Андрей Нерушайло
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ДИЗЕЛЬНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК НА КОРАБЛЯХ И СУДАХ ВМФ ДО 2030 ГОДА
Вся история военного кораблестроения неразрывно связана с непрекращающимся поиском наиболее эффективных источников энергии обеспечения заданного хода кораблей (судов). Поэтому формирование современного облика Военно-морского флота РФ, разработка и строительство перспективных кораблей и судов невозможны без развития корабельных энергетических установок (КЭУ).
{{direct_hor}} Выбор типа и состава главной энергетической установки (ГЭУ) - один из важнейших этапов проектирования корабля.
Из-за разнородности решаемых задач требования, предъявляемые к ГЭУ разных классов кораблей, существенно различаются. Поэтому, учитывая современное состояние кораблестроения, можно утверждать, что дизельные энергетические установки (ДЭУ), а также КЭУ на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в период до 2030 г. будут использоваться на неатомных подводных лодках, кораблях противоминной обороны (ПМО), боевых катерах, надводных кораблях малого и среднего водоизмещения (фрегатах, корветах), а также на десантных и вспомогательных кораблях и судах.
Энергетические установки с поршневыми (дизельными) двигателями в настоящее время являются самыми экономичными по расходу органического топлива и находят широкое применение в военных флотах всех стран мира. При этом тенденция совершенствования самих дизельных двигателей отчетливо просматривается как в настоящее время, так и в перспективе.
НЕАТОМНЫЕ ПОДВОДНЫЕ ЛОДКИ
Актуальной проблемой флота являются разработка и создание относительно дешевых (примерно в 10 раз дешевле по сравнению с АПЛ) неатомных субмарин, способных длительное время находиться под водой и нести различные виды вооружения. Высокая скрытность этих носителей оружия, относительная дешевизна строительства и эксплуатации выдвигают эти корабли на одно из первых мест в составе ВМФ.
Для ЭУ подводных лодок с неатомной энергетикой в настоящее время характерны две тенденции развития.
Первая - совершенствование традиционных дизель-электрических энергетических установок (ДЭЭУ). В качестве перспективных могут рассматриваться одновальные дизель-электрические ПЛ с малошумными винтами фиксированного шага, с одним главным гребным электродвигателем постоянного тока, мощными выпрямительными агрегатами, имеющими в своем составе от двух до четырех дизель-генераторов переменного тока. В качестве привода генераторов могут использоваться форсированные высокооборотные дизели (ВОД) с частотой вращения от 1200 до 1800 об/мин и агрегатной мощностью от 700 до 1500 кВт, способные устойчиво работать при разрежении на всасывании и противодавлении на выпуске. Повышение мощности и КПД электрических машин (постоянного и переменного тока), совершенствование традиционных (свинцово-кислотных) и разработка новых, обладающих высокой удельной энергией (серебряно-цинковых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, металловоздушных и др.) аккумуляторных батарей в сочетании с совершенствованием их надежности, а в перспективе при использовании высокотемпературной сверхпроводимости (к 2030 г.) позволят создать высокоэффективные мощные неатомные ЭУ, способные обеспечивать длительное нахождение ПЛ под водой для решения поставленных задач.
Вторая тенденция - создание принципиально новых анаэробных энергетических установок (не зависящих от атмосферного или внутриотсечного воздуха). Они позволяют строить подлодки, по своим оперативно-тактическим характеристикам и скрытности (и в первую очередь, по времени непрерывного нахождения под водой) сравнимые с атомными субмаринами.
Прежде всего, это двигатели Стирлинга, позволяющие использовать этот малошумный двигатель с внешним подводом тепла в подводном положении как для привода движителя, так и подзарядки АБ.
Использование в составе ЭУ ПЛ топливных элементов (ТЭ) - электрохимических преобразователей энергии с непосредственным превращением химической энергии в электрическую без каких-либо промежуточных этапов с очень высоким КПД, достигающим 70%, - позволяет сделать бесшумную ЭУ оригинальной конструкции.
И, наконец, еще один тип анаэробной ЭУ ПЛ - дизельные установки замкнутого типа. Если топливные элементы и двигатели Стирлинга могут лишь частично решить проблему увеличения длительности непрерывного плавания под водой с 2-4 до 10-14 суток, то дизель замкнутого цикла способен обеспечить подводный ход в пределах полной автономности ПЛ.
После 2030 г. вторая тенденция (анаэробные ЭУ) будет доминирующей во всех флотах мира. До этого времени будут интенсивно развиваться так называемые "гибридные" энергетические установки, включающие в свой состав традиционную дизель-электрическую и анаэробную ЭУ, поскольку нетрадиционные установки, не обладая достаточной мощностью, надежностью, продолжают интенсивно совершенствоваться и имеют достаточно высокую стоимость.
