CC BY
34Наиболее значимые судостроительные инновации года
Обеспечивающее более 80 % мирового товарооборота и огромные объемы пассажирских перевозок современное судостроение, стремясь не потерять конкурентных преимуществ, постоянно совершенствует свои конструктивные и технологические решения. В статье проанализированы инновации мирового судостроения, появившиеся в 2021 году. УДК статьи 629.12: 656.612/621
М.И. Гречиков1
ВИНИТИ РАН, канд. техн. наук, viniti@mach.ru
В.А. Грушников2
ВИНИТИ РАН, канд. техн. наук, viniti@mach04.ru
1 заведующий отделением, Москва, Россия
2
2 старший научный сотрудник, Москва, Россия
Для цитирования: Гречиков М.И., Грушников В.А. Наиболее значимые судостроительные инновации года // Компетентность / Competency (Russia). — 2022. — № 5. DOI: 10.24412/1993-8780-2022-5-46-55
ключевые слова
судостроение, исследование, проектирование, изготовление, конструкционные материалы, технологии, экологическая безопасность, энергоэффективность, конкурентоспособность
оменклатура современных судов и кораблей огромна, каждый их тип обладает конструктивно-технологическими особенностями, требующими оптимизированных результатов проектирования и постройки. Наряду с традиционными тенденциями развития судостроения, связанными с повышением технологичности постройки, комфортабельности и пассажировместимости круизных судов, грузовместимости и дедвейта балкеров, контейнеровозов и танкеров, а также энергоэффективности судовых энергетических установок (СЭУ) с дизельными силовыми агрегатами (двигателями внутреннего сгорания, ДВС), в последние два-три года наметились и другие, инновационные тенденции.
Среди них к категории эволюционных следует отнести инновации в совершенствовании фундаментальных характеристик судов. Одна из важнейших характеристик — проектно-экс-плуатационное требование к обеспечению безопасности мореходства путем сохранения остойчивости судна в ходе эксплуатации при сильном волнении. Способ контроля остойчивости судна, предлагаемый в [1], может быть использован при создании экспертных систем навигации. Он основан на данных измерений параметров волнения и их прогнозирования по имитационным математическим моделям динамики судна с определением нагрузки на носовую оконечность при ее обтекании при погружении в волну, поперечной метацентриче-ской высоты и построением диаграммы статической остойчивости, сравниваемой с нормативными требованиями.
На достижение большей безопасности судоходства направлен комплекс усовершенствований с применением автоматических, в том числе робото-технических, устройств управления
пилотируемыми и безэкипажными судами. Автопилоты (рис. 1) на электронной навигационной основе [2] облегчают функции утомленного длительной вахтой рулевого-оператора, позволяют с высокой точностью регулировать дифферент1.
Целью программируемой автоматики на беспилотных и безэкипажных судах является исключение ошибок человеческого фактора, а также использование быстродействия искусственного интеллекта. B пилотном проекте ZERO Федерального министерства экономики и энергетики Германии, например, поэтапная реализация проекта беспилотного судна [3] осуществляется с помощью интегрированного автономного датчика системы принятия решений и управления отслеживаемой информацией для контролируемой эксплуатации СЭУ и рулевого привода. К концу 2022 года в его рамках, по крайней мере частично, должна быть создана автономная навигационная система автопилотного управления с непрерывным функционированием до 8 часов. Цель проекта — снижение вероятных рисков столкновений, в том числе из-за ошибок человеческого фактора, при повышенной интенсивности судоходства, глобализации и оцифровке.
В сфере офшорных технологий следует отметить разрабатываемый и испытываемый переносной буксируемый автономный подводный аппарат для высокоскоростного сбора данных на больших площадях [5] и оптимизируемый (уже действующий) подводный струйный траншеекопатель [6] (рис. 2). Первая (японская) разработка в области подводной геофизической и геологической разведки позволяет получать информацию о морском дне на высоких скоростях (от 0,67
до 1,52 м/с) и в широком диапазоне за счет оснащения подводного аппарата многокамерным устройством отслеживания. Она является высокотехнологичной альтернативой традиционному методу исследования буксируемой косой Manta и позволяет построить несколько 3D-моделей морского дна в автономном режиме. А способ прокладки подводных траншей траншеекопателем, оснащенным так называемым реактивным рукавом с регулируемой форсункой, предложенный китайскими разработчиками, представляет собой инновационную струйную технологию, не повреждающую кабели и не наносящую вреда неорганической окружающей среде, фауне и флоре.
В категориях энергоэффективных и природоохранных инноваций заслуживают внимания способы снижения сопротивления движению судов за счет предотвращения и устранения их биологических обрастаний с минимально возможным ущербом (или его полным отсутствием) для подводного мира. При использовании ультрафиолетового излучения [7] целевому облучению подвергаются только четко идентифицируемые ракушечно-растительные образования — наросты на корпусе и/или движителе судна. Так, при защите от биоотложений водозаборника источник ультрафиолетового излучения помещается внутри него и направлен на наиболее подверженную обрастанию, интенсивно промываемую и/или продуваемую сжатым воздухом защитную решетку [8]. Еще более эффективной оказалась технология целенаправленного кондиционирования воздушно-водной среды с разрушением микрофауны и микрофлоры, действующая по принципу генерирования ультразвуковых волн без применения токсичных ионов, распространения убийственных ультрафиолетовых волн и поражающих токов при химической и катодной защите [9].
К фундаментальным инновационным разработкам принадлежат приро-доподобные технологии, среди которых представляют интерес конструктивно-технологические мероприятия по использованию возможностей биоло-
Рис. 1. Судовой автопилот [Marine autopilot]
гического потенциала и потенциала окружающей среды. К числу первых можно отнести модифицированный маховой движитель для подводных аппаратов с рядом продольных механизмов [10], обеспечивающих за счет волнового движения маховых плоскостей тягу движителя (рис. 3).
