The Arleigh Burke–class destroyer engineering plant has been the gold standard of naval propulsion for the past 30 years. What makes it uniquely successful is its power density, simplicity, and reliability. So why not use this proven engineering plant for all future naval warships? The answer is that future combat systems will need significantly more electric power.
Studies of integrated power systems (IPS), such as on the Zumwalt-class destroyer, make clear that adding more electric power without sacrificing propulsion power density, simplicity, and reliability is nearly impossible. This is because of the addition of large electronic cabinets for motor-propellor speed control, switchboards, and other controls needed for integration with the ship’s distribution system, as well as the weight and space of the main propulsion motors and generators. However, based on its historical experience with electric propulsion and its recent investments in power-dense propulsion motors and generators, the Navy can get the electric power needed for future ships while approaching the power density, simplicity, and reliability of the Arleigh Burke class.
Navy Turbo-Electric Propulsion Experience
Before the availability of sophisticated electronic motor speed controllers that now dominate commercial, industrial, and naval applications, the Navy operated hundreds of battleships, destroyers, aircraft carriers, and oilers with electric-propulsion motors that did not have engineering spaces full of electronic control cabinets. This method—“turbo-electric propulsion”—controlled the speed and direction of the propulsion motor and propeller by directly transferring the electric power and unaltered frequency of the generator to the motor. This direct-cable connection resulted in coupling the generator and motor electrical frequencies so an increase in generator rotation speed resulted in a proportional increase in motor and propellor speed without the use of power electronic control devices.
While turbo-electric propulsion proved successful, the motors were large and heavy, and in those days the Navy did not need large amounts of electricity for ship service and combat system loads. When power-dense naval reduction gears were introduced, the Navy transitioned to smaller and lighter mechanical propulsion systems for its next-generation warships.
Synchronous Electric Propulsion
The turbo-electric propulsion plants were simple and reliable, but because of the size of the motors, they were not as power dense as main reduction gear (MRG) propulsion systems. Today, however, high temperature superconductor (HTS) and permanent magnet (PM) synchronous motors are about one-third the size and weight of the early naval main propulsion motors. This advancement provides the opportunity to reconsider the demonstrated power density, simplicity, and reliability benefits of turbo-electric propulsion by solving its biggest problem—the huge size and weight of the main electrical machinery.
By combining the turbo-electric propulsion approach with modern HTS and PM motors and the Arleigh Burke class’s controllable pitch propeller (CPP), the technical building blocks would be in place to create a highly power-dense, simple, and reliable all-electric engineering plant. A more descriptive name for this modernized version of turbo-electric propulsion is synchronous electric propulsion (SEP), because the operational mode of the propulsion system is the direct synchronization of the generator output to the propulsion motor without the need for any power electronic speed-control devices.
With SEP, a gas-turbine generator (GTG) is electrically locked or geared to the propulsion motor for speed control. The SEP generator motor combination electrically replaces the mechanical DDG-51 MRG. A DDG-51 SEP would function like a mechanical plant with the combination of GTG speed and propeller pitch controlling ship speed. In fact, the SEP plant is effectively an electric gear twin of a DDG-51 mechanical plant with an identical MRG ratio. This change would preserve Arleigh Burke–class simplicity but with the benefit of four 19.5 megawatt GTGs that could be used for either propulsion or ship service and combat systems power.
DDG-51 Power Density, Simplicity, and Reliability
The Arleigh Burke class’s space constraints, particularly in the engine rooms, have been well documented by the Navy. Packed in two engine rooms is more than 100,000 shaft horsepower (78 megawatts) for propulsion. A SEP system with equivalent power could be installed in the two engine rooms without any changes to the main bulkheads. Removing the two MRGs and replacing them with two HTS main propulsion motors linked to four GE LM2500 HTS GTGs would provide the equivalent power of the mechanical plant. Location of the GTG switchboards could remain in their respective engine room divisions.
Engineering spaces full of power electronic cabinets requiring continuous chilled water have proven to be significantly less reliable in a marine environment compared with traditional and mechanical motors and generators. The system reliability can only be as good as the reliability of the lowest subsystem, which has a significant effect on the ship’s availability. By eliminating the motor drive and control cabinets and directly connecting the SEP GTGs to the propulsion motors via a standard switchboard, the SEP reliability would approach Arleigh Burke–class mechanical plant reliability metrics.
DDG-51 All-Electric Ship
The Zumwalt-class integrated power system delivered the benefits of an all-electric ship but with significant penalties in engineering plant power density, simplicity, and reliability. By eliminating most of the power electronics and control systems the Zumwalt-class design requires, an all-electric SEP engineering plant for the Arleigh Burke class with comparable power density, simplicity, and reliability is within reach.