КОРАБЛИ ПРОТИВОМИННОЙ ОБОРОНЫ
Для некоторых классов кораблей во всех странах мира, в том числе и РФ, нет альтернативы применению дизельного двигателя. Таким классом являются корабли ПМО. Только дизель, как самый экономичный тепловой двигатель, способен обеспечить наибольшую дальность плавания кораблей небольшого водоизмещения, высокую надежность в условиях сильных сотрясений и приемистость, готовность к немедленному действию в сочетании с низкой тепловой, электромагнитной, акустической следностью тральщиков-искателей мин. Минное оружие останется и в XXI в. одним из самых опасных, эффективных и дешевых средств уничтожения кораблей и судов на море.
Высокооборотные дизельные двигатели в маломагнитном исполнении с акустической, магнитной и другими видами защиты останутся и до 2030 г. наукоемкими и дорогими, но необходимыми элементами ЭУ кораблей ПМО. Как правило, в состав ЭУ тральщика-искателя мин будут входить два ВОД, работающих на ВРШ или ВФШ, при наличии на корабле установки малого хода (УМХ) для обеспечения позиционирования при поиске мин и траления их при уничтожении.
БОЕВЫЕ КАТЕРА И НАДВОДНЫЕ КОРАБЛИ МАЛОГО И СРЕДНЕГО ВОДОИЗМЕЩЕНИЯ
Для боевых катеров и кораблей малого и среднего водоизмещения (фрегатов, корветов) необходимость обеспечения больших дальностей плавания диктует использование дизельных двигателей. Однако необходимость иметь высокую полную скорость (до 30-40 узлов) при очень жестких условиях к массогабаритным характеристикам и характеристикам надежности ЭУ в целом ряде случаев требует применения газотурбинных двигателей (ГТД) из-за недостаточной мощности высокооборотных и среднеоборотных дизелей. В свою очередь, обеспечивая требуемые высокие полные скорости хода боевых катеров и кораблей малого и среднего водоизмещения, ГТД не могут дать приемлемые дальности плавания при жестком ограничении на долю водоизмещения топлива и обеспечить эффективное расходование органического топлива на эксплуатационных (средней и малой мощности) режимах ЭУ кораблей при выполнении ими боевых и повседневных задач.
Поэтому в перспективе до 2030 г. на боевых катерах и кораблях малого и среднего водоизмещения будут применяться либо дизельные (в составе 2-4 ВОД или СОД) либо комбинированные дизель-газотурбинные ЭУ (в составе 1-2 ВОД или СОД и 1-2 ГТД) как компромисс между экономичностью одних и высокой удельной мощностью других.
ДЕСАНТНЫЕ КОРАБЛИ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ КОРАБЛИ И СУДА
Десантные корабли и вспомогательные корабли и суда обеспечения (военно-транспортные, спасательные, экспедиционные, гидрографические суда; плавбазы, танкеры, водолеи, буксиры, плавмастерские и т. п.), без которых невозможно эффективное выполнение своего предназначения любым военно-морским флотом, в подавляющем большинстве будут использовать в качестве главных двигателей мощные (от 5 до 20 тыс. кВт), экономичные, со значительным техническим ресурсом среднеоборотные дизели. При недостатке агрегатной мощности на эти корабли и суда будут устанавливаться многомашинные (как правило, двухмашинные) ЭУ.
Таким образом, проблема разработки, создания, производства и эффективной эксплуатации современных корабельных и судовых высокооборотных и среднеоборотных дизельных двигателей остается актуальнейшей.
ПЕРСПЕКТИВЫ
В настоящее время мировая тенденция совершенствования корабельных СОД и ВОД идет в направлении повышения агрегатной мощности за счет роста среднего эффективного давления в цилиндрах двигателя до 1,5-2,5 МПа, снижения удельного эффективного расхода топлива (до 200-205 г/(кВт ч) для СОД и до 210-215 г/(кВт ч) для ВОД), увеличения технического ресурса (до переборки для СОД до 50-60 тыс. ч., для ВОД до 15-25 тыс. ч.) при упрощении технического обслуживания и ремонта. Вместе с тем, резервы улучшения показателей существующих отечественных высокооборотных двигателей - размерности 18/20, 16/17 разработки и производства ОАО "Звезда" (г. Санкт-Петербург), 15/18 разработки и производства ОАО "Барнаултрансмаш" и среднеоборотных - 23/2*30 разработки и производства ОАО "Русский дизель" (г. Санкт-Петербург) - практически исчерпаны. Некоторые резервы совершенствования СОД (30/38, 26/26 разработки и производства ОАО ХК "Коломенский завод") еще есть, и работа в этом направлении продолжается.