В числе вторых — судовая система преобразования тепловой энергии океана в электрическую [11]. Она реализуется по принципу трансформации возобновляемой солнечной энергии, в избытке содержащейся в виде тепла в тропических регионах Мирового океана, представляющего собой огромный резервуар с теплой водой на поверхности и холодной — на глубине
1 дифферент — разность осадки в воде носа и кормы судна
Рис. 2. Подводные робототехнические комплексы
[Underwater robotic systems]
Рис. 3. Подводный аппарат
с маховым или машущим
движителем
[Underwater vehicle
with flywheel or flapping
propulsion]
Рис. 4. Современная дизельная судовая энергетическая установка с каталитическим нейтрализатором отработавших газов [Modern diesel marine power plant with exhaust gas catalytic converter]
с разницей температур минимум 7 °С. Общий КПД тепловой гидроэнергетической системы оценивается примерно в половину предела Карно, или от 3,5 до 4,0 %. В инновационной реализации морская система генерирования электроэнергии на плавучей платформе с КПД около 10 % содержит один или несколько теплообменников, один или несколько турбогенераторов, систему забора и отвода воды, систему швартовки и фиксированный коллектор, имеющий одно или несколько соединений для забора холодной воды, сообщающихся с трубопроводом холодной воды, и одно или несколько соединений для выпуска холодной воды, сообщающихся с системой забора воды плавучей платформы через промежуточный трубопровод для холодной воды.
В списке конструктивно-технологических инноваций судостроения важное место занимают мероприятия энергоэффективной и экологической оптимизации силовых агрегатов СЭУ. В их числе совершенствование традиционных дизельных двигателей внутреннего сгорания, переход на альтернативные судовые энергетические установки, разработка и реализация гибридных термодинамических процессов. В категории традиционных дизельных силовых агрегатов СЭУ наиболее эффективной является технология селективной каталитической нейтрализа-
ции отработавших газов ДВС на основе модифицированных систем. Так, немецкой компании Fischer удалось снизить содержание вредных примесей в выхлопе дизелей в СЭУ мощностью до 1 МВт судов внутреннего плавания, применяя системы селективной каталитической нейтрализации токсичных выбросов, управляемых искусственным интеллектом [12].
Отработавшие газы дизелей СЭУ (рис. 4), действующих на мазуте с выделением таких загрязняющих веществ, как SO^ NO^ сажа и тяжелые металлы, эффективно удаляются в ходе трехступенчатого процесса, разработанного немецкой технологической компанией Steuler Anlagenbau [13]. На первом этапе происходит очистка горячего газа с помощью керамических фильтров. Вторая ступень реализуется селективным каталитическим нейтрализатором, в результате чего оксиды азота превращаются в воду и азот. На третьей стадии процесса происходит абсорбция SO2.
В рамках реализации глобальной природоохранной стратегии предложена судовая энергетическая установка с ДВС, содержащим камеру сгорания для сжигания жидкого или газообразного углеводородного ископаемого топлива, электролизную камеру для выработки газообразного водорода и газообразного кислорода и вакуумный насос для откачивания газообразного водорода и газообразного кислорода из электролизной камеры. Кроме того, эта СЭУ имеет газогенератор, позволяющий преобразовать метанол или этанол в газообразную форму, и трубопровод для подачи газовой смеси в камеру сгорания [14].
Примером бережного отношения к окружающей среде может служить природоохранная технология судового привода буксира-толкача Maranta для перемещения сочлененной баржи грузоподъемностью 5000 т, оснащенного двумя дизелями Caterpillar 3512E мощностью 1 МВт СЭУ экологического класса IMO III с сертифицированными сажевыми фильтрами Fischer LT-HD с покрытием DOC-X для поддержки термодинамического процес-
са пассивной регенерации и системой селективной каталитической нейтрализации. Буксир построен на верфи нидерландской судостроительной компании Maranta Shipping [15].
При проектировании грузового судна Philipskercke II основное внимание уделялось экологическим последствиям его эксплуатации [16]. Судно длиной 86 м, шириной 11,5 м и грузоподъемностью 3250 т оснащено дизелями D16-MH шведской компании Volvo Penta и двигателем носового подруливающего устройства немецкой компании Fischer Abgasechnik экологического класса EU Stage V с сажевыми фильтрами, снижающими выбросы твердых частиц до 99 %, и селективными каталитическими нейтрализаторами, сокращающими выбросы оксидов азота до 98 %.
Еще один пример экологической оптимизации судна с усовершенствованной дизельной СЭУ — современный сухогруз Trudy, успешно осуществивший бункеровку биотоплива в порту Роттердама [17]. Биотопливо производится из сертифицированного сырья, являющегося отходами или остатками основных производственно-технологических процессов. В течение восьми-десяти дней испытаний в дизелях главной СЭУ Trudy сжигалось только биотопливо. В подобной ситуации этот балкер дедвейтом 30 790 т генерирует до 90 % меньше выбросов CO2, чем при сжигании обычного флотского дизтоплива.
Кардинальное устранение свойственных дизельным ДВС недостатков в перспективных СЭУ возможно только при полном отказе от ископаемого углеводородного топлива и переходе на альтернативные источники энергии. Самыми экологичными среди них считаются возобновляемые солнечные, ветровые, технологично генерируемые электрические и водородные источники энергии. Наиболее эффективной СЭУ водного судна является электропривод. Улучшение потребительских свойств судна с повышенным запасом автономного хода может быть достигнуто применением электрической СЭУ с ис-
пользованием патентуемого усовершенствованного способа зарядки аккумуляторной батареи напряжением 60...200 В и источника вспомогательного напряжения от 3 до 50 В — энергоемких конденсаторов. На стоянке подзарядка осуществляется от береговых источников переменного тока, при эксплуатации — адаптивным подключением, управляемым электронным контроллером бортового процессора судна [18].
