proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2017 год
  Агентство  ПРоАтом. 20 ЛЕТ с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Обсудим?!
ОЯТ не перерабатывать! Только захоранивать, не нарушая оболочек твэлов
Согласен
Согласен с оговорками
Не согласен

Результаты
Другие опросы
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. Информация: (812) 438-32-77, E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
PRo Рекламу

[01/06/2017]     Отечественные корабельные дизельные энергетические установки

В.С.Никитин, гендиректор ФГУП «Крыловский государственный научный центр», д.т.н., проф., В.Н.Половинкин, советник гендиректора ФГУП «КГНЦ», д.т.н., проф., В.В.Барановский, проф. ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия», д.т.н.

У российского машиностроения и кораблестроения имеются все потенциальные возможности по созданию перспективных судовых и корабельных как атомных, так и неатомных энергетических установок любого потребного типа, предназначения и мощности.



К основным видам неатомных энергоустановок (НЭУ), которые применяются и в перспективе будут применяться на кораблях, традиционно относят котлотурбинные установки (КТЭУ), дизельные (ДЭУ) и газотурбинные (ГТЭУ), а также их комбинированное сочетание. Перечень возможных вариантов корабельных комбинированных ЭУ включает в себя следующие схемные решения:

- дизель-дизельная (ДДЭУ);

- дизель-газотурбинная (ДГТЭУ);

- газо-газотурбинная (ГГТЭУ);

- дизель-электрическая газотурбинная (ДЭГТЭУ);

- газотурбинная – электрическая (ГТЭЭУ);

- котло-газотурбинная (КГТЭУ);

- атомно-котлотурбинная (АКТЭУ);

- атомно-газотурбинная (АГТЭУ).

Основу КЭУ составляют тепловые двигатели (ТД), три поколения которых было создано в послевоенный период для ВМФ СССР (табл. 1). Сегодня отечественное машиностроение работает над созданием отдельных образцов ТД четвертого поколения. Примером разрабатываемого двигателя  IV поколения может служить дизель Д500К Коломенского завода.

Табл. 1 Поколения отечественных тепловых двигателей

 

К числу наиболее востребованных судовых и корабельных энергетических установок (КЭУ) даже с учетом далекой перспективы развития ВМФ и других морских транспортных средств, в первую очередь следует отнести дизельные энергетические установки. На рис. 1 представлено примерное распределение типов СЭУ c середины XX до середины XXI вв. Предпочтительные мощностные характеристики СЭУ будут определяться типом судов, их водоизмещением и предназначением. Максимальная мощность ДЭУ для судов водоизмещением свыше 150-200 тыс. т может составлять 45-50 МВт и выше.

 

Дизелестроение в СССР/России

Дизельному двигателю исполняется уже 120 лет, но и на сегодняшний день он является самой эффективной тепловой машиной. Коэффициент полезного действия (КПД) у дизеля даже без системы утилизации отводящегося тепла составляет 45% и выше. При наличии комплексной системы утилизации его значение может достигать 60%. По этой причине дизели являются самыми востребованными ТД в мире. Например, только народному хозяйству России ежегодно требуется около 250 тыс. дизельных двигателей разных мощностных характеристик.

Вплоть до 1991 г. СССР входил в клуб стран (США, Германия, Англия, Италия, Швейцария, Финляндия и Япония), имеющих развитое дизелестроение. Отечественное судовое, тепловозное и промышленное дизелестроение всегда являлось одной из  наиболее наукоемких отраслей тяжелой промышленности. Поэтому ее развитию соответствовала и научно‑производственная структура в  виде «Союздизельмаша» Министерства тяжелого и транспортного машиностроения СССР, которая объединяла 14 крупных заводов, 3 института, самостоятельные конструкторские бюро турбокомпрессоров и дизелей. Сегодня позицию одного из лидеров мирового дизелестроения наша страна утратила. Однако при должной поддержке на уровне государства и регионов отечественное дизелестроение может занять достойное место на мировом рынке.

После введения европейских санкций в отношении России особо остро встал вопрос об оснащении новых кораблей Военно-морского флота двигателями отечественного производства.

Рис. 1. Распределение типов СЭУ

(ДУ - дизельные установки; ГТУ – газотурбинные установки; ПТУ – паротурбинные установки; АЭУ – атомные энергетические установки)

ДЭУ получили наибольшее распространение на кораблях и судах ВМФ благодаря своим достоинствам, к которым относят:

- высокую топливную экономичность дизелей в широком диапазоне нагрузок. Удельный расход топлива современных отечественных корабельных среднеоборотных двигателей на полной (номинальной) мощности составляет 0,166 - 0,179 кг/(кВт ч), а высокооборотных – 0,200 - 0,210 кг/(кВт ч). Этот показатель ниже в 1,8-2,0 раза по сравнению с КТЭУ и в 1,2-1,9 раза по сравнению с ГТЭУ. На нагрузках до 50% от номинальной экономичность дизелей практически не изменяется, в то время как у КТЭУ и ГТЭУ она резко снижается и становится хуже, чем у дизельных ЭУ в 2,0-2,5 и в 1,5-2,2 раза, соответственно;

