Дизель против электротяги: почему одинаковые мегаватты на корабле могут означать разные вещи

На первый взгляд сравнивать дизельный и электрический привод просто: если дизель развивает 7,4 МВт, а электродвигатель — 4,5 МВт, то первый примерно в полтора раза мощнее. Для максимальной установившейся скорости физика действительно не позволяет «электрическому мегаватту» стать сильнее дизельного: 1 МВт механической мощности на валу остаётся 1 МВт.

Но при проектировании корабельной энергетической установки сравниваются не только мегаватты на валу. Сравниваются паспортный номинал машины, разрешённый профиль её загрузки, длительность работы, запас мощности, разгонные режимы и ресурс. И здесь одинаковые цифры на шильдиках уже не означают одно и то же.

Особенно важно разделять три величины:

• мощность, реально необходимую винтам на заданной продолжительной скорости;
• номинальную мощность главного дизеля;
• номинальную длительную мощность гребного электродвигателя.

У быстроходного корабля первая величина может быть существенно меньше номинала главного дизеля. Но из этого не следует, что электродвигатель можно номинировать ровно по этой минимальной длительной потребности. Ему тоже нужен запас на разгон, манёвр, ухудшение погоды, обрастание корпуса и другие отклонения от расчётной точки. Просто этот запас может быть меньше, чем у высокофорсированного морского дизеля.

Очень удачный реальный пример — две последовательные немецкие серии фрегатов: F124 Sachsen с механической CODAG и F125 Baden-Württemberg с CODLAG.

F124 и F125: почти естественный эксперимент

F124 несколько меньше и легче своего преемника. По данным Bundeswehr, Sachsen имеет длину 143 м, ширину 17,4 м, водоизмещение 5800 т и максимальную скорость 29 узлов. Полная мощность CODAG — 38,3 МВт.

Источник: bundeswehr.de

Его установка состоит из двух дизелей MTU 20V1163 TB93 по 7,4 МВт и одной газовой турбины LM2500 около 23,5 МВт. Особенность cross-connect-редуктора заключается в том, что один дизель может одновременно вращать оба винта, обеспечивая 18 узлов. Более того, именно 18 узлов были основным расчётным режимом: в опубликованном эксплуатационном профиле на них приходится около 70% времени хода.

Original: “allowed both screws to operate using only one diesel engine, yet propelling the ship at 18 knots.”

Перевод: «позволяла одному дизелю приводить оба винта, обеспечивая при этом скорость 18 узлов».

Источник: rivieramm.com

F125 заметно крупнее: 149,5×18,8 м и 7200 т. Но его обычный маршевый привод полностью электрический: четыре дизель-генератора питают два электромотора, а 20-МВт LM2500 подключается для быстрого хода. Bundeswehr указывает 2×4,5 МВт ЭД, то есть 9 МВт номинальной электрической тяговой мощности, и 29 МВт общей тяговой мощности вместе с ГТД. Максимальная скорость — более 26 узлов.

Original: “29.000 kW Gesamtleistung = GT 20.000kW + zwei E-Fahrmotoren je 4.500kW.”

Перевод: «29 000 кВт общей мощности: ГТД 20 000 кВт плюс два тяговых электромотора по 4500 кВт».

Источник: bundeswehr.de

Дизель-генераторная часть F125 — четыре MTU 20V4000 M53B по 3015 кВт механической мощности, суммарно 12,06 МВт до электрических потерь. MTU прямо указывает, что эта система обеспечивает дизель-электрический ход до 20 узлов, одновременно питая общекорабельную сеть.

Original: “each producing 3,015 kW of mechanical output … cruising speeds of up to 20 knots”

Перевод: «каждый развивает 3015 кВт механической мощности… крейсерская скорость — до 20 узлов».

Источник: mtu-solutions.com

Основные параметры можно свести так:

Для F124 официальная Bundeswehr приводит:

Original: “38.300 kW … Gesamtleistung … Geschwindigkeit 29 Knoten.”

Перевод: «38 300 кВт общей мощности… скорость 29 узлов».

Источник: bundeswehr.de

На первый взгляд возникает парадокс: более тяжёлый F125 идёт до 20 узлов на электродвижении с двумя ЭД суммарным номиналом 9 МВт, тогда как более лёгкий F124 имеет один работающий на 18 узлах дизель номиналом 7,4 МВт. Если считать обе паспортные цифры фактической мощностью на валу в этих режимах, картина выглядит странно.