Успешное создание судовых вен-тильно-индукторных приводов малой и средней мощности и потребность в системах электродвижения мощностью от единиц до десятков МВт для судов нового поколения предопределили необходимость разработки вентильно-индукторного электродвигателя [19]. Получение заданных эксплуатационно-технических характеристик стало возможным на основе инновационной концепции построения комплектного электропривода мощностью 1 МВт немецкого производителя Schorch.
Удачным примером реализации рассматриваемой концепции служит полностью электрический, высокоэффективный автомобильный паром с корпусом из легких слоистых композиционных конструкционных материалов, спроектированный конструкторским бюро Baltec Offshore из немецкого Любека. Паром вмещает 18 легковых автомобилей или два грузовых и 12 легковых авто, имеет максимальную скорость хода 10 уз. (маршевая — 6 уз.), которую развивают два электрифицированных (мощностью 200 кВт каждый) гребных винта типа eVSP немецкого производителя Voith Schneider, приводимых двумя электродвигателями, запитанными от литий-ионных аккумуляторов, энергоемкость которых на 40 % выше традиционных [20].
С помощью инновационных электрифицированных гребных винтов типа eVSP немецкая энергомашиностроительная компания Voith Schneider Propeller успешно продвигает концепцию непрерывной электрификации приводных технологий, удовлетворяющую растущий спрос на ресурсосберегающую, энергоэффективную и эко-
^равка
Первое из четырех автономных экспедиционных судов,
оснащенных робототехникой и предназначенных для инспекции подводных трубопроводов, транспортировки грузов в арктических и антарктических широтах, уже строится на верфи норвежской судостроительной компании для американской компании Ocean Infinity (Хьюстон, штат Техас) по исследованию морского дна [4]. Срок сдачи судна — конец 2021 года. Всего в рамках проекта Armada предполагается построить 13 судов такого класса длиной 21 метр
Рис. 5. Судно с роторными турбопарусами Флеттнера [Vessel with Flettner rotary turbosails]
логическую мобильность [21]. В числе преимуществ продукции данного типа — высокая эффективность и снижение сложности, поскольку синхронный электродвигатель с постоянными магнитами уже встроен в гребной винт. Полное отсутствие редукторов максимально снижает уровень шума и высвобождает дополнительное пространство в машинном отделении.
Использование возобновляемых источников энергии позволяет устранять выбросы вредных токсичных и парниковых газов. В первую очередь это относится к солнечной энергетике, реализуемой фотовольтными солнечными батареями генерирования электричества. Так, немецкая судостроительная компания Ostseestaal совместно с Ampereship построила 21-метровый пассажирский паром на солнечных батареях для Ростока, с 2021 года работающий без выбросов вредных веществ [22]. Ostseestaal спустила на воду уже десять судов разного назначения с электрическими СЭУ на солнечных батареях. В их числе — первый в мире полностью электрический автомобильный паром для внутренних водных путей Европы Sankta Maria II, который курсирует по реке Мозель. Корпус нового катамаранного пассажирского парома вместимостью до 80 человек и 15 велосипедов выполнен из стали. Мощность двух его электроприводных движитель-но-рулевых колонок по 45 кВт обеспечивают аккумуляторные батареи, которые заряжаются от 36 солнечных модулей, установленных на крыше судна. Это позволяет развивать максимальную скорость 14 км/ч, а использование солнечно-аккумуляторной энергии
системы компании Warnow экономит до 36000 л/г. дизельного топлива.
Однако из-за громоздкости, недостаточной энергоемкости аккумуляторных батарей, зависимости от перепадов давления атмосферного воздуха солнечная энергетика не нашла широкого распространения в СЭУ современных судов, как и ветровая, столь же громоздкая и нестабильная из-за потери в облачную погоду проницаемости воздуха. А ведь когда-то парусники были единственным видом самоходных судов на прямой активной ветровой тяге! Тем не менее, энергия ветра используется в судовом приводе и в наше время. Например, судно для генеральных грузов Ankie, построенное на верфи Jan van Dam Shipping и оснащенное на верфи судостроительной компании Royal Niestern Sander (обе — Нидерланды) первой серийной коммерческой модернизированной системой eConowind Ventifoil турбопаруса Флеттнера на основе эффекта Магнуса (рис. 5). Установка состоит из двух роторов высотой 10 м. Система eConowind Ventifoil способна обеспечить значительную экономию топлива и, следовательно, поможет судоходству достичь целей !МО в реализации экологической программы охраны окружающей среды на 2030...2050 гг. [23].
В Швеции разработан и реализуется проект постройки гигантского парусного автомобилевоза Oceanbird, способного принять на борт до 7000 легковых автомобилей. Этим занимается консорциум, в который входят проектировщики КТН Centre for Naval Architecture, судоходная компания Wallenius Marine и специалист по морским технологиям компания SSPA. Финансирует проект Swedish Transport Administration. Судно, имеющее длину 200 м, ширину 40 м и суммарную высоту над уровнем воды 105 м при высоте жестких парусов 80 м, оснащено телескопическими парусами из металла и композитных материалов, способными вращаться на 360° [24].
