Полезные статьи по отделке и ремонту квартир blitz-remont.ru и о том как постороить дом своими руками,
источник: bv-ryazan.ru.А всё самое интересное вы найдёте на megadl.ru.
» » » Анаэробные энергетические установки с двигателями Стирлинга - Новые российские технологии для отечественного подводного кораблестроения

Анаэробные энергетические установки с двигателями Стирлинга - Новые российские технологии для отечественного подводного кораблестроения

Если в 2004 году в структуре продаж военной техники ФГУП «Рособоронэкспорта» до 60% занимало авиационное вооружение, то в 2005 году этот баланс изменился в сторону продукции для военно-морских сил. От реализации данной продукции в государственную казну поступило 3 млрд. долл. США из 5 млрд., полученных за продажу всей военной техники за рубеж. Причем более половины этой суммы пришлось на поставку и ремонт неатомных подводных лодок (НАПЛ). Никогда раньше подводный флот не занимал столь значительной доли в структуре российского военного экспорта. По оценкам ведущих специалистов этот сегмент рынка военной продукции имеет тенденции к значительному расширению.

Так по прогнозу влиятельного журнала Forecast International в 2006-2014 гг. со стапелей судостроительных верфей должны сойти около 100 субмарин на общую сумму 80 млрд. долл. США. По словам заместителя генерального директора ФГУП «Рособоронэкспорт» В.Пахомова конкуренция между основными производителями неатомных лодок резко обострилась и российским производителям придется буквально бороться за потенциальных заказчиков. К сожалению, необходимо отметить, что в последнее время по ряду технологий подводного кораблестроения российские компании стали отставать от зарубежных конкурентов, прежде всего от немецких, шведских и французских производителей НАПЛ. К числу критичных технологий в первую очередь относятся создание анаэробных (воздухонезависимых) энергетических установок.

Данное отставание уже в ближайшее время может привести к массовому свертыванию производства отечественных субмарин, поставляемых на экспорт, потери научной и технологической базы сотен российских предприятий военно-промышленного комплекса (ВПК). Понимая возможность такого хода развития ситуации в отечественном подводном кораблестроении, российское Правительство приняло решении о создании единого холдинга подводного кораблестроения, в структуру которого войдут ведущие организации, занимающиеся проектированием и производством НАПЛ. Задача холдинга - сохранение позиций российских производителей на мировом рынке подводных лодок. Однако для решения этой задачи необходимо объективно оценить складывающуюся ситуацию и определить основные направления развития мирового подводного кораблестроения.

Анализ мировых тенденций развития неатомных подводных лодок

Современные отечественные и зарубежные неатомные дизельные подводные лодки являются боеспособным и высокоэффективным средством вооруженной борьбы на море и представляют собой подвижные платформы, способные нести разнообразное оружие, а также совершать длительное плавание в отрыве от мест базирования. В настоящее время подводные лодки (ПЛ) российских и иностранных фирм, за исключением нескольких технологи, мало отличаются друг от друга, или во всяком случае, сопоставимы между собой по архитектуре, водоизмещению, оснащению высокоточным оружием, включая ракеты различного класса, способных поражать любые морские и наземные цели, живучести, надежности, радиоэлектронного вооружения и т.д.

Практика показывает, что боевая эффективность дизельных подводных лодок зависит от необходимости периодически подзаряжать аккумуляторные батареи. Для этого ПЛ приходится подвсплывать на перископную глубину для подзарядки аккумуляторных батарей, что снижает скрытность их действий и повышает вероятность обнаружения. Так, дизельные подводные лодки ежесуточно затрачивают 2-5 часов на подзарядку батарей. При несении дежурства в зоне патрулирования со скоростью 2-4 узла они могут находиться в подводном положении до 4 суток. Однако, при этом их аккумуляторные батареи разряжаются примерно на 80% и подзарядка потребует значительно большего времени. Кроме того, ограниченность энергетических запасов дизельных ПЛ не позволяет использовать их в арктических районах, покрытых льдами.

Проблема увеличения продолжительности подводного плавания, исключающее необходимость частого подвсплытия для зарядки аккумуляторных батарей может быть решена за счет применения анаэробных энергетических установок (ЭУ) мощностью от 100 до 300 кВт, что повышает срок автономности до 720 часов.

Анализируя современный уровень в создании анаэробных ЭУ, необходимо отметить отставание России в решении данного вопроса от передовых промышленно развитых стран. За рубежом первые анаэробные ЭУ для ПЛ появились в 80-90 годы прошлого века. В настоящее время в Германии, Швеции, Франции, Италии, США созданы, прошли испытания и начато серийное производство анаэробных энергоустановок на основе двигателей Стирлинга, парогазовых турбин и электрохимических генераторов.

