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

В статье «Главные и вспомогательные двигатели», опубликованной в журнале «Морской флот». 2023. №2, автор обратил внимание на отсутствие производства в России современных главных и вспомогательных двигателей для крупнотоннажного морского флота. И предложил для покрытия потребностей судостроения, как оптимальный вариант, создание безлицензионного отечественного малооборотного 2-тактного крейцкопфного дизеля единой конструктивной схемы в качестве главных и вспомогательных на крупнотоннажных судах морского флота, а также вспомогательные дизели этой конструкции могли бы использоваться в качестве главных двигателей на судах и речного флота.

Федор Васькевич, ст. механик, д.т.н., доцент

Редакция предложила страницы журнала для ее обсуждения. Насколько известно, это обсуждение в заинтересованных структурах длится уже три года без привлечения автора и близко к завершению с предлагаемым решением: созданием отечественного малооборотного дизеля с диаметром цилиндра Д= 500 мм.

В то же время автор случайно встретился с публикацией В.К. Шурпяка «Анализ современных тенденций применения двигателей внутреннего сгорания на морских судах». Научн-техн. сборник Российского морского Регистра судоходства, №75, 2024, в которой утверждается, что «на основе анализа представленных данных организация производства малооборотных ДВС для удовлетворения нужд отечественного судостроения не представляется целесообразной. <…> Гораздо актуальнее развитие отечественного производства морских среднеоборотных двигателей в направлении увеличения мощности, надежности и экономичности».

Неравная замена

Прежде всего – о тенденции замены малооборотного дизеля на среднеоборотный, о которой утверждается в упомянутой статье. Такая замена может быть объяснена отсутствием в России производства малооборотных машин, финансовыми преимуществами закупки среднеоборотных машин при их поставках из-за рубежа и отсутствием у покупателей объективных данных о достоинствах и недостатках того или иного типа главной силовой установки судна. Такой тенденции в мировом морском флоте не видится.

Для категорического утверждения этого достаточно привести данные об оснащении главными двигателями современных судов из новостроя. К сожалению, автор не нашел таких сведений в доступных для него источниках. Однако повсеместно в доступных источниках утверждается: основным агрегатом главного движения на всех крупнотоннажных судах мирового морского флота является 2-тактный малооборотный крейцкопфный дизель. Об этом говорит и собственный опыт: мне пришлось работать на более чем 10 танкерах мирового флота грузоподъемностью от 30 до 160 тысяч тонн, и везде главным двигателем был малооборотный дизель.

Мне известен лишь один пример использования среднеоборотных машин на крупнотоннажном транспортном судне. Это танкер-газовоз отечественного флота «Кристоф де Маржери», дедвейт 96 779 т, головное судно из 15 судов постройки 2016 года на верфях Южной Кореи, где в качестве главных установлены четыре среднеоборотных дизеля W12V50DF мощностью 4 х 11 700 кВт с электродвижением (три винта с колонками Азипод). Такое оснащение судна определилось, прежде всего, условиями плавания на трассах Северного Ледовитого океана, где требование высокой маневренности судна оказывается более существенным, чем требование высокой экономичности главного двигателя.

Для главного двигателя транспортного судна определяющим требованием является высокая экономичность и надежность эксплуатации. В этом плане был и остается вне конкуренции малооборотный дизель.

Достоинства малооборотного дизеля

Рассмотрим его достоинства по сравнению со среднеоборотной машиной:

1) представим себе два дизеля (малооборотный 2-тактный и среднеоборотный 4-тактный) одинаковой мощности, имеющие те же размерности цилиндров и идентичный рабочий процесс (равные показатели среднего индикаторного давления и индикаторного КПД в цилиндре).

При оговоренных условиях сравнения у малооборотной машины меньше механические потери (поскольку нет насосных ходов), у нее безоговорочно более высокий механический и соответственно – эффективный КПД. Так оно и есть: эффективный КПД у малооборотного 2-тактного дизеля сегодня достигает 50-52% – это наивысшее значение из всех тепловых двигателей, в то время как у среднеоборотных двигателей той же степени форсировки рабочего процесса он находится на уровне 45%, что на 5-7% ниже.

