Quelle propulsion électrique pour des navires militaires de premier rang type frégate de 5000 tonnes ?

01/09/2017
Publication REE REE 2006-3
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-3:19738
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Quelle propulsion électrique pour des navires militaires de premier rang type frégate de 5000 tonnes ?

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Dossier LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. CONCEPT ET APPLICATIONS NAVIRES 01 Quelle propulsion électrique m pour des navires militaires de m premier rang type frégate de 5000 tonnes ? Mots clés Propulsion, Électrique, Hybride, Navire, Militaire Bertrand LARS et Marc RICHARD DCN Propulsion, DCN Ingénierie 1. Généralités Dans le cadre de son projet fédérateur du navire tout électrique (NTE) destiné à préparer les générations futures des bâtiments de surface de la Marine Nationale, la DGA a confié à DCN, fort de son expérience dans la concep- tion, la réalisation et le maintien en condition opération- nelle de plates-formes propulsées militaires de 1 " rang, la réalisation d'une étude d'avant-projet de frégate à pro- pulsion tout électrique. Ce projet fédérateur présentait de nombreux challenges techniques (réseaux haute tension, conversion et stockage de l'énergie,...). Il avait pour objectif d'acquérir l'apti- tude à concevoir et réaliser des bâtiments de surface tout électriques afin de bénéficier des avantages potentiels du concept " tout électrique " et de permettre l'intégration des futures armes électriques. Il a donné lieu à de nombreuses études amont d'architectures électriques, d'équipements et de plates-formes propulsées. L'étude réalisée par DCN constitue le point final de ces travaux préparatoires et concrétise la transition, pour ce projet fédérateur, d'une phase d'études amont à une phase d'analyse industrielle, et permet d'apporter un éclairage sur la faisabilité industrielle de l'adoption du concept " tout électrique " à un bâtiment militaire majeur de premier rang, dans des conditions de risques et de coûts acceptables. 2. L'avant-projet ELENA 2.1. Les objectifs L'objectif de l'avant-projet de navire tout électrique réalisé par DCN, baptisé ELENA, était d'analyser la fai- sabilité de l'intégration physique et fonctionnelle d'une propulsion tout électrique dans un navire de combat de type frégate, sur la base d'un cahier des charges initial du programme FREMM dont la phase de faisabilité démar- rait alors. Le challenge était d'obtenir la performance de vitesse la plus élevée possible tout en respectant les exi- gences de compacité imposée, de manière à conserver les surfaces et volumes suffisants pour les diverses installa- tions de plate-forme et le système de combat. Au-delà de l'analyse de la faisabilité d'une propulsion tout électrique répondant au cahier deschargesFREMM, cet avant- projet ELENA avait aussi pour but de fournir des éléments techniques et financiers d'une propulsion tout électrique. ESSENTIEL SYNOPSIS Dans le cadre de son projet fédérateur du navire tout électrique (NTE).la DGAa confié à DCN la réalisationd'une étude d'avant- projet de frégate à propulsiontout électrique en préparationdes projets futurs de bâtiments de surface. Lobjectif de la présente communication est de présenter la démarche qui a été suivie, d'expliquer les choix de conception effectués, de faire part des principauxrésultats obtenus pour ce projet baptisé ELENA.Puis, l'architecture propulsion retenue pour le projet de frégate multi missions franco-italien FREMM est présentée ainsi que les rai- sons qui ont conduit à adopter pour ce projet majeur une propul- sion électriqueboostée mécaniquementpar turbine à gaz. As part of the unifying all-electric shipproject (NTE),the French defence procurement agency's naval programmes directorate (DGA)awarded DCN a contract for a preliminarystudy of an all- electricfrigate in preparationfor future-generationsurfacecomba- tants. This paper describes the approachto this project, called ELENA.It explains the design concept choicesand presents the main results obtained. The propulsion concept adopted for the Franco-ItalianFREMM mu ! ti-missfon frigateprogramme is also described,as are the reasonsleadingto the choiceof this gastur- bine-boosted electric propulsion system. REE N, Mars2006 Que propulsion électrique pour des navires militaires de premier rang type frégate de 500 tonnes ? Il était également demandé d'apporter la preuve du bon fonctionnement d'ensemble et de son optimisation, prenant en compte les contraintes environnementales et opérationnelles d'un navire de combat. Enfin, la dimension économique a été considérée avec une recherche systématique du moindre coût d'acquisition. 