ВМС Германии с 1998 года приступили к строительству четырех подводных лодок проекта «212». Проектом предусмотрено оснащение лодки гибридной энергетической установкой, включающей аккумуляторные батареи и анаэробную установку на базе топливных элементов, разработанных по технологии фирмы «Сименс». Оснащение ПЛ анаэробной установкой позволит ей находиться в подводном положении до 20 суток, что значительно повысит ее скрытность и боевые возможности. Первая ПЛ проекта «212» вошла в состав флота уже в 2005 году (Рис.1. Немецкая подводная лодка проекта 212).

Группой фирм, входящих в кораблестроительный концерн «DCN», для французской подводной лодки «Скорпен» (Agosta-90B) разработана парогенераторная анаэробная ЭУ типа ”MESMA” (Module D’Energie Sous Marine Autonome). Полномасштабный береговой опытный образец анаэробной ЭУ был пущен в эксплуатацию еще в 1998 году. По данным концерна «DCN», выходная мощность анаэробной ЭУ ”MESMA” составляет 200 кВт, что позволяет увеличить дальность подводного плавания в 3-5 раз, при средней скорости 4-5 узлов (Рис. 2. Французская подводная лодка Скорпен).

Рядом зарубежных компаний (Англия, Италия и др.) в 70-х годах прошлого века были выполнены исследования по созданию ПЛ с анаэробными установками на основе дизелей замкнутого цикла (ДЗЦ). На основе данного опыта, итальянской фирмой «Мариталиа» были созданы серии боевых подводных лодок - сверхмалых «3-GST9», малых «LWT-27», средних и больших «20-GST48». Во всех их применялись технология GST и анаэробные установки на основе дизелей замкнутого цикла. Кроме итальянцев, разработка энергоустановок на основе дизеля, работающего по замкнутому циклу, велась фирмой RDM (Голландия) совместно с фирмами CDSS (Великобритания) и TNSW (ФРГ), которые изготовили и испытали установку «SPECTRE». Её пытались внедрить в новое семейство ПЛ "Moray" и также предлагали для модернизации ПЛ класса "Walrus". На германской ПЛ U-1 проекта 205 в 1993 году проходили морские испытания этой установки. В настоящее время фирма CDSS ликвидирована, а установка «SPECTRE» продана южно-корейской фирме Hyundai.

Существуют проекты оснащения НАПЛ анаэробными установки на основе малых атомных реакторов. Специалисты канадской фирмы «Эннерджи конверин системз» разработали анаэробную энергетическую установку для дизельных ПЛ на основе малогабаритного ядерного реактора. За прототип взят маломощный исследовательский реактор на медленных нейтронах «Слоупоук». Его электрическая мощность составляет до 400 кВт, кампания – до 1000 суток при работе на полную мощность. Подводные лодки, оснащенные малогабаритными ядерными реакторами, по существу, останутся дизельными. Эти установки фирма предполагает поставлять в виде отдельной секции, полностью подготовленной к врезке в корпуса существующих ПЛ или к сборке строящихся.

Наибольших результатов в разработке анаэробных установок достиг шведский концерн Kockums Submarin Systems, построивший три ПЛ класса "Gotland" типа А19 на основе двигателей Стирлинга. На ПЛ устанавливается два двигателя V4-275R по мщностью по 75 кВт. Три подводные лодки типа «Gotland» были построены фирмой Kokums в 1992 – 1996 годах. Длина субмарин – 60,4 метра, подводное водоизмещение – 1599 тонн. Экипаж – 27 человек, в том числе 5 офицеров. Вооружение: 4 Х 533-мм и 2 Х 400-мм торпедных аппарата. Скорость полного подводного хода – 20 узлов. При использовании двигателя Стирлинга лодки могут находиться под водой без подзарядки аккумуляторных батарей до 20 суток (Рис. 3. Шведская подводная лодка Готланд).

Модификации этого двигателя используются на французской ПЛ "Saga" и модернизированной шведской ПЛ "Naecken" типа А14. При переоборудовании в прочный корпус ПЛ непосредственно за ограждением рубки была сделана вставка длиной 8м с двумя двигателями Стирлинга мощностью по 110 кВт, работающими на привод генераторов постоянного тока. Запас жидкого кислорода позволяет находиться ПЛ "Naecken" под водой без всплытия до 14 суток (Рис. 4. Отсек подводной лодки с двигателем Стирлинга).

