國外核動力航母電力系統分析

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

航母是遂行中遠海立體化作戰的核心兵力，是一個國家綜合國力的象征，也是世界主要海軍強國的發展重點。動力系統是航母的心臟，強大的動力系統不僅是航母優越機動性能、生存能力和作戰能力的基礎。核動力應用于航母，除了具有功率大、加速性能好、續航力幾乎無限的優點外，還可以消除常規動力航母的煙囪和排煙，增加航空燃油和彈藥搭載量，這對于優化航母設計、提高艦載機作戰能力至關重要［1］。核動力與航母的結合是航母發展史上的一次歷史性飛躍。從1961年第一艘核動力航母“企業”號服役，美國后續建造了10 艘“尼米茲”級大型核動力航母，新一代“福特”級航母仍采用核動力。法國也建造了“戴高樂”號核動力航母，俄羅斯未來也有發展核動力航母的計劃［2-3］。

核動力航母電力系統對于維持航母艦載機作戰能力、發揮武器系統效能、改善適居性、保障核動力系統安全至關重要。航空母艦電力系統的主要特點是供電的負載雜，電站容量大，發動原動機的類型多、數量多，電網結構復雜，控制的要求高，而由于核動力安全性的要求，核動力航母對電力系統供電的可靠性和不間斷性要求特別高，給航母電力系統的設計提出了許多新的要求［4］。本文從國外核動力航母電力系統的電站配置、電制選擇、電網結構、應急電力系統配置等方面，分析了核動力航母電力系統的配置特點及設計原則。

1 核動力航母電力系統配置特點

1.1 電站配置

1)美國核動力航母設置汽輪機日用電站和柴油機應急電站

表1所示為美國部分常規動力航母及核動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:

①航母電站通常采用汽輪機和應急柴油機2 種發電機組;

“尼米茲”級航母發電機組單機容量顯著大于“企業”號核動力航母和常規動力航母。“尼米茲”級航母電力系統容量大，通過提高單機容量(汽輪機單機容量達到8 000 kW)，可有效控制發電機數量。而“企業”號由于單機容量小，發電機總數量達到20 臺，給機組的總體布置和電網連接及使用帶來了很大的困難。

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

2)法國“戴高樂”號核動力航母設置汽輪機日用電站、柴油機應急電站及燃氣輪機安全電站

“戴高樂”號航母配備了3 種不同類型的發電機組:采用汽輪發電機作為主發電機，分為2 個電站，每個電站各配2 臺汽輪機;為安全起見，艦上又設置2 個安全電站，給艦上至關重要的機構供電(如核動力裝置和導航系統)。每個安全電站配置2臺燃氣輪機發電機，燃氣輪機具有啟動快、控制方便等特點。艦上還設置2 個應急電站，每個電站配置3 臺柴油機，在主電網失電的情況下，可立即自行啟動，向重要設備供電。這樣3 套電站10 臺機組的配置有效保證了核反應堆的安全性。

1.2 電制

1)中壓電力系統是大中型核動力航母的必然選擇

根據美國海軍技術手冊及船舶工業部門的定義，采用電壓在1 ～15 kV 的電力系統為中壓電力系統。隨著電網容量的增大，電網采用中壓是一種必然的選擇。圖1所示為船舶電網容量及與之相匹配的電壓之間的關系。

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

中壓電力系統是大容量船舶電網的必然選擇，原因主要有以下幾個方面:

所導致的病死率可達27% ～43%［1-2］。有效預防呼吸道內細菌定植的措施有助于控制VAP的發生，但所有的措施需同時施行，這些綜合性的措施即為集束化管理措施。我院從2010年下半年根據證據查找后更新了集束化管理措施，效果顯著，現報道如下。

①艦船消耗電力的日益增長，要求電力系統的容量增大，這引起系統的故障短路電流增大，而目前低壓空氣斷路器的最大分斷能力不能滿足斷流要求，即保護裝置的斷流容量限制了艦船電力系統容量的增大。采用中壓系統可以減小短路電流的絕對值，增大電力系統的極限容量，緩和這個矛盾。

②發電機和負載電機的單機容量增大，如仍采用低壓，則制造困難，而且不經濟。美國造船和輪機工程協會認為，450 V 低壓發電機的實際單機容量極限一般認為是3 MW。保持總功率，將導致發電機的數量過多。

③配電系統容量增大，若采用低壓，電纜用銅量大，布線施工困難且不經濟。

2)美國核動力航母電力系統電壓經歷了由450 V到4.16 kV，再到13.8 kV 的變化過程

從“企業”級到“尼米茲”級，再到“福特”級，美國核動力航母采用的電力經歷了如圖2所示的變化過程。圖1 中也給出了各級航母電站容量和適用電壓間的關系。

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

“企業”號核動力航母采用450 V/60 Hz 三相交流低壓電制。“企業”號核動力航母電力系統的總容量達到40 MW，這已經超過了低壓電力系統的適用范圍(如圖1)，汽輪發電機單機功率只有2.5 MW，這也是導致“企業”號航母發電機組多達20個的原因，給電網設計帶來困難。

