国外核动力航母电力系统分析

2014-12-05邢维升冯筱刚

舰船科学技术 2014年10期

胡亮，邢维升，冯筱刚

(1.海军装备研究院，北京100161;2.海军驻426 厂军事代表室，辽宁大连116005)

0 引言

航母是遂行中远海立体化作战的核心兵力，是一个国家综合国力的象征，也是世界主要海军强国的发展重点。动力系统是航母的心脏，强大的动力系统不仅是航母优越机动性能、生存能力和作战能力的基础。核动力应用于航母，除了具有功率大、加速性能好、续航力几乎无限的优点外，还可以消除常规动力航母的烟囱和排烟，增加航空燃油和弹药搭载量，这对于优化航母设计、提高舰载机作战能力至关重要［1］。核动力与航母的结合是航母发展史上的一次历史性飞跃。从1961年第一艘核动力航母“企业”号服役，美国后续建造了10 艘“尼米兹”级大型核动力航母，新一代“福特”级航母仍采用核动力。法国也建造了“戴高乐”号核动力航母，俄罗斯未来也有发展核动力航母的计划［2-3］。

核动力航母电力系统对于维持航母舰载机作战能力、发挥武器系统效能、改善适居性、保障核动力系统安全至关重要。航空母舰电力系统的主要特点是供电的负载杂，电站容量大，发动原动机的类型多、数量多，电网结构复杂，控制的要求高，而由于核动力安全性的要求，核动力航母对电力系统供电的可靠性和不间断性要求特别高，给航母电力系统的设计提出了许多新的要求［4］。本文从国外核动力航母电力系统的电站配置、电制选择、电网结构、应急电力系统配置等方面，分析了核动力航母电力系统的配置特点及设计原则。

1 核动力航母电力系统配置特点

1.1 电站配置

1)美国核动力航母设置汽轮机日用电站和柴油机应急电站

表1所示为美国部分常规动力航母及核动力航母的电站配置情况。从表1 可看出，美国航母电站的配置具有如下特点:

①航母电站通常采用汽轮机和应急柴油机2 种发电机组;

“尼米兹”级航母发电机组单机容量显著大于“企业”号核动力航母和常规动力航母。“尼米兹”级航母电力系统容量大，通过提高单机容量(汽轮机单机容量达到8 000 kW)，可有效控制发电机数量。而“企业”号由于单机容量小，发电机总数量达到20 台，给机组的总体布置和电网连接及使用带来了很大的困难。

表1 美国航母电站设置情况Tab.1 The electricl plant configuration in US aircraft carrier

2)法国“戴高乐”号核动力航母设置汽轮机日用电站、柴油机应急电站及燃气轮机安全电站

“戴高乐”号航母配备了3 种不同类型的发电机组:采用汽轮发电机作为主发电机，分为2 个电站，每个电站各配2 台汽轮机;为安全起见，舰上又设置2 个安全电站，给舰上至关重要的机构供电(如核动力装置和导航系统)。每个安全电站配置2台燃气轮机发电机，燃气轮机具有启动快、控制方便等特点。舰上还设置2 个应急电站，每个电站配置3 台柴油机，在主电网失电的情况下，可立即自行启动，向重要设备供电。这样3 套电站10 台机组的配置有效保证了核反应堆的安全性。

1.2 电制

1)中压电力系统是大中型核动力航母的必然选择

根据美国海军技术手册及船舶工业部门的定义，采用电压在1 ～15 kV 的电力系统为中压电力系统。随着电网容量的增大，电网采用中压是一种必然的选择。图1所示为船舶电网容量及与之相匹配的电压之间的关系。

图1 电站容量-适用电压关系图Fig.1 The relationship between the applicable electric voltage and the electric capacity

中压电力系统是大容量船舶电网的必然选择，原因主要有以下几个方面:

所导致的病死率可达27% ～43%［1-2］。有效预防呼吸道内细菌定植的措施有助于控制VAP的发生，但所有的措施需同时施行，这些综合性的措施即为集束化管理措施。我院从2010年下半年根据证据查找后更新了集束化管理措施，效果显著，现报道如下。

①舰船消耗电力的日益增长，要求电力系统的容量增大，这引起系统的故障短路电流增大，而目前低压空气断路器的最大分断能力不能满足断流要求，即保护装置的断流容量限制了舰船电力系统容量的增大。采用中压系统可以减小短路电流的绝对值，增大电力系统的极限容量，缓和这个矛盾。

②发电机和负载电机的单机容量增大，如仍采用低压，则制造困难，而且不经济。美国造船和轮机工程协会认为，450 V 低压发电机的实际单机容量极限一般认为是3 MW。保持总功率，将导致发电机的数量过多。