Самый многообещающий проект шведов связан с перспективной подводной лодкой «Викинг». Это название выбрано не случайно. В реализации проекта должны участвовать еще две скандинавские страны - Норвегия и Дания. «Кокумс», норвежская компания «Конгсберг» и датская «Оденсе столшипсваерфт» образовали консорциум для практической работы над проектом. Всего планировалось построить 12 субмарин нового поколения. По мнению ведущих специалистов, эта была бы лучшая подводная лодка XXI века. На ней планировалось установить единый двигатель Стирлинга большой мощности (ориентировочно 800 кВт). Сейчас судьба «Викинга» в руках Европейской судостроительной компании, контролируемой немецкими концернами - финансово-промышленной группой «Бэбкок Борзиг» (50 процентов плюс одна акция) и холдингом «Прессаг» (25 процентов без двух акций) (Рис. 5. Шведская подводная лодка Викинг).

Россия пока не имеет реально действующих аналогов данных образцов специальной военной техники, более того еще не выработана четкая концепция создания отечественных анаэробных ЭУ. Это связано прежде всего с тем, что резкое снижение финансирования в 1990-2003 гг. привело к значительному уменьшению активности научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по данной тематике. А также тем, что Минобороны РФ не сделало окончательного выбора типа вспомогательной воздухонезависимой энергетической установки.

По мнению специалистов, уже в ближайшие 5-7 лет НАПЛ без анаэробной установки не сможет в полном объеме выполнять стоящие перед ней боевые задачи в условиях усиливающейся противолодочной борьбы. Соответственно, подводные лодки, представляемые российскими фирмами на экспорт, без анаэробных ЭУ будут не конкурентоспособны на мировом рынке морского вооружения. Все это приводит к необходимости активизации как теоретических, так и экспериментальных работ по созданию перспективных анаэробных ЭУ для отечественных подводных лодок.

Стирлинг начинает и выигрывает

Сегодняшние анаэробные установки по принципу действия значительно отличаются друг от друга. Однако из четырех существующих типов анаэробных установок основными конкурирующими технологиями являются: двигатели Стирлинга и электрохимические генераторы. Опыт эксплуатации действующих установок и интуиция ведущих ученых, позволяет в настоящее время уже твердо сказать, что чаша весов все больше склоняется в пользу анаэробных установок с двигателями Стирлинга. Об этом свидетельствует события во взаимоотношениях основных зарубежных фирм, включившихся в гонку за создание НАПЛ на основе двигателей Стирлинга.

Именно шведы, из-за которых ныне кипят нешуточные страсти, открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных ЭУ. В 1988 году головная субмарина типа "Наккен" была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10000 часов без существенных замечаний. И если «Наккен» - первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа «Готланд» стали первыми в мире серийными подводными лодками с анаэробными установками, которые позволяют им находиться под водой 20 суток. Стоимость анаэробной установки с двигателем Стирлинга составляет около 45 млн. долл. США, что практически в 3 раза ниже стоимости анаэробной установки с ЭХГ немецкой компании «НDW» для проекта «212» (стоимость около 120 млн. долл. США).

Так, при модернизации двух ПЛ типа А-17 («Седермендланд» и «Вастерготланд») в лодки были врезаны 10-метровые отсеки с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга типа «Мк-3». Общая стоимость проекта составляла 73 млн. долл. США. При ходовых испытаниях в 2004 году анаэробные установки обеспечили вышеуказанным лодкам возможность подводного плавания в течении 14 суток.. Серийное производство двигателей Стирлинга типа «Мк-3» налажено в компании «Кокумс» с 2002 года (Рис. 6. Модернизация подводных лодок с врезкой анаэробных установок с двигателями Стирлинга).

Первыми, после шведов, перспективность анаэробных установок на основе двигателей Стирлинга поняли японцы. Еще в середине 90-х годов прошлого века главными подразделениями Министерства обороны Японии по строительству подводных лодок компании «Кавасаки дзюкоге» и «Мицубиси дзюкоге» по лицензиям были закуплены и запущены в серийное производство двигатели Стирлинга. Для отработки технологии применения двигателей Стирлинга в 2000-2001 годах на кораблестроительной верфи «Кобе» фирмой «Мицубиси дзюкоге» были проведены работы по оснащению ПЛ «Асасио» энергетической установкой замкнутого цикла с двигателем Стирлинга. Для этого между жилым и двигательным отсеками был врезан 9-метровый блок с анаэробной установкой на основе двигателя Стирлинга. Ходовые испытания прошли на «отлично». Поэтому уже с 2003 года японские ПЛ типа «Оясио» начали строиться с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга. Первая подлодка из этой серии «Харусио», бортовой номер 595, в 2004 году была передана ВМФ Японии. В настоящее время эти фирмами разработан проект новой ПЛ водоизмещением 3500 т, оснащенной анаэробной установкой с двигателем Стирлинга.

