Применение промышленных моторов с использованием высокотемпературной сверхпроводимости на морском флоте



Применение промышленных моторов сиспользованием высокотемпературной сверхпроводимости на морском флоте

Зингер Мария Александровна, магистрант;

Клементьева Ксения Вячеславовна, магистрант

Захаров Игорь Вячеславович, доктор технических наук, профессор

Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова (Казахстан)

Высокотемпературная сверхпроводимость (ВТСП), открытая в 1986 г. активно входит во многие энергоемкие отрасли промышленности: энергетику (электроэнергетика, ветроэнергетика, гелиоэнергетика), металлургию, медицину, транспорт [1,2,3]. Есть примеры использования ВТСП устройств в авиации [4].

Ниже приводится обзор применения ВТСП на морском транспорте, где для этого существуют широкие возможности.

Сверхпроводниковые технологии чрезвычайно важны для применения на флоте как гражданском, так и военном. Сверхпроводниковые приводы и генераторы отличаются высокой компактностью при массе в 2–3 раза меньшей, чем у традиционных аналогов. Уровень вибраций и шумов также значительно ниже, что важно не только для военного применения, но и для круизных лайнеров и рыболовецких судов. Низкая шумность силовых установок круизных лайнеров способна гарантировать комфорт и тишину во всех пассажирских помещениях при возросшей скорости и вместимости лайнера. Отказ от механических редукторов и переход к прямому приводу гребного винта электродвигателем существенно поднимает коэффициент полезного действия (КПД) силовой установки, следует помнить также и об отсутствии омических потерь в сверхпроводниках. Даже с учетом потребляемой криогенным обеспечением мощности КПД ВТСП электродвигателей выше, чем у традиционных. Однако основной выигрыш от сверхпроводниковых технологий на флоте заключается в свободе конструирования судна: дизеля (или турбины), работающие на компактные ВТСП генераторы, могут быть размещены без жесткой привязки к гребному валу. Вынос ВТСП гребных электродвигателей в гондолы за пределы корпуса судна не только высвобождает массу места в кормовой части, но и позволяет радикально улучшить гидродинамику. Если же гондолы с гребными электродвигателями сделать поворотными, то можно резко улучшить маневренность судна, не прибегая к установке дополнительных боковых подруливающих устройств.

В связи с постоянным ростом цен на нефть и ужесточением экологических норм на выбросы окиси азота и двуокиси углерода (для морского транспорта сформулированных в конвенциях COP3 и NOX Международной Морской Организации) резко возрос интерес к экономичным и экологически чистым двигательным установкам, в том числе и к судовому электрическому приводу.

Японская компания Mitsubishi Heavy Industries дала оценку перспектив электрического привода (как сверхпроводящего, так и обычного) на морском транспорте.

В Японии работы по улучшению судового электродвижения проводятся в рамках R&D Super Eco-Ship Project под эгидой Министерства Природы, Инфраструктуры и Транспорта.

Широко используемые на больших кораблях двухтактные низкооборотные дизели, обладают наиболее высоким среди двигателей внутреннего сгорания КПД и при сохранении традиционных для кораблей компоновочных схем любой электропривод (даже на основе сверхпроводящих генераторов и электродвигателей) будет в заведомом проигрыше по тепловому КПД. Однако недавно компания Mitsubishi Heavy Industries представила высокоскоростной паром с одним гребным винтом и гибридным приводом: на гребной вал совместно работают два дизеля и электродвигатель (рисунок 1). Подобная компоновка позволила оптимизировать обводы корпуса, резко сократить гидродинамическое сопротивление и поднять КПД силовой установки по сравнению с традиционной двухвинтовой схемой на 13 %. Из-за необычной компоновки привода гребного винта данную схему можно реализовать только с использованием электродвижения [5].

Рис. 1. Сопоставление гибридной и традиционной схем судовых силовых установок

Использование сверхпроводящих генераторов и двигателей позволит еще дальше пойти по пути сокращения размеров судовых силовых установок, что придаст новый импульс в развитии кораблестроения.