2.2. La démarche suivie Les résultats de l'étude devant être directement appli- cables pour le projet FREMM, il a été retenu de limiter l'analyse aux technologies disponibles à échéance de 4 à 5 ans pour l'ensemble des équipements principaux du système énergie propulsion. La démarche adoptée a été basée sur une approche globale du système, seule garante de la bonne adéquation et de l'optimisation des équipements par rapport au besoin. Elle comportait les études suivantes : . analyse comparative d'architecture et choix d'une architecture, . spécification des principaux équipements et consul- tation de fournisseurs, . réalisation d'avant-projets sommaires pour les com- posants critiques, . étude d'emménagement des compartiments propul- sion et auxiliaires, . étude et justification des performances et du fonc- tionnement d'ensemble énergie propulsion. Pour répondre à l'objectif du moindre coût, une ana- lyse de l'existant (sur la base de composants sur étagères COTS) a été menée, complétée d'une identification et d'une définition des adaptations à apporter à ces équipe- ments pour répondre aux exigences militaires. La validation du fonctionnement d'ensemble et l'éva- luation des performances attendues ont été réalisées par simulation numérique, à partir de méthodologies et modèles de composants validés par le retour d'expérience de DCN sur des projets précédents (frégates, sous-marin classique et nucléaire à propulsion électrique type Scorpène et SNA) et en exploitant les résultats des essais menés sur " I'Electric Ship Technology Demonstrator " (ESTD). 2.3. Les données d'entrée Les données d'entrée considérées ont été celles du début du projet FREMM, à savoir : . un navire d'un déplacement d'environ 5400 t, . une ligne propulsive constituée de deux ensembles hélice et lignes d'arbres, . un fonctionnement possible aux basses vitesses sans limitation de durée, . des exigences de tenue au choc. . des exigences sévères de discrétion acoustique, . une performance de vitesse navire comprise entre 25 et 26 noeuds, . une autonomie d'environ 4500 milles nautiques à 15 noeuds. En termes d'architecture navire, l'ensemble de la pro- pulsion et de la production d'énergie devait s'intégrer dans un aménagement innovant et optimisé du navire. L'espace habituellement alloué à la propulsion a été réduit (2 compartiments au lieu de 3) et déplacé le plus possible du milieu vers l'arrière du navire. Cet aménage- ment de la propulsion permet de mieux concentrer et séparer les différentes fonctions (propulsion, systèmes d'armes, locaux vie,...) et conduit, par rapport à un amé- nagement plus classique, à un gain significatif en termes de volume et de coût au niveau de la plate-forme propul- sée. Ainsi, les deux moteurs électriques de propulsion (MEP) sont intégrés dans un même compartiment, ce qui permet également de réduire considérablement la lon- gueur des lignes d'arbres.tD La contrepartie de cet aménagement de la propulsion est une contrainte forte de compacité, se traduisant en particulier par une contrainte majeure sur la hauteur d'axe maximale des MEP. De plus, afin de conserver le niveau de vulnérabilité requis pour un navire de combat, une propulsion auxi- liaire, constituée d'un propulseur azimutal d'une puis- sance 1 MW, a été prévue sur l'avant du navire. Elle per- met au navire de conserver sa mobilité en cas de perte du compartiment des MEP. 2.4. Choix de l'architecture énergie propulsion Une analyse comparative des architectures tout élec- trique possibles a été menée en considérant des critères de coût, masse, dimensions, consommation, souplesse d'ex- ploitation, discrétion acoustique, FMD, vulnérabilité et maintenance. Pour chacun de ces critères, une note de synthèse a été attribuée sur une échelle de 1 à 5, une architecture de type CODAD/L servant de référence. VI CODAD, V2.WRZ1 V3 - LM IWO V4-4 D ; Initial cost 311 3.6 4,4 5.0 3,0 4'5, > 4.2 3,6 2,7Volume 5.0} ""p..; Ft4el f.*MSMptlon 5.0 4.5 4,7 Flexibitiw 4.0 Avambikty 3 4 Vukwrability 3 5 4 Acousbc Di%cretffl 4 3ACOUSiiCDi3CR2Mt1 1 z., . `,..â 4 3 f;.c..-; "(' l"','",,'f'} MF41ntmnabdây 2 3 Figure 1. Tableau comparatif des critères. REE Na 3 Mars2006 Dossier LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE.CONCEPTET APPLICATIONS NAVIRES 1) 1) 6111li ,, - " - ' A Fyl 1' : A f) !- jf -- - -.-- (j - - - -_\'_ L<- ''''. "\'.t'u't-tcr/. j,. J.A t]!'ft'.A'tU/.-. /' "' "-'' "''\-, * 1ru';[oW " \1 c!cctr)c Ï \\ R2i (on 1*1 : C'OD,D/L N'2 : Ail 440' '171 : \ L'\. --J j d'L7 clectric 1 WR'.71 ocr vl'A 44nV SHORFfl gp,l lit r-. ; @ -' 0@E Cn-Fr - ri -. -.. Cofnpr , "1 - '3 All clecit-ic sH(.)Rf: vH(.IIiF' tI1'llV t:PA1 b,hkE'lltl'yl :kY L.ul a-ü)1'f.IIHz j ; fi:F1. fillHz 11,w v l'.nm·rrter.. r_1y'.. l'nmener.. _.1,i D .. i'f M lfiveter = .llarv;:frr LM 1600 4 D :L:11IG00 ! D.1 o F 44fl% UV f ;') Llz -'' " " tt A, v -''-- LA 44nv17!·et: muv D -A; y . a;Pnt HA, 7t' Gn)tr.· e'.PH H`;. r7C1 sOtt< b,tk SHORE Figure2. Variantesd'architecture tout électrique. Les figures 1 et 2 présentent la synthèsedes résultats de cette étude pour les architectures tout électriques les plus pertinentes (référencéesV2 à V4). Cette analysea conduit au choix d'un systèmeénergie propulsion avec deux MEP et une usine électrique haute tension (HT) 6,6 kV intégrant une turbine à gazalternateur (TGA) et trois diéselsgénérateurs(DG). La segmentation des sources a résulté des exigences sui- vantes pour les DG : . un seul DG capable d'alimenter le navire au mouil- lage et l'ensemble du bord danstoutes les situations (situation de combat), . conservation d'une marge permanente de fonction- nement. Une TGA à cycle complexe (WR21) a été retenue, car fonctionnellement la mieux adaptéeentermesdesouplesse d'utilisation et de consommation. Elle a la particularité de permettre un fonctionnement en continu jusqu'à 10 % de sachargeet d'offrir une consommation proche decelle des DG. Une tension de 6,6 kV a été choisie, car il s'agit d'une tension normalisée qui, outre la diminution desvaleurs de courants assignéset le gain sur les câbles et les calibres des disjoncteurs, permettait de rester dans les limites industrielles des équipements standard (COTS). Avec cette valeur, une connexion terre directe sur le réseauHT devenait possible et permettait de répondre de manière simple et économique à une demande de l'ex- ploitant pour alimenter à quai le navire en haute tension (communalité avec d'autres navires, gain sur le temps et les ressourcesopérateursnécessairesà la manutention). Par ailleurs, une étude complémentaire portant sur le nombre de tableaux principaux a démontré que la solu- tion optimale en termes d'emménagement et de coût était celle avec uniquement 2 TPHT. L'architecture usine élec- trique alors retenue est décrite par la figure 3. 