Развитие больших городов и цивилизации в целом и рост цен на углеводороды привело к возникновению новых требований к плавучим транспортным средствам. Основными из них являются экологичность и повышение эффективности. Суда нового поколения должны быть построены с их учетом, т.е. потребление топлива и уровень воздействия на окружающую среду должны быть сокращены.

Освоение арктических месторождений углеводородов потребует создания от 50 до 200 судов, приспособленных для работы в тяжелых климатических условиях. Энергетические установки судов требуют более высоких прочностных и ресурсных показателей, запаса мощности, высокую приемистость и т.д. Для рыболовства требуется построить с учетом увеличения объема добычи рыбы также до 700 различных промысловых судов (включая малые и средние).

При этом потребуются ходовые установки в диапазоне мощности 5 – 10 МВт для нефтеналивных судов и грузовозов, и 500 – 1000 кВт для главных и вспомогательных двигателей речных и меньших морских судов. Необходимо отметить, что многие из перечисленных судов могут быть построены и строятся за границей, что обусловлено не только лучшим качеством их проектирования, но и отставанием российского проектирования и производства ходовых агрегатов. С прекращением выпуска отечественными предприятиями части номенклатуры дизелей для морского транспорта, судостроители вынуждены ориентироваться на продукцию зарубежных производителей. Такая же ситуация складывается и с изготовлением электрических машин и электротехнического оборудования.

Однако мировое развитие судовой электротехники продолжается. В последнее время появился ряд новых технологий, новых конструкторских решений, которые были реализованы во всех отраслях промышленности.

Это коснулось и проектирования ходовой части кораблей. Например, для небольших пассажирских судов, ориентированных на порты густонаселенных городов Европы, были сформулированы дополнительные требования к ходовой части. В частности для пассажирского судна в Венеции по условиям поставки потребовались:

• низкие эксплуатационные затраты;
• низкий уровень выбросов в атмосферу;
• низкие выбросы масла в воду;
• высокие скорости и более широкие возможности регулирования вращения валов (винтов) на ходу и при маневрах;
• низкий уровень шума;
• возможность использования возобновляемых источников энергии;
• экономия топлива.

Для удовлетворения подобных требований для небольших судов было предложено использовать гибридный дизель – электрический привод, включающий в себя дизель, асинхронный низковольтный двигатель, накопители энергии (в виде батарей) и частотный преобразователь. На сегодняшний день существует две разновидности гибридного привода – параллельный и последовательный. Работа параллельного заключается в том, что в момент повышенной нагрузки к традиционному дизельному приводу вала добавляется вращение от электрической машины, питаемой от батарей, или как в описываемом случае вместо привода дизельного двигателя включается электрический.

Принцип последовательного гибридного привода состоит в создании энергии генератором, вращаемом дизельным двигателем, с последующей передачей энергии на асинхронную электрическую машину вращающую механизм (винт судна), при этом частота вращения меняется за счет устройства частотного регулирования. Наиболее близка к такой схеме конструкция дизель–электроходов, когда дизельный двигатель вращает генератор, а вырабатываемая энергия передается к машинам постоянного тока, вращающим винты.

И при параллельной, и при последовательной схемах основные конструктивные принципы работы гибридного привода таковы: дизельный двигатель внутреннего сгорания имеет меньший диапазон регулирования оборотов и мощность по сравнению с обычным приводом, при увеличении нагрузок дополнительная мощность развивается за счет энергии, запасаемой в батареях. В случае торможения электродвигатель начинает работать как генератор и выдавать энергию в корабельную сеть, а сгенерированная электрическая энергия запасается в батареях. Устройство частотного регулирования позволяет управлять частотой вращения вала электрической машины в соответствии с ходовыми режимами.

Для работы судовых машин согласно Венецианскому водному законодательству, должны быть предусмотрены два режима: тихоходный для маневров и малого хода, быстроходный для передвижения по открытой воде. Было предложено использовать для тихоходного режима вариант, в максимальной степени реализуемый при помощи энергии батарей и минимизирующий выбросы в окружающую среду, а для скоростного передвижения по открытой воде режим, ориентированный на работу дизельного двигателя в максимальной степени.

В результате реализации решения выявились:

• снижение мощности дизельного двигателя и электрической машины, а значит их габаритов;
• снижение уровней шума и вибраций дизельного двигателя и системы в целом;
• экономия пространства и возможность более гибкой планировки пространства внутри двигательного отсека за счет меньших габаритов.

Основным недостатком этого решения была высокая стоимость батарей. Однако с появлением суперконденсаторов и других более дешевых накопителей эта проблема была решена, и в 2008 году на выставке Ansaldo Systemi Industrialy в Генуе была представлена яхта с гибридным приводом, уже адаптированная для продаж на рынке.

Примечательно, что требование об использовании возобновляемых источников энергии (исключая парусники) так до сих пор и не реализовано в конструкциях кораблей. Однако, в планах европейцев к 2015 году создать ходовую систему, основанную на гибридном приводе, где энергия будет вырабатываться от солнечных батарей, накопителей, установленных на судне, и двигателе, работающем на водороде.