Откуда берётся адмиралтейская зависимость

Для быстрой оценки мощности похожих кораблей давно используется адмиралтейский коэффициент:

C_A = Δ^(2/3) × V^3 / P

где:

• Δ — водоизмещение;
• V — скорость;
• P — соответствующая мощность.

ITTC определяет его как коэффициент для сравнительной оценки характеристик корабля.

Original: “A quasi-dimensionless coefficient used for assessing or comparing the performance of ship.”

Перевод: «квазибезразмерный коэффициент для оценки или сравнения ходовых характеристик судна».

PDF: ittc.info

Откуда берутся степени 2/3 и 3?

Для геометрически подобных корпусов:

Δ ~ L^3

Площадь смоченной поверхности:

S ~ L^2

Следовательно:

S ~ Δ^(2/3)

Если в первом приближении сопротивление представить как:

R ~ ρ × S × V^2

то:

R ~ Δ^(2/3) × V^2

Мощность равна сопротивлению, умноженному на скорость:

P = R × V

Следовательно:

P ~ Δ^(2/3) × V^3

Для двух достаточно похожих кораблей:

P2 / P1 = (Δ2 / Δ1)^(2/3) × (V2 / V1)^3

Это не строгий физический закон. Формула прячет в коэффициенте форму корпуса, волновое сопротивление, пропульсивный КПД, шероховатость, состояние винта и множество других факторов. Поэтому она хороша именно как контроль здравого смысла.

Считаем от F124 к F125

Возьмём опубликованные числа:

Δ124 = 5800 т

Δ125 = 7200 т

V124 = 18 уз

V125 = 20 уз

Поправка только за водоизмещение:

(7200 / 5800)^(2/3) = 1,155

Поправка за скорость:

(20 / 18)^3 = 1,372

Общий коэффициент:

1,155 × 1,372 = 1,584

Если ошибочно принять паспортные 7,4 МВт дизеля F124 за реальную мощность при 18 узлах, то для F125 получится:

P125 = 7,4 × 1,584 = 11,72 МВт

Но два его тяговых ЭД имеют суммарный номинал:

PЭД = 9 МВт

Отношение:

9 / 11,72 = 0,768

Получается, что F125 будто бы обходится примерно на 23% меньшей мощностью, чем предсказывает пересчёт от F124.

Можно выразить то же самое через адмиралтейские коэффициенты:

C124 ≈ 254

C125 ≈ 331

Различие получается почти 30%. Для двух достаточно близких немецких фрегатов это уже слишком много, чтобы автоматически объяснять всё только гидродинамикой.

Главная проблема здесь в другом: мы сравнили паспортный номинал дизеля с паспортным номиналом электромотора и молча предположили, что оба полностью используются на указанной скорости.

Считаем в обратную сторону — и проверяем чувствительность

Сначала примем самое жёсткое предположение: все 9 МВт ЭД F125 действительно требуются для 20 узлов.

Тогда эквивалентная потребная мощность F124 при 18 узлах:

P124 = 9 × (5800 / 7200)^(2/3) × (18 / 20)^3

P124 ≈ 5,68 МВт

Относительно установленного дизеля 7,4 МВт:

5,68 / 7,4 = 0,768

То есть около 77% паспортной мощности.

Но 9 МВт у F125 — это номинал электромоторов, а не опубликованная фактическая shaft power при 20 узлах. Поэтому 5,68 МВт нельзя считать измеренной мощностью F124. Это лишь результат одного крайнего предположения.

Если предположить, что на 20 узлах ЭД F125 используют не 100%, а некоторую часть номинала, картина меняется:

Эта таблица важнее исходного расчёта. Она показывает, что потребная длительная мощность действительно может находиться около 60% номинала высокофорсированного дизеля или даже ниже, если электромотор тоже имеет нормальный запас по номиналу.

То есть вывод «F124 на 18 узлах обязательно использует 77% дизеля» делать нельзя. 77% получается только при дополнительном предположении, что F125 на 20 узлах использует все 9 МВт своих электромоторов.