Одно из подразделений American Superconductor Corporation (AMSC) Super Machines Business Unit — занимается разработкой и изготовлением ВТСП электрических машин и устройств. Основные направления работ подразделения — промышленные моторы с высокой производительностью и низкой стоимостью технического обслуживания. AMSC разрабатывает ВТСП промышленный мотор на 5000 л. с. Ежегодный рынок промышленных моторов составляет 1,2 млрд. долл.

Генераторы для морских судов (рисунок 2) предназначены для военных и коммерческих приложений с низким уровнем шумов, малым весом при большей эффективности.

Рис. 2. Генератор для морских судов

Движительные системы для судов (Ship Propulsion Systems) — для военных и коммерческих приложений с повышенной эффективностью, ударной прочностью, низким уровнем шумов, небольшими размерами, допускающими повышенные нагрузки. Naval Research заключила с AMSC контракт (70 млн. долл.) на создание и поставку 36,5 МВт (49000 л. с.) ВТСП мотора (вес мотора — 69 тонн в сравнении с 200-тонным традиционным аналогом). Этой разработке предшествовали два ВТСП мотора — на 1000 л. с. и 5000 л. с., исследования и испытания по которым заложили основу успеха для новой разработки 36,5 МВт мотора.

Был изготовлен макетный образец ВТСП электродвигателя мощностью 5 МВт (230 об/мин, напряжение 4160 В) с электронной системой управления для испытания на морских судах. 5 МВт низкооборотный ВТСП электродвигатель с большим вращающим моментом — первый шаг в разработке двигателей с номинальными мощностями 25 МВт и 36 МВт для полностью электрифицированных военных кораблей. Ожидается, что ВТСП электродвигатели мощностью 25 МВт и 36 МВт будут обладать в пять раз лучшими массогабаритными показателями по сравнению с двигателями традиционного исполнения [6].

Эффективность применения ВТСП электрических генераторов наглядно отражает преимущества компактной системы, оборудованной ВТСП генератором, в сравнении с традиционной системой генерации мощности (Siemens) [7].

Рис. 3. Эффективность применения ВТСП электрических генераторов

В 70–80 гг. прошлого века было несколько проектов сверхпроводниковых судовых электродвигателей. Они не были осуществлены, так как их реализация на низкотемпературных сверхпроводниках требовала сложного и ненадежного криогенного обеспечения. С появлением коммерчески доступных Bi-2223 ВТСП проводников в мире началось сразу несколько проектов по созданию двигателей, генераторов и синхронных компенсаторов для использования на флоте. Однако при температуре жидкого азота (77К) Bi-2223 ВТСП проводники обладают существенным недостатком: чрезвычайно сильной зависимостью их критического тока от магнитного поля, уже при магнитной индукции в 0,1 Тл критический ток таких проводников падает более чем в два раза. При охлаждении Bi-2223 проводников до уровня температур в 20–40 К, проблема полевой зависимости ВТСП проводников снимается, а критический ток возрастает.

Электрические машины на основе Bi-2223 проводников мощностью выше 100 кВт, как правило, работают при температурах существенно меньших, чем 77 К, а для их охлаждения требуется весьма сложное и дорогое криогенное обеспечение. К счастью, наработка на отказ современных криокулеров достигает 20000 часов, что позволяет говорить о возможности их использования на флоте, однако криогенное обеспечение на 77 К в любом случае будет компактнее, эффективнее, надежнее и дешевле. Ожидаемый эффект от использования ВТСП электродвигателей и генераторов на флоте настолько велик, что даже устройства на основе Bi-2223 проводников, работающие при температуре 20–40 К, будут востребованы, даже при современном уровне цен на ВТСП материалы и криогенное оборудование. Разработка электрических машин на основе Bi-2223 проводников, работающих при температуре 77 К представляется чрезвычайно сложной задачей, так как магнитная индукция на обмотке не должна превышать 0,1 Тл, что требует специальных мер по оптимизации обмоток и ферромагнитных сердечников. Мощность электрических машин на основе Bi-2223 проводников, работающих при 77 К пока не превышает 100 кВт, а массогабаритные показатели лишь незначительно лучше, чем у обычных электрических машин. С появлением ВТСП проводников 2-го поколения, для которых зависимость критического тока от магнитного поля значительно слабее, чем у Bi-2223 проводников, стало возможно создание по настоящему эффективных ВТСП электрических машин, работающих при температуре жидкого азота. Пока электрические машины на основе ВТСП проводников 2-го поколения представлены лишь несколькими маломощными макетными образцами [8].

