CC BY-NC
191
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-388-123-136 УДК 621.4:629.5
Р.А. Иванов1, И.В. Кудинович1, В.Г. Хорошев1, В.П. Струев2
1 ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
2 НИЦ «Курчатовский институт», Москва, Россия
задачи отечественного двигателестроения по обеспечению текущих и перспективных
потребностей морской энергетики
Объект и цель научной работы. Объектом исследования является текущее состояние работ в области отечественного судового двигателестроения. Цель исследования - оценка способности российского машиностроения к оснащению отечественными двигателями кораблей и судов военного и гражданского флота, а также различных плавучих технических средств освоения Мирового океана.
Материалы и методы. Выполнен анализ современного состояния работ в отечественном энергомашиностроении при создании основных типов судовых и корабельных энергетических установок (главных и вспомогательных): дизельных, газотурбинных, котлотурбинных, ядерных, электроаккумуляторных и воздухонезависимых. Основные результаты. Оценена возможность российского машиностроения обеспечить перспективные программы строительства объектов военного и гражданского судостроения в условиях действующих санкционных ограничений по использованию продукции ведущих зарубежных фирм.
Заключение. Указано, что в России ведется целенаправленная деятельность по воссозданию производства современных дизелей и газотурбинных двигателей для нужд судостроения, а также воздухонезависимой энергетики на базе электрохимических генераторов. Сохраняется лидирующее положение РФ в области ядерной энергетики применительно к ледокольному флоту и другим морским объектам.
Ключевые слова: дизельные, газотурбинные, котлотурбинные, ядерные, электроаккумуляторные, воздухонеза-висимые энергетические установки.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-388-123-136 UDC 621.4:629.5
R. Ivanov1, I. Kudinovich1, V. Horoshev1, V. Struev2
1 Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
2 National Research Center Kurchatov Institute, Moscow, Russia
tasks of russian engine building in meeting current and future marine power requirements
Object and
purpose of research. This paper studies current status of Russian marine engine building. The purpose is to estimate the capabilities of Russian mechanical engineering to provide engines for Russian naval and commercial ships, as well as for various floating platforms for Ocean developments.
Materials and methods. This paper analyses the state of the art in Russian power engineering for the main types of marine engines (main and auxiliary): diesels, gas turbines, boiler-turbine plants, nuclear reactors, fuel cells and air-independent propulsion plants.
Для цитирования: Иванов Р.А., Кудинович И.В., Хорошев В.Г., Струев В.П. Задачи отечественного двигателестроения по обеспечению текущих и перспективных потребностей морской энергетики. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 2(388): 123-136.
For citations: Ivanov R., Kudinovich I., Horoshev V., Struev V. Tasks of Russian engine building in meeting current and future marine power requirements. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 2(388): 123-136 (in Russian).
Main results. The paper estimates the capability of Russian mechanical engineering industry to ensure advanced developments of naval and commercial ships in the environment of current sanctions against cooperation with leading foreign companies.
Conclusion. The paper highlights the efforts made by Russia to restore its capability to produce modern marine diesels and gas turbines, as well as fuel-cell based air-independent propulsion plants. Russia maintains its leadership in nuclear power for icebreakers and other marine objects.
Keywords: diesels, gas turbines, boiler-turbine plants, fuel cells, nuclear, air-independent power plants. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Introduction
Если сравнить современное состояние работ в области военного и гражданского мирового судостроения со второй половиной XX столетия [1-10], то можно констатировать, что для морских и речных плавучих технических средств и сооружений основными по-прежнему являются следующие типы энергетических установок (ЭУ): дизельные, газотурбинные, ядерные, котлотурбинные и электроаккумуляторные, имеющие достаточно четкие целесообразные области применения.
Дизельная энергетика остается превалирующей в гражданском и военном судовом энергомашиностроении. Для рассматриваемого класса отечественных объектов с дизельной энергетикой, планируемых к созданию либо модернизации в период до 2030 г. на российских судостроительных заводах [6], потребная мощность главных дизельных ЭУ лежит в диапазоне от 10 кВт до 50 МВт, дизель-генераторов главных и вспомогательных судовых электростанций - от 25 до 11 500 кВт соответственно, аварийных источников электроэнергии с дизельными двигателями - 150-200 кВт. Для судов с системой электродвижения верхняя граница мощности судовой электростанции может достигать значений десятков мегаватт.
Область применения газотурбинных установок (ГТУ) - это в основном военные катера и надводные корабли среднего и крупного (до нескольких тысяч тонн) водоизмещения. На многих из них встречаются комбинированные дизель-газотурбинные установки (ДГТУ), при этом газотурбинный агрегат чаще используется в качестве форсажной части ЭУ.
В гражданской сфере ГТУ используются на быстроходных круизных грузопассажирских судах, а также в относительно новой для отечественного судостроения области - на различных объектах морского базирования по добыче, переработке и перекачке углеводородов при освоении месторождений шельфовых и глубинных районов Мирового океана.
В мировой практике диапазон используемых мощностей для морских ГТУ колеблется от десятков и сотен киловатт до ~40 МВт и более в одном агрегате. Необходимая мощность одного газотурбинного двигателя для вновь создаваемых отечественных объектов оценивается значениями от 4 до 35 МВт. Суммарная потребность энергии для оборудования перспективных объектов нефтегазовой добычи на шельфе лежит в диапазоне от 30-50 до 100-240 МВт [6].
Ядерная энергетика применяется, прежде всего, в военном подводном кораблестроении [5]. Надводный военный флот использует ядерные энергетические установки (ЯЭУ) для авианесущих кораблей (США и Франция), средних (США) и тяжелых крейсеров (Россия и США) [5].
В отличие от других стран, Россия применяет ЯЭУ и при создании ледокольного флота, обеспечивающего круглогодичную навигацию в замерзающих морях и Северном Ледовитом океане.
