Газотурбинные двигатели себя исчерпали, но замены им нет

Научно-технический совет Объединенной судостроительной корпорации  (ОСК) обсудил возможности развития газотурбинных двигателей на военных кораблях, гражданских судах и объектах морской техники. Потенциал увеличения эффективности таких двигателей еще есть. Но близок предел.

Будущего нет, но оно есть

На заседание секции «Энергетические установки и судовое машиностроение» пригласили представителей верфей, конструкторских бюро, научно-исследовательских организаций ОСК, Российского морского регистра судоходства, ПАО «ОДК-Сатурн», Главного командования ВМФ.

В ходе обсуждения участники пришли к выводу, что на ближнесрочную перспективу российский военно-морской флот обеспечен газотурбинными двигателями (ГТД) мощностью от 5 до 20 МВт для кораблей различного класса и назначения.

В среднесрочной перспективе за счет применения перспективных материалов рассматривается форсирование по мощности серийно освоенных морских газотурбинных двигателей.

В то же время потенциал улучшения экономичности газотурбинных двигателей приближается к предельным для простого цикла значениям эффективного КПД и дальнейшее развитие в данном направлении не приведет к существенному повышению топливной эффективности. 

Модернизация газотрубинных двигателей возможна за счет оптимизации их конфигурации на основе перспективных базовых элементов и широкого использования межпроектной унификации.

СПРАВКА MASHNEWS

• По данным на 2021 год флоты более 50 стран мира имеют в своем составе порядка 900 кораблей с газотурбинными энергетическими установками.
• СССР первым начал создавать серийные корабли с газотурбинными энергетическими установками и к началу 1990 годов превосходил США по количеству кораблей с газовыми турбинами и суммарной мощности этих установок.
• В Советском Союзе разработка и производство корабельной газотурбинной энергетики происходила в городе  Николаев (Украина). После 2014 года поставки газовых турбин из Николаева для ВМФ России прекратились.
• В 2000 году в России была утверждена «Концепция создания и применения газотурбинных двигателей и агрегатов надводных кораблей ВМФ». Функция комплексного поставщика возложена на «ОДК-Сатурн».

Альтернативы ГТД нет

«Если говорить про технологию ГТД, то реальной альтернативы не видно. Даже с учетом перехода на альтернативные виды топлива ГТД всегда найдут свою нишу как тепловой двигатель с наибольшим отношением мощность/вес. Важная особенность ГТД – многотопливность, он может работать как на жидком, так и на газообразном топливе в том числе и в динамике«, – говорит представитель ОСК.

С ним согласен ведущий специалист по сборке и испытаниям газотурбинных двигателей военно-промышленного холдинга «Кингисеппский машиностроительный завод» (КМЗ) Алексей Лунев.

«Я считаю, что в ближайшие лет 20-30, если не 50, полноценной замены газотурбинным двигателям не будет, так как нет разработок принципиально альтернативных ему вариантов. Реально в мире есть бензиновые двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные и паровые. Развитие паровых двигателей – атомные энергетические установки, последние – двигатели непрямого действия, там энергия атома разогревает воду, пар крутит турбину и появляется электричество. Ничего другого нет», – говорит он.

Представитель ОСК называет среди альтернатив ГТД дизельные и газопоршневые двигатели, работающие по циклу Отто.

«По массогабаритным показателям к ГТД близки высокооборотные дизели. Но по отношению мощность/вес они будут проигрывать ГТД. Важно, конечно, учитывать и запас топлива, для малых мощностей и скоростей движения дизели будут оставаться преимущественным видом морского двигателя», – отметил он.

Предел модернизации

В настоящее время активно развиваются комбинированные энергоустановки, например, ГТД с утилизационным котлом и паровым турбогенератором. За счет более рационального использования энергии и ее преобразования они могут существенно повысить эффективность судна/корабля при росте стоимости такой установки.

«С этой точки зрения перспективно электродвижение, системы накопления и преобразования электроэнергии, системы утилизации (рекуперации) тепловой энергии», – отметил представитель ОСК.

Лунев отмечает, что сейчас идет процесс повышения КПД газотурбинных двигателей – растет температура рабочих газов, нужно чаще использовать редкоземельные материалы для термостойких сплавов, меняются методы проектирования. То есть газотурбинные двигатели не исчезнут, просто появятся более высоколегированные сплавы, появятся новые внутренние покрытия, защищающие металл. Это позволит несколько повысить КПД таких двигателей.

«Газотурбинные двигатели в своем КПД фактически уже уперлись в потолок в 40%, выше просто нет. Если его использовать как утилизатор тепла и парообразования, его КПД вырастет до 80%, но не более. Двигатель же сам по себе с прямой тягой работает с эффективностью в 33-35%. Авиационные двухконтурные двигатели работают чуть лучше.

В авиационных двигателях есть определенные заделы для повышения их мощности, например, можно убрать компрессор как таковой и тогда топливо будет просто подаваться в двигатель и оно там сгорает, по сути – ракетный двигатель, но без окислителя, потому что топливо сгорает в потоке нагнетаемого полетом воздуха, рассказал представитель КМЗ.

Варианты будущего

Принципиальным рывком может быть создание энергоустановок с топливными элементами, т.е. использование прямого преобразования химической энергии в электрическую. Но применение топливных элементов невозможно без систем электродвижения для преобразования электрической энергии в механическую, отметил представитель ОСК.

«Внедрение топливных элементов сдерживает их высокая стоимость и – пока - низкая надежность и ресурс. Безусловно, широкие перспективы у атомной энергетики, особенно в Арктике. С использованием атомной энергии возможно создание полностью автономных судовых/корабельных источников энергии, не требующих команды/экипажа. При этом актуальны вопросы совершенствования технологий преобразования и накопления энергии, поскольку все ядерные энергоустановки обладают существенной инерционностью», – рассказал он.

Алексей Лунев пояснил, что под инерционностью понимают невозможность быстро набрать или сбросить мощность, для этого нужно определенное время.

«А в ГТД все гораздо лучше , у нас это называется «приемистость», сброс мощности практически моментальный, а набор мощности от «малого газа» до «максимальной» в пределах 0,5 минуты», - рассказал он.

Лунев считает, что газотурбинным двигателям в авиации могут прийти на смену ракеты с атомной энергетической установкой, примером можно назвать российскую межконтинентальную крылатую ракету с ядерной силовой установкой  «Буревестник», об успешном испытании которой заявил президент РФ Владимир Путин в октябре 2023 года. По сути, это турбореактивный двигатель на воздушной тяге.

Он пояснил, что говорить о применении этого двигателя в судостроении сложно, поскольку вся информация об этой разработке находится под штампами и грифами. Но в целом на нынешнем этапе развития технологий какой бы источник энергии мы не испытывали, в любом случае нужен узел, который будет преобразовывать энергию потока газа или иного тела в механическую работу, то есть необходима турбина. В итоге имеем ту же газотурбинную установку, только иного вида.

«Также в Объединенной двигателестроительной корпорации испытывают детонационные двигатели, их принцип работы в том, что в камере сгорания происходит фактически взрыв топлива и ударная волна вместе с образовавшимся давлением могут совершать полезную работу в несколько раз больше, чем при обычном горении топлива, в частности, мощность тепловыделения на 3-4 порядка больше обычного горения, а скорость продуктов детонации – выше в 20-25 раз», – рассказал он.