5. Что на самом деле означает «дизель 7,4 МВт»

Тот самый MTU 20V1163 TB93, который установлен на F124, действительно имеет паспортный рейтинг 7400 кВт при 1300 об/мин.

Однако в MTU Marine & Offshore Solution Guide он находится не среди тяжёлых continuous-duty двигателей, а в группе 1DS. В этой группе MTU размещает двигатели для быстроходных судов с низким коэффициентом загрузки. Для неё указан средний load factor не более 60%.

Original: “1DS — Diesel engines for fast vessels with low load factors. Average load: ≤ 60% of rated power.”

Перевод: «1DS — дизели для быстроходных судов с низким коэффициентом загрузки. Средняя нагрузка — не более 60% номинальной мощности».

PDF: aa-powersystems.com

В том же каталоге 20V1163 TB93 непосредственно указан в разделе 1DS как 7400 кВт / 1300 об/мин.

Это принципиально меняет смысл цифры 7,4 МВт. Она не означает, что корабль должен большую часть времени использовать двигатель около полного номинала. Наоборот, производитель допускает такой высокий паспортный рейтинг именно для эксплуатационного профиля, где средняя загрузка существенно ниже.

При этом ограничение «средняя загрузка ≤60%» нельзя автоматически превращать в утверждение «18 узлов = 60%». Средняя загрузка за эксплуатационный цикл и мощность одной конкретной продолжительной точки — разные вещи. Но сам класс 1DS показывает главное: номинал дизеля содержит заметный запас относительно обычной эксплуатационной потребности корабля.

Этот запас нужен не только «на всякий случай». Для быстроходного корабля он обеспечивает разгон, высокоскоростные переходы, работу в тяжёлых условиях, компенсацию загрязнения корпуса и винтов и сохранение требуемой динамики при росте сопротивления.

У MTU нет единственного понятия «морской номинал»

В документации MTU механические морские двигатели разбиваются на группы применения. Для каталога рассматриваемого поколения:

Источник: aa-powersystems.com

Современная страница MTU сохраняет ту же философию: 1A — unrestricted continuous operation, 1B — high load factors, 1D/1DS — всё более лёгкие эксплуатационные профили.

Источник: mtu-solutions.com

Особенно показателен класс 1A. Такой двигатель действительно допускает непрерывную работу на номинале, но MTU всё равно указывает для него среднюю эксплуатационную загрузку 70–90%, а не 100%. То есть даже для самого тяжёлого класса паспортные 100% не являются обязательной средней рабочей точкой.

Это важная поправка к сравнению с электродвигателем. Номинал дизеля почти всегда несёт в себе некоторый запас относительно обычной продолжительной потребности. У 1A этот запас меньше, у 1D/1DS — больше.

Поэтому само наличие у корабля дизеля на 7,4 МВт ещё не означает, что электрическая машина, выполняющая ту же маршевую функцию, тоже должна иметь номинал 7,4 МВт.

У электромотора номинал устроен иначе — но запас нужен и ему

Для электрической машины существует понятие S1.

Siemens определяет его так: номинальные мощности соответствующих таблиц действительны для режима S1 — непрерывной работы при постоянной нагрузке.

Original: “The power ratings specified in the power tables are valid for duty type S1 (continuous duty at constant load).”

Перевод: «Мощности, указанные в таблицах, действительны для режима S1 — непрерывной работы при постоянной нагрузке».

PDF: cache.industry.siemens.com

Физически S1 означает, что мотор может работать с этой нагрузкой достаточно долго, чтобы выйти на тепловое равновесие, и продолжать работу без превышения разрешённой температуры.

Поэтому номинал ЭД действительно ближе к понятию «мощность, доступная постоянно», чем максимальный рейтинг высокофорсированного дизеля категории 1D или 1DS.

Но из этого не следует, что электромотор надо выбирать ровно по мощности экономического хода.

Если кораблю на типовом продолжительном режиме требуется, например, 55–60% паспортной мощности исходного дизеля, электродвигателю всё равно нужен запас для:

• разгона;
• манёвра;
• встречного ветра и волнения;
• ухудшения состояния корпуса и винта;
• изменения водоизмещения;
• старения и ограничений охлаждения;
• возможности некоторое время идти быстрее экономического режима без подключения форсажной машины.

Поэтому электромотор может быть заметно меньше дизеля по номиналу, но не настолько мал, как сама потребная мощность одной экономической точки.