Японские компании не только переняли шведские технологии, но пошли дальше. Именно японцы ввели новое словосочетание «стирлинг-подводные лодки». Это означает уже в ближайшее время появятся японские ПЛ с единым двигателем Стирлинга. Дизельные подводные лодки с легкой руки японских специалистов уходят в историю. Именно для новой ПЛ с единым двигателем фирмой “Mitsubichi” создан и прошел успешные стендовые испытания двигатель Стирлинга мощностью более 600 кВт. В качестве рабочего тела двигателя используется азот.

Затем к проектам анаэробных установок на основе двигателя Стирлинга пытались подключиться французы. И, несмотря на агрессивную кампанию DCN по рекламированию энергетической установки «MESMA», французская фирма не рассчитывала на большой успех. Ввиду этого, понимая перспективность применения двигателя Стирлинга для современных ПЛ, в 1998 году представители DCN провели переговоры со шведским «Кокумсом» о создании совместного предприятия по проектированию перспективной лодки с анаэробной установкой на основе двигателя Стирлинга, которую планировалось предложить на рынок после 2010 года. Однако немцы пресекли это намерение.

В 2004 году к анаэробным ЭУ на основе двигателей Стирлинга вернулись и немцы, ранее активно продвигавшие ЭХГ компании «Сименс». Напомним, что еще в 1990 г. фирма MAN (Германия) заключила соглашение со шведскими фирмами о техническом сотрудничестве в разработке двигателей Стирлинга для перспективных НАПЛ. Очевидно, после создания анаэробной установки с ЭХС для НАПЛ проекта 212, немецкие инженеры убедились в коммерческой несостоятельности данного проекта. Сейчас немцы срочно меняют ориентацию, в смысле ЭХГ на двигатель Стирлинга. Так, в начале 2004 года Европейская комиссия одобрила слияние шведской кораблестроительной компании «Кокумс нэйвал системз» с германской верфью «Ховальдтсверке Дойче верфт» (HDW). Цель этой дорогостоящей покупки – приобретение стирлинг-технологии для немецких подводных лодок.

Более того, по некоторым данным сейчас компанией MAN для перспективных ПЛ разработан двигатель Стирлинга мощностью 700 кВт, а фирма «Моторен унд турбинен юнион» на конкурсной основе разработала проект энергетической установки для подводной лодки с двумя двигателями Стирлинга общей мощностью 2100 кВт

И наконец, последними из мировых держав, окончательный выбор по типу анаэробной установки сделали американцы. Их решение однозначное – двигатели Стирлинга. Для этого в 2005 году ВМС США взяли в лизинг шведскую подводную лодку типа «Gotland», оснащенную вспомогательной воздухонезависимой установкой Стирлинга. Как сообщает журнал Jane’s Defence Weekly, субмарина будет использоваться для отработки противолодочных операций кораблями американского флота. Лодка будет приписана к военно-морской базе Сан-Диего (штат Калифорния), где находится недавно образованное командование противолодочной войны. ВМС США в последнее время вновь стали проявлять повышенное внимание противолодочной обороне. Это объясняется стремительным ростом военно-морских сил Народно-освободительной армии Китая и прежде всего количественным увеличением и повышением качества подводного флота КНР. Подводная лодка типа «Gotland» нужна США и для «освоения» современных технологий неатомного подводного судостроения. Дело в том, что администрация США давно обещала Тайваню поставить подводные лодки, отвечающие требования сегодняшнего дня. Но до сих пор выполнить своего обещания она не смогла, поскольку американские верфи не строят дизель-электрические лодки почти 50 лет и не владеют соответствующими технологиями. В прошлом году американская корпорация Northrop Grumman и шведская фирма Kokums, построившая ПЛ типа «Gotland», подписали соглашение о сотрудничестве. Теперь в рамках этого сотрудничества американские специалисты получат возможность в деталях изучить конструкцию новейшей субмарины шведского флота. А помогут им в этом шведские моряки, которые будут нести службу на лодке вместе с американскими коллегами.

