國外核動(dòng)力航母電力系統(tǒng)分析

胡 亮，邢維升，馮筱剛

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

0 引 言

航母是遂行中遠(yuǎn)海立體化作戰(zhàn)的核心兵力，是一個(gè)國家綜合國力的象征，也是世界主要海軍強(qiáng)國的發(fā)展重點(diǎn)。動(dòng)力系統(tǒng)是航母的心臟，強(qiáng)大的動(dòng)力系統(tǒng)不僅是航母優(yōu)越機(jī)動(dòng)性能、生存能力和作戰(zhàn)能力的基礎(chǔ)。核動(dòng)力應(yīng)用于航母，除了具有功率大、加速性能好、續(xù)航力幾乎無限的優(yōu)點(diǎn)外，還可以消除常規(guī)動(dòng)力航母的煙囪和排煙，增加航空燃油和彈藥搭載量，這對(duì)于優(yōu)化航母設(shè)計(jì)、提高艦載機(jī)作戰(zhàn)能力至關(guān)重要［1］。核動(dòng)力與航母的結(jié)合是航母發(fā)展史上的一次歷史性飛躍。從1961年第一艘核動(dòng)力航母“企業(yè)”號(hào)服役，美國后續(xù)建造了10 艘“尼米茲”級(jí)大型核動(dòng)力航母，新一代“福特”級(jí)航母仍采用核動(dòng)力。法國也建造了“戴高樂”號(hào)核動(dòng)力航母，俄羅斯未來也有發(fā)展核動(dòng)力航母的計(jì)劃［2-3］。

核動(dòng)力航母電力系統(tǒng)對(duì)于維持航母艦載機(jī)作戰(zhàn)能力、發(fā)揮武器系統(tǒng)效能、改善適居性、保障核動(dòng)力系統(tǒng)安全至關(guān)重要。航空母艦電力系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是供電的負(fù)載雜，電站容量大，發(fā)動(dòng)原動(dòng)機(jī)的類型多、數(shù)量多，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制的要求高，而由于核動(dòng)力安全性的要求，核動(dòng)力航母對(duì)電力系統(tǒng)供電的可靠性和不間斷性要求特別高，給航母電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了許多新的要求［4］。本文從國外核動(dòng)力航母電力系統(tǒng)的電站配置、電制選擇、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)急電力系統(tǒng)配置等方面，分析了核動(dòng)力航母電力系統(tǒng)的配置特點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則。

1 核動(dòng)力航母電力系統(tǒng)配置特點(diǎn)

1.1 電站配置

1)美國核動(dòng)力航母設(shè)置汽輪機(jī)日用電站和柴油機(jī)應(yīng)急電站

表1所示為美國部分常規(guī)動(dòng)力航母及核動(dòng)力航母的電站配置情況。從表1 可看出，美國航母電站的配置具有如下特點(diǎn):

①航母電站通常采用汽輪機(jī)和應(yīng)急柴油機(jī)2 種發(fā)電機(jī)組;

“尼米茲”級(jí)航母發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量顯著大于“企業(yè)”號(hào)核動(dòng)力航母和常規(guī)動(dòng)力航母?！澳崦灼潯奔?jí)航母電力系統(tǒng)容量大，通過提高單機(jī)容量(汽輪機(jī)單機(jī)容量達(dá)到8 000 kW)，可有效控制發(fā)電機(jī)數(shù)量。而“企業(yè)”號(hào)由于單機(jī)容量小，發(fā)電機(jī)總數(shù)量達(dá)到20 臺(tái)，給機(jī)組的總體布置和電網(wǎng)連接及使用帶來了很大的困難。