Сохраняется негативная оценка перспектив применения котлотурбинных установок (КТУ) в военном и гражданском судостроении. Действительно, КТУ практически нигде не рассматриваются в качестве главной энергетической установки на кораблях и судах перспективной постройки, а число находящихся в реальной эксплуатации объектов с котлотурбинной энергетикой неуклонно сокращается. Вместе с тем современные котельные агрегаты достаточно широко используются в составе вспомогательных установок (ВЭУ), в различных теплофикационных и теплоутилизационных контурах.
Энергетические установки с электрохимическими аккумуляторами или электроаккумуляторные установки являются наиболее распространенным типом неатомной энергетики, применяемой на большинстве существующих подводных технических средств военного и гражданского назначения в период их эксплуатации в подводном положении [11].
Сегодня во всем мире продолжается интенсивное изучение возможности создания и внед-
рения так называемой нетрадиционной судовой и корабельной энергетики, ориентированной главным образом на разработку воздухонезависимых (ВНЭУ) или анаэробных энергетических установок (АНЭУ). Область применения этих ЭУ - подводные технические средства (ПТС), хотя изучается целесообразность использования некоторых из них (прежде всего энергетических установок с электрохимическими генераторами) на надводных гражданских и военных объектах [2]. К нетрадиционной энергетике обычно относят и установки с прямым преобразованием тепловой энергии в электрическую, а именно ЭУ с термоэлектрическими генераторами и с термоэмиссионными преобразователями.
Следует отметить, что для перечисленного выше типажа судовой энергетики (дизельной, газотурбинной, атомной, котлотурбинной, электроаккумуляторной, нетрадиционной) характерен эволюционный путь совершенствования основных параметров ЭУ.
Ниже представлена оценка возможности российского машиностроения в условиях санкций на поставку высокотехнологического зарубежного оборудования оснащать отечественными двигателями корабли и суда военного и гражданского флота, а также различные плавучие технические средства освоения Мирового океана, создаваемые в том числе при разработке шельфовых месторождений углеводородов в арктических районах РФ.
Дизельные энергетические установки
Diesel power plants
В настоящее время судовые дизели в России предположительно могли бы производить 13 предприятий, которые с точки зрения правового статуса функционируют в виде акционерных обществ. Ранее освоенная ими продукция - это дизели следующих размерностей: ЧН15/18, ЧН18/20, ЧН21/21,
ЧН22/28, ЧН26/26, ЧН30/38, ЧН32/40, ЧН36/45. По основным технико-эксплуатационным параметрам и характеристикам они уступают западным аналогам, за исключением 3 моделей: ЧН 22/28, ЧН 26/26 и ЧН 32/40.
Если сформулировать концепцию развития отечественного мощностного ряда дизелей для обеспечения перспективных программ строительства объектов военного и гражданского судостроения без участия зарубежных производителей двигателей внутреннего сгорания (ДВС) [12, 13], то она должна предусматривать создание современных конкурентоспособных дизелей, отвечающих по своим технико-экономическим и экологическим характеристикам мировому техническому уровню.
В общей массе судовых дизелей обычно различают высокооборотные (ВОД), среднеоборотные (СОД) и малооборотные (МОД) дизели. Современные среднеоборотные и высокооборотные дизели ведущих зарубежных фирм-производителей имеют следующие значения базовых параметров: среднее эффективное давление - 2,3-2,8 МПа (при работе на газе - 1,9-2,0 МПа), скорость поршня - 9,1-12,5 м/с, отношение хода поршня к диаметру - в пределах 1,1-1,6. Агрегатная мощность для двигателей одной размерности с одинаковой частотой вращения определяется в зависимости от числа цилиндров, которое в рассматриваемом классе дизелей колеблется от 4 до 9 для рядных двигателей и может составлять 12, 14, 16, 18, 20 для У-образных двигателей.
На основании этих характеристик можно сформировать требуемый «идеальный» мощностной ряд среднеоборотных и высокооборотных отечественных судовых дизелей в диапазоне мощностей до 18 000 кВт, представленный в табл. 1 [4, 6, 13]. Их параметры достаточно хорошо коррелируют с соответствующими современными характеристиками мощностных рядов дизелей ведущих зарубежных фирм. Приведенный ряд должен быть развернут по числу цилиндров, частоте вращения, степени фор-сировки. Это дает возможность проектанту делать
Таблица 1. «Идеальный» мощностной ряд двигателей внутреннего сгорания Table 1. "Perfect" power row of internal combustion engines
Частота вращения, об/мин. 1500 1500 1000 750 500
Диаметр цилиндра/ход поршня, см 12/14 14/18 23/30 32/40 46/62
Цилиндровая мощность, кВт 50 90 270 520 1100
Агрегатная мощность, кВт 100-300 360-1100 1100-2150 2100-8300 6600-17 600
Рис. 1. Вид двигателя 16СД500 [15] Fig. 1. Engine 16SD500 [15]
выбор оптимального варианта дизельной ЭУ проектируемого судна.
Для кораблей, судов и морских нефтегазовых объектов, строительство которых планируется в период до 2030 г. [4, 14], востребованная мощность дизельных агрегатов предположительно может быть обеспечена отечественными дизелями, представленными ниже.
Среднеоборотные дизели
СОД мощностью 500-4400 кВт - модели, производимые на дизелестроительных заводах ОАО «Волжский дизель им. Маминых» и ПАО «Коломенский завод». Для закрытия ниши СОД мощностью 4400-7500 кВт и выше необходимо производство новой модели, в том числе на базе общепро-
Рис. 2. Вид двигателя семейства ДМ-185 [16] Fig. 2. Engine of DM-185 family [16]
мышленных двигателей ПАО «Коломенский завод» типа Д500К (ЧН 26,5/31), испытания которых в судовом исполнении начаты в 2018 г.
По данным разработчика, исполнение двигателя может быть 12, 16 и 20-цилиндровым. При этом мощность варьируется от 6000 до 10 000 л.с. Судовой дизель, получивший условное обозначение 16СД500 (рис. 1), может входить в состав главной ЭУ дизель-реверсного агрегата (ДРА) или дизель-генератора (ДГ) корабля. Помимо этого, на форуме «Армия-2018» Коломенский завод представил макет дизель-редукторного агрегата 1ДРА6000 с дизелем модификации 16Д49 (16ЧН26/26), который предназначен для использования в составе главной судовой ЭУ для работы на гребной винт регулируемого шага [15].