Шведские технологии получают широкое распространение не только в развитых странах. Уже говорилось, что по проекту и при участии шведской фирмы «Кокумс» в Австралии началось строительство шести лодок типа «Коллинз». Для этого в г. Аделаиде специально создана компания «Острэлиан сабмарин корпорейшн» (ASC). Недавно Таиланд заявил о намерении приобрести три подлодки типа Т-96 (экспортный вариант «Готланда», адаптированный для тропических условий). Сингапур закупил у шведских ВМС четыре модернизированных «Шеормена».

Стремление создания субмарин с АНЭУ на основе двигателей Стирлинга ведущих стран мира имеет простое объяснение. На кону – мировой рынок подводных лодок XXI века, а это без малого более 300 лодок до 2030 года. А козырными картами в борьбе за выигрыш, несомненно, станут субмарины с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга. По мнению, ведущих специалистов, данные субмарины уже в настоящее время по своим характеристикам не только приблизились к атомоходам, но по некоторым показателями даже превосходят их. Так, в ходе двух учений в Атлантике, прошедших в 2003 году, шведская подводная лодка «Халланд» с анаэробными двигателями Стирлинга «победила» в дуэльной ситуации испанскую субмарину с обычной дизель-электрической установкой, а затем и французскую атомную лодку. Она же в Средиземном море одержала верх в «схватке» с американской атомной подводной лодкой «Хьюстон». При этом необходимо отметить, что малошумный и высокоэффективный «Халланд» стоит в 4,5 раза дешевле своих атомных соперников.

Безусловно, во всех ведущих странах мира работы по совершенствованию анаэробных установок сегодня находятся в числе критически важных военно-морских технологий. В тоже время в России работы по созданию анаэробных энергоустановок не ведутся. А зря! Для всех очевидно, что в обозримом будущем Россия из-за дефицита финансовых ресурсов не будет способна строить и вводить в строй нужное количество атомных субмарин. Их вполне способны заменить значительно более дешевые подлодки с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга.

Почему выигрывают двигатели Стирлинга?

Учитывая приблизительно одинаковый уровень оружия и радиоэлектронного вооружения большинства ПЛ западноевропейских стран - основных поставщиков ПЛ на мировом рынке, конкурентоспособность перспективных ПЛ будет во многом определяться типом двигателя, примененного в анаэробной ЭУ.

От всех известных преобразователей энергии прямого цикла (дизелей, паровых и газовых турбин, карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, ЭХГ и др.), которые могут использоваться в составе анаэробных установок, двигатели Стирлинга выгодно отличаются целым рядом качеств, которые обуславливают перспективу их применения на НАПЛ:

  • практическая бесшумность в работе из-за отсутствия взрывных процессов в цилиндрах двигателя и клапанного механизма газораспределения и достаточно плавного протекания рабочего цикла при относительно равномерном крутящем моменте, что напрямую влияет на акустическую скрытность ПЛ - главную составляющую обобщенного показателя - "скрытность ПЛ";
  • высокий к.п.д. до 40%, что значительно превосходят лучшие образцы дизелей и карбюраторных ДВС;
  • возможность выполнить двигатели Стирлинга многотопливными, т.е. использовать в качестве горючего несколько типов углеводородного топлива ( соляр, сжиженный природный газ, керосин и др.), что повысит боевую устойчивость НАПЛ;
  • эксплуатация двигателей Стирлинга, работающих на традиционном топливе, не требует создания сложной береговой инфраструктуры, в отличие от ЭХГ, т.к. используется уже существующая береговая инфраструктура флота, более того, при необходимости, возможна организация базирование НАПЛ в недостаточно оборудованных пунктах, т.е. НАПЛ не будет "привязана" к существующим базам ВМФ, что существенно повысит ее мобильность и боевую устойчивость;
  • моторесурс современных двигателей Стирлинга составляет от 20 до 50 тыс. часов, что от 3 до 8 раз превышает срок жизни ЭХГ (около 6 тыс. часов);
  • при полном сроке эксплуатации ПЛ (25-30 лет) применение двигателей Стирлинга позволит сократить необходимое количество подводных лодок на 35-40%, по сравнению с практикой применения анаэробных установок с ЭХГ и т.д. (Рис. 7. Двигатель Стирлинга мощностью 75 кВт для анаэробных установок).

