Фото: Танкер «Лиговский проспект», вид на главный дизель

Использование 2-тактного крейцкопфного дизеля для покрытия потребностей судостроения в главных и вспомогательных двигателях.

Федор Васькевич, старший механик, д.т.н., инженер ООО «СТЕОР – НСБ»

Потребности судостроения

Потребности отечественного судостроения в энергетических агрегатах, путь их удовлетворения импортозамещением. Специальная военная операция России на Украине и связанные с этим событием санкции западных стран остро поставили вопрос о независимости экономики нашей страны от воли недружественных государств. Возникшие в связи с этим вопросы импортозамещения достаточно успешно решаются в области обороны страны, в авиастроении, при замещении силовых агрегатов в военно-морском кораблестроении, насколько можно судить по публикациям – и в иных областях техники. Однако в области транспортного судостроения, которое начинает подниматься после многолетнего периода упадка, на мой взгляд, наметилась большая проблема – в России отсутствует производство современных как главных, так и вспомогательных судовых двигателей.

Что имею в виду? За более чем 200-летний период своего развития судовая энергетика использовала в качестве энергетических агрегатов паровые машины, паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания в 2-тактном и 4-тактном исполнении. В современных публикациях открытой печати отсутствуют данные о качественном составе силовых установок транспортных судов мирового морского флота. По данным примерно 30-летней давности, основным силовым агрегатом на транспортных судах был судовой малооборотный крейцкопфный 2-тактный дизель, которым оснащались порядка 70% судов мирового транспортного морского флота. По информации, приходящей из области эксплуатации флота, можно утверждать: примерно такое же соотношение типов силовых установок сохраняется и в настоящий период. Главный судовой малооборотный дизель устанавливается практически на всех большегрузных и большей части транспортных судов морского флота средней и малой грузоподъемности. На остальной части флота в качестве главных устанавливаются среднеоборотные тронковые 4-тактные дизельные двигатели с редукторной или электрической передачей и крайне редко – паро- или газотурбинные установки.

Главные судовые малооборотные крейцкопфные дизели поставляются промышленностью в диапазоне мощностей от 1350 (двигатель MAN-B&W 5S26MC) до 80 080 kW (Wartsila-Sulzer 14RT-flex 96C) – практически на всем потребном диапазоне мощностей мирового транспортного флота с возможностью поставки дизеля мощностью и сверх 100 000 kW. В результате развития конструкций и острой конкурентной борьбы на мировом рынке остались лишь три производителя крейцкопфных дизелей. Напомню, это MAN-B&W, Wartsila-Sulzer и Mitsubishi.

Применение главных двигателей крейцкопфной конструкции обеспечивает наивысшую топливную экономичность эксплуатации силовых установок: двигатели работают на сравнительно дешевом высоковязком остаточном топливе с наивысшим коэффициентом полезного действия для тепловых машин – эффективный кпд достигает 50-52%.

Для сравнения: в пору их применения кпд паровых машин не превышал 16-17%, газовых турбин – 32%, паровых турбин – 36%. Среднеоборотные тронковые судовые дизели в случае их использования в качестве главных обеспечивают экономичность на уровне 45%, если не учитывать потери при передаче энергии от двигателя к винту.

В Советском Союзе на транспортных судах отечественной постройки в качестве главных использовались малооборотные дизели Брянского машиностроительного завода, которые выпускались по лицензии датской фирмы «Бурмейстер и Вайн» (ныне МАН – «Бурмейстер и Вайн») с конца 50-х годов прошлого века до практически 2010 года. В 60-е годы, когда возникла проблема с продлением лицензии, на Брянском машиностроительном заводе была создана своя собственная безлицензионная конструкция дизеля марки ДКРН-75/160; дизель был установлен на одном из судов Грузинского морского пароходства. После решения лицензионной проблемы в те годы выпуск безлицензионной конструкции был прекращен. Очевидно, что в наше время для удовлетворения потребностей судостроения в связи с санкциями потребуется создание отечественной безлицензионной модели судового малооборотного крейцкопфного дизеля, свободной от каких-либо санкционных ограничений.

В советское время потребности транспортного судостроения СССР во вспомогательных дизелях для привода агрегатов судовой электростанции обеспечивались единственной отечественной моделью 4-тактного тронкового дизеля размерности ЧН25/34 производства Первомайского завода, расположенного на территории Украинской ССР. Сегодня в России такой машины нет, что дополнительно к проблеме главного судового дизеля ставит задачу создания отечественной конструкции вспомогательного судового дизеля.

Таким образом, на современном этапе Россия оказалась и без главных, и без вспомогательных двигателей для отечественного транспортного судостроения. Согласно публикациям в Интернете, отечественная промышленность пытается решить проблему главных судовых двигателей реанимацией выпуска дизелей проекта 61 завода «Русский дизель» на Кингисеппском машиностроительном заводе. Эти дизели в пору своего создания (60-е годы прошлого века) получили отрицательное заключение специалистов, были единодушно отвергнуты всеми возможными потребителями, не имели каких-то перспектив развития из-за принципиальной бесперспективности системы продувки цилиндров, конструктивной сложности (у одного агрегата – 4 коленчатых вала!), низкой экономичности даже для того времени и большого веса. Представляется, что реанимация идеи пр. 61 – это тупиковый путь, неоправданные затраты Кингисеппского завода и зряшные потери времени для всей отрасли промышленности.