2.5. Etude des équipements principaux Des étudesparticulières ont été menéespour les équi- pements principaux (alternateur HT, moteur de propul- sion, tableaux électriques HT, transformateurs HT/BT,...) baséessur une approche COTS en prenant en compte les contraintes environnementales et opérationnelles supplé- mentaires d'un navire de combat. Tableaux électriques HT L'analyse du marché avait mis en évidence l'absence de matériel qualifié au choc militaire dans les gammes REE No 3 Mars2006 Quelle propulsion électrique pour des navires m itaires de premier rang type frégate de 500 tonnes ? h9 V n. Propulseur24 M E P4 auxiiiaiie X2 x Il MW 1000 k\fV hll Réseaudepropulsion 6,6 kV - 6OHz -I oo FFelnage' Tp MT AR v-+-MT AR Turbine IRPHTAV WR 21 \ A A 1 D D D A,m deQUAI HT/BT A,m HT/BT .i deQUAI (1 MVV) 2700 kVA 2.7 MW 2.7 MW 2.7 MW 2700 kVA (1 MVV) TP BT Fl Réseaubord 4 440V-60Hz/T 440V - 6OHz --rIft TSF TSF Figure 3. Schéina tinifilaire de l'usine électrique. . I ,.... ...' 7 _..'(. .7;1 s-a *-. 1 *1 " ? i = ", ; l, , Figure 4. Vueschématique 3D de l'ensemble des équi'pements. Figure 5. Essais de tenue aux chocs de cellules HT proposées de produits standard marine. Une démarche d'adaptation, puis de qualification par essai au choc d'une cellule standard représentative a pu être engagée et menée à son terme avec deux fabricants de tableaux (voir figure 5). Les résultats ont été concluants et ont permis d'aboutir, en parallèle de l'analyse de la réponse à l'ensemble des autres spécificités militaires demandées, à l'élaboration d'un dossier de " qualification militaire ". L'ensemble de la problématique liée à l'intégration a été également examiné (montage sur suspension élastiques, rayon de courbure câbles, évacuation des gaz, CEM,...) et a permis de définir des règles de spécification et d'intégration de ces équipe- ments, et d'en obtenir un prédimensionnement répondant complètement au cahier des charges militaire. Transformateurs HTIBT Le principal écueil mis en évidence concerne la tenue aux chocs. Après examen des différentes technologies possibles, il est rapidement apparu que seule la technolo- gie transformateur sec (imprégné ou enrobé) offrait la possibilité de répondre aux exigences de tenue au choc sans modifications majeures (montage sur plots élasti- ques, renforcement des structures). Aucune qualification au choc par essai n'a été réalisée à ce jour sur ce type de matériel. Un tel essai a été envisagé, mais jugé trop diffi- cile et coûteux à réaliser compte tenu des masses en jeu et des limitations de capacité des machines d'essai au choc. In fine, il a été admis qu'une preuve par le calcul de la tenue au choc devrait pouvoir s'avérer suffisante sur un tel équipement statique. Le prédimensionnement a été effectué sur la base d'un transformateur sec monté sur suspensions élastiques, et maintenu également mécani- quement en partie haute. Moteurs électriques de propulsion La définition et l'intégration des MEP (11 MW, 190 tr/min) constituent la clef de voûte de l'architecture énergie propulsion proposée (voir figure 6). L'idée de départ était de dire que, dans la gamme de puissance envi- sagée, il était utopique de prétendre qu'il existait des MEP " militaires " complètement sur étagères (COTS). REE N. 1i Mars2006 Dossier LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE.CONCEPT ET APPLICATIONS NAVIRES f I Naval application Standarl application ,ci Naval application 1 Standardapplication' : ''----------------±-- ==--------' ''--,_ ! "o o g: ' "" 7../ "' "'''rr ". -' Figure 6- Problématiquede l'intégration du MEP Chaque nouveau moteur nécessitait obligatoirement des reprises d'études. Partant de ce constat, il paraissait opportun de reporter au maximum sur des MEP "sur- mesure "une forte contrainte de compacité qui autorisait le nouvel arrangementnavire souhaité des locaux propul- sion. Le surcoût lié à une telle exigence sur le MEP était estimé sanscommune mesure avec la diminution de coût constatéepour la plate-forme. Cette approche s'est traduite par une contrainte très forte sur les dimensions du MEP, en particulier sur sa hauteur d'axe « 1,5 m). Les exigences de discrétion acoustiqueet de tenue au choc sesont égalementrévélées critiques et dimensionnantes,dansla mesureoù les études ont montré la nécessité d'un montage suspendu pour répondre à l'objectif ambitieux assignéavecun niveau de risque maîtrisé. Pour releverce challengetechnique,DCN a fait réaliser par plusieurs fabricants de MEP desétudesd'avant-projet avec destechnologies synchrone à aimants et asynchrone à double étoile statorique. Cesétudesont permis d'identifier uneffet de seuil au- delà duquel la contrainte de hauteur d'axe conduisait à mettre en oeuvredes technologies coûteusesvoire explo- ratoires (par exemple refroidissement stator à fond d'encoche, manteaud'eau, etc.). La forme de la carèneen