- относительно небольшой удельный расход воздуха 6,3-8,4 кг/(кВт×ч) - в 4¸5 раз меньший, чем у ГТЭУ, что позволяет снизить массогабаритные характеристики воздухоприемных шахт и дымовых труб. Кроме того, малое количество отработавших газов по сравнению с другими типами неатомных ЭУ способствует снижению тепловой заметности корабля;

- возможность работы с противодавлением на выпуске, что позволяет организовать газоотвод в борт корабля ниже или в район переменной ватерлинии. Такое конструктивное решение неприемлемо для кораблей с КТЭУ и ГТЭУ. Их газоотводы имеют большие по сравнению с ДЭУ размеры и должны располагаться на верхней палубе, площадь которой остродефицитна, так как предназначена для размещения оружия и вооружения, кроме того, выхлоп в воду уменьшает тепловую заметность корабля;

- меньшая по сравнению с ГТЭУ чувствительность к повышению температуры атмосферного воздуха (особенно по сравнению с ГТЭУ);

- высокие маневренные качества;

- готовность к немедленному действию и простота мер поддержания этой готовности;

- достаточно хорошая живучесть в условиях сильных сотрясений;

- высокая освоенность дизелей в производстве обеспечивает им сравнительно хорошие показатели надежности.

В то же время ДЭУ присущи и недостатки, к которым следует отнести:

- относительно малую агрегатную мощность по сравнению с КТЭУ и ГТЭУ (для высокооборотных дизелей она не превышает 7400 кВт, а для СОД – 26000 кВт) при значительно большей по сравнению с газотурбинными двигателями удельной массой (она составляет 1,9-11,6 кг/кВт для ВОД и 9,0-21,0 кг/кВт для СОД);

- повышенные уровни шума и вибрации;

- высокая чувствительность к перегрузкам;

- резкое снижение допустимой мощности при уменьшении частоты вращения коленчатого вала;

- высокая стоимость дизельного топлива;

- повышенный расход смазочного масла, стоимость которого в 4¸5 раз превышает стоимость топлива;

- достаточно высокая сложность конструкции;

- неравномерность крутящего момента, наличие значительных крутильных колебаний на валу отбора мощности.

 

Энергетические установки перспективных боевых кораблей

Атомные энергоустановки

По мнению специалистов на перспективных атомных подводных лодках (АПЛ) водоизмещением от 3500-4000 т и более будут устанавливаться ядерные энергетические установки (ЯЭУ) скорее всего с моноблочными ядерными реакторами с увеличенной кампанией активной зоны, позволяющей эксплуатировать корабли на полный срок их службы без перезарядки реакторов. На ближайшие годы водо-водяные реакторы останутся наиболее надежными и приемлемыми энергоисточниками для боевых кораблей. Однако представляются перспективными и целесообразными разработки высокотемпературных реакторов, в том числе, с газовым теплоносителем. Возможны и другие решения, направленные на создание установок замкнутого цикла, например, создание термоионных систем, в которых тепловая энергия ЯР непосредственно преобразуется в электрическую с помощью термоионных твэлов и др.

По мнению академика Ф.М.Митенкова, помимо определения базовых реакторов с водяным теплоносителем (ВВЭР, РБМК, PWR, BWR), практическое подтверждение получила идея расширенного воспроизводства ядерного топлива в реакторах, то есть возможность организации такого нейтронно-физического процесса, при котором количество вновь образующихся делящихся изотопов существенно превышает количество разделившихся (коэффициент воспроизводства КВ > 1). Такие реакторы позволят создать двухкомпонентную структуру ядерной энергетики (реакторы-размножители и тепловые реакторы), при которой тепловые реакторы работают на избыточном ядерном топливе, нарабатываемом в реакторах-размножителях. Реакторы-размножители могут эффективно использоваться не только для расширенного воспроизводства ядерного топлива, но и для утилизации оружейного плутония, выжигания долгоживущих компонентов отходов отработавшего топлива перед захоронением. Общепризнанной сегодня является роль реакторов на быстрых нейтронах для будущего развития ядерной энергетики как основы решения проблемы топливного обеспечения с использованием как уран-плутониевого, так и торий-уранового замкнутых топливных циклов.

Предпочтительным направлением в развитии КЯЭУ при меньшем водоизмещении АПЛ (около 2000 т и менее) является возвращение к идее реакторов с жидкометаллическим теплоносителем.

Отличительной особенностью перспективных кораблей может являться широкое внедрение единых электроэнергетических систем (ЕЭЭС). Такая ЕЭЭС предусматривает интеграцию комплексов корабельной энергетики и ЭЭС в единую систему с централизованным управлением и контролем. Применительно к атомным подводным лодкам схема реализации ЕЭЭС может быть следующая: электроэнергия,  вырабатываемая атомным турбогенератором, преобразуется в электрическую энергию с необходимыми для всей номенклатуры корабельных потребителей параметрами (по току, напряжению и частоте, а также трансформации переменного тока в постоянный ток и наоборот). Обязательными элементами такой системы являются накопители ЭЭ различной физической природы.