По мнению специалистов ООО «Исследовательско-инновационного центра «Стирлинг-технологии» двигатель Стирлинга является наиболее конкурентоспособным типом двигателя для анаэробных энергетических установок НАПЛ в силу указанных выше преимуществ. Более того, если сегодня рассматриваются установки увеличивающие подводную автономность до 30-45 суток на режимах экономического хода, то в недалеком будущем двигатель Стирлинга можно рассматривать как единый всережимный источник энергии, обеспечивающий как подводный, так и надводный ход во всем диапазоне нагрузок.

Приведенные здесь преимущества двигателей Стирлинга перед другими преобразователями энергии прямого цикла позволяют рекомендовать его как универсальный двигатель для всех типов НАПЛ - малого, среднего и большого водоизмещения, а также для большинства типов подводных аппаратов, использование которых возможно в интересах геологоразведки, освоения континентального шельфа, экологического мониторинга, ликвидации последствий аварий на море и т.д.

Отечественный ВМФ является одним из значительных потребителей НАПЛ с анаэробными ЭУ для использования их на Балтийском, Черном и дальневосточных морях. Общая потребность ВМФ ориентировочно составляет 10-20 единиц (по некоторым оценкам до 20-30 ед.). Весьма крупным рынком сбыта НАПЛ с двигателями Стирлинга будет международный рынок вооружений, где начиная с 2005-2030 гг. ожидается устойчивое повышение спроса на НАПЛ со стороны стран Латинской Америки, Юго-Восточной Азии и Ближнего и Среднего Востока. В целом, ориентировочная рыночная ниша составляет от 300 до 400 ПЛ, при средней стоимости ПЛ около 300-400 млн. долларов США.

Данный прогноз строится исходя из того, что в период 1972-1985 гг. Германией и СССР интенсивно строились и продавались в большом количестве немецкой НАПЛ типа 209 и советской класса «Фокстрот» (проект 641), которые поставлялись на экспорт в страны НАТО, Варшавского Договора, Индию, Китай и другие страны «третьего мира». В настоящее время НАПЛ входят в состав 30 флотов зарубежных стран. Учитывая, что срок службы этих НАПЛ оценивается около 30 лет, можно ожидать, что с 2006 года большинство вышеперечисленных стран будут приобретать новые НАПЛ вместо устаревших подводных лодок, исчерпавших свой ресурс.

Перспективы создания отечественных НАПЛ с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга

В условиях обострения конкурентной борьбы, совершенно очевидно, что необходимо срочно форсировать работы по созданию российских проектов ПЛ на основе двигателей Стирлинга. Лишь в этом случае Россия не утратит своих позиций на мировом рынке подводных лодок.

В результате многолетних теоретико-экспериментальных работ автором сформулированы основные принципы и концепция развития корабельных энергоустановок с двигателями Стирлинга, которые позволят в ближайшей перспективе обеспечение многомесячного непрерывного подводного плавания ПЛ при безусловной безопасности эксплуатации ЭУ, а также накоплен значительный научно-технический задел по основным системам и оборудованию энергоустановок с двигателями Стирлинга, включая различные варианты систем производства и хранения горючего и окислителя, в частности природного газа и кислорода. Были рассмотрены: баллонное хранение реагентов в газообразном состоянии под давлением 40 МПа; и криогенное хранение СПГ и кислорода. Были разработаны новые типы дешевых криогенных баков с пенополиуретановой теплоизоляцией и композитными оболочками. Учитывая, что ЭУ с двигателями Стирлинга относятся к классу нетрадиционных энергоустановок, использующих при работе такие компоненты, как СПГ и кислород, в ходе работ особое внимание уделялось пожаровзрывобезопасности (ПВБ), а также базовому (наземному) обеспечению ЭУ горючим и окислителем.

В настоящее время на принципиальные схемы и основные конструктивные элементы анаэробных установок получено более 40 патентов РФ. Отличительными особенностями разработанных автором принципиальных схем, по отношению к анаэробным установкам шведской компании «Kockums», являются применение сжиженного природного газа (СПГ) - «горючего ХХI века», что облегчает процесс утилизации продуктов сгорания углеводородного топлива и обеспечивает снижение следности ПЛ, снижение температуры теплоносителя контура охлаждения двигателя Стирлинга ниже температуры окружающей среды (забортной воды), что обеспечивает повышение к.п.д. двигателя Стирлинга и др.

Предлагаемые технические решения перспективных анаэробных ЭУ для ПЛ в полной мере отражает современное состояние и тенденции развития мирового научно-технического прогресса в области подводного кораблестроения, топливно-энергетического комплекса Российской Федерации и ее промышленности (Рис. 8. Проект российской подводной лодки с анаэробной установкой на основе двигателя Стирлинга ).