partie arrière a alors été revue pour éviter de franchir ce seuil et pour parvenir à une optimisation entre la hau- teur d'axe, le rendement du MEP et l'accroissement de la résistance à l'avancement du navire liée à l'évolution de forme. Les prédimensionnements du moteur proposéspar les fabricants ont permis de conclure à la faisabilité de l'inté- gration pour les différents types de technologie, mais nécessiteraient d'être confirmés et étayés pour lever les risques identifiés, par exemple par la réalisation de maquetteset prototypes. Les convertisseurs envisagéssont du type redresseurà diodes ou IGBT et onduleur de tension à MLI 3 niveaux type NPC. La possibilité de les alimenter directement sans transformateur d'adaptation de tension à partir du réseau HT a été examinée car elle permettrait d'augurer d'un gain de masse et de volume significatif (environ 2 fois 22 tonnes) et de s'affranchir des problèmes de tenue au choc de ces équipements (idem transformateur HT/BT). La suppression du transformateur a soulevé deux dif- ficultés sur le plan fonctionnel réseauélectrique. La pre- mière concerne le filtrage des harmoniques, car elle ôtait un moyen simple pour réduire les perturbations harmoni- ques du réseau dues au redresseur.Elle conduisait soit à la mise en place ou au grossissementdes filtres harmoni- ques, soit à l'emploi d'un redresseur actif type "active front end (AFE) " par exemple. La secondeest relative à la protection homopolaire du réseauet a fait l'objet d'une étude qui a montré l'existence des points durs suivants pour des solutions à basede redresseurà diodes ou à thy- ristors : . difficultés de réglages desprotections, . impossibilité de garantir la sélectivité en présence d'un défaut sur départ MEP, . existence de composantescontinues susceptibles de saturer les tores de mesure ou le générateur homo- polaire. Cesdifficultés rédhibitoires ont conduit à écartertoute solution d'attaque directe de redresseurà diodes et à thy- ristors. Seul l'emploi d'un redresseuractif type AFE est donc resté envisageable, mais sous réserve d'une étude plus approfondie pour cesaspectsprotections homopolai- res (diminution des tensions homopolaires dues au point milieu du convertisseur). Ainsi, les deux alternatives retenuesont été : . soit transformateur + redresseur à diodes + ondu- leur de tension à IGBT 3 niveaux NPC, REE N. 1 Mars2006 Que propulsion électrique pour des navires militaires de premier rang type frégate de 500 tonnes ? w soitredresseur actif à IGBT type AFE+ onduleur de tension à IGBT 3 niveaux NPC. Le bilan de masse n'a révélé aucun écart significatif entre les deux solutions ; en revanche il est apparu des difficultés d'aménagement d'un convertisseur type AFE (environ 2 fois plus long que le convertisseur version avec transformateur). Les incertitudes sur les composants électroniques de la version redresseur actif type AFE alimenté en 6,6 kV (apparition des premiers IGBT 6500 V, fiabilité d'un montage en série d'IGBT press-pack,...) conjuguées à l'absence de retour d'expérience ont étéjugées élevées. Afin de reboucler l'intégration descomposantsà bord du navire, la solution sanstransformateur a cependantété retenue. Diésels générateurs et turbine à gaz alternateur Une large prospection a été réalisée sur les produits existants, ou en cours de développement, pouvant répon- dre au besoin technique et disponibles à court terme. Les fortes exigences de discrétion acoustique et de tenue aux chocs ont imposé une double suspensionet un capo- tage complet du groupe, ce qui était peu favorable à la recherchede compacité et de densité de puissanceélevée. Aussi, pour rester dansdesvaleurs de masseet de volume acceptables,a-t-il été nécessairede choisir des vitesses de rotation relativement élevées(diesel rapides > 1000 tr /min), ce qui a réduit in fine considérablement les choix de moteur (2 moteurs possibles). La recherched'un coût d'acquisition le plus faible possible a conduit égalementCD à écarter toute solution à basede TGA. Une étude de prédimensionnement desalternateurs et de définition des régulations TGA & DG et de leur inter- action a été menée.La définition desparamètresfonction- nels desalternateurs et desrégulations résulte d'une étude de stabilité réalisée par simulation numérique dont les principaux enseignements sont les suivants : . la fréquence réseau est imposée par la turbine, les transitoires en fréquence dépendentuniquement desréponsesen vitesse de la turbine, . lors des impacts et délestages " courants' (perte d'une ligne propulsive, impact 1/3 Pn réseau), les variations de tension restent inférieures à 10 % avec une variation de fréquence de l'ordre de 5 %, . pour éviter tout black- out, il est nécessairede tem- poriser les protections "mini U" et "max l'', . dans le cas où des filtres passifs de forte puissance sont connectés, la limite de stabilité des DG peut être atteinte avec un réseaufaiblement char2é. Filtres harmoniques réseaux Une analyse de distorsion harmonique en différents points du réseau a été menée par simulation numérique. La détermination de filtres et la mesure de leur efficacité ont été effectuées dans de multiples configurations : fil- trage passif HT uniquement, filtrage passif HT et filtrage actif BT, avec et sans transformateur de propulsion, redresseurà diodes, à thyristors, etc.... et pour desobjec- tifs de distorsion (TDHU) de 5 et 10 % sur le réseauBT. A titre d'exemple, pour une configuration filtrage