К перспективным КЭУ с электродвижением относятся:

- дизель-электрическая (ДЭЭУ);

- дизель-электрическая с АБ (ДЭЭУ-П);

- котло-турбо-электрическая (КТЭЭУ);

- газо-турбо-электрическая (ГТЭЭУ);

- атомно-электрическая с ППУ (АЭЭУ);

- атомно-электрическая с ГНУ (АЭЭУ-Г).

Неатомные ЭУ

На подводных кораблях водоизмещением от 500 до 3000 т по-прежнему будут устанавливаться неатомные ЭУ. Современные ЭУ неатомных ПЛ принято разделять на:

- дизель-электрические ЭУ с АБ (ДЭЭУ);

- ЭУ на основе двигателей с внешним подводом теплоты (ЭУ с ДВПТ);

- ЭУ на основе двигателей, работающих по замкнутому или полузамкнутому циклу (например, ЭУ с ДЗЦ);

- ЭУ на основе топливных элементов.

Для ЭУ подводных лодок с неатомной энергетикой возможны два основных направления развития. Первое – это совершенствование традиционных дизель-электрических энергетических установок (ДЭЭУ). В качестве перспективных могут рассматриваться одновальные дизель-электрические ПЛ с малошумными винтами фиксированного шага (или с водометными движителями), с одним главным гребным электродвигателем, мощными выпрямительными агрегатами, дизель-генераторами. В качестве привода генераторов целесообразно использовать форсированные легкие высокооборотные дизели (ВОД) с частотой вращения от 1200 до 1800 об/мин и агрегатной мощностью от 700 до 1500 кВт, способные устойчиво работать при повышенных разряжении на всасывании и противодавлении на выпуске. Допускается установка среднеоборотных дизелей.

Дальнейшее совершенствование ЭУ неатомных ПЛ включает:

- повышение мощности и КПД электрических машин;

- совершенствование традиционных и разработка принципиально новых, обладающих высокой удельной энергией и емкостью аккумуляторных батарей, например, серебряно-цинковых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, натриевых и хлорно-литиевых аккумуляторов с удельной емкостью, в 10-12 раз большей, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов;

- использование высокотемпературной сверхпроводимости и др.

В США, Швеции и Великобритании в последние годы ведутся работы по созданию железно-литиевых АБ (ЖЛА). Главными требованиями, предъявляемыми к таким АБ являются:

- конструктивное исполнение их в герметичном контейнере;

- способность работать в экстремальных условиях размещения внутри прочного корпуса ПЛ;

- срок службы 10 лет и более.

В ЖЛА литий применяется в виде сплава с алюминием, в качестве электролита используется многокомпонентный эвтектический расплав (основа LiCl и КСl). В Швеции проведены испытания литий-онил-хлоридных АБ. Среди возможных типов АБ для ДЭПЛ рассматриваются никель-алюминиевые и серебряно-железные АБ.

В последнее время рассматриваются варианты размещения перспективных источников накопления ЭЭ, обладающих нулевой или даже положительной плавучестью вне прочного корпуса ПЛ.

Практическая реализация этих мероприятий позволяет создавать высокоэффективные мощные неатомные ЭУ, способные обеспечивать длительное нахождение ДЭПЛ под водой.

Перспективны также разработки гибридных энергетических систем, в которых объединены высокоемкие, но маломощные источники тока (например, воздушно-цинковые элементы) и источники тока, способные к разряду большими токами, например, литий-ионные батареи или ионисторы. В этом случае при переменной нагрузке удается извлечь энергию большую, чем суммарная энергия обоих источников тока, и при более высоком напряжении.

Воздухонезависимые ЭУ

Вторая тенденция – создание принципиально новых, в том числе анаэробных или воздухонезависимых энергетических установок (ВНЭУ) подводных лодок. Такие энергетические установки позволяют создавать неатомные ПЛ, которые по своим оперативно-тактическим характеристикам и скрытности (в первую очередь – времени непрерывного нахождения под водой) сравнимы с АПЛ. Прежде всего, это малошумные двигатели Стирлинга с внешним подводом тепла, которые можно использовать в подводном положении, как для привода движителя, так и для подзарядки АБ.

Не менее перспективно использование в составе ЭУ неатомных ПЛ топливных элементов (ТЭ) – электрохимических преобразователей энергии с непосредственным превращением химической энергии в электрическую без каких-либо промежуточных этапов, с КПД, достигающим 70%.

Еще одним типом анаэробной ЭУ могут являться дизельные установки замкнутого типа. Если топливные элементы и двигатели Стирлинга могут обеспечить в основном экономический ход неатомной ПЛ, то дизели замкнутого цикла способны обеспечить весь спектр скоростей хода на полную автономность.

По мнению специалистов, после 2030 г. применение воздухонезависимых энергетических установок на неатомных ПЛ будет доминирующим во всех флотах мира. До этого времени будут интенсивно развиваться гибридные энергетические установки, включающие в свой состав традиционную дизель-электрическую и вспомогательную ВНЭУ. В целом, перспективные направления развития ВНЭУ связаны с созданием:

- ЭУ на основе дизеля, работающего по замкнутому циклу (ДЗЦ);

- ЭУ на основе двигателя с внешним подводом тепла (ДВПТ);

- ЭУ на основе электрохимических генераторов (ЭХГ).