Even if, given the age of the Arleigh Burke class, an electric propulsion upgrade were not an attractive backfit option, all future warships and submarines would benefit from the power density and reliability of synchronous electric propulsion.
By John M. Ulliman February 2025
Mr. Ulliman joined American Superconductor as vice president in 2006 from Northrop Grumman Corporation, at which he served in various executive positions, including corporate director of maritime campaigns, director of HII Ingalls Shipbuilding business development and legislative affairs, director of Ingalls Integrated Power Systems Program responsible for lead-ship design, integration, and test of the Zumwalt-class destroyer propulsion and power system, and director of business development and planning for the C4I and Naval Division within the Electronics System Sector. He holds a bachelor’s in engineering from Purdue University.
알레이버크급 구축함의 공학 플랜트는 지난 30년간 해군 추진 시스템의 황금 표준으로 자리매김해 왔습니다. 이 플랜트를 독보적인 성공으로 이끄는 것은 바로 출력 밀도, 단순성, 그리고 신뢰성입니다. 그렇다면 미래의 모든 해군 군함에 이 검증된 엔지니어링 플랜트를 적용하는 것은 어떨까요? 정답은 미래의 전투 시스템은 훨씬 더 많은 전력을 필요로 할 것이라는 점입니다.
줌왈트급 구축함 등에서 수행된 통합 전력 시스템(IPS) 연구는 추진 전력 밀도, 단순성, 그리고 신뢰성을 희생하지 않고 전력을 추가하는 것은 거의 불가능하다는 것을 분명히 보여줍니다. 이는 모터-프로펠러 속도 제어, 스위치 보드, 그리고 함선의 분배 시스템과의 통합에 필요한 기타 제어 장치를 위한 대형 전자 캐비닛과 주 추진 모터 및 발전기의 무게와 공간이 추가되기 때문입니다. 그러나 전기 추진에 대한 과거 경험과 고출력 추진 모터 및 발전기에 대한 최근 투자를 바탕으로, 해군은 알레이버크급 구축함의 전력 밀도, 단순성, 그리고 신뢰성에 근접하면서도 미래 함선에 필요한 전력을 확보할 수 있습니다.
Navy Turbo-Electric Propulsion Experience
현재 상업, 산업 및 해군 분야에서 널리 사용되는 정교한 전자 모터 속도 제어기가 등장하기 전에는 해군이 수백 척의 전함, 구축함, 항공모함, 유조선을 전기 추진 모터로 운용했는데, 이 모터들은 전자 제어 캐비닛으로 가득 찬 엔지니어링 공간이 없었습니다. 이 "Turbo-Electric Propulsion" 방식은 발전기의 전력과 주파수를 그대로 모터에 직접 전달하여 추진 모터와 프로펠러의 속도와 방향을 제어했습니다. 이러한 직접 케이블 연결 방식은 발전기와 모터의 전기 주파수를 결합하여, 발전기 회전 속도가 증가하면 별도의 전력 전자 제어 장치 없이도 모터와 프로펠러 속도도 비례적으로 증가했습니다.
Turbo-Electric Propulsion 시스템은 성공적이었지만, 모터가 크고 무거워 당시 해군은 함선 운용 및 전투 체계 운용에 필요한 전력을 충분히 확보하지 못했습니다. 출력 밀도가 높은 감속 기어가 도입되자, 해군은 차세대 군함에 더 작고 가벼운 기계식 추진 시스템으로 전환했습니다.
Synchronous Electric Propulsion
Turbo-Electric Propulsion 시스템은 간단하고 신뢰성이 높았지만, 모터 크기 때문에 주 감속 기어(MRG) 추진 시스템만큼 전력 밀도가 높지 않았습니다. 그러나 오늘날 고온 초전도(HTS) 및 영구 자석(PM) 동기 모터는 초기 해군 주 추진 모터의 크기와 무게의 약 3분의 1에 불과합니다. 이러한 발전은 터보 전기 추진 시스템의 가장 큰 문제인 주 전기 장치의 거대한 크기와 무게를 해결함으로써 터보 전기 추진 시스템의 입증된 전력 밀도, 단순성, 그리고 신뢰성 이점을 재고할 수 있는 기회를 제공합니다.
