衡。由于采用綜合電力系統(tǒng)而使用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組可以布置在較高的位置，這帶來2個(gè)好處:一方面降低了移除燃?xì)廨啓C(jī)的復(fù)雜性，從而減小了燃?xì)廨啓C(jī)更換所花時(shí)間;另一方面，進(jìn)氣與廢氣排放通道變短，有利于降低燃?xì)廨啓C(jī)的性能損失。

3 燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組與CVF航母的集成

將MT30燃?xì)廨啓C(jī)集成到CVF航母時(shí)，一些關(guān)鍵的艦上接口、服務(wù)保障及系統(tǒng)需要討論。

1)進(jìn)氣與廢氣排放

在CVF航母上，通過縮短進(jìn)氣和廢氣排放系統(tǒng)管道，并進(jìn)行優(yōu)化，降低了阻塞效應(yīng)，從而最大限度地提高了燃?xì)廨啓C(jī)效率。典型的機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式要求將燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)置在船體中靠下的位置以適應(yīng)推進(jìn)軸的布置。與此形成鮮明對比，CVF 采用綜合電力系統(tǒng)，燃?xì)廨啓C(jī)布置在靠上的位置，這是上述進(jìn)氣與排氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。每個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組通過位于2 層甲板以上的過濾器組，每秒吸入110 kg 空氣。進(jìn)氣系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)得盡可能短，并通過流場分析進(jìn)行驗(yàn)證，以盡量減小壓降，同時(shí)保證入口氣流平穩(wěn)。

圖5 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Fig.5 Design of the gas tubine intake system

圖5所示為進(jìn)氣管道幾何形狀，在充氣室設(shè)置了導(dǎo)流葉柵，以保證流入燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣消聲器的氣流均勻。在進(jìn)氣消聲器后90°轉(zhuǎn)角的位置設(shè)置了2個(gè)小的導(dǎo)流葉柵，可用于消除流動(dòng)分離，從而減小背壓，使燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)級(jí)的流場分布滿足要求。排氣系統(tǒng)管道也很短，且由于其路徑直、管道尺寸大、不存在消聲器，排氣管道基本不會(huì)對背壓產(chǎn)生影響。進(jìn)氣系統(tǒng)與排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有效減小了入口和排放損失，提高了燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行效率和燃油利用率。

2)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的固定安裝

為了便于使用單導(dǎo)軌系統(tǒng)來移動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)，需要盡量降低燃?xì)廨啓C(jī)中心線的高度，從而使得燃?xì)廨啓C(jī)可以沿導(dǎo)軌在無坡度的情況下移動(dòng)，改進(jìn)和簡化燃?xì)廨啓C(jī)的移動(dòng)過程。新型的基架設(shè)計(jì)及合理的高度設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。

3)冷卻

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的所有液冷系統(tǒng)都采用淡水循環(huán)，在每個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)隔室內(nèi)專門設(shè)置海水－淡水熱交換器，利用海水對淡水進(jìn)行冷卻。采用淡水循環(huán)，使得可以在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)(包括交流發(fā)電機(jī)空氣冷卻器、燃?xì)廨啓C(jī)燃油冷卻器以及燃?xì)廨啓C(jī)和交流發(fā)電機(jī)的潤滑油冷卻器)中采用效費(fèi)比高的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)管殼式換熱器。

同時(shí)，空氣被引入到每個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)隔艙，對燃?xì)廨啓C(jī)的構(gòu)架和電子設(shè)備進(jìn)行冷卻。采用2個(gè)風(fēng)扇將空氣鼓入燃?xì)廨啓C(jī)隔艙內(nèi)。風(fēng)扇的運(yùn)行由燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)隔艙的溫度來進(jìn)行調(diào)整。采用2個(gè)風(fēng)扇是基于冗余性設(shè)計(jì)的要求。冷卻后的空氣與燃燒排氣在位于燃?xì)廨啓C(jī)排氣蝸殼頂部的環(huán)形區(qū)域內(nèi)混合。

