26型護衛艦的單艘造價高達10億英鎊,是一艘非常昂貴的護衛艦。這一高昂造價中的很大一部分是對其隱形的需求所致。通過綜合採用一系列工程解決方案,包括艦體形狀優化,內部管道設計以及將全艦的重要裝置都固定在抗衝擊和防振動的底座上,來實現。但是到目前為止,最大的挑戰是確保發動機和齒輪傳動系統能夠安靜地推動戰艦前進。英國海軍和造船業從上世紀90年代初開始服役的23型護衛艦的設計和建造中吸取經驗和知識,因為23型護衛艦在當時為軍艦隱身樹立了新的標杆。
儘管配置明顯不同,但對於23型護衛艦,45型驅逐艦,“伊麗莎白女王”級航空母艦以及全球其他軍艦而言,在巡航時使用柴油發電機驅動電動機和而在更高航速時使用燃氣輪機的推進組合是一種很好的推進系統選擇。26型護衛艦引入了另一種形式的柴油-電動或燃氣輪機組合(COmbined Diesel-Electric Or Gas turbine,CODELOG)設計。這種新的設計本質上有兩種主要的操作模式:
為了獲得更高的速度,一臺羅爾斯·羅伊斯MT30燃氣輪機直接通過齒輪箱驅動螺旋槳推進戰艦前進。對於巡航和較慢的速度時,燃氣輪機脫開離合器,最多由四臺柴油發電機為兩臺電動機提供電力驅動兩個螺旋槳。
26型護衛艦兩種推進方式,低速巡航(左)和高速(右),下推進系統連線示意圖
26型護衛艦從兩個方面得益於船舶推進技術在最近30年來的技術進步。
由Trent航空發動機開發而來的MT30燃氣輪機具有如此高的功率密度,以至單臺動力裝置就可以將排水量6900噸的軍艦推進到至少28節的速度。相對的23型護衛艦的CODELOG系統則需要兩臺Spey燃氣輪機及其電機組合才能達到這一速度。與設計23型護衛艦時可用的電動機相比,現代電動機的功率密度也大得多。26型護衛艦動力系統計算機生成圖,後部的兩臺水線上方的柴油發電機沒有顯示
MT-30燃氣輪機主要部件示意圖
MT30的輸出功率被保守地限制在36兆瓦,但它有可能進一步提高10%,這可以用來抵消未來由於增加新裝置而導致的排水量增加對戰艦航速的負面影響。由經過驗證的元件構建而成,結合了最新葉片冷卻技術的燃氣輪機核心機被塗上了保護性塗層,以防止海洋環境中充滿鹽分的空氣對其進行腐蝕。
MT-30燃氣輪機的核心機來自於Trent 800航空發動機
MT30是一種基於Trent 800航空發動機的極其耐用的四級動力渦輪機,已經經歷了高環境溫度(38°C)下,持續1500小時的嚴格連續運轉測試。它無需修改即可滿足當前所有排放法規。通過彈性連線安裝在隔音罩中,該機的設計最大程度地減少了振動和輻射噪聲。該隔音罩具有整體防火保護,維護人員可以很輕鬆對其進行維護。由於,MT30被設計使用整合式數字控制和監視系統進行遠端操作,每週需要的日常維護工作少於兩個工時。
MT-30燃氣輪機的尺寸非常緊湊,是海軍所夢寐以求的
柴油發電機——任勞任怨老黃牛四臺柴油發電機組為戰艦在慢速行駛和巡航時使用的電動機提供電力。每臺柴油發電機組由一個MTU公司的20缸4000系列M53B引擎及其驅動的交流發電機組成,發電功率約為3兆瓦。柴油發電機組還向戰艦的其他裝置提供電力。隨著將來可能會為戰艦增加功能更強大的感測器和定向能武器,對於電力的要求將會增加。因此,這些發電機組都還預留大量的額外發電容量。現在,雖然MTU已經是羅爾斯·羅伊斯動力系統的子品牌,但是柴油引擎仍在德國製造。
MTU 4000系列M53B柴油發電機組安裝在一個有著雙彈性連線基座的隔音罩內
柴油電動驅動非常省油。而且四個發電機組可以根據對於功率的需求而被依次選擇,以便它們可以始終工作在最佳範圍內。這樣可以減少發動機的磨損,並且非常省油。它還可以在發生故障或損壞的情況下互為冗餘後備,並且可以在海上使引擎離線進行維護。現代船用柴油機以其簡單性和可靠性著稱,MTU說4000系列每執行5年僅需進行一次大修即可。26型護衛艦應該有更多的時間處於這種模式下,而不是用更高油耗的燃氣輪機驅動下進行“衝刺”。
柴油發電機組隔音罩的透檢視
