von Die Antriebshistorie unserer Fregatten F 122 bis F125
Im Folgenden soll die Entwicklung der verschiedenen Antriebssysteme in deutschen Fregatten in knappen Worten skizziert werden.
Die Fregatten F 122 erhielten einen CODOG-Antrieb: je Propeller eine Gasturbine von 19.000 kW, ein Diesel von 3.800 kW, Inbetriebnahme 1978/1979, Betrieb entweder Turbine oder Diesel. Separate Antriebsstränge Bb. und Stb.
Aus Gründen der Gewichtseinsparung wurde eine Kombination aus Planetengetriebe und zweistufigem Stirnraduntersetzungsgetriebe gewählt. Der Stirnradgetriebesatz stellt eine zweite Turbinenuntersetzungsstufe sowie ein zweistufiges Dieselgetriebe dar. Der Dieseltrieb wurde bereits in den siebziger Jahren im sehr kompakten so genannten »Nested-Design« ausgeführt, die schnelle Stufe ist doppelschräg verzahnt. Diesel und Turbine werden jeweils über eigene SSS-(Überhol-) Kupplung geschaltet. Im Antriebsstrang gibt es weder Lamellenkupplung noch Flüssigkeitskupplung.
Zur Optimierung der Geräuschemission ist die gesamte Anordnung von Planeten- und Stirnradgetriebe elastisch aufgestellt. Das separate Drucklager ist starr fundamentiert. Die seitens der Marine gestellten Geräuschanforderungen wurden deutlich unterschritten. Das CODOG-Antriebskonzept wurde hiermit zum Standard für Fregatten und Korvetten.
Die nachfolgende F 123: CODOG, zwei Getriebe des Typs BGS 178 Lo, je Propeller eine Gasturbine 19.000 kW und ein Diesel 3.600 kW, Inbetriebnahmen 1989/1990, Betrieb von entweder Turbine oder Diesel. Beide Primärmaschinen werden jeweils über eigene SSS-Kupplungen geschaltet. Im Antriebsstrang gibt es damit weder Lamellen- noch Flüssigkeitskupplungen. Im Sinne einer zeitgemäßen und nochmals verbesserten Geräuschreduzierung wurden die Getriebe vollständig doppelschräg verzahnt und elastisch aufgestellt. Die Verwendung des »locked train«-Prinzips, Aufteilung des Drehmomentes auf zwei Zahnradpaare und zwischengeschalteter drehweicher Wellen, führte zu einer kompakten, aber dennoch deutlich wartungsfreundlichen Bauform.
Zehn Jahre später erhielten die Fregatten der Klasse 124 einen nun von der bisherigen Auslegung abweichenden CODAG-Antrieb: Hauptgetriebe Backbord, Hauptgetriebe Steuerbord, zusätzlich ein Getriebe zur Verbindung von Back- und Steuerbordanlage (»Cross-Connect« Getriebe – CCG). In der Summe zwei Diesel und eine Turbine wirken somit auf zwei Propeller. Turbine 23.500 kW, Diesel je 7.400 kW.
Auf der F 124 wird erstmals CODAG realisiert, das beschriebene Verbindungsgetriebe CCG ist ebenfalls eine Neuheit. Es konnten damit schon im Bauvertrag die Kosten für eine Turbine eingespart werden.
Dieselmotoren werden an das jeweilige Hauptgetriebe über Flüssigkeitskupplung und zweistufiges Schaltgetriebe mit Lamellenkupplungen angekuppelt. Die Gasturbine wird über SSS-Kupplung geschaltet. Cross-Connect verbindet die Hauptgetriebe über Membrankupplungen und wird über Lamellenkupplungen zugeschaltet. Zur Geräuschoptimierung sind die Getriebe doppelschräg verzahnt und doppelt-elastisch gelagert, die entsprechenden Anforderungen werden übererfüllt. Ein konventionelles Schublager befindet sich in deutlichem Abstand achterlich des Getriebes.
Der Vorschlag für die jetzt unter Vertrag gegangenen Fregatten F125 sieht ein Konzept in der so genannten CODELAG2 (Combined Diesel-Electric And Gas Turbine) ‑Anordnung vor: Hauptgetriebe Backbord, Hauptgetriebe Steuerbord, Verbindungsgetriebe (»Cross- Connect«) zur Verbindung von Backbord- und Steuerbordanlage. In der Summe zwei Elektromotoren und eine Turbine wirken somit auf zwei Propeller. Die E‑Motoren stehen vor dem Getriebe, die Gasturbine achterlich des Getriebes. Das Drehmoment der E‑Motoren wird über Lamellenschaltkupplungen durch das jeweilige Hauptgetriebe hindurchgeleitet, bei reinem E‑Betrieb steht der komplette Getriebesatz. Bei Betrieb der Turbine drehen Cross-Connect und Hauptgetriebe. Die Hauptgetriebe werden über weitere Lamellenschaltkupplung auf die Propellerwelle geschaltet. Die Leistung eines E‑Motors beträgt 4.500 kW, die der Turbine 20.000 kW.
Die Anordnung der beiden unterschiedlich großen Lamellenkupplungen zur Schaltung von E‑Motor und Getriebe auf die Propellerwelle bildet in Verbindung mit einer Membrankupplung zum Ausgleich von Bewegungen innerhalb des schiffbaulichen Fundaments die (zum Patent angemeldete) »Advanced Propeller Clutch«. Diese APC befindet sich in einem zum Getriebesystem getrennt aufgestellten, separat fundamentierten Gehäuse. Die beschriebene Anordnung gestattet ein vollständiges Trennen sowohl von Gasturbine und Getriebe als auch der E‑Motoren vom Wellenstrang.