На крупных и средних кораблях, ориентированных на длительные походы, организация энергоснабжения отличается от небольших судов. Существуют отдельные электроприводы главного движения, аварийные и вспомогательные, например, подруливающие. Для основных приводов движения в современных конструкциях предусматривается использование мощных асинхронных машин (8 – 12 МВт, на напряжение 3 и 6 кВ), с устройством частотного регулирования. Автору известны свидетельства специалистов об использовании на зарубежных судах синхронных двигателей с постоянными магнитами, предусматривающих регулирование количества оборотов. Основным препятствием для широкого внедрения подобных машин на судах, по мнению автора, является отсутствие ремонтопригодности в полевых условиях. Для обеспечения судна электроэнергией устанавливается несколько синхронных генераторов, обычно 4+1 (8 – 14 полюсов соответственно для разных частот вращения, определяемых используемыми типами дизелей), причем в зависимости от требуемых характеристик сети может изменяться их количество и полюсность. Мощность сети может регулироваться изменением числа работающих генераторов.

Каждый раз при включении нагрузки предполагается падение напряжения, что может привести к сбоям в системе других устройств. Проблема становится более острой, когда судно производит маневры и работает подруливающий электрический двигатель мощностью до 2 МВт. Как правило на малом ходу, когда предполагается использование только некоторых генераторов, мощность сети невелика, и изменения, вносимые подрульным двигателем, более существенны. При этом чем меньше количество работающих генераторов, тем больше провал при пуске.

Для корректировки работы сети при пуске крупных источников потребления, особенно подруливающих двигателей, в последнее время используются два решения:

автотрансформатор для питания подрульного двигателя, который позволяет уменьшить напряжение на двигателе во время пуска и за счет этого снизить искажение тока в сети. Однако это требует дополнительного места, затрат и увеличения веса. Тем не менее, автотрансформатор снижает напряжение. Это дает возможность, по сравнению с напряжением сети 3, 6 или 11 кВт, использовать в качестве подруливающего низковольтный двигатель, имеющий меньшие габариты и массу.

использование устройств частотного регулирования и плавного пуска, которые при пуске не допускают просаживания напряжения. Однако устройство плавного пуска требует также дополнительной площади для установки, хотя при этом сохраняется возможность регулирования частоты вращения.

Вариант с применением автотрансформатора позволяет исключить высоковольтные машины, а использовать низковольтные. В случае низковольтных машин возможно снизить габариты двигателей прежде всего за счет более тонкой изоляции. При уменьшении толщины изоляции уменьшается паз статора, что позволяет снизить габариты статора и еще более эффективно охлаждать машину, т.к. тонкий слой изоляции не затрудняет передачу тепла. Именно поэтому некоторые суда оснащаются низковольтными электрическими машинами. Например, электроэнергетическая установка фрегатов типа «Бремен» (1979 г. Германия) состояла из четырех дизель­генераторов суммарной мощностью 3000 кВт, трехфазный ток 440 В, 60 Гц. Т.о. применение низковольтных машин рационально для небольших и средних судов, где мощности невелики и не возникает больших потерь при понижении напряжения.

Еще одним конструкторским решением конца ХХ в. стало использование винторулевых колонок. В традиционных системах двигатель находится внутри корпуса судна, и вращение передается на движитель (винт) посредством промежуточных валов, иногда через редуктор.

Винторулевая колонка Azipod состоит из высокомоментного высоковольтного (6 или даже 11 кВ) асинхронного электродвигателя, расположенного в отдельном корпусе — поде. В некоторых источниках указывается максимальная мощность привода Azipod до 22 МВт. Гребной винт установлен на валу электродвигателя, что позволило передавать вращающий момент с двигателя непосредственно на винт, минуя промежуточные валы или редукторы. Отказ от промежуточных элементов ходовой системы позволил исключить потери энергии, возникающие в них при передаче энергии с вала двигателя на винт. Для управления количеством оборотов применяется устройство частотного регулирования. Установка закреплена вне корпуса судна с помощью шарнирного механизма и может вращаться вокруг вертикальной оси на 360°, что позволяет получить лучшую маневренность судна как по курсу, так и по скорости по сравнению с обычными движительными установками. Электрическая энергия и масло для работы двигателя подаются по коммуникациям внутри оси вращения колонки. Кроме того, такое техническое решение сокращает объем машинного отделения, повышая тем самым грузовместимость, что весьма актуально для транспортных судов.

Такое расположение двигателей позволяет значительно снизить шум и вибрацию, по­видимому, это послужило причиной широкого применения таких решений в круизных лайнерах. Другой областью применения винторулевых колонок стали суда для плавания в арктических водах. Поворотные винторулевые колонки AZIPOD на судах ледового плавания обеспечивают высокие ходовые и маневренные качества в свободной воде и во льду.

Ведутся работы по внедрению вентильноиндукторного электропривода для судов. За последние годы преобразователи и приводы, разработанные ЗАО «Ирис», установлены на агрегатах ПЛ «Лада». Созданы образцы вентильноиндукторных гребных двигателей для различных судов.

Модернизация флота – высокозатратная отрасль. Как правило, в России и других странах строительство новых судов проводилось по планам и при поддержке государства. На сегодняшний день основной формой стимулирования, кроме прямых инвестиций, является субсидирование процентных ставок по кредитам для модернизации и строительства новых судов и лизинговых платежей при их приобретении. Для предприятий, поставляющих агрегаты или их части для судов, это означает размещение новых заказов, увеличение объемов выпуска, возможности для стабильной работы, роста и функционирования. Но в сложившейся ситуации, когда существуют проблемы с кадрами, оборудованием, лицензиями, проектировщиками, этого будет недостаточно. Очевидно, что кроме различных программ, необходимы механизмы контроля за развитием частных предприятий, их конкурентоспособностью в сравнении с зарубежными.

К.Л. Разумов­Раздолов

ООО «Русэлпром»

e­mail: rrkl@ruselprom.ru

Автор благодарит за предоставленные материалы руководство компании Ansaldo systemi Industriali и лично М. Богатыренко, В. Кислякова.