pas- sif HT avec un objectif TDHU 5 % et redresseurà diodes hexaphasésanstransformateur, les tableaux et le graphi- que de la figure 7 fournissent les caractéristiques des fil- tres et leur logique d'insertion. Dans le cas de redresseurspassifs connectés directe- ment au réseauHT, les principales conclusions desétudes de filtrage réseauont été les suivantes : . pour une solution de filtrage passif HT uniquement, il est très difficile d'atteindre l'objectif de TDHU < 5 % sur toute la plage d'utilisation et dans toutes les configurations normales et dégra- dées.De plus, il est nécessaired'insérer progressi- vement les filtres en fonction de la puissance réac- tive effectivement disponible sur le réseau. Un objectif deTDHU de 10 % estplus aisé à atteindre. Néanmoins, danstous les cas,cette solution techni- que est complexe car elle exige un automatisme de gestion du couplage et découplage des filtres et un nombre de contacteursrelativement important, . le principe le mieux adaptéestun filtrage passif HT associéà un filtrage actif parallèle sur le réseauBT qui permet d'atteindre dans toutes les situations les performances de filtrages mais qui impose toujours une décomposition du filtre passif en cellules et une gestion automatisée des couplages et découplages des cellules pour maintenir un cos
t !'o'Itil:erH5 6 0 4 2 K 0 ilpIl r'. q c te a r lierH i D LJ l'r 0 -2-3 _......,,, addLho" a! c0.1Penser ba'k , ulit,q D 1 idd : t,u n c o J c ri t, i k !2 an !(PepW. :'.530 K.. I i 23 n CaupI!r q oI !^n fiI er H5 ii, - 9 2 1 K 2 4 n ), H u ! 0fi fre qu n et c dd il i r rT ; 2 Fi ic Cu:-oif Ircqucncy sel'a (cdd hurrr.or; !c HS Figure 7. Cas d'un filtrage passif HT avec redressement hexaphasé. lignes d'arbres. Pour la réalisation de l'ordre de sauvegarde ARU, le ralentissement des lignes d'arbres est effectué par le MEP en générateur débitant sur des résistances de frei- nage connectées au bus continu des convertisseurs. 2.6.2. Analyse des performances La fiabilité et le respect des performances sont des critères majeurs, que l'insertion de nouveaux concepts ou nouvelles technologies ne doit pas venir étioler. Pour les garantir, sans tomber dans la réalisation de plates-formes d'essai à terre échelle l, trèscoûteuses et très longues à mettre en oeuvre, la simulation numérique est une voie économique et suffisamment fiable pourvu que les modèles utilisés soient correctement validés par le retour d'expé- rience et des essais réels. Pour ELENA, l'ensemble des performances d'ensemble de la dynamique navire (vitesse, temps de montée en allure, crash stop) ont ainsi été estimées par simulation numérique à partir de modèles développés sous l'environ- nement Matlab/simulink. L'évaluation et la justification des performances concernant le réseau électrique (mesure de la dynamique tension et courant pour respect du Stanag 1008, étude harmonique et étude de stabilité réseau - voir § 2.5, etc...) ont été réalisées sous le même environnement avec utilisation de la " Tool box SPS ". Une bibliothèque complète de modèles de composant avec plusieurs degrés de raffinement (TGA, DG, MEP, disjoncteurs, etc...) et de modèles d'ensemble a été constituée. Tous ces modèles ont été validés, d'une part, par le large retour d'expérience de DCN Propulsion dans la simulation d'appareil propulsif (15 ans d'expérience) et, d'autre part, par exploitation des résultats des essais réalisés sur l'ESTD. 2.7. Intégration du système En termes d'architecture navire, les équipements du système énergie propulsion s'intègrent dans un volume Rnpiltln oriaanfse ; Nmcap!d -. ' 5td (o.. 1; 3 i 1 1 2 3 4 e e 7 8 : 2 l 14 15 16'17 1819 20 21 ZZ2, 24 2526 2728 i fn. 1 j 1 .2 i ) « wraum 3 ! 1 3 < 1 21 31 Figure 8. Configurations et plage d'utilisation. REE N°3i Mars2006 1 Quelle propulsion électrique pour des navires militaires de premier rang type frégate de 500 tonnes ? . Oscillation sur l'ESTDidentifié lorsque le DGest à vide . Modèle très proche . Essai ESTDréalisé avant reprise des réglages de l'AVR Figure 9. Exemple magnétisation Iransforrnateur (tension entre phases pu). '''. " " " --t., " "' " 1Il .''e ïe Il1 it- ', % ; ." , Figiii-e 10. Vite 3D aiiiénagement iiaviie. restreint constitué de 3 compartiments (figure 10) : . un unique compartiment " propulsion " arrière rece- vant les composants de la chaîne cinématique, . un compartiment " station de production arrière " comportant la TGA et 1 DG, . un compartiment complètement sur l'avant où sont implantés 2 DG et le propulseur auxiliaire. La forme de la coque a été légèrement élargie au niveau du compartiment propulsion. L'arrangement final a résulté d'un compromis acceptable entre la pente LA, la hauteur d'axe MEP et le rendement d'ensemble, mais les deux chaînes cinématiques ont été intégrées sans marge dans le compartiment propulsion. Concernant l'aménagement des locaux électriques, il est apparu une difficulté d'intégration des convertis- seurs MEP en version redresseur actif type AFE et filtre sinus liée à leur longueur. L'intégration de TPHT dérivés de solution COTS montés plots de suspension a imposé une hauteur d'entrepont importante, nécessitant la réalisa- tion d'un encuvement en zone avant. 