Velika Britanija i SAD tehnološki su predvodnici na polju generiranja, adaptacije i integracije električne energije za propulziju površinskih plovnih jedinica. U dva nastavka upoznajemo se s trenutačnim dostignućima na tom polju…

Posljednjih nekoliko godina velika pozornost mornaričkih analitičara usmjerena je na procese adaptacije integrirane električne propulzije (IEP) na novim britanskim razaračima Type 45 (klasa Daring), koji su već izgrađeni. Jednako je s britanskim novim nosačima zrakoplova klase Queen Elizabeth (prvi u fazi završavanja,) a posebice s američkim futurističkim razaračima DDG-1000 “Zumwalt”, čiji prvi brod američka mornarica sada testira na moru. Dok apsolutno stoji teza da je IEP danas glavni novi smjer u razvoju vojne brodske propulzije – postavlja se drugo pitanje. Hoće li IEP u dogledno (blisko) vrijeme istisnuti sve ostale oblike propulzije i zavladati svjetskim morima i oceanima? Već samo malo ozbiljniji uvid u dvije zanimljive kategorije, tj. u grupu modernih površinskih ratnih brodova koji se trenutačno grade kao i onih koji se tek planiraju, otkriva nam vrlo zanimljive stvari. Naime, umjesto da IEP postane dominantan način propulzije, konstruktori i dalje nastoje adaptirati različite načine propulzijskih opcija uporabljujući dizelske motore, plinske turbine i električne motore u različitim kombinacijama.

Zbogom, paro!
Redukcija operativnih troškova dovela je do odustajanja od parne propulzije na površinskim ratnim brodovima, s iznimkom onih koji su pokretani nuklearnim reaktorom. Razlozi su sasvim jednostavni: brojno ljudstvo potrebno za njezino funkcioniranje i održavanje, visoki troškovi te neefikasnost i tehničko-taktička inferiornost u odnosu na druge, modernije sustave. Sukladno tome, većina ratnih površinskih brodova građenih poslije 1970-ih godina bila je pogonjena različitim kombinacijama dizelskih motora i plinskih turbina. Takvi propulzijski sustavi postali su poznati po svojim akronimima CODAD (Combined Diesel And Diesel), CODOG (Combined Diesel Or Gas), CODAG (Combined Diesel And Gas) te COGAG (Combined Gas And Gas). No, zahtjevi postaju sve veći, jer se za brodove traži smanjenje nabavnih cijena propulzijskih postrojenja te smanjivanje operativnih troškova održavanja tijekom radnog vijeka. Nadalje, moderni mornarički oružni i senzorski sustavi postali su veliki potrošači energije. Svojevrsnu glad za energijom prvo su pokazali oružni sustavi visokih performansi. Sad su na sceni već i 3-D radari te lasersko oružje, kao i elektro-magnetski sustavi i oružje. Takav razvoj situacije stavio je današnje brodske konstruktore pred izazov da moraju osigurati što veću proizvodnju energije na samom brodu. To treba postići bez značajnijih povećanja unutrašnjeg volumena broda namijenjenog za ugradnju sustava za generiranje energije i brodsku propulziju.

Kako izabrati?
Vrlo je velik broj čimbenika koji uvjetuje odluku o izboru sustava za proizvodnju energije i propulziju broda. Oni su u prvom redu određeni samom namjenom i klasom broda. Brzina je glavni čimbenik. Većina eskortnih brodova zahtijeva postizanje visokih (tzv. sprintnih) brzina, brze promjene brzine te stalno balansiranje između plovidbe tzv. ekonomskom brzinom i maksimalno mogućeg operativnog doplova. Volumen i masa sustava za proizvodnju energije i propulziju broda generalno se nastoje što je god moguće više smanjiti. Time se nastoji sačuvati ili barem ne reducirati prostor za senzore i oružja uz nastojanje da se proračunski brodski deplasman, uz istu snagu propulzije, ne povećava više negoli je to zaista nužno. Radi poboljšanja stabiliteta, brodski centar mase nastoji se pozicionirati što niže, posebice ako oružni sustavi zahtijevaju ugradnju senzora na brodskim jarbolima, visoko iznad vodene linije. Propulzijski sustav također mora biti ugrađen uz pridržavanje pravila o brodskoj žilavosti i kontroli nastalih šteta i havarija. Utjecaj na konstrukciju energetike i propulzijskog sustava u velikoj mjeri imaju linije dobave svježeg zraka za rad dizelskih motora i plinskih turbina, kao i njihovi ispusi. Zbog gabarita instalirane opreme, brodske su strojarnice uvijek neizbježno velike i zahtijevaju pažljivu konstrukciju. Bitan je i raspored (prolazne rute) kako bi se ti veliki komadi brodske opreme mogli u slučaju potrebe izvaditi iz broda i obaviti njihova reparacija. I njihova se buka te vibracije trebaju minimalizirati da bi se smanjila mogućnost detekcije broda, ali i otklonile moguće smetnje prema vlastitim senzorima.

