Корабельные электроэнергетические установки

И.Г. Захаров,  доктор технических наук, профессор, контр-адмирал; Я.Д. Арефьев, доктор технических наук, профессор, контр-адмирал; Н.А. Воронович, кандидат технических наук, капитан 1 ранга; О.Ю. Лейкин, кандидат технических наук, капитан 1 ранга

По развитию электроэнергетических систем кораблей ВМФ первыми следует считать работы по их модернизации, проводимые в конце 20-х-начале 30-х годов на боевых кораблях дореволюционной постройки - подводных лодках типа “Акула” и “Барс”, миноносцах типа “Новик”, крейсерах “Червона Украина”, “Красный Крым”, “Красный Кавказ” и линейных кораблях типа “Севастополь”. На некоторых из этих кораблей менялись генераторные агрегаты (в большинстве случаев на более мощные), устанавливались новые потребители электроэнергии, вносились изменения в сети распределения электроэнергии.

Для обеспечения этих работ, а также для нового строительства отечественной промышленностью было начато проектирование и создание электрооборудования для кораблей ВМФ: электрических машин, аппаратов, распределительных устройств в основном для сетей постоянного тока, а также аккумуляторных батарей и другой электротехники.

В 1925г. начато проектирование электроэнергетических систем первых дизель-электрических подводных лодок (ДПЛ), первая из которых типа “Декабрист” была сдана ВМФ в 1930г. В период, предшествующий началу Великой Отечественной войны, проектировались и строились несколько других типов ПЛ.

Для ПЛ были приняты сходные по структуре и отличающиеся только по величине, мощности электроэнергетические системы кораблей (ЭСК) с электродвижением, имеющие в своем составе одну или две группы аккумуляторных батарей напряжением 90-160В и обеспечивающие электроэнергией гребные электродвигатели (ГЭД) и другие потребители при подводном ходе; два дизель-генератора напряжением 110В постоянного тока для обеспечения электроэнергией потребителей (в т.ч. зарядку аккумуляторных батарей) при надводном ходе; два главных распределительных устройства, размещенные в одном отсеке, и один или два ГЭД.

Первыми большими надводными кораблями были лидеры миноносцев проекта 1 и эскадренные миноносцы проекта 7. Головные корабли данных проектов принимались ВМФ в 1936г. Для электроэнергетических систем этих кораблей был принят постоянный ток напряжением НОВ. В качестве источников электроэнергии применялись турбогенераторные агрегаты отечественного производства мощностью по 100кВт - на лидерах и по 50кВт - на эсминцах, дизель-генераторы с импортными дизелями по 50кВт - на лидерах и по 30кВт - на эсминцах. Турбогенераторы располагались в машинных отделениях, дизель-генераторы - в специальных помещениях котельных отделений.

Схемы распределения электроэнергии на этих кораблях были приняты магистрально-фидерными. По отдельным фидерам получали питание наиболее ответственные боевые потребители. Схемы генерирования и распределения электроэнергии исключали возможность включения генераторов на параллельную работу. Главные распределительные щиты (ГРЩ), находящиеся в машинных отделениях, имели двойную систему шин, на которые подавалось питание от разных генераторов, а потребители электроэнергии могли с помощью переключателей подключаться к любым из них. В качестве коммутационных аппаратов были приняты рубильники и переключатели рубящего типа, а также пакетные выключатели и переключатели. В качестве аппаратов защиты использовались трубчатые предохранители. Большинство кабелей на этих кораблях было марки СРМ. Прокладка кабелей производилась на панелях, проход кабелей через переборки осуществлялся с помощью индивидуальных сальников. Все электрические машины, распределительные устройства, кабели и аппараты были отечественного производства.

Следующими, по сроку введения в строй, крупными боевыми надводными кораблями были крейсера проекта 26 (головной крейсер “Киров” вступил в строй в 1938г.). Для электроэнергетических систем (ЭЭС) этих кораблей был принят также постоянный ток, но напряжением 220В. Магистральный принцип распределения электроэнергии сохранялся только для системы освещения. Питание силовых потребителей осуществлялось по фидерно-групповой системе, в связи с чем габариты ГРЩ оказались достаточно большими. Кроме ГРЩ, имелись еще генераторные щиты, расположенные в одних помещениях с генераторами. Шины ГРЩ и генераторных щитов одинарные, секционированные. ЭЭС в свой состав включала четыре турбогенератора (ТГ) по 165кВт каждый, расположенные в машинных отделениях и два дизельгенератора (ДГ) по 165кВт каждый, размещенные в специальных помещениях.