2.8. Conclusion de l'étude ELENA L'étude a conclu à la faisabilité d'une propulsion tout électrique pour un navire militaire de type frégate 5000 t mais avec une limitation de la vitesse aux alentours de 25 noeuds. Elle a permis d'identifier la problématique d'em- ménagement, les principaux risques ainsi que les points- clés techniques permettant de garantir la maîtrise de la conception et de la réalisation d'une propulsion électrique au meilleur coût d'acquisition. Cette étude ELENA a montré qu'il existait de très faibles marges en termes d'aménagement. Tout accroissement de REE N,i Mars2006 Dossier LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. CONCEPT ET APPLICATIONS NAVIRES f 2qac.turbine tweded 1r,vstxtrinenéé1! PisEdanpingwpçit# t*-" "'*"** 1 E'. f) 0 1 453,3t >1-1,1 Figure Il. Utilisation de GT par rapport au besoin de puissance propulsive puissance propulsive visant à atteindre une performance de vitesse plus élevée avec des technologies et une conception navire identiques conduirait à une divergence sur la taille du navire, divergence qui ne pourra être contenue qu'au-delà d'un déplacement de plus de 7000 t. Il n'est pas non plus apparu réaliste d'imaginer abandonner l'architecture navire novatrice proposée en revenant vers un aménagement plus traditionnel avec les MEP au milieu du navire, pour de simples, mais essentielles raisons de coût de la plate-forme, qui constituait l'un des objectifs majeurs de l'étude. L'évolution actuelle est telle que la propulsion doit se faire de plus en plus discrète en termes de volume occupé, de conduite et de coût. Aussi, pour qu'une frégate de 5000 t à propulsion tout électrique puisse afficher une performance de vitesse bien supérieure à 25 noeuds avec des coûts raisonnables, faudra-t-il franchir des seuils technologiques au niveau des composants, qui permet- tront de progresser de manière significative dans la den- sité de puissance et la réduction du coût des équipements. Les technologies de moteur supraconducteur et de machines hautes vitesses qui émergent actuellement en constituent vraisemblablement les prémices. 3. Le choix du système énergie propulsion pour le projet FREMM 3.1. Analyse comparative d'architecture Restreindre le volume alloué à l'énergie propulsion à 3 compartiments, dont deux à l'extrême arrière et un à l'avant du navire, est un vecteur d'optimisation du coût de la plate-forme, mais qui exige du système énergie pro- pulsion qu'il soit très compact et le mieux optimisé possible pour les différents points de fonctionnement. C'est ce concept qui a été retenu pour FREMM. L'étude ELENA concernant une variante propulsion tout électrique a finalement montré que, par rapport à l'architecture navire retenue, une telle propulsion présentait certes des avantages de souplesse d'exploitation et de discrétion acoustique et pouvait être optimisée pour les points de fonctionnement basse vitesse et vitesses discrètes mais ne pouvait l'être en termes d'autonomie (fonction- nement de certains équipements à moins de 10 % de leur puissance nominale) et surtout de vitesse maximale (performance limitée à 25 noeuds et traînée dégradée aux hautes vitesses à cause de l'intégration des MEP). Par ail- leurs, le potentiel d'évolution apparaissait également inexistant sans changement de technologies. L'analyse du cahier des charges FREMM a rapide- ment conduit à considérer que la propulsion électrique était la solution la mieux adaptée et la moins risquée pour répondre aux objectifs de discrétion acoustique et de fonctionnement continu à très basse vitesse. A volume alloué constant pour la propulsion, le challenge a été de gagner en densité de puissance pour atteindre la vitesse maximale spécifiée à 27 noeuds, qu'il était impossible d'atteindre en tout électrique. La solution technique rete- nue a été de considérer un entraînement mécanique direct pour les hautes vitesses évitant ainsi d'installer inutile- ment 10 % de la puissance maximale nécessaire, corres- pondant aux pertes supplémentaires d'une chaîne électri- que. La propulsion électrique a été limitée aux basses vitesses et vitesses silencieuses pour lesquelles elle était la mieux adaptée « 16 noeuds). La puissance installée nécessaire pour la propulsion électrique se trouvant alors diminuée dans un rapport 5 environ, la taille et la masse des équipements électriques ont pu être considérablement réduits. Les inconvénients liés à la propulsion électrique tels l'accroissement de masse, volume et coût devenaient alors négligeables à l'échelle de la puissance totale installée, et les risques d'intégration diminuaient d'autant. Tirer le meilleur parti de la propulsion électrique et optimiser le plus possible la puissance propulsive à installer pour les fortes vitesses sont les principales considérations qui ont REE No 3 Mars2006 Quelle propulsion électrique pour des navires militaires de premier rang type frégate de 500 tonnes ? c.111, Stt jj BAlnsfaem '.h GEARETCO PropOler PPIler I I I... :. (CT) i Prnpeller1... ClutalaI i - Ga:Turbine(CT). rervsnmo;A.,. _ a7[k OraAingSy·.temSv'- .''' "' : -" "-.' !t.) ! (forFrnce) $1I.