ВТСП приводы и генераторы для нужд флота
2007, Tом 4, выпуск 3
Тематика: ВТСП устройства
Сверхпроводниковые технологии чрезвычайно привлекательны для применения на флоте как гражданском, так и военном. Сверхпроводниковые приводы и генераторы отличаются высокой компактностью при массе в 2-3 раза меньшей, чем у традиционных аналогов. Уровень вибраций и шумов также значительно ниже, что важно не только для военных применений, но и для круизных лайнеров и рыболовецких судов. Низкая шумность силовых установок круизных лайнеров способна гарантировать комфорт и тишину во всех пассажирских помещениях при возросшей скорости и вместимости лайнера. Отказ от механических редукторов и переход к прямому приводу гребного винта электродвигателем существенно поднимает к.п.д. силовой установки, следует помнить также и об отсутствии омических потерь в сверхпроводниках. Даже с учетом потребляемой криогенным обеспечением мощности к.п.д. ВТСП электродвигателей выше, чем у традиционных. Однако основной выигрыш от сверхпроводниковых технологий на флоте заключается в невиданной ранее свободе конструирования судна: дизеля (или турбины), работающие на компактные ВТСП генераторы, могут быть размещены без жесткой привязки к гребному валу. Вынос ВТСП гребных электродвигателей в гондолы за пределы корпуса судна не только высвобождает массу места в кормовой оконечности, но и позволяет радикально улучшить гидродинамику. Если же гондолы с гребными электродвигателями сделать поворотными, то можно резко улучшить маневренность судна, не прибегая к установке дополнительных боковых подруливающих устройств.
Хотя в 70-80 гг. прошлого века и было несколько проектов сверхпроводниковых судовых электро-двигателей, они не были осуществлены, так как их реализация на низкотемпературных сверхпроводниках требовала сложного и ненадежного криогенного обеспечения. С появлением коммерчески доступных Bi-2223 ВТСП проводников в мире нача-лось сразу несколько проектов по созданию двигателей, генераторов и синхронных компенсаторов для использования на флоте. Однако при температуре жидкого азота (77К) Bi-2223 ВТСП проводни-ки обладают существенным недостатком: чрезвычайно сильной зависимостью их критического тока от магнитного поля, уже при магнитной индукции в 0.1 Тл критический ток таких проводников падает более чем в два раза. При охлаждении Bi-2223 проводников до уровня температур в 20-40 К, проблема полевой зависимости ВТСП проводников снимается, а критический ток возрастает. Электрические машины на основе Bi-2223 проводников мощностью выше 100 кВт, как правило, работают при температурах существенно меньших, чем 77 К, а для их охлаждения требуется весьма сложное и дорогое криогенное обеспечение. К счастью, наработка на отказ современных криокулеров достигает 20000 часов, что позволяет говорить о возможности их использования на флоте, однако следует иметь в виду, что криогенное обеспечение на 77 К в любом случае будет компактнее, эффективнее, надежнее и дешевле. Ожидаемый эффект от использования ВТСП электродвигателей и генераторов на флоте настолько велик, что даже устройства на основе Bi-2223 проводников, работающие при температуре 20-40 К, будут востребованы, даже при современ-ном уровне цен на ВТСП материалы и криогенное оборудование. Разработка электрических машин на основе Bi-2223 проводников работающих при температуре 77 К представляется чрезвычайно сложной задачей, так как магнитная индукция на обмотке не должна превышать 0.1 Тл, что требует специальных мер по оптимизации обмоток и ферромагнитных сердечников. Мощность электрических машин на основе Bi-2223 проводников, работающих при 77 К пока не превышает 100 кВт, а массо-габаритные показатели лишь незначительно лучше, чем у обычных электрических машин. С появлением ВТСП проводников 2-го поколения, для которых зависимость критического тока от магнитного поля значительно слабее, чем у Bi-2223 проводников, стало возможно создание по настоящему эффективных ВТСП электрических машин, работающих при температуре жидкого азота. Пока электрические машины на основе ВТСП проводников 2-го поколения представлены лишь несколькими маломощными макетными образцами.
Ниже подробно описано несколько различных проектов синхронных электрических машин для флота. За рамки данного обзора вынесен целый ряд проектов ВТСП электрических машин: гистерезисных электродвигателей, дисковых машин с массивными ВТСП элементами и прочих устройств, применение которых ни в качестве судового генератора, ни в качестве гребного электродвигателя по ряду причин затруднено или невозможно.
American Superconductor и Northrop Grumman
28 марта 2007 года American Superconductor (AMSC) и Northrop Grumman (NOC) объявили об успешном завершении испытаний крупнейшего в мире ВТСП судового электродвигателя мощностью 36.5 МВт (рис. 1). В проекте также участвовали Ranor Inc, и Electric Machinery Company. Масса электродвигателя составляет 75 т, что в три раза меньше чем для двигателя традиционного исполнения. Сразу по завершению испытаний электродвигатель передали ВМФ США, в последствии предполагается установить электродвигатель на новейший эсминец класса DDG-1000.
Рис. 1. Судовой двигатель AMSC.
В силу военной направленности проекта доступно крайне мало технических деталей устройства. Можно лишь с уверенностью сказать, что мотор изготовлен из Bi-2223 производства American Superconductor и работает при температуре около 30 К. Известно, что весь проект обошелся примерно в 90 млн. долл.
Doosan Heavy Industries
В рамках корейской программы по разработке сверхпроводниковых технологий для электроэнергетики (DAPAS) запланировано создание ВТСП электродвигателей мощностью 70 кВт, 1 МВт и 5 МВт. Синхронные электродвигатели на 100 л.с. (74 кВт; 1800 об/мин.) и 1300 л.с. (957 кВт; 3600 об/мин.) были изготовлены в 2004 и 2007 годах. ВТСП обмотки изготовлены из Bi-2223 ленты производства American Superconductor. Рабочая темпе-ратура обмоток у обоих моторов 30 К, с охлаждением от криокулеров.
Siemens
Работы над ВТСП электродвигатели начались в Siemens еще в 1999 г. Помимо Siemens в проекте участвуют компании: TransMIT Gesellschaft fur Technologietransfer mbH, ThyssenKrupp Marine Systems AG и Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH, финансовую поддержку оказывает Министерство по экономике и технологиям Германии. В 2005 г был успешно испытан ВТСП синхронный электро-двигатель мощностью 400 кВт, сейчас проходит испытания ВТСП синхронного мотора-генератора на 4 МВт (рис. 2).
Рис. 2. Синхронный ВТСП генератор Siemens.
ВТСП электрические машины отличаются недостижимой для традиционных устройств перегрузочной способностью до 700% по крутящему моменту в кратковременном режиме и 150% в течение 15 минут по мощности. ВТСП обмотки обоих устройств охлаждаются криокулерами через теплообменный газ до температуры 25 К. Основные параметры электрических машин Siemens и Doosan приведены в таблице.
- H.W. Neumuller et al, Supercond. Sci. Tech-nol., 19, 114 (2006).
- http://www.amsuper.com/products/motorsGenerators/marineGenerators.cfm.
- http://www.amsuper.com/products/motorsGenerators/shipPropulsion.cfm.
- http://phx.corporate-ir.net/phoenix.zhtml?c=86422&p=irol-newsArti-cle_Print&ID=978900&highlighthttp://www.sei.co.jp/news_e/press/05/05_03.html.
- http://www.superconductorweek.com/pr/0407tnx/siemens1.htm.
- http://www.superconductorweek.com/pr/0407tnx/amsc3.htm.