Экологически привлекательной и более перспективной выглядит водородная энергетика. Уже переведены на водородное топливо шесть речных,
два каботажных и два морских судна. Инициаторы — судоходный предприниматель Future Proof Shipping при помощи судостроительной группы компаний Holland Shipyards на основе усовершенствованной концепции производителя систем топливных терминалов BCTN Network (все — Нидерланды) [25]. Реализация этой экологической программы началась в 2021 году на верфи Holland Shipyards Group в Хардинксвельде, где был перепрофилирован контейнеровоз MSC Maas размером 110 м x 11,45 м, получивший комплект топливных водородных элементов мощностью привода 825 кВт и литий-ионную аккумуляторную батарею энергоемкостью 504 кВт-ч. По завершении первого этапа этой программы в регионе внутреннего водного транспорта Нидерландов и Бельгии ожидается сокращение выбросов парниковых газов на 2000 т/г.
Швейцарско-шведская корпорация ABB совместно с французской компанией Hydrogène de France (HDF) работает над созданием мегаваттных систем топливных элементов для судов большого водоизмещения [26]. Цель сотрудничества — усовершенствование технологии серийного производства высокоэффективных силовых установок для судостроения на основе оптимизации топливно-элементной системы Ballard Power с модифицированными протон-обменными мембранами. Несмотря на электрическую мощность 3 МВт, она должна уместиться в модуле, размер которого не превышает параметры обычного судового ДВС, работающего на ископаемом топливе.
Исследовательский проект
HyMethShip (Hydrogen-Methanol Ship Propulsion Using On-board Pre-combustion Carbon Capture), финансируемый из фонда Horizon 2020 — программы инноваций Евросоюза, предназначен для снижения уровня выбросов судовых ДВС с одновременным повышением их КПД [27]. При этом выбросы CO2 должны сократиться не менее чем на 97 %, выбросы SOх и твердых частиц в виде сажи — практически исключены, выбросы NOх сниже-
ны как минимум на 80 % по сравнению с нормой по IMO Tier III. Энергетический КПД системы должен стать на 45 % выше, чем у лучшей из ныне существующих технологий. Инновационная технология HyMethShip включает мембранный реактор, систему улавливания CO2, емкости для хранения CO2 и ДВС мощностью 1...2 МВт, работающий на метаноле (реже) или на водороде (предпочтительно), получаемом из метанола. Газовые двигатели Jenbacher, используемые для привода генераторов средней мощности, давно доказали способность надежно работать на топливе с высоким содержанием водорода, предпочтительным видом которого является «зеленый» водород.
Тем не менее, из-за высокой пожа-ро- и взрывоопасности водорода его использование в СЭУ еще не стало массовым. Примером практической реализации может служить безопасная транспортировка жидкого водорода первым в мире танкером Suiso Frontier, построенным на японской верфи [28]. Примененные здесь технологические инновации немецкой компании Saacke Marine Systems в виде водородно-со-вместимой установки сжигания от-парного водорода с инновационной горелкой гарантируют такую же безопасность транспортировки по морю сжиженного водорода, как и сжиженного природного газа. Производимый в Австралии и сжижаемый (уменьшаемый в 800 раз по сравнению с первоначальным газовым объемом) водород доставляется по морю в Японию. Для успешной реализации этого проекта проникающий сквозь поры стальных и других металлических цистерн и танков сжиженный водород при температуре около -250 °C, близкой к температуре испарения, блокируется в них надежной тепловой изоляцией мембранной технологии Saacke Marine Systems. А неизбежно образующийся отпарной газовый водород, сжимаемый после расширения компрессорами до давления от 0,5...0,6 МПа, сжигается в цилиндрах ДВС.
На повышение энергоэффективности, экологической и противовзрывной
справка
Дедвейт (англ. deadweight) — величина, равная сумме масс переменных грузов судна, измеряемая в тоннах, то есть сумма массы полезного груза, перевозимого судном, топлива, масла, технической и питьевой воды, массы пассажиров с багажом, экипажа и продовольствия. Дедвейт представляет собой разность между полным и порожним водоизмещением. Термин «дедвейт» применяется только для торговых судов, причем исключительно для грузовых
Балкер (англ. bulker — навалочный груз), или навалочник — специализированное судно для перевозки грузов насыпью (навалом), таких как зерно, уголь, руда, цемент. Является разновидностью сухогруза
Буксируемая коса —
пластиковый шланг, заполненный специальным гелем для придания ему плавучести, состоит из приборных и вспомогательных секций, соединенных герметичными муфтами. Длина косы — до 10-12 км. Косы буксируют на глубине 10 м при скорости судна до 6-7 узлов (11-12 км/ч). Используется для морских съемок
правка
Селективное/выборочное каталитическое восстановление — общее наименование метода снижения содержания в отработавших газах опасных оксидов азота и основанных на этом методе систем очистки выхлопных газов дизельных двигателей экологических классов Euro-5 и выше
Бункеровка — заправка судна топливом и моторными маслами. Может осуществляться у причала, на рейде, на ходу или в дрейфе в любом месте, где находится судно
Генеральный груз (general cargo) — штучный груз, перевозимый в упаковке, в отличие от груза, перевозимого наливом (нефть и другие жидкости), навалом или насыпью (зерно, руда, уголь, удобрения)
Международная морская организация, ИМО (International Maritime Organization, IMO) — международная межправительственная организация, специализированное учреждение ООН, отвечающее за организацию обеспечения безопасности на море и защиты окружающей среды, а также решение юридических вопросов, связанных с международным судоходством.