Для создания среднеоборотных отечественных дизелей мощностью до 15-18 МВт в соответствии с концепцией «идеального» мощностного ряда (табл. 1) потребуется освоение новой размерности, например ЧН46/62.
Высокооборотные дизели
Область ВОД мощностью до 4500 кВт представлена моделями ПАО «Уральский дизель-моторный завод» (семейство дизельных двигателей ДМ-185 размерностью 18,5/21,5 от 750 до 4500 кВт (рис. 2)) и ПАО «Звезда». При этом повышение технико-экономических характеристик нового двигателя ПАО «Звезда» 12ЧН15/17,5 осуществляется развертыванием этой размерности в ряд по количеству цилиндров. Нижняя граница мощности ВОД (10-150 кВт) может быть перекрыта продукцией ОАО Завод «Дагдизель» либо конвертацией дизелей наземных транспортных средств.
Малооборотные дизели
Так как в России двигатели этого класса не производятся (Брянский машиностроительный завод прекратил изготовление лицензионных МОД) и возобновление их создания в РФ в обозримом будущем маловероятно, то МОД требуемого уровня мощности должны будут приобретаться у зарубежных фирм.
Газотурбинные энергетические установки
Gas turbine power plants
Разработанный в рамках федеральной целевой программы «Развитие гражданской морской техники» - РГМТ (ОКР «Динамика» [12, 13]) эскиз-
Таблица 2. Газотурбинные двигатели первой очереди Table 2. Gas turbines of the 1st batch
Тип ГТД М70ФРУ/16 М90М М90М1 М90М2
Максимальный режим, кВт (л. с.) 11 768 (16 000) 25 000 (34 000) 27 000 (36 720) 34 000 (46 240)
Номинальный режим длительный, кВт (л.с.) 10 297 (14 000) 17 500 (23 800) 21 600 (29 376) 23 800 (32 368)
Таблица 3. Газотурбинные двигатели второй очереди Table 3. Gas turbines of the 2nd batch
Тип ГТД М100РУ М200РУ М100ФРУ М200ФРУ
Максимальный режим, кВт (л.с.) 29 000 (39 440) 34 000 (46 242) 34 000 (46 240) 40 000 (54 397)
Номинальный режим длительный, кВт (л.с.) 24 500 (33 320) 29 000 (39 440) 29 000 (39 440) 34 000 (46 242)
ный проект мощностного ряда отечественных судовых газотурбинных двигателей (ГТД) с комплектующим оборудованием представлен в табл. 2, 3 и на рис. 3.
Производство отечественных судовых ГТД условно разделено на две очереди. Первая предполагает модернизацию морских ГТД М70ФРУ и М90ФР, созданных и создаваемых при решении задач импортозамещения. Во второй очереди планируется разработка семейства новых ГТД так называемого 5-го поколения.
Внедрение семейства морских ГТД нового поколения потребует освоения ряда критических технологий, включающих:
■ использование высокотемпературных корро-зионностойких материалов, работоспособных при температуре газа перед турбиной до 1600 К и более в условиях возможного засоления;
■ создание высокоэффективных компактных теп-лообменных аппаратов для двигателя сложного цикла с промежуточным охлаждением и рекуперацией;
■ разработку турбины с регулируемой пропускной способностью и др.
На рис. 4 представлены мощностные ряды дизельных и газотурбинных двигателей, наличие которых поможет выполнить программу создания отечественных кораблей, гражданских судов и морских нефтегазовых объектов, строительство которых планируется в период до 2030 г. При этом нужно отметить следующее:
■ реализация программы создания ГТД позволит полностью решить проблему импортонезависи-мости России при строительстве объектов военного и гражданского судостроения и морских средств освоения газонефтяных месторождений;
Рис. 3. Мощностной ряд судовых газотурбинных двигателей [12, 17]
Fig. 3. Power row of marine gas turbines [12, 17]
Серийные морские ГТД и ГТД, разработанные для импортозамещения, N макс
Серийные морские ГТД и ГТД,
разработанные для импортозамещения, N ном. дл.
Серийные морские ГТД и ГТД, разработанные для импортозамещения, N ном.
ГТД из разработанного мощностного ряда, N ном. дл.
ГТД из разработанного мощностного ряда, N макс
Мощность, кВт 40000
35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0
НЕЁ
J? »Я
^ # ^s4
■! «Коломенский Завод»
□ «УДМЗ»
«Звезда»
□
2000 4000 6000
8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Потребный мощностной диапазон, 45-18000 кВт
-+-
4-
-+-
5000
10000
15000
Освоенные
20000 25000 30000 35000 40000 Потребный мощностной диапазон, 5000-35000 кВт
Осваиваемые
Перспективные
Рис. 4. Мощностные ряды отечественных дизельных и газотурбинных двигателей Fig. 4. Power rows of Russian diesels and gas turbines
0
■ отечественное дизельное двигателестроение более существенно, по сравнению с газотурбинной энергетикой, интегрировано в мировую экономику в части изготовления комплектующего оборудования. Поэтому кардинальное решение проблемы импортозамещения при создании российских ДВС потребует создания собственного производства основных элементов двигателя внутреннего сгорания.
Ядерные энергетические установки
Nuclear power plants
Ядерная энергетика применяется на ледоколах, арктических транспортных судах и плавучих энергоблоках (ПЭБ). Атомные суда являются мелкосерийными, а иногда и единичными, поэтому при создании их ЭУ особое значение приобретает межпроектная унификация основного комплектующего оборудования как средство снижения стоимости и уменьшения сроков создания.