4)燃油

燃?xì)廨啓C(jī)與燃油儲(chǔ)艙相隔5 層甲板。燃油從9甲通過低壓泵向燃?xì)廨啓C(jī)輸送。為了增加可用性，每臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)使用2個(gè)泵，每個(gè)泵都可單獨(dú)滿足燃?xì)廨啓C(jī)100%的供油量需求。在一個(gè)泵發(fā)生故障或者供電中斷時(shí)，設(shè)在燃?xì)廨啓C(jī)隔艙內(nèi)的燃油存儲(chǔ)器能維持足夠的供油能力，以等待第2個(gè)泵發(fā)揮作用或者電力恢復(fù)。

5)低壓電力供應(yīng)

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的低壓電力供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了對系統(tǒng)魯棒性的重視。每個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)由2 條獨(dú)立的低壓配電線路供電。通常情況下，2 條線路都會(huì)帶電，艦上綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)(IPMS)或燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)將決定對哪些主電機(jī)或備用電機(jī)的組合進(jìn)行供電。如果一條供電線路發(fā)生故障，可啟動(dòng)第2個(gè)泵或電機(jī)，淡水泵和通風(fēng)口風(fēng)扇等輔助系統(tǒng)可得到連續(xù)供電而不引起燃?xì)廨啓C(jī)停止運(yùn)行。一些關(guān)鍵的供電需求(燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)、封裝的消防系統(tǒng)及交流發(fā)電機(jī)潤滑油泵)則由不間斷電源(UPS)供電。不間斷電源本身通過自動(dòng)切換開關(guān)(ACOS)從2 條低壓線路上獲得電能。

這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)合每個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組內(nèi)設(shè)的不間斷電源，使得關(guān)鍵子系統(tǒng)在一路電源失效的情況下仍能保持運(yùn)行。在概率很小的兩路電源同時(shí)失效的情況下，這些小容量的不間斷電源使燃?xì)廨啓C(jī)能以可控的方式平緩?fù)C(jī)。

通過在每個(gè)交流發(fā)電機(jī)上安裝軸驅(qū)動(dòng)潤滑油泵，不間斷電源的大小和容量可控制在合適的較小值。在交流發(fā)電機(jī)大約20 min的停機(jī)過程中，由于僅在最后幾百轉(zhuǎn)時(shí)軸驅(qū)動(dòng)泵無法提供足夠的流量，需要在此時(shí)啟動(dòng)不間斷電源為小型的電動(dòng)泵來提供軸承潤滑油流量，直到燃?xì)廨啓C(jī)徹底停下來。如果燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的低壓線路供電恢復(fù)，不管燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)進(jìn)展到何種狀態(tài)，都可以迅速重新啟動(dòng)。

6)高壓連接

交流發(fā)電機(jī)的電壓為11 kV，電能采用由終端箱中的15 根電纜(每相5 根)導(dǎo)出，這些電纜從發(fā)電機(jī)組隔間引出后，向下穿過兩層甲板，連接到相應(yīng)的高壓配電盤。

7)啟動(dòng)系統(tǒng)

盡管利用電啟動(dòng)取代液壓啟動(dòng)具有降低全壽期費(fèi)用、增加系統(tǒng)安全性的優(yōu)勢，但目前液壓啟動(dòng)仍是最基本的方式。MT30燃?xì)廨啓C(jī)有望通過電啟動(dòng)方案，開發(fā)用于燃?xì)廨啓C(jī)輔助變速箱的高功率密度永磁電機(jī)，以直接取代目前使用的液壓馬達(dá)。屆時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)隔間壁或者在機(jī)艙內(nèi)臨近的位置將安裝包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率電子箱。如果產(chǎn)品成熟度達(dá)到一定的程度，電啟動(dòng)技術(shù)也將用于整個(gè)CVF航母，采購和全壽期成本將得到改善。