Выбор в качестве горючего сжиженного природного газа, определяется его уникальными физико-химическими свойствами, громадными разведанными и разработанными запасами природного газа, развитой сетью его доставки от месторождений во многие регионы страны по магистральным газопроводам и низкой ценой.

Наименование горючего СПГ Дизельное топливо Бензин Жидкий водород
Стоимость, тыс.руб/тонн (на 1.05.2006) 10 17 19-22 240

При создании и эксплуатации ПЛ с анаэробными установками на основе двигателей Стирлинга, работающих на криогенном топливе, одной из главных проблем является создание береговой инфраструктуры производства, хранения и заправки анаэробных установок компонентами криогенного топлива. Перспективное криогенное топливо состоит из горючего - сжиженного природного газа и окислителя - жидкого кислорода.

Если говорить о жидком кислороде, то накопленный в России опыт его производства и транспортировки позволяет без особых трудностей решить проблему его доставки к местам базирования ПЛ. В то же время в России практически отсутствует промышленное производство СПГ. Ввиду этого, наиболее остро стоит вопрос об создании береговой инфраструктуры производства сжиженного природного газа.

Проведенные автором исследования показали, что данная концепция может быть реализована за счет применения криогенных машин Стирлинга (КГМ Стирлинга). В настоящее время создан необходимый научно-технический и патентный задел, обеспечивающий решение стоящей проблемы в кратчайшие сроки.

КГМ Стирлинга относятся к ожижителям, действие которых основано только на внешнем охлаждении. Процесс ожижения природного газа идет при атмосферном давлении, без его предварительного сжатия. Это позволяет делать установки по сжижению ПГ на основе КГМ Стирлинга компактными и простыми в обслуживании. Важной особенностью применения КГМ Стирлинга для нужд ВМФ является возможность сжижения 100 % подаваемого газа низкого давления, что позволяет учитывать сложившийся способ транспортировки природного газа в России, а именно, наличие широкой сети продукционных газопроводов низкого давления (от 0,1 до 0,6 МПа) на многих объектах ВМФ: от крупных морских баз до отдельных воинских частей.

Инфраструктура производства СПГ должна строиться с учетом ввода в строй перспективных НАПЛ с анаэробными установками на борту. Учитывая экономическое положение России и потребности ВМФ РФ в дизельных ПЛ (20-30 ПЛ), можно предположить, что в будущем в течении 4-5 лет будет вводиться одна подводная лодка. Ввиду этого, за основу инфраструктуры производства СПГ для анаэробных установок с двигателями Стирлинга предлагается использовать энергетический модуль, состоящий из серийно производимых многоцилиндровых криогенных машин Стирлинга. В зависимости от потребного расхода СПГ для заправки анаэробных установок подводных лодок в состав энергетического модуля может входить от 3 до 10 КГМ Стирлинга, что обеспечит, соответственно, производительность вышеуказанного до 1000 л/ч СПГ.

Двигатель Стирлинга: состояния и себестоимость производства

В настоящее время за рубежом начато производство двигателей Стирлинга, основные характеристики которых превосходят аналогичные показатели двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и газотурбинных установок (ГТУ). Ниже представлены данные по некоторым современным двигателям Стирлинга.

Фирма Марка Мощность, кВт Удельная масса, кг/кВт Ресурс, ч Эффективный КПД, %
Philips 4-S-1210 265 3,8 10 000 30
STM Inc. STM 4-120 52 2,1 50 000 45
  SM-3 40   50 000 40
Daimler Benz KS15D 15 3,7   37,1
Solo V-160 7,5 2,3 28 000 35
MTI Mod-III 108 3,0 20 000 36
  4-95 52 4,1 20 000 41
United Stirling V4X 48 2,6 20 000 34
  --"-- 1250 1,2 10 000 30

Данные характеристики обеспечили применение двигателей Стирлинга в современных зарубежных системах вооружения странах, принадлежащих к блоку НАТО. Более того, необходимо признать, что в настоящее время в вопросах применение двигателей Стирлинга для автономных энергоустановок войск зарубежных армиях накоплен большой опыт.