- MAI PP.OPULSIOJ SUBS ; S7Etl k Di,,>..1G"n"'Jtor iPGtiDGI , à H\IPOWER PLANT S UB-SYSTEM UH!L!AR'.AUY.ILlAR\ PP.QPULSjorl SUB-S (STER '.''f- " rllld' \) ; :' :' : : ;.J 10 il 11 n 14 I!2t ! j.. : <' ?ci'2 1 Il 1; III' iI i il. I. I_ I I ..:-. ; l' '-'F: F- 1 Figure 13. Architecture énergie propulsiou et plages d'zrtilisation. conduit à considérer une architecture hybride pour FREMM. Dans le cadre des études de faisabilité FREMM menée en coopération par DCN et FINCANTIERI, une analyse comparative a alors été menée en prenant en compte des architectures hybrides (CODLOG ou CODLAG avec une ou deux turbines à gaz, avec un moteur électrique lent ou rapide), des propulsions électriques et une architecture mécanique de référence CODOG. Les critères de perfor- mances de vitesse, de plage de fonctionnement, de flexibilité, de consommation, de masse, de volume, de vulnérabilité, de signatures et de coût d'acquisition ont été examinés. Les résultats ont montré qu'une configuration CODLOG ou CODLAG avec une unique turbine à gaz compacte et puis- sante était la meilleure architecture propulsive pouvant s'in- tégrer dans une coque de 5500 t environ et permettait de répondre au meilleur coût à l'ensemble des exigences et aux différents profils de mission de FREMM. 3.2. L'architecture proposée pour FREMM : Le système énergie propulsion proposé comprend une propulsion tout électrique boostée mécaniquement et entièrement automatisée. La propulsion électrique est constituée de deux lignes d'arbres avec propulseurs silencieux, de deux moteurs électriques lents montés sur plots élastiques (puissance nominale d'environ 2 MW), d'un propulseur azimutal rétractable et d'une usine électrique haute tension 6,6 kV comprenant 4 diésels générateurs de 2 MW environ. Le mode diésel électrique permet au navire d'atteindre une vitesse continue aux alentours de 16 noeuds, et cou- vre 70 % du profil de mission. Compte tenu de son niveau de puissance, cette chaîne de production et de transmission électrique s'intègre dans le compartimen- tage propulsion innovant de FREMM, et permet de faire appel à des technologies éprouvées. La spécification des équipements de production d'énergie et de propulsion électrique prend en compte tous les résultats des études et qualifications réalisées pour ELENA. Les moteurs peuvent être du type asyn- chrone ou synchrone simple étoile avec redresseur à diodes ou IGBT et onduleur de tension à MLI. Ils sont connectés aux lignes d'arbres via un accouplement élastique dimen- sionné pour transmettre uniquement le couple du MEP. Un transformateur réalise l'adaptation en tension du réseau pour alimenter le moteur. Pour les vitesses élevées de 16 à 27 noeuds, une uni- que turbine à gaz de forte puissance entraîne les deux lignes d'arbres, via un réducteur cross-connecté et deux accouplements automatiques (figure 13). Ce type d'architecture offre une très grande flexibilité, car elle s'adapte parfaitement aux différents profil ASM (lutte anti-sous-marine) et AVT (action contre la terre, sur- veillance) en offrant un bon rendement et souplesse d'ex- ploitation sur toute la plage de vitesse quel que soit le pro- fil. Elle permet le choix entre hélices à pales fixes (FPP) et à pales orientables (CPP), selon les performances de frei- nage navire demandées. Il est aussi possible de garantir des marges d'évolution suffisantes vis-à-vis de la vitesse maxi- male du navire du faît de la capacité de puissance et d'évo- lution offerte par la turbine et par un passage du mode " ou" (CODLOG) au mode " et" (CODLAG). Cette architecture " électrique mécaniquement boostée " rassemble les avantages de la propulsion mécanique directe et de la propulsion électrique (figure 14) : 1. La propulsion électrique utilisée pour les faibles et moyennes vitesses : . est le système le plus flexible (en particulier pour de très faibles vitesses pour des missions de surveil- lance) . utilise une technologie éprouvée à faible risque pour atteindre les niveaux de bruit et vibrations demandés, REE No 3 Mars2006 Dossier ) LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. CONCEPT ET APPLICATIONS NAVIRES Il - 1, 1 .' - \. -.-. "*.A." .'' ""'' "'.t 1 e f%*'t ""'"- c -- - j -......-.7u,..J,.2E7ys.- . _ .L' !'' _-''-'T,- "'''--'i Y y r 9-1 u : -= - 8 ('.':-'-'.-"'" i I ML'A -.1 ---.......;;...-:r P-"-''i" '- -------..,' ;'I ;'HO<;': l'. :'''-t$iï-, :->,, i Figure 14. Vue3D de l'aiîiéiiageinent dit systènie ploplilsif Figure 15. IHM du siniîilatetir de " Proptilsion électriqiie boostée mécaniquement" permet de réduire le nombre de sources de produc- tion d'énergie requises en mutualisant les besoins de la propulsion et du bord, et d'obtenir dans toute situation un fonctionnement optimisé des sources favorable à la diminution des coûts de maintenance. 2. La turbine à gaz, en entraînement mécanique direct pour les vitesses moyennes et élevées : . est la seule technologie capable d'offrir le niveau de densité de puissance nécessaire afin d'atteindre une vitesse de 27 noeuds pour un navire de la taille et du déplacement de FREMM, . constitue le meilleur moyen pour fournir une importante puissance à l'hélice . autorise des marges d'évolution pour atteindre des vitesses navires plus importantes ou compenser une augmentation du déplacement navire sans perte de performance vitesse et sans impact sur les moteurs électriques de propulsion et l'usine électrique, . présente des coûts de maintenance réduits par rapport une propulsion type CODAD, et ne les accroît pas par rapport une propulsion tout électrique (pas de maintenance significative pour le réducteur), . peut permettre de réduire si besoin le temps de fonc- tionnement et la maintenance associée des diésels générateurs en utilisant les moteurs électriques de propulsion en générateur. 