В настоящее время в западной Европе исследованием ДЗЦ продолжают заниматься фирмы: “Thyssen Nordsee Werke” (TNSW, Германия); “Carlton Deep Sea System” (CDSS, Великобритания); “Motoren and Turbinen Union” (MTU, Германия); “Rotterdamshe Droogdok Maatschappij” (RDM, Нидерданды); “GEC Marine” (Великобритания).

К ДВПТ относят двигатели, работающие по замкнутому регенеративному циклу Стирлинга. Эти двигатели представляют собой поршневые двигатели с газообразным рабочим телом и замкнутым термодинамическим циклом, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур. Современным ДВПТ присущи следующие достоинства:

- высокий теоретический КПД;

- высокая удельная мощность; малые габариты и масса; возможность работы на дешевых сортах топлива;

- бесшумная работа; отсутствие вибрации;

- малая токсичность продуктов сгорания;

- отсутствие помех радиоприему.

При этом ЭУ с ДВПТ не лишены и недостатков, таких как:

- более высокая стоимость, связанная главным образом с необходимостью применения дорогостоящих сталей и сплавов для изготовления теплообменников;

- повышенные требования к уплотнению двигателя с целью недопущения утечки рабочего газа при высоких давлениях и температурах в цилиндре;

- повышенный расход охлаждающей воды и необходимость применения радиаторов

большой площади, так как основной теплоотвод осуществляется в охлаждающую воду;

- сложность системы регулирования;

- более высокие массогабаритные показатели.

Работы по созданию и совершенствованию двигателей Стирлинга ведутся в Швеции, Германии, Великобритании, Нидерландах, Италии, а также в США и ряде других стран. Исследования процессов в ДВПТ проводятся крупнейшими зарубежными компаниями и научными центрами: United Stirling AB und Co (Швеция); N.V.Philips Co (Нидерланды); MAN-MWM (Германия); Ford Motor Co (США); General Motors Corp. (США); Mechanical Technology Incorp. (США); Solar Energy Research Institute (США); University of Winsconsin (США); University of Tokyo (Япония); Mitsubishi Electric Corp. (Япония); Ricardo (Великобритания) и др.

Однако ЭУ с ЭХГ является наиболее предпочтительной для неатомной ПЛ и имеет самые широкие перспективы. Эти установки имеют неоспоримые достоинства:

- высокое значение КПД (до 50-75 %);

- процесс генерирования электроэнергии – абсолютно бесшумный, что позволяет использовать такую установку при выполнении наиболее малошумных операций, которые до настоящего времени возможны только при использовании АБ;

- вследствие отсутствия в составе ЭУ узлов, совершающих вращательное или колебательное движения, и достаточно малого тепловыделения, не нарушается скрытность ПЛ;

- высокое значение КПД ЭУ с ЭХГ обусловливает столь малое количество тепла, которое необходимо отводить от установки, что ПЛ, оборудованная такой ЭУ, может в процессе выполнения операции в течение суток не использовать забортную охлаждающую воду;

- процесс преобразования энергии происходит при низкой температуре (60-900С);

- работа установки не зависит от глубины погружения ПЛ;

- система хорошо поддается управлению и контролю, отличается высокой ремонтопригодностью и большим сроком службы;

- абсолютная экологическая чистота.

Основой ВНЭУ на базе ЭХГ является электрохимический модуль с полимерным электролитом. Каждый модуль помещается в прочном корпусе, куда под избыточным давлением подается азот, что позволяет выполнить контроль ЭУ в отключенном состоянии. Все модули устанавливаются на единой раме и могут быть соединены как последовательно, так и параллельно.

Перспективными для широкого применения на кораблях ВМФ являются твердополимерные топливные элементы (ТПТП). В последнее время активно разрабатывается направления по созданию твердооксидных ТЭ (ТОТЭ). Ряд зарубежных фирм занимаются созданием мощных стационарных установок выработки электроэнергии на основе карбонатных топливных элементов. Возможные типы топливных элементов приведены в табл. 2.

Табл. 2 Типы топливных элементов

Системы хранения кислорода и водорода на ПЛ

Оптимальной формой хранения кислорода на борту ПЛ являются ударозащищенные криогенные цистерны, где кислород находится в сжиженном состоянии. Наиболее безопасным способом хранения водорода на ПЛ является его хранение в связанной форме металлогидрида в баллонах, расположенных в межбортном пространстве. Специальный состав металлов в сплаве может принять достаточно много водорода в свою решетчатую структуру, более чем это можно сконцентрировать в жидкой форме. Изоляция водорода при хранении на ПЛ в металлогидридном сплаве имеет огромное преимущество. Гидридное хранение водорода не нуждается в обслуживании и может быть установлено как вне, так и внутри прочного корпуса.