Diese kurz skizzierte Entwicklung der deutschen Fregattenantriebe lässt sich wie folgt zusammenfassen: F 122 und F 123 bilden klassische CODOG-Lösungen, entweder Turbine oder Diesel sind im Eingriff. Das Getriebe zur F 123 ist aus Gründen der Geräuschminimierung erstmalig komplett doppelschräg verzahnt ausgeführt. Backbord- und Steuerbordanlage verfügen über keine mechanische Verbindung. Prinzipieller Nachteil der CODOG-Anordnung ist der Einsatz zweier Gasturbinen von ca. 20 MW Leistung, welche dennoch maximal nur drei bis fünf Prozent der gesamten Einsatzzeit betrieben werden. Bei Schnellfahrt kann die Dieselleistung nicht eingesetzt werden. Im Dieselbetrieb ist der Wirkungsgrad mit 93 Prozent ungünstiger als der einer CODAG-Anlage, da das Getriebe in diesem Zustand bei nur 30 Prozent seiner Nennleistung verwendet wird.
Erstmalig in der F 124 kommt eine CODAG-Lösung zum Einsatz einschließlich der zusätzlichen mechanischen Verbindung von Backbord- und Steuerbordanlage über das Cross-Connect-Getriebe. Die F 124 konnte in Folge mit nur einer anstelle der bisher üblichen zwei Turbinen ausgerüstet werden (Kostenersparnis bei Abschluss des Bauvertrages ca. 8 Mio. DM). Zwei Diesel stehen weiter zur Verfügung; die gesamte installierte Leistung kann simultan auf die Propeller gebracht werden. Dieselmaschinen können mittels des Schaltgetriebes im jeweils günstigsten Drehzahlbereich arbeiten. Flüssigkeitskupplungen dämpfen Drehmomentstöße der Antriebsmaschinen. Das System ist äußerst flexibel, beispielsweise kann ein Diesel alleine beide Propeller treiben. Der Betrieb beider Diesel im ineffizienten niederen Drehzahlbereich wird vermieden.
Die Anordnung der F 124 verringert das Leistungsgewicht der Antriebsanlage, da die gesamte installierte Leistung gleichzeitig zur Verfügung steht. Eine einzige, nun leistungsgesteigerte Turbine tritt an die Stelle der zuvor doppelt vorhandenen Installation; umfangreiche Peripherie zur Turbinenanlage wird eingespart. Bei Totalausfall oder Wartung eines Diesels stehen beide Propeller weiter für Betrieb unter Diesel bei Verwendung der zweiten Maschine zur Verfügung.
Im nächsten Schritt zur F125 verbindet die neue Auslegung als CODELAG-Anlage nun die Vorteile von dieselelektrischem und mechanischem Antrieb. Sehr flexibel kann die vorhandene elektrische Leistung bei Bedarf auf die E‑Motoren geschaltet werden. Alle Verzahnungsstufen stehen im rein elektrischen Betrieb still. Hierdurch werden Verzahnungsgeräusche und Verlustleitung vermieden. Für hohe Geschwindigkeiten kann das niedrige Leistungsgewicht der Gasturbine genutzt werden. Die Flexibilität der Getriebemodi entspricht im Übrigen der CODAG-Anordnung der F 124. Hiermit ist ein Optimum an Integration, Flexibilität und Effizienz erreicht.
Neben den beschriebenen deutschen Fregatten nutzen Schiffe z.B. der US-amerikanischen Küstenwache ein Antriebskonzept ähnlich dem der F 124, das Bauprogramm läuft unter der Bezeichnung »National Security Cutter (NSC)«. Die südafrikanische Marine setzt in ihren vier modernsten Korvetten ebenfalls auf ein System von quer verbundenem Backbord- und Steuerbordhauptgetriebe. Drei Schaltstufen kommen hier an den Dieseleingängen zum Einsatz. Ein Waterjet wird über einen unabhängigen weiteren zweistufigen Getriebesatz von einer Gasturbine angetrieben. Die Antriebsart wird als CODAG WARP (Water jet And Refined Propeller) bezeichnet. Trotz neunzehn gleichzeitiger Eingriffe innerhalb der Räderkette wurden alle Körperschallanforderungen übertroffen.
Zwei Beispiele jedoch zeigen, welche Zukunft der elektrische Antrieb haben kann. Das Vorhaben einer besonderen Größenordnung und einen entscheidenden Schritt in Richtung VES und elektrischer Antrieb stellt das US-Projekt des DDG 1000 dar, früher auch DD(X) und DD 21 genannt, die neue ZUMWALT-Klasse. In einer Plattform von 14.000 t Verdrängung wird ein voll-elektrisches System, das Integrated Power System (IPS), betrieben, das mit Hilfe von zwei Rolls-Royce MT-30 Turbinen mit je 36 MW Leistung, zwei Gasturbinen von je 4,5 MW und den zugehörigen RR4500 Gasturbinen-Generatorsätzen sowie zwei Induktionsmotoren ein Energiepotenzial von 80 MW für Antrieb und Waffensystem liefert. Auch der kleinere Type 45 Zerstörer der Royal Navy (DARING-Klasse) mit 7.350 t Verdrängung erhält einen elektrischen Antrieb. Zwei WR-21 Gasturbinen von je 21,5 MW auf zwei 15-phasige Induktionsmotoren von je 20 MW werden dem Schiff eine Spitzengeschwindigkeit von 31,5 kn geben.