Od 2003. godine
Unatoč električnom bumu novih brodova s početka teksta, razvoj uporabe Integrirane električne propulzije u mornaričkoj upotrebi može se pratiti unatrag više godina. U Velikoj Britaniji, prva vojna plovila s IEP propulzijom bila su dva LPD (Landing platform dock) broda klase Albion od po 18 000 tona deplasmana. Prvi je ušao u uporabu britanske Kraljevske mornarice još 2003. godine. Brodovi imaju četiri Wärtsilä dizelska generatora (dva od po 12,5 MW i dva od po 3,1 MW snage). Generatori daju struju za dva električna motora, po jedan na svakoj pogonskoj osovini, koji mogu potjerati brod brzinom od 18 čv. Električna energija generirana je na 6,6 Kv a zatim se pod visokim naponom od 440 V distribuira na brodski električni i oružni sustav. Na 7500-tonskom razaraču Type 45, ukupno instalirana snaga puno je veća jer su na njemu instalirani puno zahtjevniji oružni i senzorski sustavi. Posebno se to odnosi na visokoenergetske radare, ali i puno snažniji propulzijski sustav koji pogoni razarač brzinom od 31 čv. Dva Rolls-Royce WR-21 plinsko-turbinska generatora stvaraju 25 MW snage, a dva dodatna Wärtsilä dizelska generatora osiguravaju svaki po 2 MW. Generirana električna struja od 7,2 kV odvodi se do dvaju 20 MW GE Power Conversion/Converteam električnih motora i brodskog električnog distributivnog sustava.

Domaći pritisak
Američki razarač USS ”Zumwalt” raspolaže s čak 80 MW snage. Ona mu je potrebna da bi se postigla željena brzina broda, ali i da bi se udovoljilo energetskim zahtjevima ugrađenog oružnog i senzorskog sustava. Uračunat je i električni potencijal za ugradnju energetski usmjerenog/laserskog i elektromagnetskog oružja. Toliku snagu isporučuju dvije 36 MW Rolls-Royce MT30 i dvije 3,9 MW Rolls-Royce RR4500 plinsko-turbinske generatorske jedinice. Prema prvobitnim je planovima na ”Zumwalt” trebao biti ugrađen Finmeccanica/DRS Technologies permanentno-magnetni motor (PMM) za propulziju. On je nudio vrlo veliki okretni moment i snagu u relativno kompaktnom dizajnu. Na koncu je, nakon velikog pritiska domaće industrije, ugrađen GE Power Conversion/Converteam Advanced Induction Motor (AIM) radi postizanja maksimalne brzine od 30 čv.
S projektiranim deplasmanom od 65 500 t i brzinom većom od 25 čv, britanski novi nosač klase Queen Elizabeth zahtijeva puno više energije i od Zumwalta. Ukupno generirani kapacitet od 110 MW bit će isporučivan preko dvaju 36 MW Rolls-Royce MT30 i četiriju Wärtsilä dizelskih generatora (dvaju od po 9 MW i dvaju po 11 MW). Proizvedena električna energija isporučuje se u brodski distributivni i oružno/senzorski sustav, ali i na četiri 20 MW GE Power Conversion AIM indukcijska motora, koji su u paru instalirana na dvama propelerima.

Isporuka za sve
U adaptaciji IEP-a, konstruktori nastoje maksimalizirati efikasnost uporabe glavnih strojeva za generiranje energije. Čine to tako da istodobno rabe iste izvore generiranja za isporuku energije prema sustavu propulzije broda i oružno/senzorskim sustavima te za nadopunu pomoćnim izvorima napajanja. Štednja goriva može se ostvariti uporabom jednog većeg ili manjeg broja energetskih generatora koji rade u zoni punog opterećenja, kad su i najekonomičniji. Suprotno je to nepoželjnoj praksi kad jedan ili više generatora rade pod parcijalnim opterećenjem i napajaju međusobno nepovezane sustave.
 U konvencionalnoj energetsko-propulzijskoj konfiguraciji, otprilike 80 % od ukupno instalirane snage namijenjeno je propulzijskom sustavu. Razlog je postizanje zahtijevanih maksimalnih brzina. Većina ratnih brodova maksimalnu brzinu zapravo vrlo rijetko koristi jer s porastom brzine raste i potrošnja goriva, a operativni se doplov smanjuje. Uporabom najčešćih pogonskih strojeva za energetiku (proizvodnju električne energije) i brodsku propulziju, ukupno instalirani energetski kapaciteti mogu biti optimizirani na puno bolji način, tako da se nastoji konstruktorskim rješenjima postići da se vršni zahtjevi jedne ili druge grupe potrošača preklapaju vrlo rijetko.