Образована 6 марта 1948 года. Штаб-квартира — в Лондоне (Великобритания)
2 построенного на испанской верфи Construcciones Navales del Norte (LaNaval) в Бильбао
3 замена проведена под контролем MAN PrimeServ на верфи Yui Lian
в китайском Шэньчжэне
4 регистровая тонна (англ. register ton) — единица объема, равная 100 кубическим футам, то есть 2,83 м3. Применяется для оценки тоннажа в судоходстве
безопасности транспортировки сжиженного водорода в танках газовоза направлено патентуемое решение [29]. В нем используется вакуумный комбинированный теплоизоляционный композиционный материал с наружными газонепроницаемыми обкладками из одно- или многослойной полимерной пленки с внутренней ламинаци-ей металлической алюминиевой или стальной фольгой либо напылением алюминия или стали, сваренными по периферийному контуру с образованием вакуумной мембранной оболочки. Коэффициент ее линейного расширения составляет 80 х 10-5/° C в диапазоне температур от -130 °C до 80 °C, 65 х 10-5/° C — в диапазоне температур от -140 °C до -130 °C, 20 х 10-5/°C — в диапазоне температур от -140 °C до -110 °C и 13 х 10-5/° C — в диапазоне температур от + 50 °C до + 65 °C, а средний предел прочности на растяжение — 180 Мпа.
Однако пока проблемы возобновляемых источников энергии не решены, в фокусе внимания остаются доступные и распространенные гибридные (комбинированные) и газовые агрегаты СЭУ с меньшими выбросами вредных веществ и парниковых газов. Первые позволяют использовать возможности и преимущества разных видов энергоносителей, вторые — более технологичны и компактны в реализации. Опыт эксплуатации парома Texelstroom нидерландской судоходной компании Teso2 длиной 135 м и шириной 28 м, вместимостью 1750 человек и 350 автомобилей с переоснащенной на первую в Европе комбинированную газо-дизельно-сол-нечную СЭУ свидетельствует о привлекательности этой технологии [30]. Она реализует новые стандарты экологической безопасности судна с двумя машинными отделениями, с двумя 12-цилиндровыми двухтопливными ДВС серии DZD бельгийской энергомашиностроительной компании ABC, каждый мощностью 2 МВт, приводящими в действие генератор испанского производителя Indar, и двумя электродвигателями привода гребных винтов Rolls-Royce. Результатами такой комби-
нации стало снижение на 53 % выбросов оксидов азота, на 43 % — сажи и мелкой пыли и на 15 % — CO2 при меньшем, в среднем на 17 %, потреблении ископаемого топлива.
Но максимальное количество инноваций в сфере судового привода приходится на газовые силовые агрегаты вообще и на СЭУ на сжиженном природном газе (СПГ) в частности. Так, после модернизации 110-метровый речной танкер Argonon нидерландской судостроительной компании Deen Shipping получил усовершенствованный, экономичный и более экологически чистый газодизельный ДВС Caterpillar 3512 на смеси в составе 80 % СПГ и 20 % дизельного топлива главной машины СЭУ, оснащенный электронной системой впрыска компании ArenaRed и системой автоматического адаптивного управления ею компании Dolderman (обе — Нидерланды) [31]. Танкерная судоходная компания BW LPG с портом приписки Осло предоставила BW Gemini — первое судно в своем флоте с целью переоборудования для работы на двух видах топлива — дизельном и сжиженном нефтяном газовом с заменой штатного главного дизеля MAN B&W 6G60ME-C9.2 на газодизель MAN B&W 6G60ME-LGIP [32]3. На очереди аналогичное модерни-зационное переоборудование на MAN PrimeServ еще одиннадцати судов.
Крупнейшие танкеры — газовозы судоходного транспортного оператора Trading & Shipping частной многонациональной химической компании со штаб-квартирой в Лондоне Ineos доставляют бутан из портового кластера ARA (Антверпен-Роттердам-Амстердам) по реке Рейн на крекинг-завод Ineos в Кельне [33]. Три из четырех запланированных для реализации этого проекта судов Aloo, Brinjal длиной 110 м, шириной 15 м и общей вместимостью шести резервуаров 4446 м3 газа и Onion такой же длины и шириной 17,5 м с резервуарами вместимостью 5538 м3 уже построены на верфях судостроительных компаний Teamco в Хойсдене и Veka Shipbuilding в Вер-кендаме (обе — Нидерланды) и введе-
ны в эксплуатацию, а последний в настоящее время строится.
Энергоэффективность судов с СЭУ на СПГ значительно повышается при реализации безопасной с точки зрения предотвращения взрывов, возгораний и утечки технологии повторного использования с предварительным ком-примированием выкипающего из танков при температурах выше криогенных так называемого отпарного газа. Она основана, в том числе, на усовершенствованной системе сжижения отпарного газа с комплектом теплообменников, детандеров повторного сжижения с возвратом в танки и компрессоров подачи газа под давлением 0,65 МПа в цилиндры ДВС типа DFDE, работающего по термодинамическому циклу Отто, и ДВС типа МЕ^1 с циклом Дизеля — под давлением 30 Мпа [34].
Принципы оптимизации резервуаров для танкеров разного назначения с подразделением их на речные и каботажные суда для транспортировки сжиженного природного газа сформулированы в работе [35], а проектирование энергоэффективных процессов сжижения отпарного газа, основанного на изучении цикла предварительного охлаждения при повторном сжижении СПГ и анализе хладагентов предварительного охлаждения — углекислого газа или аммиака, приведены в [36]. Данная система технологично реализуется с применением многоступенчатого компрессора, а качество отпарного газа повышается в инновационном те-плообменно-компрессионном процессе с удалением смазочного масла [37-39].
Итоги функционирования судостроительной отрасли машиностроения России в 2020-2021 гг. свидетельствуют о заметном росте производства не только в кораблестроительном сегменте Гособоронзаказа, но и сегменте гражданских судов разного класса и назначения, созданных на верфях региональных судостроительных кластеров. Несмотря на серьезные потери (как и всего мирового судостроения) из-за пандемии коронавируса, российское судостроение в 3 квартале 2020 года заняло второе место в табели о ран-
гах, обойдя такую общепризнанную судостроительную державу, как Китай, с 830 тыс. рег. т.4
Успеху во многом способствовали структурные изменения — координационное подчинение всех изысканий, исследований и инновационных разработок ФГУП «Крыловский государственный научный центр» (КГНЦ) и создание Объединенной судостроительной корпорации, формирующей планы Гособоронзаказа, Государственной программы судостроения и контролирующей работу региональных судостроительных корпораций.