3. Le mode de propulsion électrique et le mode mécani- que sont redondants sur la plage de vitesse 7 à 16 noeuds (la TAG peut être utilisée aux faibles vitesses mais avec un rendement non optimal). Cette redon- dance peut permettre d'alléger les contraintes environ- nementales, voire de disponibilité sur l'un ou l'autre des modes de propulsion et éviter des surdimensionne- ments inutiles. Pour FREMM, les exigences de fonc- tionnement après choc et de discrétion acoustique ne s'appliquent qu'à la propulsion électrique. De la même manière, la redondance des modes de propulsion rend inutile le doublement des étoiles statoriques de chaque MEP à des fins de disponibilité. 4. En version CODLOG, le niveau de disponibilité pour les hautes vitesses est plus élevé que pour n'importe quel autre arrangement, puisque seulement la TAG et un diésel générateur sont requis. 4. Conclusions Forte compacité, multiplicité des points d'emploi et tenue à l'environnement militaire sont des exigences majeures pour des navires militaires de premier rang. L'étude poussée ELENA a montré les avantages, mais aussi les limites, de l'intégration d'une propulsion tout électrique pour ce type de navire de déplacement de 5000 t environ. Meilleure maîtrise de la discrétion acoustique et souplesse d'exploita- tion, en particulier aux basses vitesses, constituent les apports indéniables de la propulsion électrique. En revan- che, la double conversion mécanique-électrique puis élec- trique-mécanique va à l'encontre de la compacité recher- chée ; cet inconvénient est d'autant plus marqué que la performance de vitesse recherchée augmente. L'étude ELENA a permis de définir le seuil de 25 noeuds au-delà duquel l'intégration d'une propulsion toute électrique dans une frégate de 5000 t était impossible avec les technologies disponibles à court terme sans remettre en cause la capacité opérationnelle et d'emport du système d'armes. Seuls des sauts technologiques au niveau des composants pourront conduire à l'augmentation de ce seuil, tels les moteurs supra conducteurs et les alternateurs haute vitesse par exemple. Parfaitement adaptée à des navires multimissions, l'architecture énergie propulsion proposée pour FREMM est une synergie gagnante entre les performances offertes par la propulsion électrique et la densité de puissance et la capacité d'évolution apportées par la propulsion mécanique par une turbine à gaz de forte puissance. Cette architecture permet d'intégrer des équipements éprouvés. Elle offre une grande flexibilité, car la plupart des composants principaux sont dédiés à des performances séparées (la turbine à gaz pour les vitesses maximales, REE N, Mars2006 Quelle propulsion électrique pour des navires militaires de premier rang type frégate de 500 tonnes ? le moteur électrique pour la discrétion acoustique, etc...). Il est donc possible de faire évoluer l'un des composants principaux pour répondre au changement d'une perfor- mance sans impact sur les autres équipements. Ainsi, ce concept de propulsion électrique boostée peut-il s'appliquer aisément dans de multiples versions à tous types de navires militaires et à tous types de profils de mission, en jouant sur le positionnement de la transition entre propulsion électrique et propulsion mécanique. Glossaire AFE ARU AVR BT CODAD CODOG CODAD-L CODLOG CODLAG COTS CPP DG ESTD FMD FPP FREMM GT Active front end Ordre arrière d'urgence Régulateur automatique de tension Basse tension Combined Diesel And Diesel Combined Diesel Or Gas Combined Diesel And Diesel or eLectric Combined Diesel eLectric Or Gas Comb ! ned Dieset eLectric And Gas Commercial off-the-shelf Hélice à pales orientables Groupe Diesel générateur Démonstrateur à terre " Electric Ship Demonstrator Technology " Fiabilité, Maintenabilité, Disponibilité Hélice à pales fixes Frégate Européenne Multi Mission Turbine à gaz HT IGBT IHM MEP TDHU TGA TP BT TP HT Haute tension Insulated-gate bipolar transistor Interface homme machine Moteur électrique de propulsion Taux global de distorsion harmonique en tension Groupe turbine à gaz alternateur Tableau principal basse tension Tableau principal haute tension Les auteurs Bertrand Lars est ingénieur diplômé de l'Ecole Nationale Supérieure des Ingénieurs des Etudes etTechniques dArmement et de l'Ecole Nationale Supérieure des Ingénieurs Electriciens de Grenoble. II a débuté sa carrière à DCN en 1989 en tant que res- ponsable d'études dans un Centre d'essais d'installations de coque, machines et éiectricité. En 1995, il a pris des fonctions de responsable projet des systèmes de production et de distribution électriques du porte-avions Charles de Gaulle. II a rejoint DCN Propulsion en 2000, où il a occupé successivement des fonctions d'architecte propulsion de navire tout électrique puis d'architecte propulsion des frégates multi missions FREMM. Il est actuelle- ment responsable du service de conception des systèmes électri- ques et de conduite et architecte propulsion pour les avant-projets de propulsion de navire de surface au sein de la direction de l'ingé- nierie des systèmes propulsifs. Marc Richard est ingénieur diplômé de 'Ecole Nationale Supérieure des Ingénieurs des Etudes etTechiques dArmement et de l'Ecole Nationale Supérieure des Ingénieurs Electriciens de Grenoble. Il a débuté sa carrière en 1990 dans le domaine du maintien en condition opérationnelle à DCN Brest. Arrivé à DCN Ingénierie en 1999, il a été responsable des études d'avant-projet des navires à propulsion électrique. II est devenu en 2001 chef du projet de navire tout électrique. Depuis 2004, il est en charge des études et de la réalisation de l'usine électrique et de la propulsion électrique de FREMM au sein de DCN Ingénierie. REE No 3 Mars 2006