Решение проблемы представляется возможным путем создания отечественного варианта крейцкопфного 2-тактного дизеля с прямоточно-клапанной системой газообмена единой конструктивной схемы как для главных, так и для вспомогательных агрегатов. В качестве прототипа предлагается конструкция современного 2-тактного крейцкопфного малооборотного дизеля MAN-D&W, опыт производства которого есть у бывшего лицензиата фирмы – Брянского машиностроительного завода. Отечественная модель должна иметь отличительные особенности от двигателя MAN-B&W:

– отличаться диаметром цилиндров на всем диапазоне производимых конструкций;

– иметь иную систему газовыхлопа (3 выхлопных клапана вместо 1 у фирмы);

– иметь одну центральную форсунку (вместо 2-3 у фирмы);

– за счет уменьшения диаметра цилиндра обеспечить производство малоразмерных машин с традиционными системами газо- и топливораспределения, способных работать в качестве вспомогательных дизелей.

Вспомогательные двигатели будут отличаться от главных лишь размерами и, возможно, отсутствием системы реверсирования. Ведущие мировые производители этой дорогой не ходили – минимальный диаметр цилиндров у главного крейцкопфного дизеля МАН – «Бурмейстер и Вайн» составляет 260 мм, дизель не предназначен для работы в качестве вспомогательного. Известен пример создания судового вспомогательного дизеля крейцкопфного типа голландской фирмой Bolnes. Такие двигатели оригинальной конструкции (в роли крейцкопфа выступал продувочный насос) устанавливались на буксирах-спасателях типа «Гектор», полученных Калининградской базой рефрижераторного флота в 1975 году. Других примеров установки подобных конструкций на суда автору неизвестно.

Представляется, что опыт производства современных двигателей на Брянском машиностроительном заводе по лицензии, использование технологий и конструкций лицензиата как образца, пока еще наличие опытных кадров производственников и конструкторов судовых дизелей, отработка новой конструкции крейцкопфного дизеля на малоразмерном образце – при грамотной организации работ позволят в минимальные сроки создать безлицензионный вспомогательный крейцкопфный дизель и в дальнейшем перейти на более крупногабаритные модели главных судовых дизелей отечественной конструкции. Сегодня не видится каких-то проблем в создании собственно дизеля. Проблемы могут возникнуть при создании агрегата газотурбинного наддува, и об этом нельзя забывать на начальном этапе конструирования...

Параметры вспомогательного крейцкопфного дизеля

Оценка конструктивных параметров вспомогательного дизеля для отечественных крупнотоннажных танкеров. При выборе указанного варианта пути создания отечественной конструкции безлицензионной машины целесообразно начинать отработку конструкции именно с малоразмерной модели, по своим параметрам удовлетворяющей требованиям вспомогательного дизеля танкера максимальной для отечественных морских путей осадки – 16-17 м дедвейтом DW = 150 000 т.

На танкерах такого размера зарубежной постройки в качестве вспомогательного дизеля чаще всего устанавливается среднеоборотный нереверсивный дизель MAN-B&W 6L23/30. Следует заметить, что дизель той же размерности установлен и на нефтерудовозах шведской постройки DW = 56 000 т, и на танкерах DW = 90-100 тыс. т, т.е. один типоразмер вспомогательного дизеля покрывает широкий диапазон грузоподъемности судов, на которые он может быть установлен. При этом на основном режиме эксплуатации (работе судна на полном ходу) в работе находится один вспомогательный дизель, мощность которого различается в нешироких пределах от 400 kW (DW = 56 000 т) до 500 kW (DW = 150 000 т). Учитывая возможность «заброса» нагрузки при включении дополнительных потребителей, в качестве номинальной мощности вспомогательного двигателя для отечественных судов максимальной грузоподъемности может быть принята мощность порядка 700 kW. При этом запас мощности у этого вспомогательного двигателя будет несколько меньше, чем у двигателя 6L23/30.

В качестве прототипа вспомогательного крейцкопфного дизеля возьмем двигатель MAN-B&W 6S26MC6 (6ДКРН 26/98) с параметрами в модификации регулирования L1: мощность Ne – 2400 кВт, частота вращения n – 250 об/м, среднее эффективное давление Pe – 18,5 бар, давление сгорания – 171 бар, давление продувочного воздуха – 3,75 бар, средняя скорость поршня Cm – 8,17 м/с, удельный расход топлива – 172–179 г/кВт-ч, вес двигателя – 42 т. В модификации регулирования L4 мощность дизеля – 1350 кВт при частоте вращения 212 об/м и среднем эффективном давлении 14,8 бар. Для оценки конструктивных параметров вспомогательного дизеля ориентируемся на модификацию L1 двигателя 6S26MC6 как геометрически подобного. Потребный диаметр цилиндра можно найти на основе зависимости для эффективной мощности:

Ne = Pe Vs n i / 0,06 m, kW,

где Vs – рабочий объем цилиндра, м³;

i – количество цилиндров (i = 6);

m – коэффициент тактности (m = 1).

