Краткий обзор

корабельной газотурбинной энергетики

(2021)

Введение

Флоты более 50 стран мира имеют в своем составе порядка 900 кораблей с газотурбинными энергетическими установками. В настоящем обзоре в популярной форме сделана попытка осветить для широкого круга читателей-непрофессионалов развитие корабельной газотурбинной энергетики в мире.

Газотурбинный двигатель

Газотурбинный двигатель (ГТД) – тепловой двигатель, предназначенный для преобразования энергии сгорания топлива в механическую работу на валу двигателя.  Основными элементами ГТД являются компрессор, камера сгорания и свободная силовая турбина (Рис.1).

Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, куда также подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество газообразных продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в свободной турбине энергия давления продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения лопаток.
Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя.
Сдерживающим фактором повышения КПД является способность материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление.
ГТД имеют самую большую удельную мощность (до 6 кВт/кг) среди двигателей внутреннего сгорания,
В качестве топлива может использоваться любое горючее: дизельное топливо, газ.
По сравнению с дизельными и паротурбинными эти двигатели легче ремонтировать, условия их эксплуатации лучше, и они требуют меньшее количество обслуживающего персонала.
Авиационные ГТД непригодны для эксплуатации в морских условиях вследствие интенсивной солевой коррозии и эрозии их деталей, что снижает эффективность работы авиационных двигателей и существенно сокращает срок их службы.
Не следует забывать, что авиационные ГТД предназначены для кратковременной непрерывной работы (десятки часов), затем возможен осмотр и необходимый ремонт на аэродроме, а морские ГТД работают непрерывно месяцами, пока корабль находится в походе.
Особенностью морских ГТД является применение специализированных жаропрочных материалов устойчивых к горячей солевой коррозии.
Официально утвержденного деления ГТД по поколениям не принято. Но наиболее часто в литературе встречается следующее деление.
К началу 70-х годов завершился период создания и освоения ГТД первого и второго поколений, характерный достижением температуры газа 870?С за камерой сгорания, степенью повышения давления 12 за компрессором, удельного расхода топлива 220г/л.с.ч.
Двигатели третьего поколения характеризуются достижением температуры газа 1100–1200?С, степенью повышения давления 17–19, удельного расхода топлива 180–190 г/л.с.ч.
Двигатели четвертого поколения характеризуются достижением температуры газа 1300?С, степенью повышения давления 20-22, удельного расхода топлива 170 г/л.с.ч, наличие высокой степени автоматизации двигателя.

Корабельные газотурбинные энергетические установки

Одновременно с развитием морских ГТД развивались способы применения их в энергетических установках кораблей.
Во второй половине 60-х годов прошлого столетия за рубежом принята классификация энергетических установок. В соответствии с этой классификацией варианты корабельных энергетических установок представлены на рисунке 2.
Разработка и производство морских газотурбинных двигателей и газотурбинных агрегатов (ГТА) имеют следующие особенности:
- высокая технологичная и конструктивная сложность (разработкой морских ГТД и ГТА в настоящее время занимается всего 4 фирмы в мире);
- длительный срок создания – 5–10 лет;
- высокая стоимость работ – до $1,0–1,5 млрд за агрегат;
- низкая серийность продукции – в лучшем случае десятки единиц;
- большое разнообразие вариантов исполнения (практически под каждый новый проект корабля разрабатывается свой вариант ГТА);
На кораблях широкое распространение получили дизель-газотурбинные силовые установки. В них дизеля, которые имеют низкий расход топлива, применяются для экономического хода.
Существуют две конфигурации таких установок:
- CODAG (Combined Diesel and Gas) – на полном ходу совместно работают дизеля и ГТД.
- CODOG (Combined Diesel or Gas) – на полном ходу работают только ГТД.