ФГУП «Крыловский государственный научный центр» совместно с АО «ОКБМ «Африкантов», ЗАО «Завод «Киров-Энергомаш», АО «Калужский турбинный завод», ПАО «ЦКБ «Айсберг», НИЦ «Курчатовский институт» в рамках ФЦП РГМТ выполнена ОКР «Разработка технических предложений по созданию атомной энергетической установки на базе унифицированной реакторной установки для перспективных ледоколов и арктических
судов». В рамках этой ОКР разработаны предложения по облику перспективных судовых ЯЭУ на базе унифицированного основного оборудования [18, 20]. В числе основных требований к перспективным судовым ЯЭУ - увеличение ресурса оборудования, срока службы, интервала времени между перегрузками активной зоны [18]. Для выполнения указанных требований разработаны технические предложения по созданию ЯЭУ с интегральным реактором, имеющей следующие преимущества по сравнению с реакторными установками предыдущего поколения (блочного типа):
■ уменьшенные масса и габариты реакторной установки в защитной оболочке;
■ повышенный радиационный ресурс корпуса реактора;
■ повышенный уровень безопасности в авариях с течью теплоносителя первого контура;
■ снижение энергопотребления на собственные нужды.
Мощностной ряд реакторных установок (рис. 5) для перспективных объектов морской техники включает три базовых установки: АБВ-6Э (интегральный реактор с естественной циркуляцией теплоносителя) тепловой мощностью около 40 МВт; РИТМ-200 (интегральный реактор с принудительной циркуляцией теплоносителя) тепловой мощностью 175 МВт; РИТМ-400 (интегральный реактор с принудительной циркуляцией теплоносителя) тепловой мощностью 350 МВт [18-21].
Реакторные установки типа АБВ-6Э тепловой мощностью 25-45 МВт предназначены для одно-реакторных ПЭБ электрической мощностью 610 МВт и двухреакторных ПЭБ электрической мощностью 12-20 МВт.
Реакторные установки типа РИТМ-200 тепловой мощностью 130-200 МВт могут применяться на ледоколах и судах пропульсивной мощностью 30-40 МВт (однореакторная ЯЭУ) и 50-70 МВт (двухреакторная ЯЭУ), а также на ПЭБ электрической мощностью 30-70 МВт.
Реакторные установки типа РИТМ-400 тепловой мощностью 250-360 МВт могут использоваться на ледоколах и судах с пропульсивной мощностью 50-70 МВт (однореакторная ЯЭУ) и ледоколе-лидере с пропульсивной мощностью 100-130 МВт (двухреакторная ЯЭУ).
Мощностной ряд базовых турбогенераторных установок представлен установками малой (6-8 МВт) и средней мощности (35-40 МВт).
В настоящее время производятся два типа главных турбоагрегатов (ГТА) средней мощности: К-35/38-3,4 (АО «КТЗ») для ПЭБ пр. 20870 и ГТА ПТУ37 универсального атомного ледокола (УАЛ) пр. 22220 (ЗАО «Завод «Киров-Энергомаш» и АО «Уральский турбинный завод») [20]. ГТА К-35-3,4 - однопоточный однокорпусный с внут-рикорпусной сепарацией влаги. В ГТА ПТУ37 использована двухкорпусная турбина с внешним межкорпусным сепаратором. Для арктических судов с механической пропульсивной установкой на базе ГТА ПТУ37 разработан главный турбозубча-тый агрегат (ГТЗА) (рис. 6).
Унифицированный главный турбогенераторный агрегат (ГТА) электрической мощностью 6 МВт может применяться в качестве главных турбоагрегатов для ПЭБ малой мощности, а также устанавливаться в качестве вспомогательных турбогенераторов на атомных судах с ГТЗА, в которых дополнительно используется электродвижение, например винторулевые колонки.
Ядерная энергетика может быть принципиально использована при освоении морских месторождений полезных ископаемых на дне морей и океанов, в том числе располагающихся подо льдами арктических и замерзающих морей. При этом отечественная промышленность обладает всеми необходимыми элементами, обеспечивающими разработку, создание, эксплуатацию и последующую утилизацию атомных ЭУ морского исполнения в достаточно широком мощностном диапазоне: от нескольких сотен киловатт до нескольких сотен МВт (~400 МВт).
АБВ-6
—он—
+
РИТМ-200 —I—О—I—
РИТМ-400
+
+
50
100 150 200 250 300 350 МВт
Рис. 5. Мощностной ряд перспективных реакторных установок [21]
Fig. 5. Power row of advanced nuclear power plant [21]
В проработках отечественных проектантов подводных объектов [11], в частности, приводятся данные по целому ряду подводных атомных танкеров для доставки нефтепродуктов от подводных нефтяных терминалов, расположенных подо льдом, к береговым хранилищам. Также имеются прора-
Рис. 6. Главный турбозубчатый агрегат мощностью около 40 МВт
Fig. 6. Main turbogear assembly (power ~40 MW)
ботки добывающих стационарных морских платформ, энергообеспечение которых осуществляется от ЯЭУ, размещаемой непосредственно на самой платформе. Характерные значения мощности ЯЭУ для средств освоения шельфовых месторождений: подводное буровое судно - 6 МВт (эл.), подводный энергетический комплекс - 4*6 МВт (эл.), подводная газоперекачивающая станция - 44 МВт (компрессор) + 6 МВт (эл.), подводные танкеры -30 МВт (на валах).
ЯЭУ относительно малой мощности могут создаваться на основе прямого преобразования тепловой энергии ядерного источника с помощью термоэлектрических генераторов [22, 23]. В качестве преобразователя ядерной энергии в электрическую также может рассматриваться термоэмиссионная установка, в которой термоэмиссионный преобразователь встроен непосредственно в активную зону реактора.
Вместе с тем остается дискуссионным вопрос о целесообразности применении ЯЭУ для относительно небольших уровней мощности, не превышающих нескольких сотен киловатт, и подводных автономностей не более нескольких суток, особенно с учетом экологических аспектов эксплуатации ЯЭУ.
Электроаккумуляторные установки
Fuel cell power plants
Электроаккумуляторные установки являются наиболее распространенным типом неатомной энергетики, применяемой на всех существующих подводных технических средствах в период их эксплуатации в подводном положении.
В мире широко используются свинцово-кислотные и серебряно-цинковые аккумуляторные батареи (АБ), подзарядка которых производится после всплытия на поверхность за счет электрогенераторной установки, размещаемой на берегу,
обеспечивающем судне или непосредственно на борту подводного объекта. Если работы выполняются на больших глубинах, исключающих возможность размещения АБ внутри прочного корпуса ПТС, то применяются батареи, допускающие работу в погружном исполнении, т. е. в условиях изменяющегося давления забортной воды.