Ниже подробно описано несколько различных проектов синхронных электрических машин для флота.

Рис. 4. Судовой двигатель компании AMSC

AMSC и Northrop Grumman (NOC) в 2007 г. объявили об успешном завершении испытаний крупнейшего в мире ВТСП судового электродвигателя мощностью 36,5 МВт (рисунок 4). В проекте также участвовали Ranor Inc, и Electric Machinery Company. Масса электродвигателя составляет 75 т, что в три раза меньше чем для двигателя традиционного исполнения. По завершению испытаний электродвигатель передали ВМФ США с вероятной установкой на новейший эсминец класса DDG-1000.

В силу военной направленности проекта доступно крайне мало технических деталей устройства. Можно лишь с уверенностью сказать, что мотор изготовлен из Bi-2223 производства AMSC и работает при температуре около 30 К. Известно, что весь проект обошелся примерно в 90 млн. долл.

Doosan Heavy Industries. В рамках корейской программы по разработке сверхпроводниковых технологий для электроэнергетики (DAPAS) запланировано создание ВТСП электродвигателей мощностью 70 кВт, 1 МВт и 5 МВт. Были изготовлены синхронные электродвигатели на 100 л.с. (74 кВт; 1800 об/мин.) и 1300 л.с. (957 кВт; 3600 об/мин.). ВТСП обмотки выполнены из Bi-2223 ленты производства AMSC. Рабочая температура обмоток у обоих моторов 30 К, с охлаждением от криокулеров.

Siemens. Работы над ВТСП электродвигателями начались в Siemens еще в 1999 г. Помимо Siemens в проекте участвуют компании: TransMIT Gesellschaft fur Technologietransfer mbH, ThyssenKrupp Marine Systems AG и Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH, финансовую поддержку оказывает Министерство по экономике и технологиям Германии. Был успешно испытан ВТСП синхронный электродвигатель мощностью 400 кВт, а также мотор-генератор на 4 МВт (рисунок 5).

Рис. 5. Синхронный ВТСП генератор Siemens мощностью 4 МВт

ВТСП электрические машины отличаются недостижимой для традиционных устройств перегрузочной способностью до 700 % по крутящему моменту в кратковременном режиме и 150 % в течение 15 минут по мощности. ВТСП обмотки обоих устройств охлаждаются криокулерами через теплообменный газ до температуры 25 К [8]. Основные параметры электрических машин Siemens и Doosan приведены в таблице 1.

Таблица 1

Основные параметры электрических машин Siemens иDoosan

Показатель	Siemens		Doosan
Номинальная мощность, кВт	400	4000	74	957
Крутящий момент, Н∙м	2600	10600	-	-
Скорость вращения, об/мин.	1500	3600	1800	3600
Рабочее напряжение, В	380	6600	380	-
Рабочая частота, Гц	3–50	3–60	-	-
КПД (с учетом криогеники), %	96,8	98,7	-	-
Масса, т	-	6,9	-	2
Габариты (без криогеники), м	-	1,9×1,2	-	1,3×0,8

В таблицах 2 ÷ 4 приведены наиболее крупные проекты сверхпроводниковых электрических машин для морского флота.