ВМС иностранных государств

До середины 1970-х годов в создании корабельных газотурбинных установок лидировала Великобритания, где применили на эсминцах типа «Каунти» и фрегатах типа «Трайбл» комбинированную силовую установку схемы COSAG которая включала паровые и газовые турбины.
Совместное применение паровых и газовых турбин оказалось неэффективным, силовые установки COSAG распространения не получили.
Следующий этап развития – дизель-газотурбинные силовые установки в конфигурации CODAG или CODOG.
Силовые установки CODOG проще CODAG, поскольку используются более простые редукторы – нет необходимости обеспечивать одновременную работу на один вал дизелей и ГТД. Однако при этом требуется применение газовых турбин сравнительно большей мощности.
Дизель-газотурбинные силовые установки требуют технического обслуживания как дизелей, так и ГТД, что связано с определенными трудностями, в частности большего количества обслуживающего персонала.
Схема CODOG применяется на фрегатах немецкой постройки (типов «Бремен», «Бранденбург» и экспортных проекта МЕКО200).
С эксплуатационной точки зрения в корабельной энергетике предпочтительней применение однотипных двигателей.
Очередной этап развития – корабли с газо-газотурбинным силовыми установками, в которых используются ГТД малой мощности для экономического хода и большой – для полного.
В зависимости от того, работают ли эти ГТД на полном ходу раздельно или совместно, различают варианта конфигурации газо-газотурбинных установок: COGOG и COGAG.
Дальнейшее развитие газо-газотурбинных установок – появление всережимных, в которых применяются однотипные газовые турбины и нет деления на ГТД экономического и полного хода.
Всережимные установки получили наибольшее распространение в ВМС США (крейсера типа «Тикондерога». эсминцы типов «Спрюенс», «Кидд», «Арли Берк», фрегаты типа «Оливер X. Перри»). На кораблях указанных типов установлены ГТД LM2500.

ВМФ России

База корабельной газотурбинной энергетики, создаваемая более 40 лет в г. Николаеве (Украина), до 1992 года комплексно и полностью обеспечивала потребности ВМФ СССР, связанные со строительством кораблей с ГТД, их ремонт и техническое обслуживание.
СССР первым начал создавать серийные корабли с газотурбинными энергетическими установками и к началу 90-х годов превосходил США по количеству кораблей с газовыми турбинами и суммарной мощности этих установок.
Англия и США отстали от Советского Союза с постройкой кораблей полностью с газотурбинными установками (бпк «Комсомолец Украины» вошел в состав флота в 1962 году, в Англии фрегат «Амазон»- в 1974 году, в США только в 1975 году сдан первый корабль типа «Спрюенс»).
Но это все было в прошлом.
С 1992 года, в связи с распадом СССР и образованием независимых государств, производственная база корабельного газотурбостроения стала принадлежать Украине. Работы по созданию газотурбинных двигателей нового (4-го) поколения для проектируемых кораблей ВМФ России были остановлены, а обеспечение эксплуатации и ремонта ГТД кораблей в России стало крайне затруднено.
Чтобы не зависеть от украинских поставок двигателей для новых кораблей, строящихся для российского флота, командованием ВМФ России в 2000 году утверждена «Концепция создания и применения газотурбинных двигателей и агрегатов надводных кораблей ВМФ». В ней определены порядок и сроки разработки и выпуска на российских предприятиях современных ГТД и агрегатов, а также организация их ремонта и технического обслуживания. Функция комплексного поставщика возложена на «ОДК-Сатурн» (так сегодня называется предприятие).
Концепция была принята, но финансово должным образом не обеспечена. Работы проводились… ну в очень замедленном темпе.
После переворота на Украине в 2014 году, полностью прекратились поставки с Николаева корабельной газотурбинной продукции для ВМФ России.
На то время в составе российского ВМФ было 70 кораблей на вооружении которых находилось более 160 газовых турбин 13-и разных модификаций, произведенных на Украине.
Организация ремонта и технического обслуживания этих ГТД сегодня тема отдельного обзора.
По плану импортозамещения, в чрезвычайно короткие сроки (введен в эксплуатацию уже в 2017 году), на «ОДК-Сатурн» создается уникальный сборочно-испытательный комплекс (по некоторым данным единственный в Европе). Комплекс предназначен для проведения всех видов испытаний корабельных газотурбинных двигателей, газотурбинных и дизель-газотурбинных агрегатов, позволяющий испытывать корабельные агрегаты более чем 20 различных конфигураций.
На первые два строящиеся фрегаты проекта 22350 с Украины были поставлены энергетические установки, но с 2014 года Украина прекратила военно-техническое сотрудничество с Россией, заказанные агрегаты на строящиеся фрегаты поставлены не были.
«ОДК-Сатурн» в короткий срок освоил производство агрегата М55Р и уже на третий и последующие фрегаты с 2020 года поставляются дизель-газотурбинные агрегаты М55Р, работающие по схеме CODАG, которые полностью изготовлены и испытаны в России (Рисунок 3).
Пока Россия после развала СССР пользовалась услугами Украины, а затем занималась импортозамещением украинских ГТД четвертого поколения, на Западе созданы образцы ГТД пятого поколения.