Сравнительные характеристики аккумуляторных источников энергии представлены в табл. 4 [6].
В последние годы существенно расширяется область использования литий-ионных аккумуляторов не только в слаботочной, но и в силовой электроэнергетике. АБ на их основе, в том числе в погружном исполнении, могут обеспечивать характеристики, превышающие по удельной энергии серебряно-цинковые АБ, а по ряду эксплуатационных качеств и превосходящие последние (цикличность, время зарядки, независимость от пространственной ориентации при размещении на объекте) [24]. Как показывают зарубежные и отечественные проработки, литий-ионные АБ [24, 25] для подводных лодок среднего водоизмещения и различных подводных аппаратов позволяют обеспечить длительную непрерывную подводную автономность, соизмеримую с показателями воздухонезависимых ЭУ.
Воздухонезависимые энергетические установки подводных технических средств
Air-independent propulsion plants of underwater technology
Набор технических решений энергообеспечения подводных работ автономных ПТС при современном уровне развития техники ограничивается следующими типами установок (рис. 7):
■ ЯЭУ;
■ ЭУ с тепловыми двигателями, работающими по замкнутому циклу;
■ ЭУ с электрохимическими источниками тока;
■ ЭУ с тепловыми аккумуляторами и др.
Таблица 4. Основные данные аккумуляторных источников энергии различных электрохимических систем Table 4. Main data on fuel cells for various electrochemical systems
Электрохимическая Емкость, Напряжение Удельная энергия Количество
система Ач среднее, В Вт-ч/кг Втч/дм3 циклов
Серебряно-цинковая 300 1,5 102 220 15
Никель-цинковая 200 1,6 80 157 50
Свинцово-кислотная 200 2,0 35,2 71,6 60
Рис. 7. Энергетические установки подводных технических средств
Fig. 7. Power plants for underwater technology
Автономные ПТС с собственным источником энергии ПТС Буксируемые и стационарные ПТС с внешним источником энергии
Традиционные ЯЭУ
ЯЭУ с прямым преобразованием энергии
ЭУ на углеводородном топливе
ЭУ на нетрадиционных топливах и окислителях
АБ
ЭУ с ЭХГ
Подача энергоресурсов от внешнего источника
ЭХГ
ТДЗЦ
АБ
ТЭГ, ТЭП ЯЭУ
-+-
10 100 1000 10000 100000 кВт
0
При этом реально достижимый для этой энергетики мощностной диапазон различен, различна также глубина проработки и степень освоенности некоторых перспективных направлений, которые предположительно могут использоваться на ПТС [23, 27, 28].
Оценка мирового уровня состояния работ в области воздухонезависимой энергетики неатомных подводных лодок показывает, что в реальной эксплуатации сегодня находятся ПЛ с ВНЭУ с электрохимическими генераторами (ЭХГ) водородно-кислородного типа (Германия), ВНЭУ с двигателями Стерлинга замкнутого цикла (Швеция, Япония), ВНЭУ с паротурбинными двигателями - ЭУ «Ме-сма» (Франция).
С позиции энергоэффективности предпочтительным представляется вариант ВНЭУ с ЭХГ во-дородно-кислородного типа при хранении топлива в газообразном или жидком состоянии либо в водородных аккумуляторах на базе интерметаллидов. Коэффициент полезного действия подобного рода установки оценивается на основных режимах работы цифрами порядка 50-60 %. Эта установка обеспечивает практически идеальные возможности по обеспечению решения задач бесследности корабля, т.к. ЭХГ является статическим источником, а уровень мощности, виброактивности и шумоизлучения вспомогательного обслуживающего оборудования минимален. Минимален и температурный уровень работы ЭХГ, не превышающий для низкотемпературных генераторов ~100 °С.
Вместе с тем применение ЭУ с ЭХГ водородно-кислородного типа имеет и ряд значимых недостат-
ков. Сегодня это наиболее дорогостоящий тип ЭУ. Нужно отметить и неудовлетворительные характеристики водорода с позиций обеспечения взрыво-опасности, а также чрезвычайно низкое значение удельного веса Н2 даже в жидком виде, что усложняет задачу размещения требуемого объема водорода на объекте. К недостаткам ВНЭУ следует отнести и то обстоятельство, что на корабле имеются два различных типа установок: дизельная и с ЭХГ, -требующих различного вида топлива и соответствующей подготовки личного состава для их обслуживания.
Последнего недостатка лишена воздухонезави-симая установка с дизелем замкнутого цикла, который может быть приспособлен к работе как по замкнутому циклу в подводном положении, так и по разомкнутому при возможности использования кислорода атмосферного воздуха либо в режиме работы дизеля под водой, либо при нахождении в надводном положении. Дизельная установка по энергетической эффективности занимает второе место после водородно-кислородных ЭХГ. Однако для этого типа воздухонезависимой энергетики гораздо сложнее решаются вопросы обеспечения требований по виброакустическим характеристикам основного оборудования и необходимости удаления значительных объемов отработавших газов, образующихся в процессе сгорания углеводородного топлива в среде кислорода.
Следует отметить, что, в отличие от ВНЭУ с ЭХГ, вопрос разработки собственного источника энергии (дизель-генератора) не является критичным для отечественной промышленности, которая имеет
положительный опыт в этой области. В то же время проблема создания водородно-кислородного ЭХГ с приемлемыми ресурсными характеристиками в России до настоящего времени не решена.
Энергетика подводных лодок на базе двигателей Стирлинга, или двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ), по энергетической эффективности занимает третье место после ЭХГ и дизеля, но в то же время по виброактивности стоит впереди дизелей. В РФ не существовало до сих пор не существует реального разработчика и потенциального поставщика двигателей Стирлинга необходимой мощности вплоть до 500-800 кВт. Именно это обстоятельство и привело к тому, что в отечественном кораблестроении работы по энергетическим установкам с ДВПТ для подлодок остались на уровне эскизного проектирования подводных объектов.