Для прокладки магистральных кабелей по бортам корабля были использованы кабельные коридоры. Электрооборудование крейсера проекта 26 однотипно электрооборудованию лидеров и эскадренных миноносцев проектов 7 и 7У и отличается только по мощности, количеству элементов и их расположению.

Следующей большой серией боевых надводных кораблей были эскадренные миноносцы проекта 7У, головной корабль которой вступил в строй в 1941г. Электроэнергетическая установка этих кораблей по параметрам электроэнергии, принципам ее распределения, типам элементов электрооборудования и его расположению аналогичны электроэнергетическим системам эсминцев проекта 7. На эсминцах данного проекта была увеличена степень электрификации, установлены более мощные генераторные агрегаты, упрощена схема генерирования и распределения электроэнергии за счет уменьшения генераторных агрегатов (два ТГ вместо трех).

Одновременно шло проектирование и постройка опытного, в части ЭЭС, корабля проекта 7УЭ (эсминец “Страшный” - начало проектирования 1936г., вступил в строй в 1941г.). Электроэнергетическая система этого корабля была принята на переменном токе напряжением 220В, частотой 50Гц. Параллельная работа генераторов не предусматривалась. Шины ГРЩ одинарные, секционированные. Расположение генераторных агрегатов аналогично их расположению на кораблях проекта 7У. Отечественной промышленностью для этого корабля было разработано и освоено новое корабельное электрооборудование на переменном токе - синхронные генераторы, электродвигатели различного типа и исполнения с пускателями, имеющими тепловую защиту, трансформаторы и установочные автоматические выключатели, селеновые и купроксные выпрямители и т.п. Задача эта была решена промышленностью успешно, и поставки электрооборудования не задерживали сдачи экспериментального корабля.

Изготовление корабельного электрооборудования переменного тока, его испытание и сдача на корабле проекта 7УЭ - подготовительный этап к переводу ЭЭС всех надводных кораблей на переменный ток. Однако внедрение на надводные корабли сети переменного тока поставило перед промышленностью ряд научных и технических вопросов, которые в конце концов были успешно решены.

Применение электроэнергетических систем кораблей на переменном токе обеспечивало:

- использование асинхронных электродвигателей с вращающимся магнитным полем и короткозамкнутыми роторами, существенно более надежных в сравнении с коллекторными машинами постоянного тока;

- возможность повышения напряжения и снижения токов в силовой электрической сети, снижения напряжения в сетях управления с помощью простых преобразовательных устройств -трансформаторов;

- получение постоянного тока необходимого напряжения статическими преобразовательными устройствами с трансформаторами и выпрямителями;

- снижение токов короткого замыкания в системе непосредственно параметрами сетей и применением в последующем специальных токоограничивающих устройств - аппаратов и схем.

Кроме построенных и ряда недостроенных к началу войны серийных кораблей, в предвоенный период был спроектирован и заложен ряд крупных кораблей, строительство которых с началом войны прекратилось. Это линейные корабли проекта 68 и эскадренные миноносцы проекта 30.

Линейные корабли и тяжелые крейсера имели ЭЭС двойного типа - постоянного и переменного тока. В качестве источников электроэнергии принимались генераторы смешанного тока с приводом от паровых турбин единичной мощностью 1200кВт и от дизелей единичной мощностью 650кВт. Такие генераторные агрегаты корабельного исполнения для тех лет считались очень мощными. Опытные образцы генераторов были изготовлены и даже использовались во время войны на передвижных электростанциях на Ленинградском фронте. Корабли имели по четыре электростанции, размещенные в отдельных помещениях. Распределение электроэнергии было принято по фидерно-групповой схеме. Электрооборудование на эти корабли не устанавливалось, а после войны было принято решение их постройку не возобновлять.

После окончания войны вопрос встал о возобновлении постройки крейсеров проекта 68 и эсминцев проекта 30, но так как они за годы войны устарели, то были выполнены две степени корректировки: для кораблей частично построенных (проекты 30к и 68к) и кораблей, которые не начинались строиться (проекты 30-бис и 68-бис).

В дореволюционное время единого документа, обобщающего требования к электрооборудованию и электросистемам кораблей, не имелось. Опыт предвоенного периода создания кораблей выявил необходимость разработки такого документа. В период 1937-1940гг. специалистами ВМФ и промышленности под руководством офицера Научно-технического комитета (НТК) НКВМФ Б.И.Калганова были разработаны и в 1940г. изданы “Правила электрооборудования кораблей” (“ПЭК-40”).