Можно проверить достоверность этой цифры по другим данным – паспортным значениям удельного эффективного расхода топлива у двух современных двигателей «Бурмейстер и Вайн» с примерно одинаковыми диаметрами цилиндров и уровнем форсировки: при среднем эффективном давлении в цилиндре 21,0 и 20,6 бара малооборотный 2-тактный крейцкопфный G50ME-C10.7 с удельным расходом топлива 164,5 г/кВт·ч и среднеоборотный V51/60DF, имеющий паспортный расход топлива

177 г/кВт·ч; у малооборотной машины удельный расход топлива меньше на 12,5 г/кВт·ч, или примерно на 7%, что соответствует различиям значений КПД;

2) экономичность силовой установки определяется не только экономичностью главного двигателя, но и потерями при передаче энергии на винт. Малооборотный дизель прямо передает механическую энергию на винт с незначительными потерями. В установках с электродвижением производимая в среднеоборотном дизеле энергия имеет дополнительные потери в электрогенераторе (КПД порядка 93-95%) и в гребном электродвигателе (КПД 94-95%), суммарный КПД силовой установки снижается до 0,45 х 0,94 х 0,945 = 0,40, т.е. до 40%.

Поэтому, например, если бы потребовалась замена силовой установки танкера «Кристоф де Маржери» с системой Азипод на малооборотный дизель, то можно взять 8-цилиндровый двигатель Sulzer RTA96-C, равный по мощности силовой установке танкера, который при той же скорости хода судна обеспечит снижение расхода топлива примерно на 10%;

3) если среднеоборотный дизель работает на винт через зубчатый редуктор с цилиндрическим зацеплением, то в каждом зацеплении теряется 2% энергии, суммарный КПД установки с 2-ступенчатым редуктором снижается до 43,2%;

4) если среднеоборотный дизель работает на винторулевую колонку, которая имеет два конических зубчатых зацепления, в каждом из которых теряется порядка 5% энергии, то КПД снизится до 40,5%;

5) немаловажным фактором в эксплуатации является удобство и трудоемкость обслуживания агрегатов главной силовой установки, прежде всего при моточистках. Обычно эта процедура на отечественном морском флоте исполняется членами машинной команды через 12 тысяч часов наработки цилиндров, примерно один раз в три года. При этом определяющим фактором трудоемкости является количество цилиндров, а не их размер.

В случае танкера «Кристоф де Маржери» четыре главных среднеоборотных дизеля суммарной мощностью 45 мВт имеют 4 х 12 = 48 цилиндров. При установке на судно малооборотного дизеля модификации RTA96-C той же мощности он имел бы всего восемь цилиндров, при вскрытии цилиндров поршни поднимаются вертикально вверх. У среднеоборотной V-образной машины поршни нужно извлекать под некоторым углом, что менее удобно. В целом малооборотный дизель потребует значительно меньше трудозатрат на обслуживание при моточистке;

6) известно, что в диапазоне частот вращения малооборотных дизелей 60-110 об/мин при снижении расчетной частоты вращения винта на 10 об/мин КПД винта повышается на 3% (исследования С.В. Камкина). У силовой установки со среднеоборотными дизелями частота вращения винта всегда выше (в диапазоне 100-200 об/м), чем у малооборотного дизеля, соответственно, меньше КПД винта.

Численно этот фактор можно оценить в каждом конкретном случае: полагаю, что в примере с танкером «Кристоф де Маржери» можно обеспечить ту же паспортную скорость хода судна с двигателем RTA96-C в 7-цилиндровом исполнении при значительно меньшей мощности силовой установки не только за счет более экономичного главного дизеля и прямой передачи мощности на винт, но и за счет повышения КПД гребного винта. Расход топлива можно снизить на 15 и даже на 20%.