В открытых документах по конкретному 4,5-МВт Siemens SINAVY для F125 прямое обозначение S1 не найдено. Публично подтверждены мощность и преобразовательное управление, но duty class конкретной военной машины не раскрыт.

При этом Siemens прямо объяснял, что мощность двигателей F125 была выбрана под эксплуатационный профиль корабля:

Original: “The electrical propulsion motors are only 4.5 MW each as they are sized to meet the operational profile.”

Перевод: «Тяговые электромоторы имеют лишь по 4,5 МВт, поскольку их размер выбран под эксплуатационный профиль корабля».

Источник: australiandefence.com.au

Кратковременная перегрузка ЭД полезна, но не заменяет номинальный запас

Для преобразователей SINAMICS Siemens приводит режим High Overload:

150% в течение 60 с

160% в течение 10 с

Original: “The base load current … for a high overload … 150 % for 60 s and 160 % for 10 s.”

Перевод: «Для режима высокой перегрузки допускается 150% в течение 60 с и 160% в течение 10 с».

PDF: cache.industry.siemens.com

Но это прежде всего допустимый ток преобразователя. Нельзя автоматически утверждать, что конкретный 4,5-МВт корабельный мотор F125 способен выдавать 6,75 МВт механически в течение минуты: должны одновременно выдержать мотор, преобразователь, кабели, охлаждение и механическая часть.

Поэтому кратковременную перегрузку разумно считать дополнительным преимуществом при разгоне и манёвре, но не заменой нормального запаса номинальной мощности ЭД.

Именно здесь проходит важная граница. Электромотор не обязан иметь такой же большой номинальный запас, как дизель 1D/1DS, но проектировать его «впритык» к одной длительной экономической точке тоже неправильно.

Что на самом деле показывает сравнение F124/F125

Сравнение двух фрегатов не позволяет определить точную shaft power ни одного из них на 18–20 узлах. Для этого нужна ходовая диаграмма «скорость — мощность на валах».

Но оно хорошо показывает ошибку в самой постановке вопроса.

Если буквально считать:

F124: 7,4 МВт дизеля → 18 уз

F125: 9 МВт ЭД → до 20 уз

то после пересчёта возникает кажущееся различие примерно 23%.

Если же признать, что обе цифры — номиналы машин, а не обязательно фактическая мощность в данной точке, парадокс исчезает.

При полной загрузке 9-МВт электропривода обратный пересчёт даёт для F124 5,68 МВт, или 77% номинала его дизеля.

При 80% загрузке ЭД — уже 4,54 МВт, или 61%.

При 75% загрузке ЭД — 4,26 МВт, или 58%.

Последние две величины особенно хорошо согласуются с самой идеей лёгкого рейтинга 1DS: большая паспортная мощность дизеля нужна кораблю не потому, что он постоянно потребляет её на маршевом режиме, а потому, что энергетическая установка должна обеспечивать весь эксплуатационный профиль.

Практический коэффициент: ЭД около 0,8 от номинала дизеля

Из этого можно вывести полезное эмпирическое, а не физическое правило для предварительного проектирования.

Пусть исходный механический дизель имеет номинальную мощность Pдиз.

Если типовая длительная потребность корабля составляет примерно 55–60% этого номинала, было бы неправильно выбрать электромотор всего на 0,55–0,60 × Pдиз. Такой ЭД работал бы почти без запаса.

Вместо этого для первого приближения можно принять:

PЭД,ном ≈ 0,8 × Pдиз,ном

Это означает, что электромотор всё ещё примерно на 20% меньше дизеля по паспортной мощности, но имеет заметный запас относительно экономического режима.

Например, если:

Pдл = 0,55 × Pдиз,ном

а:

PЭД,ном = 0,80 × Pдиз,ном

то загрузка ЭД на длительном режиме составит:

0,55 / 0,80 = 0,6875, то есть около 69%.

Если длительная потребность равна 60% дизельного номинала:

0,60 / 0,80 = 0,75, то есть 75% номинала ЭД.

Получается очень логичная рабочая область: экономический ход нагружает ЭД примерно на 70–75%, а оставшиеся 25–30% номинала служат запасом для разгона и более тяжёлых продолжительных режимов.