Для средне- и долгосрочной перспективы рассматривается еще один вариант хранения водорода – в угольных нановолокнах. При этом исключается необходимость в тяжелых и дорогих металогидридных цистернах. А наиболее перспективным направлением является получение водорода на борту ПЛ посредством риформинга дизельного топлива. Такая технология, не имеющая аналогов в мировой практике, разрабатывается специалистами ФГУП «Крыловский государственный научный центр».

Примером успешного создания ПЛ с ЭХГ может являться немецкий подводный корабль проекта 212. Его энергоустановка включает в себя двигатели и АБ:

1.      дизельный: MTU 8V183/396 1050 кВт (фирмы «Siemens») — для плавания в режиме РДП, на поверхности и для зарядки аккумуляторных батарей (АБ);

2.      электрический: — воздухонезависимый двигатель «Siemens SINAVYCIS Permasin» — электродвигатель постоянного тока со встроенным регулятором частоты на IGBT-электронике мощностью 1700 кВт. Он предназначен для обеспечения экономичного хода. Приводится в действие энергетической установкой фирмы «Howaldtswerke Deutsche Werft AG», состоящей из 9 протон-обменных топливных элементов Siemens SINAVYCIS PEM BZM34, включающих в себя цистерны с криогенным кислородом и ёмкости с гидридом металла (специальный сплав металла в соединении с водородом (всё расположено вне прочного корпуса).

3.      2 серебряно-цинковые аккумуляторные батареи по 144 элемента.

Рис. 2. Подводная лодка проекта 212А

Для кораблей противоминной обороны (ПМО) во всех странах мира альтернативы дизельному двигателю и ДЭУ практически нет. Только дизель в маломагнитном исполнении, как самый экономичный тепловой двигатель, способен обеспечить наибольшую дальность плавания кораблей ограниченного водоизмещения, высокую надежность в условиях сильных сотрясений, высокую приемистость и готовность к немедленному действию в сочетании с низкой тепловой, электромагнитной, акустической следностью тральщиков-искателей мин. Например, тральщик проекта 266М снабжен маломагнитными дизелями М-503Б-37, двумя дизельными генераторами ДГРА-200/1500, дизельным генератором ДГРА-100/1500.

ЭУ на кораблях разного водоизмещения

Следовательно, корабли ПМО водоизмещением от 100 до 1500 т и далее будут преимущественно комплектоваться ДЭУ, в состав которых будут входить дизели в маломагнитном исполнении.

Боевые катера водоизмещением до 500 т, боевые корабли малого и среднего водоизмещения до 3000 т будут снабжаться ДЭУ, ГТЭУ, а также комбинированными ДГТЭУ и ГГТЭУ. Таким образом, в перспективе до 2030 г. на боевых катерах и кораблях водоизмещением до 3000 т будут применяться либо дизельные (в составе от 2 до 4 высоко- или среднеоборотных дизелей), либо комбинированные дизель-газотурбинные ЭУ (в составе 1-2 ВОД или СОД и 1-2 ГТД), как компромисс между экономичностью одних и высокой удельной мощностью при минимальной массе других.

На надводные корабли большого водоизмещения (фрегаты, эсминцы, крейсера, авианосцы) водоизмещением от 3000 до 40000 т будут устанавливаться газотурбинные и комбинированные газо-газотурбинные ЭУ (ГГТЭУ) различных конструкций. На кораблях водоизмещением до 100000 т – ЯЭУ и КТЭУ.

Десантные корабли и вспомогательные корабли и суда обеспечения (военно-транспортные, спасательные, экспедиционные, гидрографические суда; плавбазы, танкеры, водолеи, буксиры, плавучие мастерские, транспорты боеприпасов; корабли береговой охраны и измерительных комплексов и т.п.), без которых невозможно эффективное выполнение задач ВМФ, в подавляющем большинстве в качестве главных двигателей будут использовать мощные (от 5000 до 20000 кВт), экономичные, со значительным техническим ресурсом среднеоборотные дизели. При недостатке агрегатной мощности на эти корабли и суда будут устанавливаться многомашинные (как правило, двухмашинные) ЭУ. На десантные катера и корабли на воздушной подушке – ГТЭУ.

Анализ данных по дизелям, установленным на кораблях и судах отечественного ВМФ, показывает, что освоенные в производстве типы дизелей будут находиться в эксплуатации по крайней мере десять ближайших лет.

 

Совершенствование корабельных дизелей

Перспективными направлениями совершенствования корабельных дизелей в настоящее время являются:

- рост форсировок рабочего процесса по среднему эффективному давлению (22-30 бар для четырехтактных и 18-19 бар для двухтактных дизелей), что обеспечивает существенное (в 2-3 раза) улучшение удельных мощностных показателей дизелей;

- радикальное снижение вредных выбросов за счет оптимизации физических процессов в цилиндре и регулировок;

- расширение номенклатуры применяемых видов топлива;

- применение особо эффективных систем автоматического контроля, управления и регулирования;

- поиск и применение эффективных смазочных масел.