表1 美國航母電站設(shè)置情況Tab.1 The electricl plant configuration in US aircraft carrier

2)法國“戴高樂”號(hào)核動(dòng)力航母設(shè)置汽輪機(jī)日用電站、柴油機(jī)應(yīng)急電站及燃?xì)廨啓C(jī)安全電站

“戴高樂”號(hào)航母配備了3 種不同類型的發(fā)電機(jī)組:采用汽輪發(fā)電機(jī)作為主發(fā)電機(jī)，分為2 個(gè)電站，每個(gè)電站各配2 臺(tái)汽輪機(jī);為安全起見，艦上又設(shè)置2 個(gè)安全電站，給艦上至關(guān)重要的機(jī)構(gòu)供電(如核動(dòng)力裝置和導(dǎo)航系統(tǒng))。每個(gè)安全電站配置2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)具有啟動(dòng)快、控制方便等特點(diǎn)。艦上還設(shè)置2 個(gè)應(yīng)急電站，每個(gè)電站配置3 臺(tái)柴油機(jī)，在主電網(wǎng)失電的情況下，可立即自行啟動(dòng)，向重要設(shè)備供電。這樣3 套電站10 臺(tái)機(jī)組的配置有效保證了核反應(yīng)堆的安全性。

1.2 電制

1)中壓電力系統(tǒng)是大中型核動(dòng)力航母的必然選擇

根據(jù)美國海軍技術(shù)手冊(cè)及船舶工業(yè)部門的定義，采用電壓在1 ～15 kV 的電力系統(tǒng)為中壓電力系統(tǒng)。隨著電網(wǎng)容量的增大，電網(wǎng)采用中壓是一種必然的選擇。圖1所示為船舶電網(wǎng)容量及與之相匹配的電壓之間的關(guān)系。

圖1 電站容量-適用電壓關(guān)系圖Fig.1 The relationship between the applicable electric voltage and the electric capacity

中壓電力系統(tǒng)是大容量船舶電網(wǎng)的必然選擇，原因主要有以下幾個(gè)方面:

所導(dǎo)致的病死率可達(dá)27% ～43%［1-2］。有效預(yù)防呼吸道內(nèi)細(xì)菌定植的措施有助于控制VAP的發(fā)生，但所有的措施需同時(shí)施行，這些綜合性的措施即為集束化管理措施。我院從2010年下半年根據(jù)證據(jù)查找后更新了集束化管理措施，效果顯著，現(xiàn)報(bào)道如下。

①艦船消耗電力的日益增長，要求電力系統(tǒng)的容量增大，這引起系統(tǒng)的故障短路電流增大，而目前低壓空氣斷路器的最大分?jǐn)嗄芰Σ荒軡M足斷流要求，即保護(hù)裝置的斷流容量限制了艦船電力系統(tǒng)容量的增大。采用中壓系統(tǒng)可以減小短路電流的絕對(duì)值，增大電力系統(tǒng)的極限容量，緩和這個(gè)矛盾。

②發(fā)電機(jī)和負(fù)載電機(jī)的單機(jī)容量增大，如仍采用低壓，則制造困難，而且不經(jīng)濟(jì)。美國造船和輪機(jī)工程協(xié)會(huì)認(rèn)為，450 V 低壓發(fā)電機(jī)的實(shí)際單機(jī)容量極限一般認(rèn)為是3 MW。保持總功率，將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的數(shù)量過多。

③配電系統(tǒng)容量增大，若采用低壓，電纜用銅量大，布線施工困難且不經(jīng)濟(jì)。

2)美國核動(dòng)力航母電力系統(tǒng)電壓經(jīng)歷了由450 V到4.16 kV，再到13.8 kV 的變化過程

從“企業(yè)”級(jí)到“尼米茲”級(jí)，再到“福特”級(jí)，美國核動(dòng)力航母采用的電力經(jīng)歷了如圖2所示的變化過程。圖1 中也給出了各級(jí)航母電站容量和適用電壓間的關(guān)系。