Такой коэффициент хорошо согласуется и с обратным сравнением F124/F125. В крайнем расчёте мы получили отношение 5,68 / 7,4 = 0,768. Округление этой величины до 0,8 разумно именно как предварительное проектное правило с небольшим дополнительным запасом.

Важно понимать смысл коэффициента:

0,8 — это не преобразование «дизельных мегаватт» в «электрические».

Это приближённое отношение паспортного номинала ЭД к паспортному номиналу дизеля, когда обе машины подбираются под один эксплуатационный профиль, но имеют разные допустимые профили загрузки.

Для конкретного проекта коэффициент может быть от 0,6 до 1. Его следует уточнять после построения реальной диаграммы «скорость — мощность», задания времени разгона, sea margin и требований к резерву.

Экономичность: электрическая передача теряет больше, но дизель-генератор может работать эффективнее

Отдельный вопрос — расход топлива.

Сам по себе электрический привод не создаёт энергию бесплатно. Наоборот, между дизелем и винтом появляются дополнительные ступени:

дизель → генератор → преобразователь → кабели и коммутация → электродвигатель → вал

У механического привода цепочка короче:

дизель → редуктор → вал

Поэтому по одному только КПД передачи механическая схема обычно выигрывает. Но общий расход топлива зависит ещё и от удельного расхода самого дизеля в реальной рабочей точке.

Для иллюстрации удобно сравнить два двигателя одного семейства MTU Series 2000, специализированных под разные задачи.

Морской 12V 2000 M84

MTU 12V 2000 M84 относится к категории 1D. Его номинальная мощность — 1220 кВт при 2450 об/мин.

На винтовой характеристике MTU приводит точку:

775 кВт при 2100 об/мин, то есть 63,5% номинала → 212 г/кВт·ч.

Источник: mtu-allison.com.ar

Для ровно 60% номинала, то есть 732 кВт, интерполяция соседних паспортных точек даёт примерно 212–213 г/кВт·ч. Для расчёта примем 212,6 г/кВт·ч.

12V 2000 M84 штатно предлагается с реверс-редуктором ZF 2050. Для одноступенчатого судового реверс-редуктора со встроенным упорным подшипником в Ship Design and Construction приводится расчётный КПД около 97,5%.

“a single reduction, reversing reduction gear with an internal thrust bearing … would have a gearing efficiency of about ηt = 0.975.”

Источник: highlightcomputer.com

Примем КПД механической передачи 0,975.

Тогда удельный расход, приведённый к мощности на выходном валу редуктора:

212,6 / 0,975 = 218,1 г/кВт·ч

То есть механическая схема в этой расчётной точке даёт около 218 г/кВт·ч на гребном валу.

Генераторный 12V 2000 G86F

Генераторный MTU 12V 2000 G86F имеет ту же базовую размерность — V12, 26,8 л, 135×156 мм, — но рассчитан на другую задачу и работает при постоянных 1500 об/мин. Его максимальная механическая мощность — 887 кВт.

MTU приводит:

Источник: mtu-solutions.com

То есть около 75% нагрузки генераторный дизель имеет 188 г/кВт·ч, примерно на 11–12% лучше, чем M84 около 60% его номинала.

При этом G86F и M84 нельзя считать одним и тем же мотором с разной прошивкой. Это разные специализированные исполнения Series 2000, поэтому вся разница в расходе не сводится только к 60% против 75%. Но как реальный пример «морской propulsion rating против fuel-optimized genset» эта пара показательна.

Потери генератора и электрической передачи

В MTU 12V2000 DS1000 используется генератор Leroy-Somer LSA 49.3 L9. В районе интересующей нас мощности при коэффициенте мощности, близком к единице, его КПД составляет около 96,8%.

Источник: leroy-somer.com

Для крупного Siemens SIMOTICS HV M 1RA6562-2HJ70 мощностью 4,6 МВт каталог Siemens приводит КПД:

• 96,7% при 100% нагрузки;
• 97,0% при 75% нагрузки.

Источник: amasenergy.com

Для преобразователя SINAMICS GM150 в мегаваттном диапазоне типичны паспортные значения около 98,5–98,7%. Для консервативного расчёта примем 98,5%.

Источник: cache.industry.siemens.com

На кабели, шины, автоматы и контакторы добавим ещё 0,5% потерь. Это уже оценка, а не паспортная константа.