Рост форсировок рабочего процесса перспективных дизелей требует увеличения давления наддува до 5-6 кг/см2. Дизели с давлением наддува до 6 кг/см2  условно относят к дизелям со сверхвысоким наддувом (ДВС СВН). Такие дизели производятся за рубежом (например, дизели фирм «General Electric», «Rolls Royce», «General Motors», «Westinghouse»). Они строятся малыми сериями и применяются в составе ЭУ перспективных надводных кораблей зарубежных ВМС. Конструкции дизелей должны допускать получение требуемой мощности как за счет изменения числа цилиндров от 4 до 20 в одном агрегате, так и изменением объема самих цилиндров (уменьшение/ увеличение диаметра поршня). В РФ созданием ДВС СВН занимается только ОАО “Коломенский завод”.

Считается, что высокий и сверхвысокий наддув при наличии топливной аппаратуры с электронным управлением и давлением впрыска более 200 МПа обеспечат высокий уровень форсировки с Pe до 4,0-5,0 МПа и Pz = 15-20 МПа при высокой топливной экономичности этих двигателей. Электронные регуляторы в сочетании с комбинированными камерами сгорания, оптимальными формами крышки цилиндра и объема в поршне позволят рационально организовать рабочий процесс и снизить содержание вредных веществ в отработавших газах, тем самым создать экологически безопасные, многотопливные (способные работать как на тяжелых топливах, так и на горючих газах, в том числе водороде) двигатели, адаптивные при использовании на разных кораблях и судах и в различных эксплуатационных условиях.

В целом, энергетические установки с дизельными двигателями в настоящее время являются самыми экономичными по расходу органического топлива установками и находят широкое применение в военных флотах всех стран мира. Например, на удовлетворение потребностей современного судостроения и кораблестроения зарубежных ВМС ориентированы практически все зарубежные ведущие дизелестроительные фирмы: MTU, MAN и B&W (Германия), MaK, Caterpilar, Cummins, GME (США), Pielstick (Франция), Iveco (Италия), Wärtsilä (Финляндия), Sulzer (Швейцария), Mitsubishi, YANMAR и Daihatsu (Япония), Volvo Penta (Швеция), Guascor (Испания), ABC (Бельгия).

 

Программа дизелестроения в РФ

Распоряжение Правительства РФ от 21 апреля 2011 г. № 710-р утвердило концепцию подпрограммы «Создание и организация производства в Российской Федерации в 2011-2015 гг. дизельных двигателей и их компонентов нового поколения». В рамках данной программы предприятиями велась разработка многоцелевого дизельного двигателя нового поколения размерности 26,5/31 (ЧН26,5/31) с цилиндровой мощностью 500 л.с. при частоте вращения 1000 об/мин. При этом предусматривалась разработка и создание типоразмерного ряда дизелей с агрегатными мощностями от 1000 л. с. (735 кВт) в рядном исполнении (ОАО «Пензадизельмаш») до 10000 л.с. (7400 кВт) в V-образном исполнении (ОАО «Коломенский завод»), которые могут и должны быть использованы в качестве главных и вспомогательных энергетических установок кораблей и судов ВМФ, а также на предприятиях госкорпорации «Росатом». К сожалению, данная проблема до настоящего времени не решена.

Дизелестроение - приоритетная отрасль российской промышленности, стимулирующая развитие ряда других отраслей, и в первую очередь, судостроения и военного кораблестроения. Длительный кризис в этой отрасли, а также отсутствие должного внимания к ней со стороны руководства государства привели к необратимым последствиям. Часть предприятий переквалифицировались на производство новой продукции, другие - прекратили свое существование, третьи пытаются выжить в конкурентной борьбе с иностранными компаниями.

В качестве примеров утраченных дизелестроительных производств можно привести: бывший завод Нобеля - ОАО «Русский дизель» со специальным конструкторским бюро дизелестроения (создававшего главные двухтактные среднеоборотные двигатели (СОД) собственной конструкции мощностью 3440, 4700 и 6305 кВт при n=640-900 об/мин, двигатели по лицензии фирмы MAN мощностью 450-1800 кВт при n=900-1000 об/мин и двигатели по лицензии фирмы «Semt-Pielstik» мощностью 2868-3330 кВт при n=520-550 об/мин); построенный в 1980–1990-е гг. ОАО «Ленинградский дизельный завод» (производивший среднеоборотные двигатели по лицензии фирмы «Wärtsilä» мощностью 580-7380 кВт при n=720-1000 об/мин). После развала СССР ряд производств оказались за границей РФ.

В России образовалась свободная ниша на рынке мощных среднеоборотных дизелей для ВМФ. Такую продукцию выпускают только ОАО «РУМО» и ОАО «Коломенский завод». Но приоритетным направлением «Коломенского завода» является выпуск тепловозных дизелей типа Д49. ВМФ в первую очередь требуются СОД в качестве главных двигателей агрегатной мощностью от 4500 до 12000 кВт. Главной особенностью рынка среднеоборотных дизелей сегодня является отсутствие крупных серий, широкий ассортимент двигателей различного назначения, комплексная поставка дизеля и периферийных узлов для его работы. Обеспечить стабильное производство и продажу двигателей в таких условиях возможно только при наличии типоразмерных рядов двигателей, созданных на базе модульной конструкции, обеспечивающей унификацию узлов не менее чем на 80-85%.