“尼米茲”級航母采用4.16 kV/60 Hz 中壓供電系統，采用4.16 kV/450 V 變壓器提供低壓日用電。“尼米茲”級航母的電網容量與所用電壓保持在合適的范圍內，汽輪機單機功率可達8 MW，汽輪發電機組數量維持在8 個。

“福特”級航母的電網容量在“尼米茲”級的基礎上有了大的提升，達到“尼米茲”級的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變電站進行13.8 kV/450 V 電壓轉化，提供艦上的低壓日用電。

3)“福特”級航母采用的碳化硅固態變電站

美國海軍“福特”級航母及“朱姆沃爾特”級驅逐艦要求快速開關主要負載的電力，以滿足戰術要求。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。該碳化硅固態變電站具有一系列的優點。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;開關損失顯著降低，可使用高頻交流電，縮小了電力轉換設備的體積和重量。相比工作頻率為60 Hz 的常規變壓器，新型變壓器的開關頻率可達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城陸上試驗站完成測試。

表2 變壓器參數對比Tab.2 The comparision between the parameters of the two kinds of transfermors

1.3 電網

1)美國常規動力航母配電系統采用輪輻式結構

美國常規動力航母60 Hz 配電系統均采用輪輻式結構，發電機和其配電盤通過母線連成環形。在發電機和配電板的設計范圍內，母線可將配電系統分割成多個獨立的部分。通過控制母線斷路器和發電機并聯設備，可控制發電機的并聯和提高艦上負載供電靈活性。

圖3 為CV 59和CV 60 航母60 Hz 配電系統單線圖，由母線、8 個發電機配電盤、16 個配電系統配電板、8 個單機1 500 kW 的汽輪發電機組和3 臺單機1 000 kW 的應急柴油發電機組等構成。該配電系統的特點是2 個配電系統配電板間有一個發電機配電盤，母線跨過發電機配電盤連接2 個配電系統配電板，限制通過發電機母線流向發電機的電力。

圖3 CV 59和CV 60 航母60 Hz 配電系統單線圖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 配電系統單線圖，由母線、8 個發電機配電盤、8 個配電系統配電板、8 個單機1500 kW 的汽輪發電機組和3 臺單機1000 kW 的應急柴油發電機組等構成。系統的特點是每臺發電機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 配電系統單線圖，由母線、6 臺單機2 500 kW 的汽輪機發電機組、6 個發電機配電盤、6 個配電系統配電板和3 臺單機1 000 kW 的應急柴油發電機組等構成。母線連接所有配電板后呈環形結構，使所有發電機通過各自配電盤實現相互連接。

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

圖6 為CV 67 航母60 Hz 配電系統單線圖，由母線、3 個配電板組、2 臺單機1 500 kW 的應急柴油發電機組等構成。每個配電板組由2 臺單機2 500 kW 的汽輪發電機組、1 臺斷路器和2 個發電機配電盤組成。母線和母線斷路器依次連接，使3 個配電板組呈“8”字形布置。這種布置結構，可通過離線的發電機為配電板提供電力，以實現發電機并聯和離線發電機供給其他2 個配電板組電力的控制。相對環形布置，“8”字形布置能提高供電靈活性。

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

2)“福特”級航母采用全電輔助系統和區域配電

由于受技術因素的限制，“福特”級航母并未采用綜合電力系統。這些技術因素突出表現在推進電機的功率密度和費用達不到理想水平。按照“福特”級的推進需求，單軸推進功率將超過52 MW，目前單機功率最大的推進電機也僅為20 MW，需要至少3 臺才能滿足要求，加上相關的串并聯機構，總體積和重量較大，費用也較高。盡管未采用綜合電力系統，但全電輔助系統和區域配電可滿足“福特”級目前需求。

①全電輔助系統將有效提高航母的可維護性，降低維護成本

在“福特”級上除推進以外的所有輔助系統均使用電力，以往的蒸汽系統將被電力系統取代，如烹飪、洗滌、熱水供應、取暖等。由于取消了為數眾多的蒸汽管路和閥門，相關系統的可靠性增加，可維護性大大提高，有效降低了維護成本。

②區域配電將改善供電連續性，提高核動力航母的安全性和生命力

區域配電采用左舷與右舷主匯流母線方式，依據航母的水密隔艙將配電范圍劃分一定數量的配電區域。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。