Объект применения Мощность, двигателя, кВт Топливо Фирма-производитель Страна
Подводные лодки:        
серии "Готланд" 100 дизельное "Комумс" Швеция
"Викинг" 600 дизельное "Комумс" Швеция
"Сага-1", "Сага-2" 250 дизельное   Франция
"Харусио" 800 дизельное "Кавасаки" Япония
Космические объекты:        
ИСЗ "Джеминай" 5 солнечная энергия "Алиссон" США
МКС "Альфа" 10 солнечная энергия "НАСА" США
ОКС "SP-100" 100 ядерное "НАСА" США

Технико-экономическая эффективность энергетических установок на основе двигателей Стирлинга

Экономическая рентабельность любой энергоустановки определяется в основном затратами на ее изготовление и эксплутационными расходами. Стоимость создаваемой продукции определяется прежде всего следующими затратами: разработка конструкции, капитальное оборудование, производственные затраты, материалы, эксплуатация и техническое обслуживание. Многие из этих составляющих зависят от массовости производства.

Опыт серийного производства двигателей Стирлинга за рубежом, показывает, что при производстве 1000 двигателей (малой мощности), стоимость одного двигателя, по сравнению с его стоимостью при индивидуальном изготовлении, может уменьшиться в 30 раз.

По оценкам специалистов ООО «ИИЦ «Стирлинг-технологии», в ближайшее время при серийном производстве двигателей Стирлинга следует ориентироваться на следующие цены: двигатели мощностью 10 кВт - около 15 тыс. долларов, мощностью 100 кВт - до 90 тыс. долларов США.

Анализ вопросов, связанных со стоимостью двигателя Стирлинга и выполненных как отечественными, так и зарубежными фирмами, позволяет сделать вывод, что этот двигатель, хотя и имеет при мелкосерийном производстве более высокую стоимость изготовления, зато значительно менее дорог в эксплуатации. Это обеспечивает низкие сроки окупаемости проектов с двигателями Стирлинга по сравнению с традиционными двигателями внутреннего сгорания.

В 2006 году были проведены и достигнуты предварительные соглашения с ОАО «ЗиД» (г.Ковров) о серийного производства двигателей Стирлинга в России. В настоящее время проводятся необходимые маркетинговые и технико-экономические исследования эффективности массового производства двигателей Стирлинга. Предполагается, что первоначально двигатели будут производиться по лицензиям зарубежных компаний (Рис. 9. Двигатель Стирлинга предполагаемый к серийному производству).

Однако без участия и поддержки государства проблема серийного производства двигателей Стирлинга не может быть решена в полном объеме. В настоящее время в России инновационная деятельность (как особо сложный и рискованный вид хозяйственной деятельности), должна опираться на механизм государственной поддержки, особенно «на старте», с последующим переходом на обычные рыночные начала. При создании крупномасштабного производства двигателей Стирлинга в России такой механизм мог бы включать:

— прямое долевое бюджетное финансирование инновационных проектов по двигателям Стирлинга;

— косвенные меры поддержки за счет освобождения от НДС и других налогов федерального и регионального уровней продукции, выпускаемой по стирлинг- проектам, в течении первых двух лет ее выпуска, а также предоставление налогового кредита по такой продукции на последующие 2-3 года (следует учитывать, что высокие издержки освоения принципиально новой продукции и технологии нецелесообразно относить на производителя или потребителя, включая в цену);

— исключение из налогооблагаемой базы по налогу на прибыль вклада предприятия в финансирование стирлинг-проектов и др.

В дальнейшем, на этапе устойчивого продвижения энергетического оборудования на основе двигателей Стирлинга на внутреннем и внешнем рынках, восполнение капиталов для расширения производства, технического переоснащения и поддержки очередных проектов по производству новых типов оборудования, будет осуществляться за счет прибыли и продажи акций успешно освоенного производства, кредитных ресурсов коммерческих банков, а также привлечения иностранных инвесторов.

В этом случае, можно предположить, что благодаря наличия технологической база и накопленного научного потенциала в проектировании машин Стирлинга, при проведении разумной финансовой и технической политики, Россия может стать уже в ближайшем будущем безусловным мировым лидером в области производства экологически чистых и высокоэффективных двигателей Стирлинга и энергетических установок на их основе различного функционального назначения.

Заслуженный изобретатель Российской Федерации, академик Академии военных наук, д.т.н. Кириллов Н.Г. Энергетика и промышленность России

22 июня 2007 /
Комментарии
.
: , 2-, , ,
, , ( ).
, .
.
: .
:
1. ( http://off-rabota.tk ) .
2. .
3. .
4. , . ()
5. !
.
( )
! , . !

-----JGHHJ16FU16G1U6F51J6F1J6R1UY6F5Y---
--

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Полужирный Наклонный текст Подчеркнутый текст Зачеркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Вставка ссылкиВставка защищенной ссылки Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера
Введите код: