Перспективы развития энергетических установок надводных кораблей ВМС зарубежных стран ч1

Капитан 2 ранга Д. Шинкоренко

Прогресс в развитии судостроения и становления флотов морских держав во многом определялся эволюцией в области корабельной энергетики. Потребовалось более двух столетий на то, чтобы на базе мировых научно-технических достижений переоснастить гребно-парусный флот сначала на паросиловые, затем на дизельные, газотурбинные, комбинированные дизель-газотурбинные, дизель-электрогазотурбинные энергетические установки и в конечном итоге перейти к оснащению кораблей и судов атомными ГЭУ.

Появление первых паровых машин на судах в начале XIX века ознаменовало конец эпохи гребного и парусного флота. К началу XX века паровая машина была значительно усовершенствована и нашла широкое применение на военных кораблях. Единичная мощность паровых машин, устанавливаемых на судах, достигла к тому времени 4 000-6000 кВт и более.

К концу XIX века появились предпосылки к созданию паровой турбины. Первое судно-катер с паротурбинной установкой было построено Чарльзом Парсонсом в 1887 году. Ее мощность составляла всего около 7,5 кВт. Развитие паровых турбин шло быстрыми темпами. К началу Первой мировой войны паротурбинные установки стали применяться на всех крупных военных кораблях (эскадренных миноносцах, крейсерах, линейных кораблях). Их единичная мощность составляла уже 7 500-15 000 кВт.

В конце XlX века в успешную конкуренцию с паровой машиной вступил еще один тепловой двигатель. Это был двигатель внутреннего сгорания - дизель, сравнительно быстро утвердившийся в корабельной энергетике.

Интенсивное развитие и совершенствование дизельной и турбопарокотельной техники способствовало существенному увеличению энерговооруженности военных кораблей и гражданских судов, обеспечивая решение военно-стратегических задач государств или удовлетворяя гражданские потребности при транспортировке грузов по мировым водным артериям.

Рис. 1. График зависимости удельного расхода топлива от развиваемой мощности: 1 - ГТУ WR-21; 2 - ГТУ простого цикла; 3 - среднеоборотный дизельный двигатель

Диаграмма 1. Типы энергетических установок, используемые на кораблях классов "фрегат" и "эсминец"

Диаграмма 2. Типы энергетических установок кораблей классов "фрегат" и "эсминец", которые к 2020 году будут состоять на вооружении ВМС зарубежных стран

ГТУ WR-21 устанавливается на новых эсминцах ВМС Великобритании типа "Дэринг" (проект 45)

Первые изобретения в области газовых турбин относятся к концу XVIII века. Однако реальные шаги на пути разработки газотурбинных установок (ГТУ) были сделаны лишь на рубеже XIX и XX столетий. Создание же ГТУ, способных успешно конкурировать с другими тепловыми установками, оказалось возможным только в середине XX века. Предпринимавшиеся попытки практического применения ГТУ долгие годы не приносили положительных результатов главным образом из-за отсутствия экономичных газовых турбин и компрессоров, а также конструкционных материалов, допускающих высокую температуру газа перед турбиной. К тому же успешное развитие паротурбинных установок и двигателей внутреннего сгорания до известной степени тормозило разработки приемлемых ГТУ.

Появление за рубежом надежных корабельных газотурбинных двигателей (ГТД) в конце 60-х годов XX столетия, приспособленных к работе в морских условиях, позволило в значительной степени улучшить маневренные и массогабаритные характеристики (МГХ) корабельных энергетических установок (КЭУ). Однако использование ГТД в главных энергетических установках (ГЭУ) на всех ходовых режимах широкого распространения не получило. Это связано с тем, что при снижении нагрузки (на скоростях экономического хода корабли затрачивали всего 20-30 % потенциальной мощности ГЭУ) расход топлива ГТД резко возрастает, поэтому всережимные главные газотурбинные энергетические установки на низкооборотных режимах эксплуатировать было бы нерационально (рис. 1.). Логичным решением данной проблемы стало создание комбинированных ГЭУ. Такие достоинства ГТД, как относительно большая удельная мощность, высокая экономичность на полной нагрузке, сравнительно быстрый запуск и набор мощности при любых температурных режимах, в сочетании с большим моторесурсом и высокой экономичностью дизеля позволили комбинировать их для достижения экономичной работы ГЭУ в широком диапазоне нагрузок.

