Потенціал енергії пару відомий людству ще з початку нашої ери, коли давньогрецький інженер та винахідник Герон Александрійський запропонував концепцію першої парової турбіни. Звісно, для тих часів такі проєкти носили більше дослідницький характер та представляли виключно ентузіазм окремих знавців, ніж систематичну роботу. Та вже починаючи з XVIII століття одразу декілька британських винахідників, на чолі з Джеймсом Ваттом, пропонують по-справді ефективні рішення з використанням парової машини для задоволення виробничих потреб. Таким чином були створені підвалини для різкого економічного розвитку, більш відому як “промислова революція”.
Приблизно за сто років, у ХІХ столітті, сила пару вкорінюється у морській сфері. Перший вдалий паровий плавзасіб, судно Clermont, мав максимально примітивну конструкцію рушійної установки з ККД не більше 3%, але саме звідси починається шлях стрімкого розвитку суднових енергетичних систем.
Вже на початку ХХ століття людство навчилось більш ефективно використовувати енергію випареної води шляхом зменшення теплових втрат. Впровадження трикратних поршневих двигунів, водотрубних котлів та масивних конденсаторів дозволило ефективніше використовувати кожен джоуль енергії, збільшивши ККД до 15%.
Попри свої переваги, використання парових рушіїв створювало низку технічних проблем. Перш за все, це були громіздкі системи з колосальними витратами палива і води, які вимагали прискіпливого обслуговування і геть не пробачали людських помилок.
З появою реактивних двигунів для флоту відкрилися нові можливості: настала ера газотурбінних установок. І це не дивно, бо порівняно з паровими турбінами, газотурбінні двигуни (ГТД) вирізнялися своїми малими розмірами, технологічністю, краще справлялись на змінних режимах роботи, підвищували маневреність суден. Енергія згорілого палива слугувала основою для створення передових рушійних систем, що активно застосовуються по сей день. Проте ці системи не є однотипними, радше - комбінованими. Серед них є системи типу COGOG та COGAG, що безумовно стали безцеллерами для цілих поколінь військових кораблів.
На відміну від транспортних суден цивільного флоту, для яких використання монотипних дизельних двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) є цілком достатнім для забезпечення заданої потужності при сталому режимі роботи, сучасні бойові кораблі повинні мати задовільні маневрові та швидкісні характеристики при змінних режимах роботи силової установки. Задля виконання цієї мети суднобудівельники та інженери використовують комбіноване поєднання (combine) газової турбіни з газовою турбіною (Gas and Gas, - COGAG), або газової турбіни або газової турбіни (Gas or Gas, - COGOG). Наведу їх принципову різницю.
COGOG складається з двох або більше газових турбін - маршових (крейсерських) меншої потужності та турбін пікової потужності (High-Speed Turbines). Крутний момент кожної турбіни передається на пропелер завдяки валу, що через коробку передач (gearbox) з’єднує кожну з турбін через муфту та редуктор. На кожен двигун - свій редуктор і своя муфта. При цьому в експлуатації може бути лише одна турбіна або одна пара турбін одного типу, в залежності від потреб потужності. Відповідно, на марші використовують крейсерські турбіни, коли як в режимі “переслідування”, - high-speed (пікові). Це одна з найперших комбінованих систем, коли небудь створена в морській індустрії. З самого початку рушіями типу COGOG модернізовували британські фрегати Type 81 Tribal-class, коли як почали встановлювали штатно вже на есмінцях Type 42. За основу для high-speed двигунів використали вітчизняні турбіни Roll-Royce Olympus, - доопрацьовані реактивні двигуни бомбардувальників Avro Vulcan.
Головною перевагою COGOG стала висока вихідна потужність, що особливо добре відображалась на швидкісних показниках кораблів (ті ж самі есмінці могли розвинути швидкість зо понад 30 вузлів при потужності силової установки до 37 МВт). Але існував і темний бік - висока температура вихлопних газів не лише перешкоджала роботі палубної авіації, але й підвищувала ризик пожежної небезпеки, а також інфрачервону помітність.
