Перспективы развития корабельных дизельных двигателей и единых электроэнергетических систем в России

газов по сравнению с другими типами энергетических установок способствует снижению тепловой заметности корабля;

• возможность работы ДЭУ с противодавлением на выпуске позволяет организовать забортный газоотвод ниже или в районе переменной ватерлинии, что неприемлемо для ГТЭУ;

• меньшая по сравнению с ГТД чувствительность к повышению температуры атмосферного воздуха;

• высокие маневренные качества;

• готовность к немедленному действию и простота мер поддержания установленной готовности.

Недостатки ДЭУ:

• относительно малая агрегатная мощность ДЭУ (для ВОД не превышает 7300 кВт, для СОД — 10 000 кВт) при значительно большей удельной массе (для ВОД 1,9—11,6 кг/кВт, для СОД 9—21 кг/кВт) по сравнению с ГТЭУ;

• повышенные уровни шума и вибрации;

• высокая чувствительность к перегрузкам;

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

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

Несмотря на большую экономичность ДЭУ, ее высокие массогабаритные характеристики и недостаточная агрегатная мощность ДД не позволяют использовать эти установки на большинстве боевых надводных кораблей дальней морской зоны.

За последние 20 лет отечественными предприятиями по техническим требованиям ВМФ созданы и внедрены на кораблях современные ДД. АО «Коломенский завод» на базе дизельного двигателя серии Д49, показавшего высокую надежность, созданы дизель-редукторные агрегаты 1ДДА-12000 для кораблей проектов 20380, 20385 и 22160, ДРРА-3700 для кораблей проекта 11711. Кроме того,двигатель вошел в состав дизель-газотурбинного агрегата ДГТА-М55Р для фрегата проекта 22350.

ООО «Уральский дизель-моторный завод» на базе дизельного двигателя типа ДМ-21 создана линейка дизель-генераторов серии АДГ, установленных на кораблях проектов 22350, 20380, 20385, 18280 и других.

В связи с отсутствием российских двигателей необходимой мощности на некоторых кораблях и судах ВМФ в состав энергетических установок были включены ДД иностранного производства. В частности, на корабли проектов 20385 и 21631 планировалась установка двигателей фирмы MTU (Германия). Из-за введения санкций Евросоюзом поставка основного энергетического оборудования фирмой MTU была прекращена. Строительство корветов проекта 20385 продолжается с применением энергетической установки по проекту 20380. Малые ракетные корабли проекта 21631 оснащены энергетическими установками на базе ДД CHD622V20 фирмы HND (КНР).

В целях исключения импортозависимости выполнены опытно-конструкторские работы по созданию базовых ДД нового поколения. В частности, ООО «Уральский дизель-моторный завод» создан модельный ряд промышленных V-образных ВОД типа ДМ185 мощностью 1600—4500 кВт, на базе которых разрабатываются ДД 6ДМ-185ВС, 12ДМ-185ВС как составная часть дизель-генераторов для перспективных кораблей ВМФ. Проработан вопрос создания на основе двигателей 16ДМ185 дизель-дизель-редукторного агрегата для кораблей проекта 21631.

АО «Коломенский завод» разработано семейство промышленных СОД типа Д500 мощностью 4411—7360 кВт, в настоящее время они дорабатываются согласно требованиям ВМФ. В результате будет создана линейка судовых двигателей для дизель-редукторных агрегатов и дизель-генераторов. В частности, ДД 16СД500 и 20СД500 предусмотрены при проектировании корабля проекта 23900.

Другим направлением совершенствования ГЭУ боевых надводных кораблей является внедрение частичного электродвижения (ЧЭД). В качестве примера можно назвать фрегат типа Fremm ВМС Франции и перспективный фрегат типа Glasgow ВМС Великобритании. В отечественном кораблестроении в целях повышения мощности энергетической установки и улучшения ее маневренных характеристик АО «ЦМКБ «Алмаз» для корвета проекта 20386 предложена ГЭУ с ЧЭД и газотурбинным двигателем М90ФР. Система электродвижения используется на экономических скоростях хода и состоит из дизель-генераторов ДГАС, создаваемых на базе ДД типа ДМ185, и гребных электродвигателей АДР производства РЭК «Русэлпром».

Анализ развития зарубежного кораблестроения, в частности в США и других странах НАТО, показывает, что одной из важнейших задач в ближайшем будущем является оснащение кораблей новыми видами оружия (лазерного, электромагнитного) и высокомощными средствами обнаружения, а также внедрение на авианосцах электромагнитных разгонных и тормозных устройств. Данная задача решается путем проектирования «полностью электрического» корабля и предусматривает, в том числе, переход к системам полного электродвижения (ПЭД) и применение мощных источников электроэнергии, сравнимых с мощностью пропульсивного комплекса. С этой целью создается единая электроэнергетическая система (ЕЭЭС), объединяющая в себе электроэнергетическую систему и системы электродвижения. ЕЭЭС обеспечивает движение корабля и электропитание всех боевых средств и корабельных механизмов.

Появление систем электродвижения в судостроении во многом было обусловлено их большей топливной экономичностью (10—15 % на маршевых скоростях хода) по сравнению с механическими движительными установками. Внедрение ПЭД повышает энергетическую эффективность ГЭУ за счет:

• выбора оптимального количества работающих генераторов для заданного режима движения корабля;

• возможности достижения максимального КПД генераторов путем варьирования их количества исходя из потребляемой нагрузки;

• отсутствия потерь энергии в механических передачах;

• использования высоковольтного электротехнического оборудования и питания наиболее мощных корабельных потребителей от высоковольтной электрораспределительной сети.