Первые ГТД, развивающие относительно низкие мощности, использовались в комбинированных энергетических установках кораблей класса не выше фрегата. (Например, ФР "Кёльн" ВМС ФРГ имел два ГТД по 10,8 МВт.) При этом их полное водоизмещение не превышало 3000 т. Корабли других классов, с большим водоизмещением, в частности авианосцы, крейсера и эскадренные миноносцы, требующие ГЭУ значительно более высоких мощностей, продолжали оснащать котлотурбинными энергетическими установками (КТЭУ), а впоследствии - ядерными.
В середине 70-х годов, с появлением ГТД большой мощности, таких как LM2500 (24,3 МВт), они стали использоваться в составе комбинированных ГЭУ на кораблях большего водоизмещения, например на ЭМ УРО типа "Спрюенс" ВМС США (первый корабль этой серии полным водоизмещением 8 040 т вошел в строй в 1975 году).

В состав комбинированных энергетических установок кораблей ВМС зарубежных стран обычно входят две ЭУ: маршевая, обеспечивающая малый передний и задний ход корабля, и форсажная - для работы на повышенных оборотах переднего хода совместно с маршевыми установками или самостоятельно. В качестве форсажной установки используются ГТД, а маршевой - дизельная установка (ДУ) или ГТУ, если дизель не соответствует требованиям, предъявляемым к мощности маршевой установки, что имеет место на кораблях большого водоизмещения (от 4 000 до 10 000 т). Например, газогазотурбинными ЭУ оснащаются корабли ВМС Японии класса "эскадренный миноносец". Их полное водоизмещение колеблется от 3 700 т (ЭМ УРО типа "Хацуюки") до 9 485 т (ЭМ УРО типа "Конго"), а мощность маршевых двигателей составляет соответственно 10 000 и 50 000 л. с.

Рис. 2. Принципиальная схема ГЭУ ФР УРО типа "Заксен" ВМС Германии: 1 - винт регулируемого шага; 2 - дизель MTU 20V1163TB96; 3 - гибкий соединительный вал; 4 - гидродинамическая муфта; 5 - многодисковая муфта первой ступени ГРП (полного хода); 6 - многодисковая муфта первой ступени ГРП (экономического хода); 7- ГРП левого борта; 8 - автоматическая самосинхронизирующаяся скользящая муфта ГТУ; 9 - муфта промежуточного вала; 10 - ГТУ LM2500; 11 - промежуточный вал; 12 - соединительная (замыкающая) зубчатая передача; 13 - ГРП правого борта; 14 - промежуточное (паразитное) зубчатое колесо

Корабельные комбинированные энергетические установки классифицируются за рубежом по следующим принципам:
- по типу двигателей экономического хода (дизельных или газотурбинных);
- по режиму работы двигателей экономического хода корабля (работают или не работают совместно с ускорительной ГТУ на полном ходу);
- по способу передачи мощности на гребной вал (механическая или электрическая).

Во второй половине 60-х годов прошлого столетия за рубежом была принята классификация энергетических установок, в условных обозначениях которых отражены вышеперечисленные принципы в виде буквенных символов: D - дизельная установка, G - газотурбинная, S - котлотурбинная, N - ядерная, L - электрическая передача мощности на гребной вал, СО - комбинированная, О - с раздельной работой установки экономического хода и А - с совместной работой двигателей на всех режимах.

В соответствии с этой классификацией комбинированные энергетические установки имеют следующие сокращенные обозначения:
- CODAG (Combined Diesel and Gas Turbine) и CODOG (Combined Diesel or Gas Turbine) - комбинированные дизель-газотурбинные энергетические установки (ДГТЭУ) с механической передачей мощности на гребные валы.
- COGAG (Combined Gas and Gas Turbine) и COGOG (Combined Gas or Gas Turbine) - комбинированные газогазотурбинные энергетические установки (ГГТЭУ) с механической передачей мощности на гребные валы.
- CODLAG (Combined Diesel Electric and Gas Turbine) и CODLOG (Combined Diesel Electric or Gas Turbine) - комбинированная дизель-газотурбинная гребная электрическая установка (КДЭГТЭУ).
- CODAD (Combined Diesel and Diesel) и CODOD (Combined Diesel or Diesel) - комбинированные дизельные энергетические установки (КДЭУ) с механической передачей мощности на гребные валы.
- COSAG (Combined Steam and Gas Turbine) - комбинированные парогазотурбинные энергетические установки (КПГТЭУ) с механической передачей мощности на гребные валы.