圖2 美國航母采用的電制Fig.2 The electric parameters used by US aircraft carrier

“企業(yè)”號(hào)核動(dòng)力航母采用450 V/60 Hz 三相交流低壓電制。“企業(yè)”號(hào)核動(dòng)力航母電力系統(tǒng)的總?cè)萘窟_(dá)到40 MW，這已經(jīng)超過了低壓電力系統(tǒng)的適用范圍(如圖1)，汽輪發(fā)電機(jī)單機(jī)功率只有2.5 MW，這也是導(dǎo)致“企業(yè)”號(hào)航母發(fā)電機(jī)組多達(dá)20個(gè)的原因，給電網(wǎng)設(shè)計(jì)帶來困難。

“尼米茲”級(jí)航母采用4.16 kV/60 Hz 中壓供電系統(tǒng)，采用4.16 kV/450 V 變壓器提供低壓日用電?！澳崦灼潯奔?jí)航母的電網(wǎng)容量與所用電壓保持在合適的范圍內(nèi)，汽輪機(jī)單機(jī)功率可達(dá)8 MW，汽輪發(fā)電機(jī)組數(shù)量維持在8 個(gè)。

“福特”級(jí)航母的電網(wǎng)容量在“尼米茲”級(jí)的基礎(chǔ)上有了大的提升，達(dá)到“尼米茲”級(jí)的2.7倍，因此采用了13.8 kV/60 Hz 的電制，利用最先研制的碳化硅固態(tài)變電站進(jìn)行13.8 kV/450 V 電壓轉(zhuǎn)化，提供艦上的低壓日用電。

3)“福特”級(jí)航母采用的碳化硅固態(tài)變電站

美國海軍“福特”級(jí)航母及“朱姆沃爾特”級(jí)驅(qū)逐艦要求快速開關(guān)主要負(fù)載的電力，以滿足戰(zhàn)術(shù)要求。為此，美海軍為這兩型艦的變電站變壓器專門研制了寬帶隙碳化硅高頻電力電子模塊。該碳化硅固態(tài)變電站具有一系列的優(yōu)點(diǎn)。相比同體積的硅基電力電子模塊，碳化硅電力電子模塊通電阻抗可降低100 倍;開關(guān)損失顯著降低，可使用高頻交流電，縮小了電力轉(zhuǎn)換設(shè)備的體積和重量。相比工作頻率為60 Hz 的常規(guī)變壓器，新型變壓器的開關(guān)頻率可達(dá)20 kHz，變壓器體積和重量不到前者的一半。2010年6月，新型變壓器已在美國海軍費(fèi)城陸上試驗(yàn)站完成測(cè)試。

表2 變壓器參數(shù)對(duì)比Tab.2 The comparision between the parameters of the two kinds of transfermors

1.3 電網(wǎng)

1)美國常規(guī)動(dòng)力航母配電系統(tǒng)采用輪輻式結(jié)構(gòu)

美國常規(guī)動(dòng)力航母60 Hz 配電系統(tǒng)均采用輪輻式結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)和其配電盤通過母線連成環(huán)形。在發(fā)電機(jī)和配電板的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，母線可將配電系統(tǒng)分割成多個(gè)獨(dú)立的部分。通過控制母線斷路器和發(fā)電機(jī)并聯(lián)設(shè)備，可控制發(fā)電機(jī)的并聯(lián)和提高艦上負(fù)載供電靈活性。

圖3 為CV 59和CV 60 航母60 Hz 配電系統(tǒng)單線圖，由母線、8 個(gè)發(fā)電機(jī)配電盤、16 個(gè)配電系統(tǒng)配電板、8 個(gè)單機(jī)1 500 kW 的汽輪發(fā)電機(jī)組和3 臺(tái)單機(jī)1 000 kW 的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組等構(gòu)成。該配電系統(tǒng)的特點(diǎn)是2 個(gè)配電系統(tǒng)配電板間有一個(gè)發(fā)電機(jī)配電盤，母線跨過發(fā)電機(jī)配電盤連接2 個(gè)配電系統(tǒng)配電板，限制通過發(fā)電機(jī)母線流向發(fā)電機(jī)的電力。