Тенденции развития

В США, Великобритании, Германии, Франции проводятся НИOKP по созданию корабельных энергетических установок нового поколения для надводных кораблей.
Наиболее интенсивно такие проекты разрабатываются в США и Великобритании.
В Великобритании разработана силовая установка CODLAG (Combined Diesel-eLectric And Gas), в которой для экономического хода используются электродвигатели, питаемые от дизель-генераторов, а на полном ходу на вал подключаются дополнительно газовые турбины. Такие установки применили на фрегатах типа «Норфолк», первый вошел в состав флота в 1990 году.
Преимуществом CODLAG является малошумность на экономической скорости, что необходимо для борьбы с подлодками.
Во Франции и Италии по программе FREMM строится серия многоцелевых фрегатов с ГЭУ типа CODLОG.
Весьма перспективным, по мнению зарубежных специалистов, представляется использование новой схемы корабельной энергетической установки типа «объединенная электроэнергетическая система» (ОЭЭС), в которой реализуются две ключевые концепции:
- «полное электродвижение» (Full Electric Propulsion) предусматривает использование на всех ходовых режимах гребных электродвигателей;
- «полностью электрифицированный корабль» (Full Electric Ship) предусматривает полный отказ от пневматических, паровых и гидравлических приводов главных и вспомогательных механизмов и систем корабля и замену их электроприводами.
Обе концепции в полном объеме реализованы в ОЭЭС американских эсминцев типа «Зумвольт», английских эсминцев типа «Деринг».
Следует отметить, что внедрение новой схемы не проходит без выявления существенных недоработок, что позволяет критикам ставить вопрос о целесообразности дальнейших работ в данном направлении. Например, строительство значительной серии эсминцев «Зумвольт» сократили до трех единиц.
Для создания ОЭЭС кораблей разработаны перспективные ГТД пятого поколения WR-21 и МТ-30.
США, Великобритания и Франция совместно разработали ГТД типа WR-21 мощностью 25 МВт и КПД 44 %. Временные затраты на его создание составили порядка 15 лет (в 2004 году завершены испытания двигателя), а финансовые - более $ 2 млрд.
ГТД используется в составе энергетической установки на английских эсминцах типа «Деринг».
В 2000 году английская фирма Rolls-Royce начала разработку ГТД МТ-30 мощностью 36 МВт и КПД 40 %. С 2005 года началась производство и поставка нового двигателя на американские эсминцы типа «Зумвольт».
Финансовые затраты были меньше по сравнению с затратами на создание ГТД WR-21.
Сегодня явно видна тенденция внедрения на кораблях ВМС зарубежных стран ГТД пятого поколения. Научно-исследовательскими организациями Министерства обороны России и организациями промышленности ведутся исследования по обоснованию облика перспективного отечественного ГТД пятого поколения. В печати отсутствует информация о начале работ в России по созданию такого ГТД.

Александр Каленюк
Капитан первого ранга в отставке
Военный аналитик