Таблица 1 Основные режимы работы ГРП ФР УРО типа "Заксен"
Режимы работы	Мощность установки на данном режиме	Номинальная частота вращения двигателей, об/мин	Особенности работы на данном режиме МВт
ГТУ на оба вала	1х23,5	3600	Передача мощности на оба вала через соединительную зубчатую передачу, соединенную посредствам муфт промежуточных валов
2 ДУ на оба вала	2x5	1350	Соединительная зубчатая передача отсоединена посредствам муфт промежуточных валов
1 ДУ на оба вала	1х7,4	1350	Передача мощности на оба вала через соединительную зубчатую передачу, соединенную посредствам муфт промежуточных валов
ГТУ и 2 ДУ на оба вала	1х23,5 и 2х7,4	3600/1350	Обе муфты промежуточных валов и обе многодисковые муфты первой ступени ГРП находятся в действии

На начальном этапе развития главных газотурбинных комбинированных ЭУ (1960-1970-е) за рубежом использовались установки типов CODAG. CODOG и COSAG. Все они экономичнее всережимных паротурбинных ГЭУ, имеют меньшие массогабаритные характеристики (МГХ) и обладают лучшей маневренностью. Установки типа COSAG, которыми оснащались ЭМ ВМС Великобритании типа "Каунти" (1962 года постройки) и ФР типа "Трайбл" (1961-го), имели большие МГХ, что явилось следствием требований Адмиралтейства к комбинированным ЭУ английских кораблей того времени. Они должны были развивать 80-85 % мощности для обеспечения полного хода как под паровыми турбинами, так и под ГТУ Вследствие этого отношение мощности паросиловых установок к мощности ГТУ составляло около единицы. Установки такого типа просуществовали недолго и в настоящее время не используются.

В 1990 году в состав ВМС Великобритании был введен головной корабль серии из 16 фрегатов типа "Дюк" с принципиально новой компоновочной схемой ГЭУ - CODLAG (дизель-электрогазотурбинная). Основным отличием энергетической установки данного типа от других комбинированных дизельных, газотурбинных и дизель-газотурбинных ЭУ является то, что на режимах малых скоростей хода корабля работают два гребных электродвигателя (ГЭД), которые питаются от дизель-генераторов (одновременно вырабатывающих электроэнергию для других корабельных нужд). Комбинированная дизель-электрогазотурбинная ГЭУ была специально разработана для кораблей этого типа (названного фрегатом ПЛО XXI века) и адаптирована для обеспечения работы с буксируемой гидроакустической станцией. Применение принципа "электродвижения" в сравнении с компоновочными схемами с механической передачей энергии на винтовую группу позволило снизить шумность установки при выполнении фрегатом поисковых задач. Однако при этом на экономическом ходе более чем вдвое возросли потери при передаче энергии от первичного источника энергии гребному винту.

Испытательный стенд для отработки технологии и конструктивно-схемных решений в ходе НИОКР по программе ВМС США IPS

Перспективы развития корабельных энергетических установок. Динамика развития корабельных ГЭУ в последние десятилетия прошлого века свидетельствует о том, что основными его тенденциями за рубежом стали снижение массогабаритных параметров установок, повышение экономичности, мощности, надежности, живучести и маневренности, а также снижение шумности. Достижение достаточно высоких результатов по этим показателям стало возможным при наличии соответствующей научно-технической и технологической базы. При этом с учетом оперативно-тактического предназначения корабля они могут варьироваться в зависимости от выбранных приоритетов в технических свойствах ЭУ.

Диаграмма 1 иллюстрирует на примере ВМС некоторых зарубежных стран (США, Великобритании, Франции, Германии, Италии и Японии) количественное соотношение состоящих в настоящее время на вооружении типовых кораблей классов "фрегат" и "эсминец", оснащенных различными энергетическими установками.

