Новые решения корабельных двигателей

Трехмачтовая каракка «Санта-Мария», на которой Христофор Колумб открыл Америку, была длиной 26 метров, с экипажем до сорока человек. Контейнеровоз Evergiven, перекрывший Суэцкий канал в марте 2021 года, только в ширину в полтора больше длины колумбовой каракки, а его длина – 400 метров: три с лишним Больших театра. Увеличенные в десятки раз размеры и вес судов требуют новых подходов к двигательным установкам, а новые требования к экологии оставляют свой отпечаток на судостроительной отрасли.

Первые плоты, которые вязали племена, превратились в лодки, выдолбленные из дерева: эту технологию до сих пор используют, в том числе и в отдаленных уголках России. Затем – гребные галеры и драккары, где после изобретения паруса его сначала использовали как вспомогательное к веслам средство управления, а позже как основное.

Торговля между народами на разных континентах стала основным стимулом к развитию судостроения. Суда, которые использовали только парус, без весел, появились в X-XI веках. А эпоха Великих географических открытий стала пиком расцвета корабельной отрасли. Увеличивалось количество мачт и парусов на них, с различным назначением, появлялись многопалубные суда, корабли начали разделять на военные и торговые.

Первое судно на паровом ходу с гребным колесом было построено в 1807 году Робертом Фултоном. 25 сентября 1838 года на Неве прошли испытания первого электрохода. Речной танкер «Вандал», построенный в 1903 году, стал первым теплоходом с дизельным двигателем. Американская подводная лодка «Наутилус» в 1954 году стала первым атомоходом.

Какие идеи двигателей сегодня предлагают на судостроительном рынке – об этом в материале «Научной России». 

Газовые двигатели

Промышленность стремится к экологичности – новые разработки снижают количество выбросов парниковых газов в атмосферу от автомобилей, заводов, энергетики. Судостроительная отрасль тоже приближается к низкоуглеродному развитию.

Одно из решений – суда, которые используют сжиженный газ в качестве основного источника топлива. По разным данным в мире на газовом ходу работают от 175 до 250 судов – в общем количестве гражданских судов это совсем немного, но количество заказов на них растет. Двигатели судов, которые работают на природном газе, выбрасывают на 20-25% меньше двуокиси углерода, чем дизельные двигатели, а эмиссия оксидов азота сокращается больше чем на 90%. Кроме того, газ позволяет полностью исключить выброс окислов серы и твёрдых частиц. При этом природный газ значительно дешевле дизельного топлива.

Газ перевозят на судах в сжатом и сжиженном видах. Сжатый – компримированный газ – не требует работы заводов по сжижению газа, но емкости, которые нужны для хранения сжатого газа на судне как минимум в два с половиной раза больше, чем для сжиженного. Чтобы увеличить срок автономного плавания судна и уменьшить объемы и вес топлива, в основном используют сжиженный газ.

Технически газопоршневые двигатели сложнее дизельных, это связано с контролем и управлением систем, подачей и зажиганием топлива. В дизельном двигателе воспламенение смеси происходит за счет сжатия в камере сгорания. В газовом двигателе нужна искра, при этом природный газ менее стабилен, чем солярка – может произойти детонация топлива. Чтобы предотвратить возможный взрыв, на двигатель устанавливаются датчики и контроллер детонации, который собирает информацию и, при необходимости, меняет параметры системы зажигания.

Двигатели, использующие энергию солнца и ветра

Солнечная энергия – один из самых популярных видов альтернативной энергетики. Используют солнечные батареи как энергию и в судостроении.

Крупнейшее судно, которое использует солнечную энергию – это тридцатиметровый катамаран «Туранор», его спустили на воду в 2010 году. Чтобы получить необходимый уровень энергии, на катамаране установлены 537 квадратных метров солнечных батарей, которые заряжают аккумуляторы. Фотоэлементы, установленные на катамаране, использовали при постройке жилых домов с солнечными системами в США, а разгоняться судно может до четырнадцати узлов – это почти 26 километров в час. В 2011 году катамаран с командой из четырех человек совершил кругосветное путешествие.

Еще дальше в области использования альтернативной энергетики шагнули производители французского катамарана «Energy Observer». Он совмещает солнечные панели, ветряки и водород, который преобразуется в электричество. Взаимозаменяемые источники позволяют судну идти даже если исчезнет один из источников энергии, или сразу два, например, в пасмурный безветренный день. 

Пока использование только солнечной или ветровой энергии на судах – исключение из общего правила, обеспечить крупное судно достаточной энергией не выйдет. Но панели и ветряки используют как дополнительные источники для работы вспомогательных систем. 

Интегрированные электродвигательные системы

Одно из новых решения в судостроении – это комбинация газовых турбин, дизельных генераторов и электродвигателей. Интегрированные электродвигательные системы используют газовое топливо и дизельное топливо для выработки трехфазного тока, который обеспечивает работу двигателя, вращающего гребные колеса или винты.

Электрическая, а не механическая передача энергии позволяет свободнее размещать двигатели, делает суда менее шумными и снижает вес. Интегрированные электродвигательные системы могут использовать как комбинацию газ-дизель, так и один из видов топлива. На крупных военных судах и круизных лайнерах чаще используют оба вида. На меньших кораблях предпочтение отдают или дизель-генераторам, или газовым турбинам. Дизельные генераторы отличаются повышенным КПД, но использование газа снижает количество вредных выбросов в атмосферу – например в Норвегии паромы с газо-электрическими установками используют для пересечения фьордов. Они могут разгоняться до 18 узлов и снижают выбросы углекислого газа на 300 000 тонн в год.

Фото на главной странице:  kolashtov / 123rf.com и koltduo / 123rf.com

По материалам из открытых источников