В номере 8 за 2021 год журнала Министерства обороны Российской Федерации "Военная мысль" опубликована статья "Основные направления развития энергетических установок надводных кораблей Военно-Морского Флота" авторства вице-адмирала И.Т. Мухаметшина, капитана 1 ранга М.В. Максимова и капитана 1 ранга С.А. Горбунова. Наш блог приводит первую часть этой статьи, посвященную перспективам развития корабельных газотурбинных двигателей в России.
Оснащенные газотурбинными главными энергетическими установками фрегат "Адмирал Григорович" проекта 11356 и ракетный крейсер "Москва" проекта 1164 Черноморского флота на репетиции Военно-морского парада в Севастополе, 23.07.2021 (с) Alexey Pavlishak / Reuters
Концептуальным документом, определяющим направления развития Военно-Морского Флота (ВМФ), является "Программа кораблестроения до 2050 года", принятая в 2014 году и утвержденная Президентом Российской Федерации. Тенденции развития отечественного и зарубежного кораблестроения, а также заданные программой требования к перспективным кораблям ВМФ определяют основные направления совершенствования их энергетики.
В настоящее время корабли оснащаются всережимными комбинированными энергетическими установками различных типов. При выборе варианта главной энергетической установки (ГЭУ), основным назначением которой является обеспечение заданной скорости хода корабля, исходят из показателей ее надежности (безотказность, ремонтопригодность, долговечность,
сохраняемость) и экономичности, а также массогабаритных характеристик, уровней экологической безопасности и автоматизации.
Анализ конструктивно-компоновочных схем энергетических установок иностранных фрегатов и эсминцев показывает основную тенденцию использования газотурбинных двигателей (ГТД) в их составе. Так, серия эсминцев военно-морских сил (ВМС) США Arleigh Burke IIA и перспективный эсминец ВМФ КНР проекта 055 являются полностью газотурбинными. Это объясняется рядом преимуществ газотурбинных энергетических установок (ГТЭУ) перед установками других типов:
• лучшие удельные масса (1,5-3 кг/кВт) и объем (порядка 1 м3/МВт) ГТД по сравнению с дизельными двигателями (ДД);
• большая агрегатная мощность (до 30-40 МВт) одного ГТД;
• высокие маневренные и динамические характеристики ГТЭУ;
• существенно меньшие по сравнению с дизельными энергетическими установками (ДЭУ) выбросы вредных веществ.
Недостатками ГТЭУ являются:
• низкая топливная экономичность ГТД: по удельному расходу топлива на полной (номинальной) мощности современные отечественные ГТД уступают ДД в 1,2-1,9 раза, на нагрузках до 50 % от номинальной мощности экономичность ГТД резко ухудшается (в 2-2,5 раза);
• высокая чувствительность к изменению температуры атмосферного воздуха - при ее значении более 15 °С на входе в ГТД значительно падают его мощность и коэффициент полезного действия (КПД);
• большой удельный расход воздуха (у ДД меньше в 4,5-5 раз), что требует размещения габаритных воздухоприемных шахт и дымовых труб.
Основа сегодняшних сил ВМФ океанской зоны - корабли советской постройки проектов 1155, 1155.1, 1164, 11540, а также корабли нового поколения (фрегаты проектов 11356 и 22350) оснащены ГТД. Большинство последних произведено украинским предприятием "ЗоряМашпроект". В целях выполнения требований по экономичности ГТЭУ на данных кораблях используют раздельную работу маршевых и форсажных двигателей.
Исключение составляет фрегат проекта 22350, на котором применена дизель-газотурбинная энергетическая установка (ДГТЭУ) на базе ДД типа 10Д49 и ГТД типа ДА91 российского и украинского производства соответственно.
Проблема создания отечественных ГТД была решена ПАО "ОДК-Сатурн" в 2018 году в рамках выполнения подпрограммы "Ускоренное развитие оборонно-промышленного комплекса" государственной программы Российской Федерации "Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности". Освоено производство двигателя типа М90ФР мощностью 20 МВт для применения в составе дизель-газотурбинного а грегата М55Р фрегата проекта 22350 и ГТД типа М70ФРУ-2 мощностью 10 МВт и агрегатов на его основе для кораблей проектов 12322 "Зубр" и 12061 "Мурена". Также для замены украинских реверсивных двигателей был создан отечественный реверсивный ГТД типа М70ФРУ-Р мощностью 8 МВт, который планируется устанавливать на корабли проектов 1155, 1155.1, 1164, 11540, 11356 при модернизации их газотурбинных агрегатов.
В настоящее время на базе ГТД М90ФР разрабатывается главный газотурбинный агрегат МА3 для перспективных кораблей, а также в ходе модернизации фрегата проекта 22350 планируется создание ГТЭУ в составе двигателей типа М90ФР и М70ФРУ.
С инженерной точки зрения ГТД является сложнейшим изделием машиностроения как по числу технических решений и инноваций, закладываемых в его конструкции и производстве, так и по комплексу конструкторско-технологических задач, требующих решения с применением последних достижений науки и техники.
В то время пока Россия занималась импортозамещением украинских ГТД простого цикла четвертого поколения, ведущимизарубежными предприятиями были созданы образцы ГТД пятого поколения. В частности, США, Великобритания и Франция совместно разработали ГТД типа WR-21 мощностью 25,9 МВт и КПД 43,7 %. Временные затраты на его создание составили
порядка 15 лет, а финансовые - более 2 млрд долларов, что свидетельствует о сложности и трудоемкости проведенных работ. ГТД используется в составе энергетической установки эсминцев типа 45 Daring ВМС Великобритании.