區域配電結構的優勢表現在如下3 個方面:一是使配電分區界面與航母的水密分區和結構分區界面相重合，與整個艦身的模塊化建造相結合，有利于消防系統和空調系統的分區;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量，既降低了重量和造價又提高了航母的生命力;三是區域配電技術滿足模塊化造船的要求，電纜鋪設與模塊化建造可以同時進行，允許在模塊合攏之前進行設備安裝和試驗，最后通過2 條母線連接各供電區域即可，提高工作效率，降低建造費用。

區域配電技術是“福特”級上采用的重要新技術，圖7所示為“福特”級航母的區域配電結構。“福特”級的區域配電系統可以滿足電磁彈射以及高能武器等系統的電力需求;減少電纜數量，降低建造成本;將顯著改善供電連續性，提高核動力航母的安全性和生命力。區域配電是較新的技術，在“尼米茲”級航母上未采用。

圖7 “福特”級航母的區域配電結構Fig.7 The architecture of the zonal electric distribution system in Ford-class aircraft carrier

2 核動力航母的應急供電系統

法國“戴高樂”號核動力航母的應急供電系統，具有如下特點:

1)燃氣輪機安全電站專為堆芯應急冷卻系統提供緊急電源，柴油機應急電站為全艦重要載荷應急供電

在核動力船舶上，提高供電可靠性的有效方法除了增加發電機組的數量外，還可增加發電機組的原動機類型，通過不同類型原動機的特點和長處，取長補短，提供系統工作可靠性。典型的例子就是法國的“戴高樂”號核動力航母的電站配置。

圖8 為“戴高樂”號航母的供電系統示意圖。采用兩舷完全對稱的結構，兩邊各有1 個主電站(由2 個核動力蒸汽驅動的4 MW 渦輪發電機供電)，對于重要載荷，這2 個電站已經構成了兩舷雙路供電電源。為安全起見，艦上又設置了2 個專用的燃氣輪機安全電站(各由2 個250 kW 的燃氣輪機發電機組供電)，安全電站不接入整個電網，其職責是專門為艦上少量至關重要的安全設施應急供電，包括反應堆應急冷卻系統在內。燃氣輪機啟動快，控制方便，與主電站配合可以有效保障核反應堆的安全;為保障重要設備供電的可靠性，還設置了2 個應急電站，每個電站配置2 臺功率為800 kW 的柴油發電機組，在應急電網失電時向重要設備供電。

圖8 法國“戴高樂”號航母核動力裝置示意圖Fig.8 The nuclear power system in Charles de Gaulle aircraft carrier

2)K-15 核反應堆自然循環能力強、燃氣輪機啟動速度快使供電系統能順利過渡到應急供電

“戴高樂”號航母采用的是與“凱旋”級核潛艇相同的核反應堆，但并未像核潛艇一樣采用蓄電池作為應急電源。航母不同于潛艇，有充足的空氣來源;蓄電池的維護保養相對麻煩，而且能量密度較低，會增加航母的重量。 “戴高樂”號反應堆及安全電站的配置特點使得其能在事故狀態下，順利地過渡到應急供電。

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

“戴高樂”號航母核動力裝置最大的特點是采用一體化布置，蒸汽發生器不是布置在反應堆側面，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能力，在功率較低的主泵輔助下實現一回路的循環，可以降低核動力裝置自噪聲。K-15 反應堆的自然循環能力達到了49%，這也意味著反應堆在短暫失電的情況下，反應堆仍能維持一定時間而不造成嚴重的事故。另一方面，相比柴油發電機，燃氣輪機的響應速度快，發生事故時能迅速啟動并承接載荷。這些設計相結合，有效保證了在不設置蓄電池的條件下，仍能順利過渡到應急電源供電。

3 結 語

1)隨著電氣化程度的進一步發展及高能武器逐漸上艦的要求，核動力航母的電站容量將進一步增大，同時對核動力裝置的安全性要求也更加嚴格，中高壓電力系統是核動力航母的必然選擇，可提高電力系統生命力的區域配電技術的應用是一種趨勢。

2)核動力航母應急供電系統的一般設計原則體現為:應急電力系統應與主電力系統相對立，應急電力系統應由不少于2 臺應急發電機和2 個相互無關聯的配電板組成。另外，還應考慮主電力系統和應急電力系統的過渡:如果在主電力系統失電后，能保證順利過渡到應急供電系統供電連續性，則系統可不采用蓄電池作為過渡電源。

［1］彭敏俊.船舶核動力裝置［M］.北京:原子能出版社，2009.

［2］劉清.核動力航母現狀［J］.現代艦船.

［3］葉蓮.餓擬建核動力航母［M］.中國國防報，2011-11-8.

［4］王煥文.《船舶電力系統及自動裝置》［M］.北京:科學出版社，2204.