Опыт Великой Отечественной войны показал высокие технические качества установленного на кораблях электрооборудования. При боевых повреждениях кораблей аварийность электрооборудования, как правило, была ниже, чем механического оборудования и систем вооружения. Если корабли и теряли электроэнергию, то причиной того зачастую был выход из строя первичных двигателей генераторов (узлов, блоков, обслуживающих систем и т.п.), а не самих генераторов. Так, при подрыве на мине крейсера “Киров” одна из электростанций оказалась в районе разрушения корпуса корабля и фактически была затоплена, а другие генераторы и электрооборудование остались работоспособными, но ТГ нельзя было использовать из-за потери источника пара.

Опыт боевой и повседневной эксплуатации корабельного электрооборудования выявил и ряд недостатков.

Низкая ударостойкость электрооборудования: были случаи, когда при боевых повреждениях в оставшихся неповрежденными отсеках или помещениях ломались крепления и отдельные узлы оборудования, автоматические выключатели давали ложные отключения, предохранители выпадали из зажимов, измерительные приборы разрушались. Вместе с тем прочность электротехнических устройств оказалась выше прочности некоторых механизмов и конструкций. Основной причиной этого было, очевидно, то, что для них значительно меньше использовался чугун, а в основном применялась сталь.

Много забот и неприятностей личному составу доставляли коллекторы и щетки машин постоянного тока. Угольные щетки изнашивались гораздо быстрее тех сроков, которые указывались в документах, и загрязняли машины угольной пылью. Коллекторы тоже изнашивались достаточно быстро и загрязняли машины уже медной пылью. Это приводило к снижению сопротивления изоляции машин, а иногда и ее пробоям (чаще всего между отводами коллекторных пластин). Машины и их коллекторы приходилось часто чистить, щетки менять, коллекторы протачивать и шлифовать.

Крейсера проекта 68 и эсминцы проекта 30 были первыми крупными надводными кораблями, построенными после войны, и в то же время последними надводными кораблями, электроэнергетические системы которых создавались на постоянном токе. Степень их электрификации, в сравнении с кораблями проекта 26 и 7У, повысилась незначительно, а у кораблей проекта 30К даже понизилась. Системы распределения электроэнергии на кораблях - фидерно-групповые. По магистральному принципу электроэнергия распределялась только в сетях освещения. ТГ на этих кораблях расположены в машинных отделениях, а ДГ - в специальных помещениях (на крейсерах) и в котельных отделениях (на эсминцах). Поэтому на крейсерах проектов 68К и 68-бис так же, как на крейсерах проекта 26, кроме защитных аппаратов на ГРЩ, были приняты автоматические выключатели; на вторичных щитах - предохранители. Основной вид кабелей - СМР. На кораблях проектов 30К и 68К прокладка кабелей выполнена на панелях с проходом через переборочные индивидуальные сальники, а на кораблях проектов 30-бис и 68-бис прокладка кабелей осуществлена в пучках с проходом через переборки в кабельных коробках. На крейсерах проектов 68К и 68-бис, так же как на крейсерах проекта 26 и в проектах тяжелых кораблей 69 и 23, для прокладки магистральных кабелей предусмотрены кабельные коридоры вдоль обоих бортов.

В 1944г. в Казани был проведен научно-технический совет НТК НК ВМФ, на котором обсуждались и решались вопросы создания электроэнергетических систем перспективных надводных кораблей, применения в этих системах переменного тока, а также вопросы выбора величины напряжения, качества и расположения электростанций на кораблях разных типов, применения наиболее оптимальных схем генерирования и распределения электроэнергии. В период с 1947г. до начала 50-х годов среди научно-исследовательских и проектных организаций ВМФ и МСП шла дискуссия о допустимой величине напряжения переменного тока в электроэнергетических системах кораблей. В результате дальнейших проработок было принято решение о применении для силовых потребителей электроэнергии напряжением 380В.

На надводных кораблях первых послевоенных проектов 41 и 42, а также на серийных кораблях проектов 56 и 50, которые, по существу, являлись откорректированными проектами 41 и 42, в ЭЭС принято напряжение 220В, а для сетей освещения - 24В. Опыт изготовления и эксплуатации электрооборудования этих кораблей подтвердил целесообразность для ЭЭС кораблей напряжения 380В, а для сетей освещения - 127В, что и было принято для всех последующих проектов кораблей.

Активное участие в довоенном создании ЭЭС и электрооборудования кораблей приняли ученые и ведущие специалисты Г.А.Агафонов, И.И.Говорухин, В.П.Горячев, Н.М.Кашинцев, Н.А.Мокеев, Б.М.Мордовии, В.И.Полонский, Н.М.Хомяков, М.А.Цупик и многие другие.