圖3 CV 59和CV 60 航母60 Hz 配電系統(tǒng)單線圖Fig.3 The diagram of the 60Hz electric distribution system in CV 59 and CV 60

圖4 為CV 61 ～CV 64 航母60 Hz 配電系統(tǒng)單線圖，由母線、8 個(gè)發(fā)電機(jī)配電盤、8 個(gè)配電系統(tǒng)配電板、8 個(gè)單機(jī)1500 kW 的汽輪發(fā)電機(jī)組和3 臺(tái)單機(jī)1000 kW 的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組等構(gòu)成。系統(tǒng)的特點(diǎn)是每臺(tái)發(fā)電機(jī)的配電盤與其配電板是直接串接的。

圖4 CV 61 ～CV 64 航母60 Hz 配電系統(tǒng)單線圖Fig.4 The diagram of the 60Hz electric distribution system in CV 61 and CV 64

圖5 為CV 66 航母60 Hz 配電系統(tǒng)單線圖，由母線、6 臺(tái)單機(jī)2 500 kW 的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組、6 個(gè)發(fā)電機(jī)配電盤、6 個(gè)配電系統(tǒng)配電板和3 臺(tái)單機(jī)1 000 kW 的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組等構(gòu)成。母線連接所有配電板后呈環(huán)形結(jié)構(gòu)，使所有發(fā)電機(jī)通過各自配電盤實(shí)現(xiàn)相互連接。

圖5 CV 66 航母60 Hz 配電系統(tǒng)單線圖Fig.5 The diagram of the 60Hz electric distribution system in CV 66

圖6 為CV 67 航母60 Hz 配電系統(tǒng)單線圖，由母線、3 個(gè)配電板組、2 臺(tái)單機(jī)1 500 kW 的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組等構(gòu)成。每個(gè)配電板組由2 臺(tái)單機(jī)2 500 kW 的汽輪發(fā)電機(jī)組、1 臺(tái)斷路器和2 個(gè)發(fā)電機(jī)配電盤組成。母線和母線斷路器依次連接，使3 個(gè)配電板組呈“8”字形布置。這種布置結(jié)構(gòu)，可通過離線的發(fā)電機(jī)為配電板提供電力，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)并聯(lián)和離線發(fā)電機(jī)供給其他2 個(gè)配電板組電力的控制。相對(duì)環(huán)形布置，“8”字形布置能提高供電靈活性。

圖6 CV 67 航母60 Hz 配電系統(tǒng)單線圖Fig.6 The diagram of the 60Hz electric distribution system in CV 67

2)“福特”級(jí)航母采用全電輔助系統(tǒng)和區(qū)域配電

由于受技術(shù)因素的限制，“福特”級(jí)航母并未采用綜合電力系統(tǒng)。這些技術(shù)因素突出表現(xiàn)在推進(jìn)電機(jī)的功率密度和費(fèi)用達(dá)不到理想水平。按照“福特”級(jí)的推進(jìn)需求，單軸推進(jìn)功率將超過52 MW，目前單機(jī)功率最大的推進(jìn)電機(jī)也僅為20 MW，需要至少3 臺(tái)才能滿足要求，加上相關(guān)的串并聯(lián)機(jī)構(gòu)，總體積和重量較大，費(fèi)用也較高。盡管未采用綜合電力系統(tǒng)，但全電輔助系統(tǒng)和區(qū)域配電可滿足“福特”級(jí)目前需求。

①全電輔助系統(tǒng)將有效提高航母的可維護(hù)性，降低維護(hù)成本

在“福特”級(jí)上除推進(jìn)以外的所有輔助系統(tǒng)均使用電力，以往的蒸汽系統(tǒng)將被電力系統(tǒng)取代，如烹飪、洗滌、熱水供應(yīng)、取暖等。由于取消了為數(shù)眾多的蒸汽管路和閥門，相關(guān)系統(tǒng)的可靠性增加，可維護(hù)性大大提高，有效降低了維護(hù)成本。