Положительные стороны ЕЭЭС:

• перераспределение энергии повышает эксплуатационную надежность ГЭУ, а внедрение цифрового управления ЕЭЭС — уровень автоматизации;

• регулирование оборотов и направления вращения гребных электродвигателей (ГЭД) улучшает маневренность ГЭУ;

• размещение элементов ЕЭЭС независимо друг от друга в отсеках корабля увеличивает гибкость размещения ГЭУ;

• высокий уровень автоматизации оборудования ЕЭЭС позволяет создавать необитаемые машинные отделения;

• использование однотипных модулей ГЭД, генерирования и распределения электроэнергии обеспечивает оптимальное построение ГЭУ (модульность конструкции) для разных проектов кораблей и судов;

• применение забортных винторулевых колонок (ВРК) высвобождает дополнительное пространство в кормовой части корабля для размещения полезной нагрузки.

Основным недостатком ЕЭЭС с системами электродвижения является существенно бóльшие массогабаритные характеристики энергетической установки. Она в среднем на 30 % тяжелее и на 20 % объемнее, чем традиционная энергетическая установка с механической передачей мощности через редукторную передачу и линию вала. Проблема размещения оборудования ЕЭЭС решается включением в ее состав высоковольтного электрооборудования и выноса ГЭД за пределы корпуса корабля (применение ВРК).

Ведущими странами НАТО достигнут качественный прорыв в области создания боевых кораблей с ПЭД. Первым в ВМС США «полностью электрическим» кораблем стал эсминец типа Zumwalt (мощность ГЭУ — 106 МВт). В Великобритании строятся эсминцы типа Daring (мощность ГЭУ — 54 МВт) и авианосцы типа Queen Elizabeth (мощность ГЭУ — 109 МВт) с полным электродвижением. На десантных кораблях Mistral ВМС Франции и Juan Karlos I ВМС Испании также применено ПЭД с ВРК. Тем не менее масса и габариты оборудования ПЭД оказались столь значительны, что не позволили использовать ГЭУ достаточной мощности, в результате чего корабли развивают максимальные скорости хода только 19 и 21 узел соответственно.

В отечественном надводном кораблестроении ЕЭЭС с системой электродвижения установлена на проектах судов 21300, 20180, 22030, 19910, 745мбс, 21180, 23470 вспомогательного флота. На каждом из этих судов суммарная мощность всех источников электроэнергии не превышает 8 МВт, что позволило применить основную силовую сеть с напряжением тока до 1000 В, а также серийно выпускаемое электрооборудование. Такие ЕЭЭС (с напряжением до 1000 В) не годятся для перспективных боевых кораблей, где для обеспечения полной скорости хода необходимы мощности от 20 МВт и более, что, в свою очередь, требует напряжения тока 6300 или 10 500 В. Поэтому создание боевого надводного корабля дальней морской зоны с ПЭД пока только прорабатывается.

Первым российским кораблем с применением ПЭД и высокого напряжения электросети станет строящийся в настоящее время на АО «Адмиралтейские верфи» универсальный патрульный корабль проекта 23550. ЕЭЭС позволит повысить маневренные и экономические характеристики его ГЭУ, а также освоить технологии создания корабельного высоковольтного оборудования для его дальнейшей установки на перспективные корабли. При этом необходимо учесть научно-технический задел, полученный в ходе разработки ЕЭЭС для серии атомных ледоколов проекта 22220 «Арктика». Данная система построена на напряжении 10 500 В, имеет мощность на валах 60 МВт и может рассматриваться в качестве базовой при создании ЕЭЭС для кораблей ВМФ.

В настоящее время в интересах отечественного флота ведутся работы по определению облика систем электродвижения перспективных кораблей. В общем случае для оценки целесообразности установки этих систем, а также выбора предпочтительного варианта (ПЭД или ЧЭД), необходимо определить валовые мощности (построить буксировочные кривые) для обеспечения заданных скоростей хода. На начальном этапе исследований целесообразно воспользоваться методом адмиралтейских коэффициентов с использованием формулы:





где: WPS — валовая мощность или мощность, подводимая к гребному винту, л. с.; D — водоизмещение корабля, т; Ѵ — скорость хода корабля, уз; С — адмиралтейский коэффициент, определяемый по диаграмме Пампеля.

Значения последнего колеблются в широких пределах в зависимости от скорости хода, а также от класса и типа корабля и могут составлять: на полном ходу:

180—220 для авианесущих кораблей и тяжелых крейсеров;

160—190 для легких крейсеров и эсминцев;

140—160 для сторожевых кораблей (фрегатов);

для экономического хода значения адмиралтейских коэффициентов составляют 240—280.

Анализ формулы показывает, что увеличение скорости хода более 20 узлов приводит к резкому росту мощности, а следовательно, и к такому же возрастанию массогабаритных характеристик ЕЭЭС даже с учетом применения высоковольтного энергетического оборудования. Можно сделать вывод, что перспективные корабли целесообразно оснащать системами ПЭД, когда заданная скорость полного хода не превышает 20 узлов. В остальных случаях для реализации преимуществ систем электродвижения стоит рассматривать варианты комбинированных ГЭУ с ЧЭД.