8)消防系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組隔間內(nèi)部要求設(shè)置火災(zāi)探測及滅火系統(tǒng)。羅爾斯·羅伊斯公司向CVF航母項(xiàng)目提供了得到型號(hào)驗(yàn)證的水－噴霧系統(tǒng)。該系統(tǒng)由水箱、推進(jìn)氮?dú)馄考癋PS控制箱組成。控制箱內(nèi)部將安裝最新的紅外和熱探測器、高壓水霧噴嘴及相應(yīng)的管路。如果此系統(tǒng)發(fā)生概率很小的電子或電力失效事故，還可通過手動(dòng)方式釋放滅火劑。

9)燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)

交流發(fā)電機(jī)參數(shù)需與燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合。出于監(jiān)測、互鎖及停機(jī)的需要，控制系統(tǒng)將接收交流發(fā)電機(jī)的溫度和振動(dòng)水平等關(guān)鍵信息，以使機(jī)組具備自保護(hù)能力，并能單機(jī)運(yùn)行。一系列用于控制、應(yīng)急處置、停機(jī)、消防警報(bào)與激活等目的的關(guān)鍵安全硬接線信號(hào)，是燃?xì)廨啓C(jī)控制器與綜合電力系統(tǒng)之間的接口。這些硬接線信號(hào)將傳遞給船舶控制中心和相應(yīng)的高壓配電盤以進(jìn)行反饋控制。燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)與綜合電力系統(tǒng)之間還存在其他的控制和監(jiān)測“軟”信號(hào)，這類信號(hào)通過以太網(wǎng)連接進(jìn)行傳送和接受。

10)燃?xì)廨啓C(jī)移除

在傳統(tǒng)的英國軍艦上，為了維修蒸汽輪機(jī)，需要將其移除并吊出原艙室。移除燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)，需要針對艦上甲板進(jìn)行大量工作，一些螺栓補(bǔ)板需要移除，以方便將要更換的燃?xì)廨啓C(jī)移到上層甲板。對于CVF航母，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組位于4 甲，即機(jī)庫甲板，燃?xì)廨啓C(jī)的移除相對更為直接和簡單。MT30燃?xì)廨啓C(jī)可利用導(dǎo)軌系統(tǒng)從基座上整體移除，隨后穿過兩道艙室螺栓補(bǔ)板，運(yùn)輸?shù)綑C(jī)庫內(nèi)。圖6所示為燃?xì)廨啓C(jī)移除的過程。這種方法目前已發(fā)展為采用懸掛單軌，由ACA 公司與羅爾斯·羅伊斯公司合作開發(fā)。一旦燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)入到機(jī)庫，并達(dá)到可運(yùn)輸?shù)臓顟B(tài)，可很容易通過飛機(jī)升降機(jī)運(yùn)到上層甲板，隨后卸載到岸上。

圖6 燃?xì)廨啓C(jī)移除的步驟Fig.6 Uninstall steps for gas tubirne

4 結(jié) 語

英國CVF航母是世界上第1艘采用綜合電力系統(tǒng)的航母，2 臺(tái)羅爾斯·羅伊斯公司的MT30燃?xì)廨啓C(jī)是其綜合電力系統(tǒng)的核心。綜合電力系統(tǒng)使燃?xì)廨啓C(jī)與航母的集成設(shè)計(jì)具有更大的靈活性，系統(tǒng)具有更強(qiáng)的生命力。隨著電力電子變化技術(shù)、高功率推進(jìn)電機(jī)等的發(fā)展，綜合電力系統(tǒng)在主戰(zhàn)艦艇上的應(yīng)用將更加廣泛。

［1］TIMOTHY J M.ASNE Electric Machines Technology Symposium［R］.Electric Ships Office(PMS 320).2010，5.

［2］Next Generation Intecrated Power System Ngips Technology Development Roadmap［R］.2007，11.