Крайне актуальная задача

Очевидные преимущества малооборотного крейцкопфного дизеля, прежде всего по топливной экономичности, сделали его основным источником движения мирового транспортного морского флота, и в перспективе не видится возможности его замены на какой-то иной тип теплового двигателя. Поэтому создание и производство такого двигателя для нужд судостроения в России на данном этапе – задача крайне актуальная.

При сокращении запасов органического топлива, неминуемого роста цены на топливо современной тенденцией стало именно производство 2-топливных малооборотных двигателей, способных работать как на жидком органическом топливе, так и на газе. Но это задача следующего этапа.

На настоящем этапе вырисовывается решение создания в России малооборотного крейцкопфного дизеля с диаметром цилиндра 500 мм, в котором именно сейчас остро нуждается судостроение, а не предлагаемая мною ранее модель диаметром 140 мм в качестве вспомогательного двигателя для крупнотоннажного флота. Крупноразмерная модель на этапе конструирования представляется неверным решением по ряду причин:

– чем больше размеры деталей – тем сложнее их изготовление, требуется больше металла, расходов и времени. Можно сослаться на отрицательный опыт датской фирмы «Бурмейстер и Вайн» при создании модели двигателей ряда МС, сегодня самой востребованной в мире, которая отрабатывалась на крупноразмерном прототипе L94NF, создав самый совершенный дизель. В итоге фирма «Бурмейстер и Вайн» потеряла финансовую самостоятельность, была вынуждена продать контрольный пакет акций фирме МАN; поэтому размер 140 мм предпочтителен с точки зрения и материальных затрат, и значительного сокращения времени на отработку конструкции;

– представляется, что диаметр 500 мм – неудобный размер с точки зрения возможности патентования из-за использования такого размера другими производителями подобных конструкций. Крейцкопфные дизели с диаметром цилиндров менее 260 мм не выпускаются ни одним заводом мира, никто не производит крейцкопфные конструкции с диаметром 140 мм, что может быть решающим фактором при патентовании;

– с точки зрения автора, модель головного дизеля 14/53 должна явиться не только образцом для геометрически подобных машин большего размера (в том числе для Д = 500 мм), но и явиться головным образцом не менее нужных судостроению вспомогательных двигателей для судовых электростанций. Использование этих же машин в качестве главных дизелей на речном флоте (сегодня об этом никто даже не говорит) вообще устранит проблему производства винторулевых колонок – малооборотный дизель имеет прямую передачу на винт, колонка ему не нужна.

Предлагаемое автором решение конструкции крышки цилиндра с тремя (возможно, и с четырьмя) выхлопными клапанами с одним преобразователем импульса и одной центральной форсункой принципиально отличается от ближайшего прототипа (дизеля S26MC), обладает несомненными достоинствами, требует серьезной конструктивной проработки, но может быть весьма полезным при решении вопроса патентования.

Самого серьезного внимания требует создание турбонагнетателя для наддува дизеля с учетом повышенных требований воздухоснабжения – коэффициент избытка воздуха на сгорание должен быть на уровне не менее 2,6-2,7 (Васькевич Ф.А., Зубко С.С. Исследование направления совершенствования рабочего процесса главного судового дизеля на основе численного моделирования данных индицирования. Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион.Технические науки. 2019 год, №1, с.66-76). Доводка конструкции на стенде предполагается на традиционном механическом распределении, электронно-управляемое распределение – следующий этап.

Главные дизели для морского и речного флота должны иметь систему реверса, давление впрыска топлива на полном ходу должно быть на уровне порядка 700-800 бар; у вспомогательных двигателей системы реверса нет, топливный кулак создает давление впрыска на уровне 350 бар на всех режимах (чем повышается надежность работы топливной аппаратуры).

Важнейшее условие успешного решения проблемы двигателей для морского флота: дело должен возглавить главный конструктор, способный на эту работу с выделением необходимых материальных и человеческих ресурсов. Будем надеяться на лучшее.

Морские порты №2 (2026)