К сожалению, техническая политика конца XX в. отечественного судового дизелестроения в основном была направлена не на создание новых конкурентоспособных двигателей, а на выпуск лицензионных дизелей. Так, ОАО "Русский дизель" были последовательно закуплены лицензии на производство среднеоборотных двигателей PC-2 французской компании SEMT-Pielstick в 70-х гг.; "Vasa 22" и "Vasa 32" финской компании Вяртсиля - в 80-х гг. В конечном счете это привело к банкротству предприятия, свертыванию всякого производства и безвозвратной потере высококвалифицированных научных, инженерных и рабочих кадров. Для ВМФ осталась проблема - отсутствие современного отечественного серийного СОД, способного обеспечить мощностной ряд от 2000 до 8000 кВт для использования в качестве главных и вспомогательных корабельных и судовых двигателей.
Высокооборотные дизели ОАО "Звезда" (размерностью 18/20 и 16/17) были разработаны в 40-х и 50-х гг. и до настоящего времени широко используются как главные и вспомогательные в составе дизельных и дизель-газотурбинных энергетических установок. Несмотря на недостаточную ремонтопригодность, в настоящее время на предприятии определены основные направления по улучшению их мощностных, экономических и ресурсных показателей, что позволит использовать эти двигатели на перспективных проектах кораблей и судов. С целью расширения парка ВОД развернуты работы по производству дизеля размерностью 21/21 на ООО "Уральский дизель-моторный завод" (г. Екатеринбург), что не в полном объеме компенсирует отсутствие современного серийного ВОД для ВМФ, способного обеспечить потребные мощности от 500 до 7 тыс. кВт.
Таким образом, разработка требований, научное и опытно-конструкторское сопровождение и создание новых современных дизельных двигателей для ВМФ РФ на базе отечественных машиностроительных заводов (ОАО "Звезда", ОАО ХК "Коломенский завод", ООО "УДМЗ" и др.) являются актуальнейшей задачей.
Мощностные ряды от 2 до 8 тыс. кВт на базе СОД и от 500 до 7 тыс. кВт на основе ВОД должны обеспечиваться рядными и V-образными 4-тактными унифицированными конструкциями двигателей, допускающими получение требуемой мощности за счет изменения как числа цилиндров от 4 до 20 в одном агрегате, так и объема самих цилиндров (уменьшение и увеличение диаметра поршня). Высокий наддув при наличии топливной аппаратуры с электронным управлением и давлением впрыска более 200 Мпа обеспечат уровень форсировки при высокой топливной экономичности этих двигателей. Электронные регуляторы в сочетании с комбинированными камерами сгорания, с оптимальными формами крышки цилиндра и объема в поршне позволят рационально организовать рабочий процесс и снизить содержание вредных веществ в отработавших газах, тем самым создать экологически безопасные, многотопливные, адаптивные при использовании на разных кораблях и судах и в различных эксплуатационных условиях двигатели. Полная контролепригодность на основе использования комплексной системы диагностирования при высокой ремонтопригодности позволят эксплуатировать новое поколение дизелей по их техническому состоянию.
Бесшумность, антимагнитные свойства и малые массогабаритные показатели будут обеспечиваться за счет применения композиционных материалов при изготовлении как несущих деталей двигателя (блоки цилиндров, фундаментные рамы, крышки, лючки), так и деталей движения - шатуны, юбки поршней, толкатели, вспомогательные насосы и пр. В большинстве своем чугунные монолитные поршни будут спроектированы так, что при более высоком качестве не будут превышать массу алюминиевых поршней.
Изготовление внутренней части втулок цилиндров антифрикционными, безизносными, состоящими из чугуна с поверхностным насыщением фулеренами или другими модификаторами; покрытие поршневых колец также фулеренами при переходе на смазочные масла с хорошо подобранным пакетом антифрикционных, антиизносных, антинагарных, диспергирующих и других присадок (при этом бессменная работа масла осуществляется за счет восстановления его характеристик периодической добавкой присадок) позволят создать двигатель с большим техническим ресурсом или не требующим ремонта цилиндро-поршневой группы за весь срок эксплуатации дизеля до списания.
Разработка многомашинных ДЭУ на базе существующих и вновь разрабатываемых СОД и ВОД, а также работы по созданию новых комбинированных ДГТЭУ позволят наиболее эффективно использовать преимущества маршевых - дизельных и форсажных - газотурбинных двигателей.
Разработка и создание ЭУ с дизелями, работающими по замкнутому циклу, а также работа над созданием ЭУ с двигателем Стирлинга дадут возможность продвинуть проекты перспективных неатомных подводных лодок, а продолжение работ по созданию маломагнитных с низкими виброактивностью и тепловой заметностью ВОД для кораблей ПМО и снижение уровней шума, вибрации, теплового поля дизельных энергетических установок сыграют благотворную роль в развитии кораблей и судов других классов.
Андрей НЕРУШАЙЛО