③配电系统容量增大，若采用低压，电缆用铜量大，布线施工困难且不经济。

2)美国核动力航母电力系统电压经历了由450 V到4.16 kV，再到13.8 kV 的变化过程

从“企业”级到“尼米兹”级，再到“福特”级，美国核动力航母采用的电力经历了如图2所示的变化过程。图1 中也给出了各级航母电站容量和适用电压间的关系。

图2 美国航母采用的电制Fig.2 The electric parameters used by US aircraft carrier

“企业”号核动力航母采用450 V/60 Hz 三相交流低压电制。“企业”号核动力航母电力系统的总容量达到40 MW，这已经超过了低压电力系统的适用范围(如图1)，汽轮发电机单机功率只有2.5 MW，这也是导致“企业”号航母发电机组多达20个的原因，给电网设计带来困难。

“尼米兹”级航母采用4.16 kV/60 Hz 中压供电系统，采用4.16 kV/450 V 变压器提供低压日用电。“尼米兹”级航母的电网容量与所用电压保持在合适的范围内，汽轮机单机功率可达8 MW，汽轮发电机组数量维持在8 个。

“福特”级航母的电网容量在“尼米兹”级的基础上有了大的提升，达到“尼米兹”级的2.7倍，因此采用了13.8 kV/60 Hz 的电制，利用最先研制的碳化硅固态变电站进行13.8 kV/450 V 电压转化，提供舰上的低压日用电。

3)“福特”级航母采用的碳化硅固态变电站

美国海军“福特”级航母及“朱姆沃尔特”级驱逐舰要求快速开关主要负载的电力，以满足战术要求。为此，美海军为这两型舰的变电站变压器专门研制了宽带隙碳化硅高频电力电子模块。该碳化硅固态变电站具有一系列的优点。相比同体积的硅基电力电子模块，碳化硅电力电子模块通电阻抗可降低100 倍;开关损失显著降低，可使用高频交流电，缩小了电力转换设备的体积和重量。相比工作频率为60 Hz 的常规变压器，新型变压器的开关频率可达20 kHz，变压器体积和重量不到前者的一半。2010年6月，新型变压器已在美国海军费城陆上试验站完成测试。

表2 变压器参数对比Tab.2 The comparision between the parameters of the two kinds of transfermors

1.3 电网

1)美国常规动力航母配电系统采用轮辐式结构

美国常规动力航母60 Hz 配电系统均采用轮辐式结构，发电机和其配电盘通过母线连成环形。在发电机和配电板的设计范围内，母线可将配电系统分割成多个独立的部分。通过控制母线断路器和发电机并联设备，可控制发电机的并联和提高舰上负载供电灵活性。

图3 为CV 59和CV 60 航母60 Hz 配电系统单线图，由母线、8 个发电机配电盘、16 个配电系统配电板、8 个单机1 500 kW 的汽轮发电机组和3 台单机1 000 kW 的应急柴油发电机组等构成。该配电系统的特点是2 个配电系统配电板间有一个发电机配电盘，母线跨过发电机配电盘连接2 个配电系统配电板，限制通过发电机母线流向发电机的电力。

图3 CV 59和CV 60 航母60 Hz 配电系统单线图Fig.3 The diagram of the 60Hz electric distribution system in CV 59 and CV 60

图4 为CV 61 ～CV 64 航母60 Hz 配电系统单线图，由母线、8 个发电机配电盘、8 个配电系统配电板、8 个单机1500 kW 的汽轮发电机组和3 台单机1000 kW 的应急柴油发电机组等构成。系统的特点是每台发电机的配电盘与其配电板是直接串接的。

图4 CV 61 ～CV 64 航母60 Hz 配电系统单线图Fig.4 The diagram of the 60Hz electric distribution system in CV 61 and CV 64

图5 为CV 66 航母60 Hz 配电系统单线图，由母线、6 台单机2 500 kW 的汽轮机发电机组、6 个发电机配电盘、6 个配电系统配电板和3 台单机1 000 kW 的应急柴油发电机组等构成。母线连接所有配电板后呈环形结构，使所有发电机通过各自配电盘实现相互连接。

图5 CV 66 航母60 Hz 配电系统单线图Fig.5 The diagram of the 60Hz electric distribution system in CV 66

图6 为CV 67 航母60 Hz 配电系统单线图，由母线、3 个配电板组、2 台单机1 500 kW 的应急柴油发电机组等构成。每个配电板组由2 台单机2 500 kW 的汽轮发电机组、1 台断路器和2 个发电机配电盘组成。母线和母线断路器依次连接，使3 个配电板组呈“8”字形布置。这种布置结构，可通过离线的发电机为配电板提供电力，以实现发电机并联和离线发电机供给其他2 个配电板组电力的控制。相对环形布置，“8”字形布置能提高供电灵活性。

图6 CV 67 航母60 Hz 配电系统单线图Fig.6 The diagram of the 60Hz electric distribution system in CV 67

2)“福特”级航母采用全电辅助系统和区域配电

由于受技术因素的限制，“福特”级航母并未采用综合电力系统。这些技术因素突出表现在推进电机的功率密度和费用达不到理想水平。按照“福特”级的推进需求，单轴推进功率将超过52 MW，目前单机功率最大的推进电机也仅为20 MW，需要至少3 台才能满足要求，加上相关的串并联机构，总体积和重量较大，费用也较高。尽管未采用综合电力系统，但全电辅助系统和区域配电可满足“福特”级目前需求。