②區(qū)域配電將改善供電連續(xù)性，提高核動(dòng)力航母的安全性和生命力

區(qū)域配電采用左舷與右舷主匯流母線方式，依據(jù)航母的水密隔艙將配電范圍劃分一定數(shù)量的配電區(qū)域。2 條主匯流母線在垂向距離上相隔兩層甲板，分別安裝于艦船水線的上方和下方，起到提高生命力的作用。

區(qū)域配電結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在如下3 個(gè)方面:一是使配電分區(qū)界面與航母的水密分區(qū)和結(jié)構(gòu)分區(qū)界面相重合，與整個(gè)艦身的模塊化建造相結(jié)合，有利于消防系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的分區(qū);二是只有主匯流排母線穿過水密艙壁，極大減少了配電板饋線數(shù)量，既降低了重量和造價(jià)又提高了航母的生命力;三是區(qū)域配電技術(shù)滿足模塊化造船的要求，電纜鋪設(shè)與模塊化建造可以同時(shí)進(jìn)行，允許在模塊合攏之前進(jìn)行設(shè)備安裝和試驗(yàn)，最后通過2 條母線連接各供電區(qū)域即可，提高工作效率，降低建造費(fèi)用。

區(qū)域配電技術(shù)是“福特”級(jí)上采用的重要新技術(shù)，圖7所示為“福特”級(jí)航母的區(qū)域配電結(jié)構(gòu)?！案Ｌ亍奔?jí)的區(qū)域配電系統(tǒng)可以滿足電磁彈射以及高能武器等系統(tǒng)的電力需求;減少電纜數(shù)量，降低建造成本;將顯著改善供電連續(xù)性，提高核動(dòng)力航母的安全性和生命力。區(qū)域配電是較新的技術(shù)，在“尼米茲”級(jí)航母上未采用。

圖7 “福特”級(jí)航母的區(qū)域配電結(jié)構(gòu)Fig.7 The architecture of the zonal electric distribution system in Ford-class aircraft carrier

2 核動(dòng)力航母的應(yīng)急供電系統(tǒng)

法國“戴高樂”號(hào)核動(dòng)力航母的應(yīng)急供電系統(tǒng)，具有如下特點(diǎn):

1)燃?xì)廨啓C(jī)安全電站專為堆芯應(yīng)急冷卻系統(tǒng)提供緊急電源，柴油機(jī)應(yīng)急電站為全艦重要載荷應(yīng)急供電

在核動(dòng)力船舶上，提高供電可靠性的有效方法除了增加發(fā)電機(jī)組的數(shù)量外，還可增加發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)類型，通過不同類型原動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和長處，取長補(bǔ)短，提供系統(tǒng)工作可靠性。典型的例子就是法國的“戴高樂”號(hào)核動(dòng)力航母的電站配置。

圖8 為“戴高樂”號(hào)航母的供電系統(tǒng)示意圖。采用兩舷完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，兩邊各有1 個(gè)主電站(由2 個(gè)核動(dòng)力蒸汽驅(qū)動(dòng)的4 MW 渦輪發(fā)電機(jī)供電)，對(duì)于重要載荷，這2 個(gè)電站已經(jīng)構(gòu)成了兩舷雙路供電電源。為安全起見，艦上又設(shè)置了2 個(gè)專用的燃?xì)廨啓C(jī)安全電站(各由2 個(gè)250 kW 的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組供電)，安全電站不接入整個(gè)電網(wǎng)，其職責(zé)是專門為艦上少量至關(guān)重要的安全設(shè)施應(yīng)急供電，包括反應(yīng)堆應(yīng)急冷卻系統(tǒng)在內(nèi)。燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)快，控制方便，與主電站配合可以有效保障核反應(yīng)堆的安全;為保障重要設(shè)備供電的可靠性，還設(shè)置了2 個(gè)應(yīng)急電站，每個(gè)電站配置2 臺(tái)功率為800 kW 的柴油發(fā)電機(jī)組，在應(yīng)急電網(wǎng)失電時(shí)向重要設(shè)備供電。