Анализ информации о французской воздухо-независимой установке типа «Месма» показывает, что в ней использован опыт эксплуатации паротурбинных установок подводных лодок с ЯЭУ, технологиями создания которых обладает в том числе и Россия, имеющая также опыт создания парогенераторной техники, работающей с различными топливно-окислительными композициями. Поэтому готовность отечественной промышленности к освоению подобных ВНЭУ сопоставима с дизельной энергетикой.
Для всех типов ВНЭУ с тепловыми двигателями (дизель, ДВПТ, паровая, газовая или парогазовая турбина), а также ЭУ с ЭХГ водородно-кислородного типа, водород в которой получается конверсией углеводородного топлива, возникает проблема удаления в окружающее пространство или размещения на борту подлодки значительного количества отработавших продуктов реакции, получаемых в газовой фазе при достаточно высоком уровне температур. По этим причинам выбор типа ВНЭУ будет в значительной мере определяться тактико-техническим требованиями, предъявляемыми заказчиком ПТС, и для отечественной промышленности может реализовываться посредством использования ЭУ с ЭХГ или ЭУ с ДВС замкнутого цикла.
Заключение
Conclusion
Следует констатировать, что, несмотря на сложности при создании газотурбинной и дизельной энергетики, возникающие из-за действующих
ограничений по использованию зарубежного оборудования, в России ведется целенаправленная деятельность по воссозданию производства современных дизелей и газотурбинных агрегатов для нужд судостроения.
Что же касается атомной энергетики, то в этой области Россия сохраняет передовые позиции, и речь здесь должна идти не только о техническом уровне корабельных и судовых ЯЭУ, но и о необходимости увеличения мощности предприятий, осуществляющих разработку и поставку ЯЭУ для различных объектов морского базирования.
В области воздухонезависимой энергетики отечественные работы сосредоточены на создании ЭУ с ЭХГ водородно-кислородного типа для неатомных подводных лодок. Ввода подобных лодок в строй следует ожидать в начале 20-х гг.
Библиографический список
1. Воронцов А.В., Иванов Р.А., Струев В.П., Хорошев В.Г. Ожидаемые направления развития энергетических установок гражданских судов и морских сооружений // Труды Центрального научно-исследовательского института им. акад. А.Н. Крылова. 2009. Вып. 45(329). С. 5-16.
2. Иванов Р.А., Струев В.П., Хорошев В.Г. Судовые энергетические установки на основе электрохимических генераторов. Современное состояние и перспективы развития // Тезисы трудов II Российской научно-практической конференции судостроителей «Единство науки и практики». СПб., 2010. С. 100-101.
3. Иванов Р.А., Струев В.П. Энергетика надводных и подводных технических средств освоения Мирового океана / Академик А.Н. Крылов. К 150-летию со дня рождения. СПб.: Крыловский государственный научный центр. 2013. С. 143-164.
4. Научно-технический отчет ФГУП «Крыловский государственный научный центр» по 1 этапу ОКР «Динамика». Уточнение перспективного продуктового ряда судов и морских нефтегазовых объектов на период до 2030 года и формирование основных требований к техническим и эксплуатационным параметрам их газотурбинных и дизельных двигателей с комплектующим оборудованием. Вып. № 48285. 2015.
5. Jane's Fighting Ships. 2015-2016; 2016-2017; 20172018.
6. Иванов Р.А., Арсеньев Ю.Н. Энергетические установки гражданских судов и морских сооружений // V Международный Балтийский морской форум.
V Международная научная конференция «Морская техника и технологии. Безопасность морской индустрии». Тезисы докладов. Калининград, 2017. С. 129-131.
7. Арсеньев Ю.Н., Иванов Р.А., Копытов Ю.В., Цибульский Е.В. Оценка возможности отечественного дви-гателестроения по обеспечению текущих и перспективных потребностей морской энергетики // Материалы Всероссийского научно-технического форума «Корабельная энергетика: из прошлого в будущее». СПб.: СПбГМТУ, 2017. С. 93-97.
8. Никитин В.С., Половинкин В.Н., Барановский В.В. Состояние и перспективы развития отечественных котлотурбинных установок боевых надводных кораблей океанской зоны и вспомогательных судов // Труды Крыловского государственного научного центра. 2017. Вып. 1(379). С. 86-99.
9. Никитин В.С., Половинкин В.Н., Барановский В.В. Современное состояние и перспективы развития отечественных корабельных дизельных энергетических установок // Труды Крыловского государственного научного центра. 2017. Вып. 2(380). С. 70-91.
10. Никитин В.С., Половинкин В.Н., Барановский В.В. Современное состояние и перспективы развития отечественных газотурбинных энергетических установок // Труды Крыловского государственного научного центра. 2017. Вып. 3(381). С. 75-90.
11. Подводные технологии и средства освоения Мирового океана. М.: Издательский дом «Оружие и технологии», 2011.
12. Научно-технический отчет ФГУП «Крыловский государственный научный центр» по 2 этапу ОКР «Динамика». Разработка эскизных проектов конструктивных рядов газотурбинных и дизельных двигателей с комплектующим оборудованием под перспективный продуктовый ряд судов и морских нефтегазовых объектов. Вып. № 48514. 2016.
13. Итоговый научно-технический отчет ФГУП «Кры-ловский государственный научный центр» по ОКР «Динамика». Проработка конструктивного облика и основных требований по техническим и эксплуатационным параметрам газотурбинных и других типов двигателей под перспективный продуктовый ряд судов и морской техники. Вып. № 48521. 2016.
14. Морская доктрина Российской Федерации на период до 2020 года // Судостроение. 2001. № 6. С. 9-12.
15. Коломенский завод, ПАО [Электрон. ресурс] / Сайт sudostroenie.info. URL: https://sudostroenie.info/ predprijatija/1108.html [дата обращения: 04.11.18].
16. Семейство дизельных двигателей ДМ-185, от 750 до 4 500 кВт [Электрон. ресурс] / Сайт АО «Синара-
Транспортные Машины». URL: https://sinaratm.ru/ products/dizeli/semeystvo-dizelnykh-dvigateley-dm-185 [дата обращения: 04.11.18].