Manje ograničenja
U konvencionalnoj propulzijskoj konfiguraciji gdje dizelski motor ili plinska turbina pogone propelersku osovinu mehanički, oni moraju biti instalirani u liniji s propelerskom osovinom i to prilično nisko u unutrašnjosti broda. Međutim, kad se generirana energija distribuira putem električnih kablova onda postoji puno manje zahtjeva i ograničenja u smještaju glavnih energetskih generatora. Ta činjenica daje konstruktorima puno veću fleksibilnost i slobodu u razmještaju komponenti energetike i brodske propulzije.
Tradicionalno, elementi brodske energetike i propulzijskog sustava gabaritno su veliki i teški. Zbog tehničkih zahtjeva poravnavanja s propelerskim osovinama, oni najvećim dijelom moraju biti instalirani prilično nisko u brodskoj arhitekturi i zbog zadovoljavanja zahtjeva stabiliteta broda. Zbog svog manjeg volumena i smanjene težine, moderne plinske turbine mogu biti ugrađene i na nešto višim razinama unutar broda. Takva, viša ugradnja omogućava reduciranje zračnih kanala za usisavanje zraka i ispuh, lakše održavanje, lakšu izmjenu ili deinstalaciju opreme te kontrolu borbenih šteta i kvarova jer nije nužno probijati se ili djelovati kroz veći broj paluba.

Eliminacija reduktora
Uporabom IEP-a izbjegava se uporaba velikih i masivnih reduktorskih kompleksa koji su neizostavno bili potrebni radi smanjenja broja okretaja plinske turbine pa čak i brzohodnih dizelskih motora. Reduktori su također bili potrebni za okretanje rotacije propelerske osovine u onim slučajevima kad na njima nisu montirani CPP (controllable pitch propeller) propeleri s promjenjivom geometrijom. Reduktori i spojke potrebne su također u slučajevima kad je potrebno kombinirati rad (uključivanje / isključivanje) nekoliko propulzijskih strojeva. Električni propulzijski motori konstruirani su za rotaciju propelerskom brzinom, a smjer okretanja propelera jednostavno se može mijenjati promjenom toka električne struje u namotajima propulzijskog električnog motora. Kad je potrebna ugradnja više motora radi zahtijevane razine snage, električni se motori mogu bez ikakvih problema ugrađivati u tandemima na svaku propelersku osovinu. Takva je konfiguracija primijenjena i na novim britanskim nosačima klase Queen Elizabeth. Eliminacija reduktora donosi i neke druge benefite na području smanjenja buke i vibracija koju proizvodi reduktor i spojke te ostali mehanički uređaji koji se u obliku tzv. strukturnog šuma neizbježno iz broda šire u okolnu vodu. Smanjenje akustične signature broda od esencijalne je važnosti za površinske platforme specijalizirane za provedbu protupodmorničkog ratovanja (ASW), a još više za smanjivanje ranjivosti broda u slučaju napada podmornice.
Bez obzira na sve navedeno, adaptacija IEP-a nikada ne prolazi bez tehnoloških izazova. Znamo da konstruktori imaju veliku fleksibilnost u pogledu smještaja komponenti IPS-a (Integriranog propulzijskog sustava) i nemaju potrebu razmišljati o reduktorima. No fizička veličina električnih generatorskih setova i električnih motora potrebnih za željene razine snaga i maksimalne brzine trenutačno u velikoj mjeri ograničavaju (pa čak i onemogućuju) instalaciju IPS-a na manjim brodovima. Razarači Type 45 imaju dva 110-tonska indukcijska motora a na nosač “Queen Elizabeth” i na razarač DDG-1000 “Zumwalt” ugrađena su po četiri slična motora. Isporuka električne struje za njih zahtijeva uporabu visoke voltaže, čija se vrijednost uobičajeno kreće između 4 i 13 kV. Tako visoki naponi zahtijevaju dodatnu opremu (transformatore) koji će napon smanjiti na one vrijednosti na kojima mogu raditi brodski i oružni sustavi.