С 1946 по 1948г. были разработаны новые требования и правила электрооборудования кораблей. Одновременно начата разработка, а в 1951-1952гг. освоено серийное производство генераторов типа МС, электродвигателей типа МР, МРЗ, МАФ, АОМ, АМ, пусковых и коммутационно-защитных автоматических аппаратов и другой техники.

С 1948г. прокладка кабелей на кораблях стала производиться пучками с уплотнительными кабельными коробками на переборках вместо прокладки на панелях и индивидуальных сальниках.

Начиная с 1951г. стали вступать в строй боевые надводные корабли среднего водоизмещения с электроэнергетическими системами на переменном токе. На этих кораблях были приняты примерно однотипные системы генерирования и распределения электроэнергии. На каждом корабле имелись две автономные электростанции (на кораблях большого водоизмещения, вступивших в строй позднее, - четыре и пять станций), расположенных в отдельных помещениях (отсеках) или совмещенных с машинными отделениями. Последнее характерно в основном для газотурбинных кораблей. В каждой электростанции, как правило, было установлено по два (три) генераторных агрегата. Станции соединялись между собой одной или двумя перемычками. Системы распределения электроэнергии - фидерно-групповые. Большинство потребителей получало двойное питание или непосредственно от ГРЩ, или через вторичные щиты. Была осуществлена возможность длительной параллельной работы генераторов, расположенных в одной электростанции, и кратковременной (на срок перевода нагрузки) работы генераторов, расположенных в разных электростанциях. Шины ГРЩ одинарные, секционированные.

В 1950-1951гг. на строительство кораблей начали поступать новые кабели типа КНРП и КНР вместо кабелей СРМ и РМ. Первый корабль с кабелями КНПР вступил в строй в 1954г. (проект 41).

Можно считать, что до середины 60-х годов в электроэнергетических системах принципиальных изменений не происходило. С ростом количества и мощности потребителей мощность генераторных аппаратов возрастала достаточно плавно. В то же время появление принципиально новых проектов ПЛ с ядерной энергетикой позволило применять в ЭЭС более мощные источники электроэнергии - с приводом от паровой турбины.

В 50-х годах в ЭЭС ПЛ стали применять постоянный ток напряжением 175-320В. С 1960г. началось широкое внедрение на кораблях автоматических переключателей электропитания типа АПС и автоматических переключателей -пускателей типа АПП. Период 1960-1967гг. можно считать периодом интенсивного совершенствования корабельного электрооборудования. Он характеризовался применением кремнийорганической изоляции в электрических машинах, оборудовании и кабелях, применением замкнутого цикла вентиляции в крупных машинах и их непосредственного водяного охлаждения, освоением генераторов типов МСК, ТМВ, автоматических выключателей типов АМ, А-3300, А-3500, электродвигателей типа АН.

В связи с развитием ЭЭС, постоянным ростом мощности генераторных агрегатов, совершенствованием и широким внедрением нового электрооборудования, предстоящим внедрением систем управления, появлением и развитием теории надежности и т.д., действующие “ПЭК-49” в значительной мере устарели и требовали не просто корректировки, а переработки и дополнения. Новые правила - “ПЭК-63” были разработаны в период 1961-1963гг. 1-м ЦНИИМО. В них включены дополнительные разделы, откорректировано и уточнено большое количество требований.

С 1963 по 1969г. шли интенсивные исследования и работы по созданию ЭЭС АПЛ на переменном токе. В 1967г. для АПЛ проекта 667, а в 1969г. для АПЛ проекта 661 были завершены монтаж, испытания и сдача заказчику ЭЭС на переменном токе напряжением 380В, частотой 50Гц.

До 1967г. объем автоматизации ЭЭС ограничивался применением автоматических регуляторов скорости и напряжения генераторных агрегатов, электрической защитой в системе генерирования и распределения электроэнергии, защитой приводных двигателей генераторов и электропровода. 1967год можно считать годом начала широкого внедрения систем дистанционно-автоматизированного управления ЭЭС (САУ ЭЭС) и окончания монтажа и сдачи первых ЭЭС, имеющих автоматизированное управление. Объем автоматизации возрастает - от отдельных функций (автоматическая синхронизация, дистанционный и автоматический пуск агрегатов, автоматическая нагрузка и др.) до программного управления с решением отдельных аварийных задач, управления всей ЭЭС из центрального поста управления (ЦПУ).

В 1967г. был сдан флоту противолодочный