Среди перспективных разработок КГНЦ необходимо выделить основанное на анализе мирового и отечественного судостроения научно-практическое обоснование применения компенсированной регистровой тонны в качестве основной единицы измерения потенциала производительности предприятий отечественного судостроительного комплекса [40], а также поиск путей снижения внешних силовых воздействий в условиях волнения на конструкцию пассажирского катамарана за счет рационального выбора формы носовых оконечностей корпусов и установки на них пассивных стабилизаторов качки [41].
Из других важных результатов деятельности КГНЦ отметим инновационные разработки специализированных судов снабжения морских буровых установок [42], исследование кавитаци-онной эрозии лопастей гребных винтов [43], устранение агрессивности вызывающих коррозию пористых каталитических материалов нейтрализаторов отработавших газов ДВС [44], создание типоразмерного ряда инновационных водометных движителей [45, 46], разработку модели современной системы динамического позиционирования судна с электродвижением [47] и др.
Выводы
В мировой практике проектирования и постройки судов по-прежнему серьезное внимание уделяется улучшению таких фундаментальных параметров и свойств, как
справка
Зеленый водород — водород, получаемый электролизом воды, составляет менее 0,1 % от общего объема производства водорода. Имеет значительно более низкие выбросы углерода, чем серый водород, составляющий основную часть рынка водорода. Высокая стоимость производства — основной фактор низкого использования зеленого водорода
Компримирование
(от фр. comprimer — сжимать, сдавливать) — промышленная подготовка газа (сжатие) с помощью компрессора. Одна из основных операций при транспортировке углеводородных газов по магистральным трубопроводам, в процессе заполнения подземных хранилищ газа и при его сжижении
Крыловский государственный научный центр (ФГУП «КГНЦ» — федеральное государственное унитарное предприятие) — научно-исследовательский институт, занимающийся фундаментальными исследованиями, связанными с морем, кораблестроением и смежной деятельностью. Основан в 1894 году, расположен в Санкт-Петербурге. С 1944 года носит имя академика А.Н. Крылова
Статья поступила в редакцию 2.03.2022
остойчивость, гидродинамика, маневренность, ходкость и автономность мореплавания, в том числе за счет эффективного использования приро-доподобных технологий.
Кроме того, увеличилось число эффективных технических исполнений утилитарных судов путем реализации в прибрежных морских акваториях офшорных технологий. Одной из важнейших тенденций совершенствования судов является повышение энергоэффективности их судовых энергетических установок на основе внедрения перспективных инноваций, применения энергоемких и экологически чистых топливно-энергетических носителей.
В альтернативной топливной энергетике наметились точки роста электрических, особенно водородных, и СЭУ на сжиженном природном газе уже не экспериментального, а серийного применения. Несомненными точками роста российского судостроения (как в сегменте кораблестроения, так и сегменте гражданского судостроения) являются успехи, достигнутые главным образом за счет оптимизации системы исследований, проектирования и постройки судов при успешном взаимодействии таких важнейших участников отрасли, как Крылов-ский государственный научный центр и Объединенная судостроительная корпорация. ■
54 REVIEW
Kompetentnost /Competency (Russia) 5/2022 ISSN 1993-8780. DOI: 10.24412/1993-8780-2022-5-46-55
Most Significant Shipbuilding Innovations 2021
M.I. Grechikov1, VINITI RAS, PhD (Tech.), viniti@mach.ru V.A. Grushnikov2, VINITI RAS, PhD (Tech.), viniti@mach04.ru
1 Head of Department, Moscow, Russia
2 Senior Researcher, Moscow, Russia
Citation: Grechikov M.I., Grushnikov V.A. Most Significant Shipbuilding Innovations 2021, Kompetentnost / Competency (Russia), 2022, no. 5, pp. 46-55. DOI: 10.24412/1993-8780-2022-5-46-55
key words
shipbuilding, research, design, manufacturing, structural materials, technologies, environmental safety, energy efficiency, competitiveness
Providing about 80 % of the world trade turnover and huge volumes of passenger transportation, shipbuilding, in an effort not to lose its competitive market advantages, is constantly improving its design and technological solutions. They are based on innovations that provide leadership in the short and long term for the breakthrough development of this most material-intensive industry of engineering, which supplies water rolling stock to transport shipping and creates a defense ship potential of military seafaring powers. The nomenclature of ships and ships is huge and each of their types has design and technological features and a variety of dimensions that require in-depth research on the possibilities of finding optimized design and construction results. Let's try to evaluate their effectiveness on the example of the analysis of shipbuilding improvements available in the technical literature in 2021.
References
1. Burakovskiy P.E. Sposob kontrolya ostoychivosti sudna [A method for controlling the ship's stability], patent N 2740617, publ. 15.01.2021 (app.: 27.09.2019 no. 2019130780).
2. Hashizume T., Yamamoto H., Fujima A. Control device for propelling system, US patent N 10871775, publ. 22.12.2020 (app.: 31.03.2017 no. 16/304785).
3. Jeromin A., Harcke N., Reimer K. B ZERO Projekt zur Entwicklung einer wachfreien Brücke, Schiff und Hafen: Int. Publ. for Shipping, Offshore and Marine Technology, 2020, vol. 72, no. 12, pp. 14-16.