Двигатель типа WR-21 имеет сложный термодинамический цикл с промежуточным охлаждением рабочего тела и регенерацией тепла уходящих газов, что обеспечивает 30-процентную экономию топлива на корабле. За счет применения регулируемого соплового аппарата силовой турбины достигнуто минимальное снижение КПД на долевых режимах работы, в частности на 30-процентной нагрузке его значение составляет порядка 43 %, что сопоставимо с ДД с самой высокой термодинамической эффективностью.
К пятому поколению относится и ГТД типа МТ-30 мощностью 36 МВт и КПД более 40 % производства холдинга Rolls-Royce. Он имеет простой цикл и представляет собой вариант авиационного двигателя Trent-800 (также разработки Rolls-Royce), который в инициативном порядке был доведен до морских требований, что позволило существенно сократить финансовые и временные затраты по сравнению с ГТД WR-21. Достижение высоких значений КПД у двигателя простого цикла стало возможным благодаря увеличению как температуры газов перед турбиной высокого давления до 1350 °С и более, так и степени сжатия рабочего тела (свыше 28), одновременно с совершенствованием аэродинамических характеристик проточных частей компрессора и газовой турбины.
ГТД МТ-30 входит в состав энергетических установок эсминцев проекта DDG-1000 Zumwalt, кораблей прибрежной зоны LCS-1 Freedom ВМС США, авианосцев типа Queen Elizabeth и рассматривается для установки на перспективные фрегаты типа 26 Glasgow ВМС Великобритании, строящихся по программе Global Combat Ship.
С учетом отмеченных тенденций внедрения на кораблях ВМС зарубежных стран ГТД пятого поколения научно-исследовательскими организациями Министерства обороны Российской Федерации и организациями промышленности ведутся исследования по обоснованию о блика перспективного отечественного ГТД пятого поколения. Предполагается качественное улучшение наиболее значимых параметров двигателя: снижение удельной массы на 20-30 % и удельного расхода топлива на 15-20 %, увеличение показателей надежности, снижение трудоемкости технического обслуживания в 2-3 раза и стоимости жизненного цикла ориентировочно в 1,3 раза. Для этого предлагаются следующие варианты:
• продолжение серии морских ГТД типа М90ФР или М70ФРУ;
• разработка принципиально нового ГТД с использованием отдельных серийно изготавливаемых узлов и опробованных технологий;
• конвертация и доработка авиационного двигателя пятого поколения (по аналогии с ГТД МТ-30).
Первый вариант может быть реализован путем добавления базовому двигателю типа М90ФР одной или двух ступеней компрессора низкого давления (КНД), форсированием параметров рабочего тела, внедрением малоэмиссионной камеры сгорания и новых жаропрочных сплавов, обеспечивающих повышение температуры газа перед турбиной до 1230-1320 °С. В результате предполагается создать линейку двигателей мощностью 25 и 31,5 МВт.
Предлагаемый ПАО "ОДК-Сатурн" вариант создания перспективных двигателей на основе базовой модели носит эволюционный характер, при котором не наблюдается существенного улучшения их основных значимых параметров. В частности, максимальное снижение удельного расхода топлива по сравнению с базовыми образцами ожидается на 8 %вместо требуемых 15-20 %. Таким образом, этот путь приведет к созданию двигателя поколения 4+.
При реализации второго варианта используются отдельные опробованные и зарекомендовавшие себя технологии по двигателям производства ПАО "ОДК-Сатурн", авиационному двигателю для истребителя пятого поколения Су-57 и ГТД-110М промышленного назначения. Снижение массы и габаритов разрабатываемого изделия может быть достигнуто практически в 2 раза по сравнению с двигателем М90ФР за счет уменьшения числа ступеней компрессоров низкого и высокого давления, а также числа ступеней силовой турбины. Повышение КПД может быть достигнуто за счет форсирования параметров рабочего тела по температуре. Данный вариант потребует существенно больших финансовых и временных затрат, чем разработка ГТД на основе базовых моделей.
В качестве третьего варианта за основу принимается авиационный двигатель, например, созданный АО "ОДК-Авиадвигатель" ГТД типа ПД-14 и (или) разрабатываемый ПД-35. В двигателе ПД-14 были достигнуты высокие параметры рабочего тела: температура газа перед турбиной 1700 °С и степень сжатия воздуха в компрессоре 41, что позволило сделать качественный рывок в улучшении основных параметров по сравнению с современными серийными авиационными образцами.
Использование унифицированного газогенератора от ПД-14 может позволить создать корабельный ГТД пятого поколения, не прибегая к дорогостоящим и длительным по времени опытно-конструкторским работам. Но из-за наличия в воздухе аэрозолей морской воды потребуется заменить материалы основных деталей компрессоров и турбин. Поэтому с целью обеспечения требуемых показателей долговечности температуру рабочего тела необходимо понизить, что приведет к некоторому снижению КПД относительно авиационного аналога.
Окончательный вариант будет определен Главным командованием ВМФ на этапе разработки тактико-технического задания на выполнение опытно-конструкторской работы по созданию ГТД пятого поколения для перспективных проектов кораблей океанской и дальней морской зон.