В связи с уходом производителей в страны СНГ (например, ОАО «Юждизельмаш» Украина, ОАО «Ригас Дизелис», Латвия и др.) подобное положение сложилось и на рынке маломощных (до 100 кВт) высокооборотных судовых дизелей и дизель-генераторов. Сегодня в РФ только ОАО «Дагдизель» производит двигатели мощностью до 44 кВт, но их параметры не изменялись уже многие десятилетия.

В части экономичности, надежности, требуемой агрегатной мощности, показателей экологической безопасности, ни один из выпускаемых в настоящее время судовых двигателей российского производства не отвечает в полной мере современным требованиям ВМФ. В то же время разработка мощностного ряда судовых дизелей для российского судо- и кораблестроения крайне необходима. Без вмешательства государства исправить положение в российском дизелестроении невозможно.

 

Проблемы в отечественном дизелестроении

Проблемы в отечественном дизелестроении характерны для большинства предприятий. Во-первых, необходимость серьезной модернизации. Средний возраст основного оборудования на предприятиях машиностроительного комплекса превышает 20 лет, а их мощности загружены не более чем на 30%.

Во-вторых, отечественному производителю становится все сложней конкурировать с зарубежными производителями, которые делают крупные инвестиции в развитие отрасли и предлагают потребителям более совершенную продукцию. Важнейшей проблемой, которая препятствует развитию отрасли, является нехватка квалифицированных рабочих кадров.

Практически на всех дизелестроительных заводах объемы исследовательских и проектных работ по развитию и совершенствованию судовых двигателей значительно сократились или вообще отсутствуют. Многие годы параметры производимых дизелей остаются неизменными, отсутствуют новые технические решения по повышению надежности, мощности, улучшению показателей экономичности, автоматизации и контроля параметров двигателей и т.д.

Устаревшие технологии и отсутствие должного финансирования НИОКР не позволяют отечественному производителю предложить ВМФ и гражданскому судостроению современные качественные дизеля. Например, российские дизели имеют среднее эффективное давление от 0,5 до 1 МПа, в то время как современные зарубежные двигатели достигли 3 МПа и более. Такой уровень форсированности иностранных образцов был обеспечен за счет высокого наддува, а также увеличения давления впрыска топлива.

Ещё одной негативной чертой отечественного дизелестроения является короткий модельный ряд выпускаемых дизелей. Российские дизелестроительные заводы производят судовые двигатели в недопустимо узких диапазонах мощности и ориентированы на ограниченный круг потребителей. 70% дизелестроительных заводов, практически дублируя друг друга, выпускают дизели в диапазоне мощностей от 500 до 1500 кВт. Только три завода отрасли имеют более широкий мощностной диапазон, но и он не покрывает в полной мере потребности военного кораблестроения и судостроения. В то же время ведущие зарубежные фирмы: MTU, MAN и B&W (Германия), MaK, Caterpilar, Cummins, GME (США), Pielstick (Франция), Iveco (Италия), Wärtsilä (Финляндия), Sulzer (Швейцария), Mitsubishi, YANMAR и Daihatsu (Япония) и др., выпускают двигатели различной размерности в диапазоне мощностей от нескольких единиц до нескольких десятков тысяч кВт, образующие единые типоразмерные ряды, в которые объединены унифицированные по конструкции модификации (от нескольких десятков до нескольких сотен), отличающиеся числом цилиндров, частотой вращения, уровнем форсирования, комплектацией и др. Это позволяет иностранному производителю существенно расширить номенклатуру разрабатываемых модификаций двигателей, поднять количественный выпуск и ускорить процесс разработки новых двигателей.

Еще одной серьезной проблемой является активное проникновение на рынки России контрафактной продукции, поставляемой фирмами-посредниками.

Судовые дизельные двигатели в России производят 10 предприятий, несколько десятков предприятий специализируются на производстве комплектующих. Практически все дизелестроительные предприятия акционированы в виде открытых акционерных обществ, которые ведут обособленную деятельность, стараясь выжить в условиях общей стагнации промышленности. В результате единой технической политики в развитии отечественного дизелестроения практически нет. Кроме того, деятельность многих дизелестроительных фирм и их потребителей направлена не на создание новых конкурентоспособных двигателей и завоевание рынков, а на производство устаревших лицензионных дизелей или их закупку у иностранных производителей. До 80% комплектующих элементов современных отечественных дизелей производятся за рубежом. При сохранении такой ситуации покупатель конечной продукции, в том числе и ВМФ, может найти более выгодные предложения у зарубежных партнеров, например, в Китае.

Основными производителями дизельных двигателей судового, промышленного и тепловозного назначения в России являются: ПАО «Звезда» (Санкт-Петербург), ОАО «Коломенский завод», ОАО «Брянский машиностроительный завод», ОАО «Пенздизельмаш» (управляющая компания ЗАО «Трансмашхолдинг»), ОАО «Барнаултрансмаш», ОАО «Волжский дизель им. Маминых» (г. Балаково Саратовской обл.), ОАО «РУМО» (Нижний Новгород), ОАО «Дагдизель» (г. Каспийск), ООО «Уральский дизель-моторный завод» (Екатеринбург).