Поскольку Vs = π D² S / 4, а ход поршня можно выразить через соотношение: S/D = 98/26 = 3,77, то Vs = π D² 3,77 D / 4 = 2,959 D³.

Частоту вращения в формуле мощности можно найти через среднюю скорость поршня. Поскольку Cm = S n / 30 = 3,77 D n / 30 = 8,17 м/с, то: n = 8,17 х 30 / 3,77 D = 65,01 / D. Подставим значения Vs, n, i = 6, m = 1 в исходную формулу мощности. Получим:

Ne = Pe 2,959 D³ 65,01 i / D 0,06 m = 19 236 Pe D², kW.

При среднем индикаторном давлении в цилиндре Pe = 1,85 mPa и потребной мощности 700 кВт диаметр цилиндра дизеля должен быть равен:

D = (700 / 19 236 х 1,85) 1/2 = 0,140 м.

Соответственно, расчетная частота вращения составит: n = 65,01 / 0,14 = 464 об/м. Эта частота вращения должна быть уточнена после разработки конструкции приводного электрического генератора, исходя из заданной частоты тока (в отечественной практике частота тока составляет 50 гц). Размеры остальных элементов вспомогательного дизеля можно найти как геометрически подобного двигателю MAN-B&W 6S26MC6.

Согласно отечественной классификации, у предлагаемого нового судового вспомогательного крейцкопфного дизеля должна быть марка 6ДКН 14/53. На прилагаемом рисунке дан сравнительный поперечный вид двигателя 6S26MC6 и предлагаемого вспомогательного дизеля 6ДКН 14/53. Можно заметить: высота предлагаемого длинноходового крейцкопфного дизеля примерно такая же, как и у традиционного вспомогательного среднеоборотного двигателя той же мощности. В случае необходимости установки такого двигателя в реверсивном исполнении в качестве главного на маломерном судне марка его будет 6ДКРН 14/53. Его вес следует ожидать равным: G ≈ (14/26)3 х 42 = 6,557 т, максимальная высота двигателя – 2,49 м.

Илл. Соотношение поперечных разрезов дизелей 6S26MC6 и ДКРН-14/53

Заключение

В связи с возрождением отечественного транспортного судостроения на настоящем этапе состояния международных отношений видится проблема поставок судового энергетического оборудования на строящиеся суда, поскольку в России нет собственных конструкций ни главных, ни вспомогательных двигателей для судов транспортного флота.

Решение проблемы представляется возможным при минимальной затрате средств и потерь времени путем создания отечественной безлицензионной конструкции двухтактного крейцкопфного дизеля единой конструктивной схемы как для главных, так и вспомогательных судовых двигателей на основе имеющегося опыта производства лицензионных конструкций главных судовых дизелей на Брянском машиностроительном заводе.

Кажущаяся автору важность проблемы и отсутствие информации о возможных шагах для ее оптимального решения явились поводом обратиться к технической общественности страны в области судового двигателестроения – высказать свое отношение к вопросу и возможным путям его решения.

А что об этом думаете вы, коллеги?

Из досье «МФ»

Васькевич Федор Афанасьевич родился в Белоруссии в 1940 году. В 1963 году окончил Ленинградское Высшее инженерное морское училище им. адм. С.О. Макарова по специальности «Cудовые силовые установки». Работал механиком на транспортных судах Министерства морского флота, рыбного хозяйства, преподавал в высших учебных заведениях на должностях ассистента, старшего преподавателя, доцента и профессора кафедры, в том числе с 1977 по 2018 год – в стенах Новороссийского высшего инженерного морского училища – Государственной морской академии – Государственного морского университета им. адм. Ф.Ф. Ушакова.

С 1992 по 2004 год совмещал преподавательскую работу с работой на крупнотоннажных танкерах отечественного и мирового морского флота, в том числе 10 лет – в должности старшего механика.

Доктор технических наук, доцент, автор учебной литературы для подготовки судовых инженеров, последние из них:
– Судовые двигатели внутреннего сгорания. Теория, эксплуатация, обслуживание. 5-е издание, Н-ск: ГМУ, 2017. 304 с.;
– Эксплуатация судовых силовых установок. Практическое пособие по эксплуатации СЭУ танкера. Изд. 2-е, М. – Ижевск: ИКИ, 2015. 227 с.;
– Расчеты судовых дизелей. Изд. 2-е, Н-ск: ГМУ, 2011. 100 с.

Две последние книги подготовлены автором к следующему изданию, пособие «Эксплуатация судовых силовых установок» принято к изданию в новой редакции, планируется выход из печати ограниченным тиражом в текущем году.

Р.S. «МФ» готов предоставить свои страницы для публикации мнений и суждений специалистов и экспертов в области двигателестроения по оценке нынешнего состояния отрасли и поискам путей решения проблемы производства судовых двигателей.

Морской флот №2 (2023)