Получается:

КПД генератора = 0,968

КПД преобразователя = 0,985

КПД кабелей и коммутации = 0,995

КПД электродвигателя = 0,970

Суммарный КПД электрической передачи:

0,968 × 0,985 × 0,995 × 0,970 = 0,920

То есть около 92% от коленчатого вала генераторного дизеля до вала электродвигателя.

Удельный расход, приведённый к гребному валу:

188 / 0,920 = 204 г/кВт·ч

Сводно:

Разница:

1 — 204 / 218 = 0,064, то есть примерно 6,4%.

В этой конкретной расчётной точке электрическая схема оказывается экономичнее примерно на 6%, несмотря на значительно большие потери самой передачи.

Причина проста: проигрыш примерно 5,5 процентного пункта в КПД передачи перекрывается лучшим удельным расходом специализированного генераторного дизеля, работающего в выгодной области.

Эту цифру нельзя считать универсальной. Выигрыш уменьшится, если в тяговой цепи появится трансформатор, генераторные дизели будут работать далеко от оптимальной нагрузки или механический дизель окажется в собственной наиболее экономичной точке.

Но у электрической схемы есть ещё одно системное преимущество: несколько генераторов можно включать и выключать по мере изменения нагрузки. Это позволяет удерживать работающие агрегаты ближе к выгодной области 75–100% вместо того, чтобы долго вести один крупный propulsion-дизель на малой доле его номинала.

Именно поэтому экономичность CODLAG или дизель-электрической схемы следует оценивать по всему эксплуатационному профилю, а не по одной точке максимальной мощности.

Вывод

Сравнение F124 и F125 показывает, почему нельзя оценивать дизельную и электрическую ГЭУ простым сравнением цифр на шильдиках.

Механический мегаватт остаётся механическим мегаваттом. При одинаковом винте, одинаковых оборотах и одинаковом установившемся сопротивлении электромотор не сможет поддерживать ту же скорость меньшей механической мощностью только потому, что он электрический.

Но паспортный мегаватт машины — уже другое дело.

У высокофорсированного морского дизеля номинальная мощность связана с application rating, допустимой средней загрузкой, годовой наработкой и эксплуатационным профилем. Для быстроходных 1D/1DS-машин обычная длительная потребность корабля может составлять лишь около 60% номинала или меньше. Даже для 1A MTU указывает типичную среднюю загрузку 70–90%, а не 100%.

У электродвигателя номинал непрерывного режима гораздо ближе к непосредственно доступной длительной мощности. Но и его нельзя выбирать ровно по одной экономической точке: необходим запас для разгона, манёвра и ухудшения внешних условий.

Поэтому для предварительного проектирования разумно разделить два шага:

1. Сначала определить реальную длительную мощность, необходимую винтам на целевых скоростях.
2. Затем независимо назначить номиналы дизеля и ЭД с учётом их разных эксплуатационных ограничений и требуемого запаса.

В качестве первого инженерного приближения можно использовать:

PЭД,ном ≈ 0,8 × Pдиз,ном

Это не закон и не «коэффициент преобразования мегаватт». Это эмпирическая оценка того, что электрическая машина для той же маршевой функции может иметь меньший паспортный номинал, чем быстроходный propulsion-дизель, но должна быть заметно мощнее самой минимальной длительной потребности.

Если длительный режим требует 55–60% дизельного номинала, ЭД мощностью около 80% от дизельного номинала будет работать на этом режиме примерно на 69–75%. Такой запас выглядит гораздо реалистичнее, чем попытка номинировать электромотор ровно по 55–60%.

Наконец, электрическая схема может иметь и топливное преимущество. На примере MTU Series 2000 расчёт даёт около 204 г/кВт·ч на гребном валу для дизель-электрической цепочки против примерно 218 г/кВт·ч для механического привода, то есть около 6% выигрыша в конкретной расчётной точке. Он возникает не потому, что электрическая передача эффективнее редуктора, а потому, что специализированный генераторный дизель может работать в более выгодной области удельного расхода, а набор генераторов позволяет лучше подстраивать включённую мощность под реальную нагрузку.

Именно это — а не «особая сила электрического мегаватта» — является главным преимуществом правильно спроектированной CODLAG или дизель-электрической установки.