4. Autonome Explorationsschiffe für Ocean Infinity, Schiff und Hafen: International Publication for Shipping, Offshore and Marine Technology, 2020, vol. 72, no. 12, 21 P.
5. Sakagami N., Hirayama K., Taba R., Kobashigawa S., Arashiro S., Takemura F., Takahashi S. Development and field experiments of
a human-portable towed ROV for high-speed and wide area data acquisition, Artificial Life and Robotics, 2021, vol. 26, no. 1, pp. 1-9.
6. Zou L., Jin G., Sun Z., Xu W., Yu Y. Design and optimization of the spray arm of an underwater jet trencher, Harbin Gongcheng Daxue Xuebao, 2020, vol. 41, no. 2, pp. 271-276.
Kompetentnost / Competency (Russia) 5/2022
ISSN 1993-8780. DOI: 10.24412/1993-8780-2022-5-46-55
7. Salters B. A., Khitbrink R. B. Sistema i sposob povysheniya bezopasnosti pri rabote s UF-izlucheniem v usloviyakh vodnogo primeneniya [System and method for improving safety when working with UV radiation in water applications], patent N 2719062, publ. 17.04.2020 (app.: 26.05.2016 no. 2017146067).
8. Khitbrink R. B., Salters B. A., Yanssen E. A., Visser K. G. Sudno, imeyushchee otsek dlya soderzhaniya vody [Vessel with water storage compartment], patent N 2719074, publ. 17.04.2020 (app.: 19.10.2016 no. 2018115981).
9. Barnacle suppression module, patent N 10494283, publ. 3.12.2019 (app.: 27.06.2018 no. 16/020225).
10. Volnomakh, patent N 2736748, publ. 19.11.2020 (app.: 11.03.2020 no. 2020110485).
11. Cole B. R. Vessel-mounted ocean thermal energy conversion system, patent N 10590918, publ. 17.03.2020 (app.: 20.01.2015 no. 15/112781).
12. SCR-Systeme zum Wohle der Umwelt, Binnenschifffahrt: Das Magazin für Technik und Logistik, 2020, vol. 75, no. 5, 24 P.
13. Sturm W. Kombiverfharen zur Reinigung von Abgasen aus Schiffsmotoren // Schiff und Hafen: International Publication for Shipping, Offshore and Marine Technology, 2020, vol. 72, no. 6, pp. 12-14.
14. Khoffmann D. Sudovaya silovaya ustanovka i sposob ekspluatatsii takoy ustanovki [Ship power plant and method of operating such a plant], patent N 2741953, publ. 1.02.2021 (app.: 21.07.2016 no. 2018104152).
15. "Maranta" schont die Umwelt, Binnenschifffahrt: Das Magazin für Technik und Logistik, 2020, vol. 75, no. 7, p. 24.
16. "Philipskercke II" für die Zukunft gerüstet, Binnenschifffahrt: Das Magazin für Technik und Logistik, 2020, vol. 75, no. 8, p. 27.
17. Erprobung von Biokraftstoff auf der "Trudy", Schiff und Hafen: International Publication for Shipping, Offshore and Marine Technology, 2020, vol. 72, no. 6, 41 P.
18. Biebach J., Krieger P., Hartmeyer M. Electric drive for a vehicle, patent N 10661877, publ. 26.05.2020 (app.: 13.11.2017 no. 15/811390).
19. Romanovskiy V.V., Nikiforov B.V. Primenenie ventil'no-induktornogo elektroprivoda dlya sistem elektrodvizheniya sudov novogo pokoleniya [Application of valve-reluctance electric drive for electric propulsion systems of new generation ships], Elektrotekhnika, Moscow, Znak, 2020, no. 6, pp. 24-30.
20. Schulz S. Vollelektrische, hocheffiziente Leichtbau-Autofähre, Schiff und Hafen: Int. Publ. for Shipping, Offshore and Marine Technology, 2020, vol. 72, no. 9, pp. 48-50.
21. Garrelmann H. Voith mit neuer E-Lösung, Binnenschifffahrt: Das Magazin für Technik und Logistik, 2020, vol. 75, no. 8, pp. 30-31.
22. Ostseestaal sichert sich neuen Auftrag, Binnenschifffahrt: Das Magazin für Technik und Logistik, 2020, vol. 75, no. 6, p. 26.
23. Stückgutschiff nutzt Segel für den Vortrieb, Binnenschifffahrt: Das Magazin für Technik und Logistik, 2020, vol. 75, no. 3, p. 65.
24. Avtomobilevoz-parusnik. Sudostroenie [Car carrier-sailboat. Shipbuilding], St. Petersburg, Tsentr. NII tekhnologii sudostroeniya, 2020, no. 5, pp. 67-68.
25. Wägener T. Wasserstoff rückt in den Fokus, Binnenschifffahrt: Das Magazin für Technik und Logistik, 2021, vol. 76, no. 1, pp. 30-31.
26. Brennstoffzellen für Großschiffe, Schiff und Hafen: International Publication for Shipping, Offshore and Marine Technology, 2020, vol. 72, no. 5, p. 6.
27. Vodorod — perspektivnoe toplivo dlya porshnevykh dvigateley (materialy kongressa CIMAC-2019) [Hydrogen is a promising fuel for piston engines (Proceedings of the CIMAC-2019 congress)], Dvigatelestroenie, 2020, no. 2, pp. 35-53.
28. Japanischer Flüssigwasserstofftanker mit Saacke-Technik, Schiff und Hafen: International Publication for Shipping, Offshore and Marine Technology, 2020, vol. 72, no. 5, 21 P.
29. Shima M., Yuasa A. Vacuum heat-insulating material, and heat-insulating container, dwelling wall, transport machine, hydrogen transport tanker, and equipped with vacuum heat-insulating material, patent N 10520135, publ. 31.12.2019 (app.: 14.05.2018 no. 15/978707).