圖8 法國“戴高樂”號(hào)航母核動(dòng)力裝置示意圖Fig.8 The nuclear power system in Charles de Gaulle aircraft carrier

2)K-15 核反應(yīng)堆自然循環(huán)能力強(qiáng)、燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)速度快使供電系統(tǒng)能順利過渡到應(yīng)急供電

“戴高樂”號(hào)航母采用的是與“凱旋”級(jí)核潛艇相同的核反應(yīng)堆，但并未像核潛艇一樣采用蓄電池作為應(yīng)急電源。航母不同于潛艇，有充足的空氣來源;蓄電池的維護(hù)保養(yǎng)相對(duì)麻煩，而且能量密度較低，會(huì)增加航母的重量。 “戴高樂”號(hào)反應(yīng)堆及安全電站的配置特點(diǎn)使得其能在事故狀態(tài)下，順利地過渡到應(yīng)急供電。

“戴高樂”號(hào)航母動(dòng)力裝置的核心是2 座K-15型核反應(yīng)堆，該堆與法國“凱旋”級(jí)彈道導(dǎo)彈核潛艇的反應(yīng)堆同型，屬于法國艦載的第3 代反應(yīng)堆，該堆的工作原理與美國航母的反應(yīng)堆相同，但反應(yīng)堆的布置方式有較大差別。

“戴高樂”號(hào)航母核動(dòng)力裝置最大的特點(diǎn)是采用一體化布置，蒸汽發(fā)生器不是布置在反應(yīng)堆側(cè)面，而是置于堆芯上方。采用這種布置后，可提高一回路自然循環(huán)能力，在功率較低的主泵輔助下實(shí)現(xiàn)一回路的循環(huán)，可以降低核動(dòng)力裝置自噪聲。K-15 反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力達(dá)到了49%，這也意味著反應(yīng)堆在短暫失電的情況下，反應(yīng)堆仍能維持一定時(shí)間而不造成嚴(yán)重的事故。另一方面，相比柴油發(fā)電機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)的響應(yīng)速度快，發(fā)生事故時(shí)能迅速啟動(dòng)并承接載荷。這些設(shè)計(jì)相結(jié)合，有效保證了在不設(shè)置蓄電池的條件下，仍能順利過渡到應(yīng)急電源供電。

3 結(jié) 語

1)隨著電氣化程度的進(jìn)一步發(fā)展及高能武器逐漸上艦的要求，核動(dòng)力航母的電站容量將進(jìn)一步增大，同時(shí)對(duì)核動(dòng)力裝置的安全性要求也更加嚴(yán)格，中高壓電力系統(tǒng)是核動(dòng)力航母的必然選擇，可提高電力系統(tǒng)生命力的區(qū)域配電技術(shù)的應(yīng)用是一種趨勢(shì)。

2)核動(dòng)力航母應(yīng)急供電系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)原則體現(xiàn)為:應(yīng)急電力系統(tǒng)應(yīng)與主電力系統(tǒng)相對(duì)立，應(yīng)急電力系統(tǒng)應(yīng)由不少于2 臺(tái)應(yīng)急發(fā)電機(jī)和2 個(gè)相互無關(guān)聯(lián)的配電板組成。另外，還應(yīng)考慮主電力系統(tǒng)和應(yīng)急電力系統(tǒng)的過渡:如果在主電力系統(tǒng)失電后，能保證順利過渡到應(yīng)急供電系統(tǒng)供電連續(xù)性，則系統(tǒng)可不采用蓄電池作為過渡電源。

［1］彭敏俊.船舶核動(dòng)力裝置［M］.北京:原子能出版社，2009.

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