像燃氣輪機一樣,柴油發電機套件也被完全包含在隔音罩中。柴油機位於隔音罩內部彈性連線的安裝座上,而整個隔音罩又被安裝在自己的底座上,以將其與軍艦的船體結構隔離。護衛艦在獵殺潛艇時,大多情況下使用電動機以中低速行進。保證柴油發電機在此時不會散發出噪聲尤為重要。像23型護衛艦一樣,26型的後面兩臺柴油發電機也被安置在水線上方,以進一步減少傳入水中的聲音。
MTU公司4000系列M53B柴油機的結構草圖
從河流級巡邏艦“添馬”號開始,英國海軍所有新軍艦的建造,都符合國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)的III級排放標準。柴油機都配備了選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR)尾氣處理系統,以中和排放物中的氮氧化物。另外,還安裝了發動機廢氣冷卻系統,以減少船舶的紅外訊號。
MTU公司4000系列M53B柴油機
電動機通用電氣海事集團(GE Marine)製造了特殊的先進感應式電動機(Advanced Induction Motor,AIM)來驅動26型護衛艦。它們必須在非常專業的工廠設施中精心製造,以防止振動和抗衝擊。直到最近,這一位於英格蘭沃裡克郡拉格比(Rugby,Warwickshire)的工廠一直面臨被關閉的威脅,這將影響到所有26型護衛艦客戶的供應鏈。為此,在當地國會議員、工會和其他相關人士的積極運作推動下,英國國防部在艦船建造合同釋出之前,就為最後5艘26型護衛艦下達了剩餘10臺電動機的預購訂單。這一舉措拯救了重要的拉格比工廠,該工廠現在成為了專業海軍艦用電動機的製造商。之後,12艘澳洲26型護衛艦變體船和15艘加拿大變體船另外54臺驅動電動機的需求,以及其他海軍對購買這種高度先進的英國製造產品的興趣,讓該工廠突然變得前景光明起來。
GE海事集團的先進感應式電動機
慢速電機直接安置在螺旋槳驅動軸上以驅動螺旋槳推進器,並通過同步自動換檔(Synchro-Self-Shifting,SSS)離合器與變速箱和燃氣輪機斷開連線。這是一種自動離合器,當由電動機驅動的主軸速度超過由燃氣輪機驅動的速度時會和後者斷開連線。解開和變速箱連線會進一步降低戰艦在超靜音行駛狀態下的噪音。
26型護衛艦螺旋槳推進器的模型
26型護衛艦的上代艦23型使用的螺旋槳
頂級齒輪傳動系統齒輪傳動系統是由大衛·布朗·聖塔斯洛(David Brown Santaslo)公司專門為26型護衛艦開發的。該公司將其描述為“世界上最安靜的船用變速箱”,汲取了該公司在潛艇傳動系統方面數十年的設計生產經驗和消音技術。該齒輪傳動系統包括一個分離變速箱和兩個減速變速箱。它們都按照最高標準製造,以最大程度地減少會引起振動的傳動誤差。儘管最大的齒輪直徑約為3米,但齒輪齒的加工公差卻以微米為單位。致力於確保傳動系統具有如此高品質的努力是為了確保,即使在由燃氣輪機驅動的更高速度下,26型護衛艦仍將是一艘安靜的戰艦,能夠在不被發現的情況下迅速拉進與潛艇的距離。
26型傳動系統有三個齒輪箱,沒夠都有獨立的滑油系統
大衛·布朗·聖塔斯洛公司在其位於哈德斯菲爾德(Huddersfield)的工廠中建造了一個專用的船用齒輪裝配和測試設施。該試驗檯複製了一套船上安裝的齒輪傳動系統,並能夠使變速箱滿負荷全速運轉。每套出廠的產品在交付前都將在這裡進行測試。由於英國海軍要求這些變速箱的壽命達到軍艦的全使用壽命,因此它們的品質和可靠性至關重要。
26型護衛艦齒輪箱模型
由於推進系統將在軍艦的建造初期就必須安裝,因此上述模組都已經開發了很多年並日漸成熟。2015年英國海軍為首批3艘26型護衛艦的釋出了推進系統的“預訂”合同,其中一些裝置已經交付給造船廠,並且正在首艦“格拉斯哥”號上安裝。雖然,安裝在澳洲和加拿大的變型艦艇上的武器和感測器會有很大不同,但它們將具有相同的推進系統。這將使製造商可以預見到長期的持續性訂單。通用性也將減少客戶的單位成本,他們也可以共享培訓、物流和運營經驗。除了在維持就業、工業技能和當地經濟利益外,工業界還能夠投資進一步的研發工作。在某些情況下,英國海軍26型護衛艦專案正在鞏固其在軍用船舶推進領域作為世界領導者的地位,從而產生了更多的出口機會。
26型護衛艦的螺旋槳推進器安裝示意圖