30. Texel-Fähre beweist Nachhaltigkeit, Binnenschifffahrt: Das Magazin für Technik und Logistik, 2020, vol. 75, no. 3, 45 P.
31. Garrelmann H. Argonon testet Retrofit für Stage V, Binnenschifffahrt: Das Magazin für Technik und Logistik, 2021, vol. 76, no. 1, pp. 26-27.
32. Erste Motoren-Nachrüstung auf LPG-Betrieb, Schiff und Hafen: International Publication for Shipping, Offshore and Marine Technology, 2020, vol. 72, no. 12, 24 P.
33. Ineos setzt neue Butangas-Tanker in Fahrt, Binnenschifffahrt: Das Magazin für Technik und Logistik, 2020, vol. 75, no. 6, pp. 24-25.
34. Shin H. J., Choi D. K., Moon Y. S. Ship with boil-off gas liquefaction system, patent N 10654553, publ. 19.05.2020 (app.: 16.05.2016 no. 15/579571).
35. Ivanov L.V., Baranov A.Yu., Malysheva T.A., Andreev A.M. Metodika podbora kriogennykh rezervuarov dlya modernizatsii proektov malotonnazhnykh sudov [Methodology for the selection of cryogenic tanks for the modernization of small-tonnage ship projects], Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda, Moscow, Kholodil'naya tekhnika, 2021, no. 1, pp. 40-45.
36. Son H., Kim J.-K. Automated process design and integration of precooling for energy-efficient BOG (boil-off gas) liquefaction processes, Applied Thermal Engineering, 2020, vol. 181, no. 7-3, pp. 116-124.
37. Li D. Ch., Chkhoy D. G. Sistema i sposob povtornogo szhizheniya otparnogo gaza dlya sudna [System and method for reliquefaction of boil-off gas for a ship], patent N 2738946, publ. 18.12.2020 (app.: 3.08.2017 no. 2020104349).
38. Li D. Ch., Chkhoy D. G., Chkhoy V. D., Shin Kh. D. Sistema povtornogo szhizheniya otparnogo gaza i sposob udaleniya smazochnogo masla v sisteme povtornogo szhizheniya otparnogo gaza [Boiler gas reliquefaction system and method for removing lubricating oil in a boil-off gas reliquefaction system], patent
N 2739239, publ. 22.12.2020 (app.: 3.08.2017 no. 2020101964).
39. Li D. Ch., Chkhoy D. G., Chkhoy V. D., Lyu S. K., Chan D. Kh. Sistema povtornogo szhizheniya otparnogo gaza i sposob udaleniya smazochnogo masla iz sistemy povtornogo szhizheniya otparnogo gaza [Boiler gas reliquefaction system and method for removing lubricating oil from boiler gas reliquefaction system], patent
N 2735343, publ. 30.10.2020 (app.: 3.08.2017 no. 2020101298).
40. Babchuk E.V. Kompensirovannaya registrovaya tonna kak edinitsa izmereniya ob'ema proizvodstva grazhdanskoy sudostroitel'noy produktsii [Compensated register ton as a unit of measurement of the volume of production of civil shipbuilding products], Proceedings of the KSRC, 2021, no. 1, pp. 170-180.
41. Kryzhevich G.B., Pravdin A.Yu. Sposoby i sredstva uluchsheniya morekhodnosti, komfortabel'nosti i snizheniya materialoemkosti passazhirskogo katamarana [Ways and means of improving seaworthiness, comfort and reducing the material consumption of
a passenger catamaran], Proceedings of the KSRC, 2021, no. 1, pp. 99-108.
42. Demeshko G.F., Detsik R.A. Osobennosti proektirovaniya i ekspluatatsii sudov snabzheniya i obespecheniya shel'fovykh rabot po razvedke i dobyche uglevodorodov [Features of the design and operation of supply vessels and offshore operations for the exploration and production of hydrocarbons], Proceedings of the KSRC, 2021, no. 1, pp. 85-98.
43. Pustoshnyy A.V. Analiz sovremennykh issledovaniy po kavitatsionnoy erozii [Analysis of modern research on cavitation erosion], Proceedings of the KSRC, 2021, no. 1, pp. 13-34.
44. Gorlova N.N. Khimicheskaya korroziya kataliticheskikh materialov v sisteme ochistki otrabotavshikh gazov sudovykh energeticheskikh ustanovok [Chemical corrosion of catalytic materials in the exhaust gas cleaning system of ship power plants], Proceedings of the KSRC, 2021, no. 1, pp. 141-148.
45. Marinich N.V., Rodionov V.A., Koval' A.A., Sverchkov A.V., Mamontov F.E. Razrabotka tipovogo ryada vodometnykh dvizhiteley sudov povyshennoy morekhodnosti [Development of a standard range of water-jet propulsion for ships of increased seaworthiness], Proceedings of the KSRC, 2020, no. 4, pp. 13-20.
46. Rodionov V.A., Sverchkov A.V., Rudnichenko A.A., Mamontov F.E., Ermolaev A.A. Eksperimental'nye i chislennye issledovaniya vodometnykh dvizhiteley katerov povyshennoy morekhodnosti [Experimental and numerical studies of jet propulsion boats with increased seaworthiness], Proceedings of the KSRC, 2020, no. 4, pp. 31-42.
47. Kalinin I.M., Ivanova M.K., Pautov L.G., Rudetskiy A.V. Komp'yuternaya model' sistemy dinamicheskogo pozitsionirovaniya sudna [Computer model of the ship's dynamic positioning system], Proceedings of the KSRC, 2020, no. 4, pp. 109-120.