①全电辅助系统将有效提高航母的可维护性，降低维护成本

在“福特”级上除推进以外的所有辅助系统均使用电力，以往的蒸汽系统将被电力系统取代，如烹饪、洗涤、热水供应、取暖等。由于取消了为数众多的蒸汽管路和阀门，相关系统的可靠性增加，可维护性大大提高，有效降低了维护成本。

②区域配电将改善供电连续性，提高核动力航母的安全性和生命力

区域配电采用左舷与右舷主汇流母线方式，依据航母的水密隔舱将配电范围划分一定数量的配电区域。2 条主汇流母线在垂向距离上相隔两层甲板，分别安装于舰船水线的上方和下方，起到提高生命力的作用。

区域配电结构的优势表现在如下3 个方面:一是使配电分区界面与航母的水密分区和结构分区界面相重合，与整个舰身的模块化建造相结合，有利于消防系统和空调系统的分区;二是只有主汇流排母线穿过水密舱壁，极大减少了配电板馈线数量，既降低了重量和造价又提高了航母的生命力;三是区域配电技术满足模块化造船的要求，电缆铺设与模块化建造可以同时进行，允许在模块合拢之前进行设备安装和试验，最后通过2 条母线连接各供电区域即可，提高工作效率，降低建造费用。

区域配电技术是“福特”级上采用的重要新技术，图7所示为“福特”级航母的区域配电结构。“福特”级的区域配电系统可以满足电磁弹射以及高能武器等系统的电力需求;减少电缆数量，降低建造成本;将显著改善供电连续性，提高核动力航母的安全性和生命力。区域配电是较新的技术，在“尼米兹”级航母上未采用。

图7 “福特”级航母的区域配电结构Fig.7 The architecture of the zonal electric distribution system in Ford-class aircraft carrier

2 核动力航母的应急供电系统

法国“戴高乐”号核动力航母的应急供电系统，具有如下特点:

1)燃气轮机安全电站专为堆芯应急冷却系统提供紧急电源，柴油机应急电站为全舰重要载荷应急供电

在核动力船舶上，提高供电可靠性的有效方法除了增加发电机组的数量外，还可增加发电机组的原动机类型，通过不同类型原动机的特点和长处，取长补短，提供系统工作可靠性。典型的例子就是法国的“戴高乐”号核动力航母的电站配置。

图8 为“戴高乐”号航母的供电系统示意图。采用两舷完全对称的结构，两边各有1 个主电站(由2 个核动力蒸汽驱动的4 MW 涡轮发电机供电)，对于重要载荷，这2 个电站已经构成了两舷双路供电电源。为安全起见，舰上又设置了2 个专用的燃气轮机安全电站(各由2 个250 kW 的燃气轮机发电机组供电)，安全电站不接入整个电网，其职责是专门为舰上少量至关重要的安全设施应急供电，包括反应堆应急冷却系统在内。燃气轮机启动快，控制方便，与主电站配合可以有效保障核反应堆的安全;为保障重要设备供电的可靠性，还设置了2 个应急电站，每个电站配置2 台功率为800 kW 的柴油发电机组，在应急电网失电时向重要设备供电。

图8 法国“戴高乐”号航母核动力装置示意图Fig.8 The nuclear power system in Charles de Gaulle aircraft carrier

2)K-15 核反应堆自然循环能力强、燃气轮机启动速度快使供电系统能顺利过渡到应急供电

“戴高乐”号航母采用的是与“凯旋”级核潜艇相同的核反应堆，但并未像核潜艇一样采用蓄电池作为应急电源。航母不同于潜艇，有充足的空气来源;蓄电池的维护保养相对麻烦，而且能量密度较低，会增加航母的重量。 “戴高乐”号反应堆及安全电站的配置特点使得其能在事故状态下，顺利地过渡到应急供电。

“戴高乐”号航母动力装置的核心是2 座K-15型核反应堆，该堆与法国“凯旋”级弹道导弹核潜艇的反应堆同型，属于法国舰载的第3 代反应堆，该堆的工作原理与美国航母的反应堆相同，但反应堆的布置方式有较大差别。

“戴高乐”号航母核动力装置最大的特点是采用一体化布置，蒸汽发生器不是布置在反应堆侧面，而是置于堆芯上方。采用这种布置后，可提高一回路自然循环能力，在功率较低的主泵辅助下实现一回路的循环，可以降低核动力装置自噪声。K-15 反应堆的自然循环能力达到了49%，这也意味着反应堆在短暂失电的情况下，反应堆仍能维持一定时间而不造成严重的事故。另一方面，相比柴油发电机，燃气轮机的响应速度快，发生事故时能迅速启动并承接载荷。这些设计相结合，有效保证了在不设置蓄电池的条件下，仍能顺利过渡到应急电源供电。