Так, знищений у ході Російсько-української війни московський ракетний крейсер “Москва” був оснащений саме системою COGOG.
На противагу цьому, існував інший варіант рушійного устаткування - COGAG. Вона так само використовувала дві або більше ГТД однакової або різної потужності, проте кожен з них міг працювати в паралелі з іншими, а регулювання потужності здійснювалось за рахунок кількості водночас працюючих турбін. Це дещо ускладнило конструкцію редукторів і коробки передач, натомість підвищило гнучкість системи при змінних потужностях. Одними з перших, хто масово почав втілювати таку концепцію, був Радянський союз та його есмінці проєкту 61 і протичовнові кораблі проєкту 1241. На останніх встановлювали турбіни різних потужностей, як от пара ДР77 (пікові) та два ДР76 (маршові). Загальна потужність рушійної системи становить 23.500 кВт, крутний момент передається на 3-лезові пропелери за рахунок двох-вальної системи через редуктори та муфту, що роз’єднується. Завдяки муфті з’являється варіація з чотирьох режимів роботи СЕУ:
один маршовий двигун (ДР76) на два вали через трансферний вал
автономне використання маршових двигунів (ДР76) на кожен пропелер
автономне використання турбін підвищеної (пікової) потужності (ДР77) на кожен пропелер
робота в паралелі всіх двигунів
По інший бік, американці пропонували більш прогресивний підхід, роблячи ставку на модульність конструкції з можливістю її швидкого ремонту та/або заміни у найближчому порту. Врешті, першим американським кораблем, оснащеним COGAG, став транспортний GTS Admiral W. M. Callaghan у 1967 році, який, незважаючи на свій поважний вік, продовжує нести службу під американським прапором.
Задум був наступний: встановити вже перевірені авіаційні двигуни General Electric LM2500, якими оснащували пасажирські лайнери компанії “Боїнг”, у контейнери з вбудованими еластичними демпферами, додати до них генератори, передати крутний момент кожної турбіни на вал через редуктори. Ідея прижилася, а наступні покоління легендарних кораблів, як от есмінці класу Spruance, фрегати Oliver Hazard Perry, ракетні крейсери Ticonderoga, есмінці типу Arleigh Burke та багато інших перейняли саме цю концепцію. Контейнерна система не лише спростила логістику стосовно ремонту та заміни пошкоджених вузлів “на місці”, але і зменшила рівень вібрації, покращила теплоізоляцію та знизила загрозу пожежі за рахунок використання контрольних трансмітерів і сенсорів: паливних, мастильних, повітря.
З цікавого: турецькі корвети типу Ada, якими активно озброюється Український флот, оснащений сучасною версією ГТД LM2500 у поєднанні з парою дизель-генераторів, тим самим утворює іншу комбіновану рушійну систему - CODAG
На сьогоднішній день рушійна система з використанням газотурбінних двигунів COGAG лишається однією з найбільш масовою серед експлуатантів військових кораблів, проте поступається викликам нового часу, - використанню передових систем радіолокаційної розвідки та лазерної зброї. Перелічені мною системи споживають велику кількість електроенергії, що в умовах експлуатації COGAG при надмірних навантаженнях не є сталою і залежить від кількості працюючих у даний момент часу газових турбін. На жаль, ні збільшення вихідної потужності ГТД, ні залучення дизельних генераторів не спроможні повністю перекрити всі потреби в енергії. Цей “пробіл” нівелюється за рахунок концептуальної зміни приводу на пропелер не з турбіни, а за рахунок роботи електродвигуна. У такому випадку газова турбіна передає крутний момент лише на генератор, звідти вироблену електроенергію - на споживачі. Таким чином виробництво енергії є сталою і незалежною від ходу судна. Саме це принцип використовують на останньому поколінні комбінованих енергетичних систем есмінців Zumwalt, а саме Integrated electric propulsion (IEP)