Turbo-Electric Propulsion 방식을 최신 HTS 및 PM 모터, 그리고 알레이버크급 가변 피치 프로펠러(CPP)와 결합함으로써, 고출력, 고효율, 고신뢰성 전기 엔지니어링 시스템을 구축할 수 있는 기술적 토대가 마련될 것입니다. 이러한 현대화된 터보 전기 추진 방식을 더 구체적으로 설명하면 Synchronous Electric Propulsion (SEP)이라고 할 수 있는데, 이는 추진 시스템의 작동 모드가 전력 전자 속도 제어 장치 없이 발전기 출력을 추진 모터에 직접 동기화하는 방식이기 때문입니다.
SEP를 사용하면 가스터빈 발전기(GTG)가 속도 제어를 위해 추진 모터에 전기적으로 고정되거나 기어링됩니다. SEP 발전기 모터 조합은 기계식 DDG-51 MRG를 전기적으로 대체합니다. DDG-51 SEP는 GTG 속도와 프로펠러 피치의 조합으로 함선 속도를 제어하는 기계식 장치처럼 작동합니다. 실제로 SEP 장치는 MRG 비율이 동일한 DDG-51 기계식 장치의 전기 기어 트윈과 같습니다. 이러한 변경은 알레이버크급의 단순성을 유지하면서도 추진 또는 함선 서비스 및 전투 시스템 동력으로 사용할 수 있는 19.5MW GTG 4개를 확보하는 이점을 제공합니다.
DDG-51 Power Density, Simplicity, and Reliability
알레이버크급 함정의 공간 제약, 특히 기관실의 제약은 해군에 의해 잘 알려져 있습니다. 두 기관실에는 10만 축마력(78메가와트) 이상의 추진력이 탑재되어 있습니다. 주격벽을 변경하지 않고도 동일한 출력의 SEP 시스템을 두 기관실에 설치할 수 있습니다. 두 개의 MRG를 제거하고 4개의 GE LM2500 HTS GTG에 연결된 두 개의 HTS 주추진 모터로 교체하면 기계 장치와 동일한 출력을 얻을 수 있습니다. GTG 스위치보드의 위치는 각 기관실 구역에 그대로 유지할 수 있습니다.
연속 냉각수가 필요한 전력 전자 캐비닛으로 가득 찬 엔지니어링 공간은 해양 환경에서 기존 기계식 모터 및 발전기에 비해 신뢰성이 현저히 낮은 것으로 나타났습니다. 시스템 신뢰성은 최하위 하위 시스템의 신뢰성과 유사할 수밖에 없으며, 이는 선박의 가용성에 상당한 영향을 미칩니다. 모터 구동 및 제어 캐비닛을 제거하고 표준 스위치보드를 통해 SEP GTG를 추진 모터에 직접 연결하면 SEP 신뢰성이 알레이버크급 기계식 플랜트 신뢰성 지표에 근접할 것입니다.
DDG-51 All-Electric Ship
줌왈트급 통합 전력 시스템은 전기 추진 선박의 이점을 제공했지만, 엔지니어링 플랜트 전력 밀도, 단순성, 그리고 신뢰성 측면에서 상당한 단점을 안고 있었습니다. 줌왈트급 설계에 필요한 대부분의 전력 전자 장치 및 제어 시스템을 제거함으로써, 알레이버크급에 필적하는 전력 밀도, 단순성, 그리고 신뢰성을 갖춘 전기 추진 SEP 엔지니어링 플랜트를 구현할 수 있게 되었습니다.
알레이버크급 의 노후화를 감안하더라도 전기 추진 방식의 업그레이드가 매력적인 추가 장착 옵션이 아니더라도, 향후 모든 군함과 잠수함은 동기 전기 추진 방식의 전력 밀도와 신뢰성으로부터 이익을 얻을 수 있을 것입니다.
John M. Ulliman은 2006년 Northrop Grumman Corporation에서 American Superconductor 부사장으로 합류했습니다. 그는 노스롭 그루먼에서 해양 캠페인 담당 이사, HII Ingalls Shipbuilding 사업 개발 및 입법 담당 이사, Zumwalt급 구축함 추진 및 동력 시스템의 선도함 설계, 통합 및 시험을 담당하는 잉걸스 통합 동력 시스템 프로그램 이사, 그리고 전자 시스템 부문 C4I 및 해군 사업부 사업 개발 및 기획 이사 등 다양한 임원직을 역임했습니다. 그는 Purdue University에서 공학 학사 학위를 받았습니다.
알벜은 죽지 않는다
2035년 이후에도 주문 들어가는 알벜 플라이트 4 잘하면 볼 수 있을 듯
좀 버려라
플4는 우리한테 주문하면 잘 뽑아드립니다
슈퍼 알벜드가재