Таблица 2

Проекты НТСП иВТСП электромашин [9]

Разработчик	Мощность, МВ∙А	Число полюсов	Скорость вращения, об/мин	Проводник	Способ охлаждения	Назначение
General Atomics, США, генератор	36,5	униполярный	120	NbTi	Униполярный двигатель для ВМФ США
Siemens, Германия, генератор	4	2	3600	Bi-2223 лента	Жидкий неон, 30 К	Генератор для морских судов
American Superconductor, США электродвигатель	5		230	Bi-2223 лента	Двигатель для ВМФ США
	36,5		120	Bi-2223 лента

Таблица 3

Проекты ВТСП электродвигателей [10]

Организация	Страна	Год	Тип изделия	Мощность, МВт	Число оборотов вминуту	Масса, т	КПД,%	Финансирование проекта	ВТСП материалы
AMSC	США	2003	Судовой электродвигатель	5	230	-	-	8 млн.$	BSCCO
Sumitirno Electric Industries	Япония	2007	Судовой электродвигатель	0,365	250	4,4	-	-	BSCCO
AMSC	США	2007	Судовой электродвигатель	36,5	120	< 75	-	100 млн.$	BSCCO
Siemens	Германия	2008	Судовой электродвигатель	4,0	120	-	-	-	BSCCO

Таблица 4

Проекты электротехнического оборудования на основе ВТСП [11]

Устройства	Название проекта	Производитель	Сроки выполнения, годы	Характеристики	Стоимость, $
Сверхпроводниковые двигатели	NAVSEA Motor study	AMSC	2003–2012	Гребной электродвигатель 36,5 МВт	6 492 000
Кабельная техника	Кабель постоянного тока	CAPS, Southwire, NSWC	2007–2013	Изучение охлаждаемого газообразным гелием сверхпроводящего кабеля постоянного тока для ВМФ; демонстрация 1 кВ 30 м кабеля	-

Представленный материал позволяет сделать следующие выводы:

К преимуществам электродвижения относятся

– пониженные выбросы окиси азота;

– увеличение доступного пространства и гибкость компоновки;

– уменьшение шума и вибраций;

– улучшение управляемости судна, в случае выноса электродвигателей в гондолы.

К недостаткам электродвижения относятся

– суммарное значение КПД на 10–15 % хуже, чем у традиционного варианта с дизелем. (Эта оценка зависит от конкретных элементов системы электродвижения, поэтому является весьма неоднозначной);

– высокие капитальные затраты.

В целом следует сказать, что применение высокотемпературной сверхпроводимости на объектах морского флота является очевидным фактом и в силу своих преимуществ она будет все шире распространяться в этой области транспортной техники.

Литература:

1. Бупежанова А. Б., Зингер М. А., Клементьева К. В., Захаров И. В. Применение высокотемпературной сверхпроводимости в электроэнергетических устройствах // Вестник ПГУ им. С. Торайгырова, Энергетическая серия, № 1. — Павлодар: ПГУ им. С. Торайгырова, 2016.
2. Стоякин В. В. ВТСП электроэнергетика в США // Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». — М: НИЦ Курчатовский институт, 2013. — т. 10, № 4. — С. 1–3.
3. Никонов А. А., Щербаков В. И. Сверхпроводниковые устройства для металлургии // Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». — М: НИЦ Курчатовский институт, 2007. — т. 4, № 6. — С. 7–8.
4. Смаев М. П. ВТСП для авиации // Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». — М: НИЦ Курчатовский институт, 2007. — т. 4, № 5. — С. 7–8.
5. Superconductivity Web 21, 2007.
6. American Superconductor Corporation (AMSC) // Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». — М: НИЦ Курчатовский институт, 2004. — т. 1, № 2. — С. 5–9.
7. Proc. IEEE, 2004, no.10, p. 1688.
8. Щербаков В. И. ВТСП приводы и генераторы для нужд флота // Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». — М: НИЦ Курчатовский институт, 2007. — т. 4, № 3. — С. 8–10.
9. Сегодняшние проекты НТСП и ВТСП электромашин // Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». — М: НИЦ Курчатовский институт, 2006. — т. 3, № 3. — С. 9.
10. Существующие в мире проекты ВТСП электродвигателей и генераторов // Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». — М: НИЦ Курчатовский институт, 2008. — т. 5, № 3. — С. 3–4.
11. Дегтяренко П. Н. Современное состояние электротехнического оборудования на основе высокотемпературных сверхпроводников // Информационный бюллетень «Сверхпроводники для электроэнергетики». — М: НИЦ Курчатовский институт, 2014. — т. 11, № 2. — С. 10–11.