Анализ кораблестроительных программ ведущих западных морских держав позволяет проследить динамику оснащения кораблей энергетическими установками того или иного типа. Диаграмма 2 свидетельствует о том, что к 2020 году в этих странах прекратится проектирование и строительство кораблей с всережимными КТЭУ и ДУ а также с комбинированными установками типа COGOG. Основными причинами отказа зарубежных разработчиков от использования КТЭУ являются такие их недостатки, как: относительно высокие МГХ и низкий коэффициент полезного действия, в то время как современные газотурбинные двигатели при значительно более низких МГХ сопоставимы по мощности с КТЭУ и вполне удовлетворяют техническим требованиям.

В настоящее время в Японии продолжается строительство серии ЭМ УРО типа "Конго" полным водоизмещением 9 485 т, в состав комбинированной энергетической установки (COGAG) которых входят четыре ГТУ LM2500, изготовленные по лицензии компании "Дженерал электрик" японской фирмой IHI (Ishikawajima Heavy Industries). Их суммарная мощность составляет 102 160 л. с.

Ввиду малой удельной мощности и резкого повышения расхода топлива на нерасчетных нагрузках всере-жимные дизельные энергетические установки на кораблях ВМС рассматриваемых стран использовать в дальнейшем не намечается.

Перспективные корабли будут оснащаться комбинированными главными энергетическими установками следующих типов: COGAG, COD AG, CODOG и COGLAG. Так, на фрегатах УРО типа "Заксен" ВМС Германии устанавливаются ГЭУ CODAG, на эсминцах УРО типов "Форбин" ВМС Франции и "Андреа Дориа" ВМС Италии, строящихся по проекту "Горизонт", -CODOG. Во Франции и Италии по программе FREMM (FRegates Europeenne Multi-Mission) строится также серия многоцелевых фрегатов с ГЭУ типа CODLAG. Кроме того, постепенно начнут внедряться ЭУ нового поколения - объединенные электроэнергетические системы (ОЭЭС), которые постепенно будут вытеснять комбинированные ГЭУ кораблей.

Достоинством установки типа CODAG является то, что совместная работа главных двигателей при развитии полной скорости хода требует меньшей мощности форсажных двигателей или меньшего их количества по сравнению со схемой CODOG. Однако, как уже отмечалось, такие установки использовались только на начальном этапе развития комбинированных ГЭУ. Это объясняется сложностью синхронизации работы ДУ и ГТУ при развитии полного хода. С целью ее упрощения мощности установок должны были быть сопоставимы. В противном случае МГХ главной редукторной передачи (ГРП) заметно бы возрастали из-за необходимости внесения в ее конструкцию дополнительных ступеней для синхронизации. Такими установками оснащались корабли относительно небольшого водоизмещения (до 3 ООО т). При использовании их на кораблях большего водоизмещения, где требования к мощности ГЭУ повышаются, дополнительно возрастали бы и МГХ дизеля (маршевого двигателя) ввиду значительной разницы удельной мощности современных корабельных газовых турбин и дизелей, что не могло устраивать разработчиков. Поэтому ГЭУ типа CODAG до настоящего времени широко не применялись в ВМС зарубежных стран.

Появление новых муфт и механизмов сопряжения различного типа позволяет устранить основной недостаток схем типа COD AG - высокие МГХ установки из-за сложности синхронизации работы дизеля и газовой турбины на полной нагрузке - и использовать их на кораблях большого водоизмещения. Так, специалисты немецкой фирмы "Ренк" разработали ГЭУ с двухскоростной ГРП замкнутого типа (для фрегатов УРО типа "Заксен"). Кроме снижения МГХ и шумности ГРП за счет применения шевронного зубчатого зацепления установка такого типа обладает повышенной маневренностью и живучестью, а также увеличивает дальность плавания корабля. Это обеспечивается расширением режимов работы установки типа CODAG.

Компания MAAG (Швейцария) представила компоновочную схему ГЭУ с ГРП замкнутого типа для оснащения фрегатов УРО типа "Нансен" ВМС Норвегии. Специалисты этой фирмы разрабатывают также ГРП для установки CODAG перспективного многоцелевого корабля прибрежной морской зоны "Фридом", который строится для ВМС США по программе LCS (Littoral Combat Ship) компанией "Локхид-Мартин".

В настоящее время корабельная энергетика в ведущих западных странах переживает переломный момент.