 

Петербургская «Звезда»

 ПАО "ЗВЕЗДА" - единственное предприятие в России, разрабатывающее и производящее высокооборотные судовые дизельные двигатели мощностью более 500 кВт с минимальными весогабаритными показателями. За 60 лет дизелестроительной истории ПАО "ЗВЕЗДА" разработало и передало в эксплуатацию более 200 модификаций двигателей типоразмеров ЧН18/20 и ЧН16/17. В настоящее время ПАО «ЗВЕЗДА» продолжает работу по обеспечению судовыми реверс-редукторными передачами, двигателями и дизель-генераторами перспективных кораблей ВМФ – различных серий сторожевых, разведывательных, десантных и других кораблей (проекты 20380 «Корвет», 21630 «Буян», 11711 «Иван Грен», 21820 «Дюгонь» и др.). Продукция ПАО «Звезда» представлена в табл. 3,4,5,6

Табл. 3 Дизели размерности 16/17

 

Рис. 3 Дизели ПАО «Звезда» серии М500 (М510)

Табл. 4 Дизели размерности 18/20

 

Рис. 4 Дизели ПАО «Звезда» серии М50

Табл. 5 Дизель-генераторы ПАО «Звезда»

Опыт создания редукторов и имеющиеся мощности позволили ПАО «Звезда» стать головным разработчиком реверс-редукторов для ВМФ. Так, разработана универсальная двухскоростная реверс-редукторная передача РРД12000 для корвета проекта 20380. При этом создана уникальная, не имеющая аналогов, конструкция дисковых узлов включения. Ведутся работы по созданию реверс-редукторных передач для БДК проекта 11711, разведывательного судна проекта 18280.

ПАО «Звезда» готово разрабатывать реверс-редукторные передачи на мощность до 15000 кВт, в том числе и для комбинированных дизель-газотурбинных установок, тем более что опыт такой разработки имеется (ДРА М510 для ракетных катеров пр.1241-1 «Молния»).

Табл. 6 Редукторное производство ПАО «Звезда»

На предприятии сохранена уникальная технология разработки и изготовления дизелей в маломагнитном исполнении. Одним из последних изделий этого типа является дизель М503М для тральщиков проектов 02668 и 12700.

Рис. 5 Тральщик проекта 12700 шифр «Александрит»

Для выполнения перспективных требований заказчика ПАО «Звезда» проводит глубокую модернизацию производства, основными направлениями которой являются:

- переход на электронное управление процессом впрыска топлива;

- полное агрегатирование двигателя;

- замена материала ряда основных деталей;

- автоматизация систем контроля и управления с применением элементов диагностики и возможностью встраивания в интегрированную систему корабля и др.


Окончание

 

 
Связанные ссылки
· Больше про Атомный флот
· Новость от Proatom


Самая читаемая статья: Атомный флот:
Энергетические блоки атомного подводного флота

Рейтинг статьи
Средняя оценка: 2.33
Ответов: 3


Пожалуйста, проголосуйте за эту статью:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 4 Комментарии | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Отечественные корабельные дизельные энергетические установки (Всего: 0)
от Гость на 02/06/2017
Вот вроде и НАУЧНЫЙ центр, а оперирует откровенно архаичными цифрами.
На сегодня КПД "лётных" ГТУ приблизился к 40%. Т.е. все разговоры о какой-то исключительной экономичности дизелей это исключительно разговоры. Как разговоры о "больших воздуховодах" ГТУ - при равном КПД за счёт более стехиометрического горения их потребности в воздухе оказываются ниже. Как разговоры о том, что только дизеля способны выпускать выхлоп в режиме противодавления - словно ГТУ намертво привязана к 1 атмосфере. И т.д.
Единственное, что сейчас ограничивает гражданские применения ГТУ - цена топлива. Вернее - цена заложенных в него акцизов. Но, применительно к ВМФ, все акцизы, выплаченные и "сожжённые" флотом возвращаются в бюджетный карман. Из-за чего неядерные корабли тех же Штатов всё больше комплектуются именно ГТУ.
И лишь мы ищем мелочную экономию там, где её нет.


[ Ответить на это ]


Re: Отечественные корабельные дизельные энергетические установки (Всего: 0)
от Гость на 04/06/2017
Коломна по моему обделалась по полной с разработкой нового ДГУ для АЭС?


[ Ответить на это ]


Re: Отечественные корабельные дизельные энергетические установки (Всего: 0)
от Гость на 07/06/2017
Подряд две статьи крыловцев. Есть комментарии, но реакции авторов - ноль.
Ощущение, что "кому-то" просто нужно набрать публикаций. Вне зависимости от содержимого.


[ Ответить на это ]


Re: Отечественные корабельные дизельные энергетические установки (Всего: 0)
от Гость на 08/06/2017
Да все понятно кому. Никитин в член-корры метит, это у него нормальный подход. Он любит, когда за него другие пишут, а он только подписывается


[ Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(812)438-3277
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
Сайт построен на основе технологии PHP-Nuke. Открытие страницы: 0.10 секунды
Рейтинг@Mail.ru