17. Отчет ПАО «Сатурн» о СЧ ОКР «Динамика - Сатурн», этап № 2. Проработка конструктивного облика и основных требований по техническим и эксплуатационным параметрам газотурбинных двигателей с комплектующим оборудованием под перспективный продуктовый ряд судов и морской техники. Инв. № 413-00-0162-ПЗ-2016. 2016.
18. Беляев В.М., Вешняков К.Б., Жуковский В.Г., Кудино-вич И.В., Пахомов А.Н., Рязанцева О.В., Сутеева А.Ж., Чесноков Ю.Н., Шкляров Н.В. Атомные энергетические установки для перспективных ледоколов на базе унифицированного оборудования // Труды Крыловского государственного научного центра. 2015. Вып. 89(373). С. 7-20.
19. Кудинович И.В., Шкляров Н.В. Концепция создания атомной теплоэлектростанции малой мощности на базе блочно-транспортабельного реакторного блока // Труды Крыловского государственного научного центра. 2013. Вып. 77 (361). С. 19-27.
20. Кудинович И.В., Сутеева А.Ж., Хорошев В.Г. Ядерные энергетические установки для перспективных объектов морской техники гражданского назначения // Труды Крыловского государственного научного центра. 2018. Вып. 386(4). С. 95-106.
21. Зверев Д.Л. Опыт создания и перспективы развития атомных энергетических установок для ледокольного флота и энергообеспечения Арктического региона // Международная конференция «Материалы и технологии для Арктики». СПб., 13-14 декабря 2017.
22. Велихов Е.П., Кузнецов В.П., Куштан В.В., Устинов В.С., Мирзоев Д.А. Обзор российских проработок вопросов атомного энергообеспечения разведки, добычи и транспортировки углеводородов на арктическом шельфе // МНТК «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики». НИКИЭТ им. А.А. Доллежаля. Москва, 7-10 октября 2014.
23. Саркисов А.А., Антипов С.В., Смоленцев Д.О., Би-лашенко В.П., Кобринский М.Н., Сотников В.А., Шведов П.А. Безопасное развитие энергетических технологий в Арктике. Перспективы и подходы // Известия вузов. Ядерная энергетика. 2018. № 3. С. 5-17.
24. Арсеньев Ю.Н., Иванов Р.А., Копытов Ю.В. Возду-хонезависимая энергетика подводных объектов на базе литий-ионных аккумуляторных батарей // Труды Крыловского государственного научного центра. 2017. Вып. 3(385). С. 107-114.
25. Разработка и интеграция литий-ионный батарей на подводных лодках // Дайджест зарубежной прессы. ВМС и кораблестроение. 2014. № 70-71. С. 118-121.
26. АрсеньевЮ.Н., ДенисоваМ.Ш., ИвановР.А., Ко-пытов Ю.В. Проблемные вопросы развития анаэробных энергетических установок для неатомных ПЛ // Материалы четвертой Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики». СПб.: СПбГМТУ, 2015. С. 23-24.
27. Иванов Р.А., ДенисоваМ.Ш., Копытов Ю.В. Тенденции развития энергетических установок подводных аппаратов // Материалы третьей Всесоюзной межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики». СПб.: СПбГМТУ, 2015. С. 29-30.
28. Денисова М.Ш., Иванов Р.А., Копытов Ю.В. Химические источники тока для морского подводного оружия и необитаемых подводных технических средств // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Морское подводное оружие. Перспективы развития». СПб.: ФГУП «Кры-ловский государственный научный центр», 2015. С. 57-59.
References
1. A. Vorontsov, R. Ivanov, V. Struev, V. Khoroshev. Development perspectives for the power units of passenger vessels and marine structures // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2009. Issue 45(329). P. 5-16 (in Russian).
2. R. Ivanov, V. Struev, V. Khoroshev. Fuel cell-based marine power plants. State of the art and prospects // Theses of Transactions, 2nd Russian Scientific & Practical Conference of Shipbuilders Unity of Science and Practice. St. Petersburg, 2010. P. 100-101 (in Russian).
3. R. Ivanov, V. Struev. Power systems of surface and underwater platforms for Ocean developments / Academician A. Krylov. To the 150th Anniversary. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2013. P. 143-164 (in Russian).
4. Krylov State Research Centre Report. Stage 1 of Dina-mika R&D project. Update of future spectrum of ships and marine oil & gas platforms for the period up to the year 2030 and formulation of main requirements to technical and performance parameters of their gas turbines and diesels, with accessories. Issue No. 48285, 2015 (in Russian).
5. Jane's Fighting Ships. 2015-2016; 2016-2017; 20172018.
6. R. Arsenyev. Power plants of commercial ships and marine structures // 5th International Baltic Maritime Forum. 5th International Scientific Conference Marine technology and engineering. Safety of the marine industry. Theses of papers. Kaliningrad, 2017. P. 129131 (in Russian).
7. Yu. Arsenyev, R. Ivanov, Yu. Kopytov, Ye. Tsibulsky. Assessment of Russian engine building potential in meeting current and future marine power needs // Materials of the All-Russian scientific & technical forum Marine power: from the past to the future. St. Petersburg State Maritime Technical University, 2017. P. 93-97 (in Russian).
8. V. Nikitin, V. Polovinkin, V. Baranovsky. State of the art and prospects of Russian boiler-turbine plants for oceangoing surface ships and auxiliary vessels // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017. Issue 1(379). P. 86-99 (in Russian).
9. V. Nikitin, V. Polovinkin, V. Baranovsky. State of the art and prospects of Russian marine diesels // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017. Issue 2(380). P. 70-91 (in Russian).
10. V. Nikitin, V. Polovinkin, V. Baranovsky. State of the art and prospects of Russian gas turbines // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017. Issue 3(381). P. 75-90 (in Russian).
11. Underwater technologies and Ocean development tools. Moscow, Publishing House Oruzhie i Tekhnologii (Weaponry and Technologies), 2011 (in Russian).