Таблица 2. Основные характеристики ГТУ МТ30 производства компании "Роллс-Ройс"
Длина/ширина/высота, м	8,600/ 3,953/ 4,139
Масса установки, т	22
Масса турбины, т	6,2
Коэффициент полезного действия, %	40
Удельный расход топлива на полной нагрузке, кг/кВтч	0,207
Мощность установки, кВт	36 000
Температура отработавших газов, ° С	466
Частота оборотов СТ, об/мин	3 600

Наиболее перспективным путем ее развития зарубежные специалисты считают переход на электродвижители. Энергетические установки с электрической передачей мощности на винт известны достаточно давно. В 1926-1927 годах были спущены на воду два авианосца ВМС США -"Лексингтон" (CV-2) и "Саратога" (CV-3), оснащенные турбоэлектриче-ской ГЭУ. Они и сегодня считаются самыми большими боевыми кораблями, на которых в качестве главных двигателей наряду с тепловыми машинами применялись электромоторы. Возможно, этот рекорд будет побит в 2012-2015 годах, когда в строй вступят два перспективных авианосца ВМС Великобритании с ОЭЭС - "Куин Элизабет" и "Принц Уэльский". Как упоминалось выше, по принципу электродвижения была скомпонована и ГЭУ фрегата ВМС Великобритании типа "Дюк". Ввиду низкой удельной мощности существовавших на то время ГЭД их приходилось использовать в комбинации с паровыми турбинами, а позднее с газотурбинными двигателями, которые через редукторную передачу совместно с ГЭД обеспечивали скорости полного хода.

Однако такие примеры для ВМС являются скорее исключением, чем правилом. На протяжении многих лет принцип электродвижения находил применение в основном на подводных лодках и ряде судов морского (коммерческого) флота. Это было связано с низкой удельной мощностью электродвигателей и высокими МГХ известных на то время приборов силового электрооборудования. В настоящее время подход к электроэнергетическим системам изменился благодаря появлению новых технологий (в том числе гражданского назначения), позволяющих значительно снизить массогабаритные характеристики электротехнического оборудования. Одна из них - технология производства твердотельных полупроводников, используемых в силовом электрооборудовании. В электромашиностроении при производстве электродвигателей или генераторов применяются также технологии конструкционных материалов (постоянные магниты с полем большой индуктивности и высокотемпературные сверхпроводники). Они предоставляют возможности значительного увеличения удельной мощности и КПД главной энергетической установки. Совершенствование технологий прямого преобразования энергии топлива в электроэнергию (топливные элементы) тоже открывает перспективы перед разработчиками корабельных ГЭУ в плане значительного увеличения их КПД и снижения их шумности.

В таких странах, как США, Великобритания, Франция, Нидерланды и Германия, ведутся работы по созданию перспективной корабельной энергетической установки (КЭУ), в которой будет реализован принцип "полного электродвижения" (full electric propulsion). Это подразумевает использование ГЭД на всех ходовых режимах, что является основным отличием КЭУ данного типа от комбинированных установок CODLAG. Применение этого принципа позволяет исключить из состава ГЭУ (или сократить до минимума) громоздкие редукторные передачи и протяженные линии вала, являющиеся неотъемлемой частью комбинированных установок различного типа, в том числе и CODLAG.

Наиболее интенсивные работы по созданию ОЭЭС для надводных кораблей проводятся в США и Великобритании. Технологии и конструктивно-схемные решения, разрабатываемые в ходе НИОКР, находят широкое применение в программе управления кораблестроения и вооружения ВМС США IPS (Integrated Power System). В Великобритании подобные работы ведутся в рамках программы FEP (Full Electric Propulsion). Обе программы предусматривают глубокую интеграцию отдельных систем КЭУ в единую систему с централизованным управлением и контролем. Ядром этой системы явится ЭЭС корабля, которая будет вырабатывать электроэнергию и распределять ее как на корабельные системы и механизмы, так и на ГЭД, обеспечивающие ходовые режимы. Более того, зарубежные разработчики предполагают реализовать принцип "полностью электрического корабля" (Full Electric Ship), что позволит заменить пневматические, паровые и гидравлические приводы главных и вспомогательных механизмов и систем КЭУ электроприводами.

(Окончание следует)

Зарубежное военное обозрение. 2007, №1, С. 54-61