Promjena frekvencije
Do danas svi IEP brodovi koriste izmjeničnu struju za rad svojih propulzijskih motora. Brzina vrtnje propelerskih osovina kontrolira se pomoću metode promjene frekvencije struje koja pokreće motor. To se postiže preko pretvarača (invertora) koji prvo pretvaraju izmjeničnu u istosmjernu struju, a zatim ponovno u izmjeničnu struju varijabilnih frekvencija. Ta je tehnika postala praktički uporabljiva nakon uvođenja u praksu tehnologije visoko-energetskih poluvodiča. Jedna od najvažnijih popratnih pojava takvog, dvostrukog konverzijskog postupka jest stvaranje značajne količine električnih harmonika koji moraju biti filtrirani i odstranjeni iz brodske distribucijske mreže. Naime, oni vrlo lako mogu nanijeti velike i nepopravljive štete na elektroničkim komponentama oružnog sustava, senzorima i ostaloj električnoj opremi. Zbog frekventne konverzije i filtriranja električnih harmonika razvija se prilično velika toplina pa je neizbježno hladiti i kondicionirati određene prostore u kojima se nalazi potrebna oprema za te procese. Naravno, rashladni sustavi oduzimaju određeni (uvijek dragocjeni) brodski prostor i troše energiju (struju) koja bi se mogla uporabiti za propulziju broda ili za ostale brodske potrebe.

Razvoj iz zrakoplovnih motora
Kako je u samoj srži problematike IEP-a generiranje velikih količina energije iz relativno malih volumena, prvi je izbor za IEP svakako uporaba plinskih turbina sparenih s električnim generatorima. Međutim, vrlo ograničeni broj proizvođača plinskih turbina tu sužava izbor konstruktorima i mornaričkim stratezima. Konstruiranje i proizvodnja plinskih turbina iznimno je skup i zahtjevan proces koji zahtijeva najvišu tehnološko-proizvodnu razinu uz potrebno znanje. Jednako tako, mornarički zahtjevi za takvom vrstom pogonskog stroja uvijek su bili količinski nedostatni da bi se u projektnim institutima razvijao poseban tip plinskih turbina namijenjen isključivo za brodsku uporabu. Zato su sve zapadne mornaričke turbine zapravo razvijene iz zrakoplovnih mlaznih motora. Današnji glavni proizvođači plinskih turbina britanska su tvrtka Rolls-Royce i američka General Electrics. Rolls-Royceva plinska turbina MT30 razvijena je iz mlaznog motora Trent 900 dok je General Electricsova plinska turbina LM2500 zapravo derivat mlaznog motora CF6. Treći veliki proizvođač mornaričkih plinskih turbina, predominantno orijentiran na istočna tržišta jest ukrajinska tvrtka Zorya-Mashproekt. Za razliku od zapadnih tvrtki, Ukrajinci su još u SSSR-u prihvatili drugačiji razvojni princip – dizajniranje i proizvodnju plinskih turbina specijalno za pomorske aplikacije. Najznačajniji proizvod Ukrajinaca i po razvijenoj snazi najbliži britanskoj MT30 i američkoj LM2500 jest plinska turbina UGT25000/DN80 koja razvija snagu od 26 MW. Njezina je aplikacija, koliko je do sada poznato, još uvijek vezana isključivo za mehaničke inačice propulzije.

Britanski i francuski pristup
Iako su plinske turbine preferirani izbor kad je u pitanju generiranje velikih količina energije, svojevrsni je problem kod njihove primjene u tome da, kad se kompariraju s dizelskim motorima, njihov dijagram operativne efikasnosti i ekonomičnosti izgleda prilično usko. Za proširivanje zone efikasnosti i ekonomičnosti operativne primjene plinskih turbina moraju se primijeniti neke dodatne tehnologije. Tako je na WR-21, instaliranoj na razaraču Type 45, ugrađen izmjenjivač topline i tzv. rekuperator koji svaki na svoj način povećavaju područje efikasnog i ekonomičnog rada plinske turbine. Za puno snažniju plinsku turbinu tipa MT30 u Rolls-Royceu tvrde da može operativno efikasno djelovati u području opterećenja između 25 i 36 MW. Gore navedeni primjeri IEP-a uključuju primjenu visoko-energetskih setova plinsko-turbinskih generatora. Sasvim drugačiji pristup bio je primijenjen u implementaciji integriranog generiranja snage i električnog propulzijskog sustava na francuskim 22 000-tonskim LHD brodovima klase Mistral. Tamo se za generiranje električne energije koriste isključivo dizelskim generatorima. Ukupnih 20,8 MW električne snage generiraju tri Wärtsilä 16V32 i jedan Wärtsilä 18V200 dizelski generator. Umjesto da opskrbljuju strujom električne motore koji pogone konvencionalne propelerske osovine, na Mistralima je primijenjeno drugačije rješenje. Kod njih su električni motori za propulziju ugrađeni u posebne, ispod brodskog trupa obješene i 3600 okretne gondole. Svaka od dviju Rolls-Roycevih Mermaid gondola u svojoj unutrašnjosti krije električni motor snage 7 MW koji zajedno mogu potjerati brod do maksimalne brzine od 19 čv.

Igor SPICIJARIĆ