12. Krylov State Research Centre Report. Stage 2 of Dina-mika R&D project. Conceptual design of the variety of gas turbines and diesel engines, with accessories, for future ships and marine oil & gas platforms. Issue No. 48514, 2016 (in Russian).
13. Krylov State Research Centre Final Report under Dinamika R&D project. Development of main design solutions and technical and performance requirements for gas turbines and other engines for future ships and marine technology. Issue No. 48521, 2016 (in Russian).
14. Maritime Doctrine of the Russian Federation for the period of up to the year 2020 // Sudostroyeniye (Shipbuilding). 2001. No. 6. P. 9-12 (in Russian).
15. Kolomna Diesel Plant, JSC [Online] / Web-site sudostroenie.info, URL: https://sudostroenie.info/ predprijatija/1108.html [Accessed 04.11.18] (in Russian).
16. DM-185 diesel family: power from 750 to 4500 kW [Online] / Web-site of Sinara Transport Machines (STM) company, URL: https://sinaratm.ru/products/ dizeli/semeystvo-dizelnykh-dvigateley-dm-185 [Accessed 04.11.18] (in Russian).
17. JSC Saturn Report on R&D project Dinamika - Saturn, Stage 2. Development of main design solutions and technical and performance requirements for gas turbines, with accessories, for future ships and marine technology, 2016. Identification No. 413-00-0162-H3-2016 (in Russian).
18. V. Belyaev, K. Veshnyakov, V. Zhukovsky, I. Kudinovich, A. Pakhomov, O. Ryazantseva, A. Suteeva, Yu. Ches-nokov, N. Shklyarov. Nuclear power plants for advanced icebreakers based on standardized equipment // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2015. Issue 89(373). P. 7-20 (in Russian).
19. I. Kudinovich, N. Shklyarov. Conception of low-power nuclear thermal-electric power plant based on modular reactor unit // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2013. Issue 77(361). P. 19-27 (in Russian).
20. I. Kudinovich, A. Suteeva, V. Khoroshev. Nuclear power plants for advanced civil marine technology // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2018. Issue 386(4). P. 95-106 (in Russian).
21. D. Zverev. Development experience and prospects of nuclear power plants for icebreaker fleet and energy supply of the Arctic // International conference Materials and technologies for the Arctic. St. Petersburg, December 13-14, 2017 (in Russian).
22. Ye. Velikhov, V. Kuznetsov, V. Kushtan, V. Ustinov, D. Mirzoev. Review of Russian developments in nuclear power supply for oil & gas exploration, production and transportation on the Arctic shelf. International Scientific & Technical Conference Innovative Designs and Technologies of Nuclear Power. JSC NIKIET. Moscow, October 7-14, 2014 (in Russian).
23. A. Sarkisov, S. Antipov, D. Smolentsev, V. Bilashenko, M. Kobrinsky, V. Sotnikov, P. Shvedov. Safe development of power technologies in the Arctic. Prospects and approaches // Izvestiya vuzov (News from the academia). 2018. No. 3. P. 5-17 (in Russian).
24. Yu. Arsenyev, R. Ivanov, Yu. Kopytov. Air-independent power for submersibles based on Li-ion batteries // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2017. Issue 3(385). P. 107-114 (in Russian).
25. Development and integration of Li-Ion batteries for submarines // Foreign press digest: Navy and shipbuilding. 2014. No. 70-71. P 118-121 (in Russian)
26. Yu. Arsenyev, M. Denisova, R. Ivanov, Yu. Kopytov. Challenges in development of air-independent propulsion plants for conventional subs // Materials of the 4th All-Russian interdisciplinary scientific & technical conference Relevant issues in marine power. St. Petersburg State Marine University, 2015. P. 23-24 (in Russian).
27. R. Ivanov, M. Denisova, Yu. Kopytov. Development trends in power plants of underwater vehicles // Materials of the 3rd All-Russian interdisciplinary scientific & technical conference Relevant issues in marine power. St. Petersburg State Marine University, 2014. P. 29-30 (in Russian).
28. M. Denisova, R. Ivanov, Yu. Kopytov. Chemical power supplies for underwater naval weaponry and UUVs // Materials of All-Russian scientific & practical conference Underwater naval weaponry. Development prospects. St. Petersburg: Krylov State Research Centre, 2015. P. 57-59 (in Russian).
Сведения об авторах
Иванов Роман Александрович, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: 8 (812) 415-65-24. E-mail: 4_otd@ ksrc.ru. Кудинович Игорь Владиславович, д.т.н., доцент, заместитель начальника отделения - начальник отдела ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: 8 (812) 415-48-06. E-mail: [email protected].
Хорошев Виталий Геннадьевич, д.т.н., с.н.с., заместитель генерального директора - начальник отделения ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: 8 (812) 415-48-06. E-mail: [email protected].
Струев Вячеслав Петрович, д.ф.-м.н., профессор, заместитель руководителя Курчатовского комплекса ядерных транспортных энергетических технологий, НИЦ «Курчатовский институт». Адрес: 123182, Россия, Москва, пл. Академика Курчатова, 1. Тел.: 8 (812) 274-16-05. E-mail: [email protected].
About the authors
Roman A. Ivanov, Dr. Sci. (Eng.), Principal Research Scientist, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-65-24. E-mail: [email protected]. Igor V. Kudinovich, Dr. Sci. (Eng.), Associated Professor, Deputy Head of Division - Head of Department, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-48-06. E-mail: [email protected].
Vitaly G. Khoroshev, Dr. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Deputy Director General - Head of Division, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Peters-
burg, Russia, post code 196158. Tel.: 8 (812) 415-48-06. E-mail: [email protected].
Vyacheslav P. Struev, Dr. Sci. (Phys. & Math), Prof., Deputy Head of Kurchatov Complex of Transport
Nuclear Power Technologies, NRC Kurchatov Institute. Address: 1, Akademika Kurchatova Square, Moscow, Russia, post code 123182. Tel.: 8 (812) 274-16-05. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 03.12.18 Принята в печать / Accepted: 21.05.19 © Коллектив авторов, 2019
