Вызов дизелю
В МАИ создается центр электротехнологий.
Может ли электричество заменить керосин в авиации, а по морю двигать сухогрузы и подводные лодки? Вполне. В этом году в МАИ создается центр электрических технологий, специалисты которого будут не только заниматься исследованиями в интересах крупных промышленных компаний, но и думать о том, какие технологии будут применять на практике сегодняшние абитуриенты МАИ через 10–15 лет.
3.0 в пользу университета
Одна из приоритетных задач МАИ— формирование университета 3.0. Это значит, что наряду с подготовкой специалистов университет будет активно проводить исследования в интересах бизнеса и крупных аэрокосмических корпораций. А необходимые в будущей работе знания и навыки студенты смогут получать прямо в вузе при реализации конкретных проектов в интересах компаний-работодателей.
В МАИ начинается реализация программы создания центров компетенций. Каждый из центров объединит работу отдельных подразделений университета над исследованиями в интересах компаний и корпораций по тематикам различных профильных кафедр и научных коллективов.
Через несколько лет большинство исследований по самым разным темам будут консолидированы в работе подобных центров. Уже начато формирование центра электротехнологий, основу которого составят ученые 101, 310, 702, 204-й и других кафедр. Большую часть совместных исследований планируется проводить в интересах крупных корпораций. Но, по словам заведующего кафедрой 310 Константина Ковалева, немалую долю времени ученые готовы посвятить перспективным исследованиям и разработкам «на задел».
Атомный кулак
Пока новый центр электротехнологий делает первые шаги, в МАИ уже накоплен опыт по реализации совместных проектов для крупных корпораций. Недавно ученые нескольких кафедр— 310, 702, 204-й и других— выполнили проект по созданию серии сверхпроводниковых устройств для энергетики и транспорта.
В достаточно сжатые сроки ученые МАИ создали опытные образцы изделий для госкорпорации «Росатом». По уровню готовности технологий (technology readiness level— TRL) разработки оцениваются между четвертым и пятым уровнем. Перед их запуском в серию необходимо провести ряд финальных испытаний.
Сверхпроводимость на морских судах
Сегодня крупные надводные корабли и подводные лодки получают энергию для движения от дизельных или атомных бортовых электростанций. В МАИ начаты работы, направленные на создание сверхпроводниковых электрических машин и устройств для электродвижения морских судов.
— Сегодня по пальцам можно пересчитать успешные примеры коммерческого применения сверхпроводниковых технологий: МРТ, создание специальных магнитов для научных исследований и кабели,— говорит доцент кафедры 310, старший научный сотрудник Николай Иванов. Между тем, во многих отраслях промышленности, энергетики и транспорта существует огромный потенциал для внедрения разработок криогенных и сверхпроводниковых технологий. Тем более что на кафедре 310 имеется значительный опыт создания сверхпроводниковых электрических машин и устройств. Основы данной технологии были заложены основателем кафедры А.И. Бертиновым и продолжены Д.А. Бутом, Л.К. Ковалевым и другими.
Сверхпроводниковые устройства позволяют выйти на новый уровень производства судовой техники, который уже закладывается в перспективных государственных программах РФ. Согласно госпрограмме Российской Федерации «Развитие судостроения в 2013–2030 годах» должно произойти существенное увеличение выпуска судов — более чем в пять раз. Для реализации этих планов необходимо учитывать тенденции развития мирового судостроения.
Известно, что силовая установка состоит из паропроизводящих устройств, главных двигателей, редукторов, валопроводов, движителей и вспомогательных механизмов и устройств. В то же время все большее количество движителей морских судов изготавливается по безредукторным схемам. В этом случае силовая установка и судовая электроэнергетическая система имеют общие узлы. Гребные электродвигатели, генераторы и двигатели подруливающих устройств судов имеют большие мощности, а потому логично применение в них сверхпроводниковых материалов, особенно в безредукторных схемах. Наибольшего же эффекта можно достичь при использовании сверхпроводниковых систем, включающих в себя генераторы и их системы возбуждения, гребные двигатели и двигатели подруливающих устройств, а также кабельную линию.
— Это позволит увеличить эффективность использования сверхпроводниковых устройств, поскольку может быть создан единый контур охлаждения, в котором будет поддерживаться необходимая температура,— уверен Николай Иванов. — А это, в свою очередь, означает снижение внешних теплопритоков в систему и уменьшение мощности охлаждающей установки. В результате повышается экономическая привлекательность использования сверхпроводниковых устройств на борту корабля.
Революция в судостроении
Так в чем же преимущество сверхпроводниковых двигателей и генераторов именно для судовых систем? Прежде всего это возможность уменьшить габариты электродвигателя. Например, в составе движительного комплекса судна могут быть использованы движительно-рулевые колонки с приводом винтов от электрического двигателя. При этом двигатель будет располагаться в отдельной гондоле, оттуда соединяясь с движителем. Применение высокотемпературных сверхпроводников даст возможность уменьшить площадь миделя и длину гондолы движительно-рулевой колонки, а также отказаться от применения редуктора. Результат очевиден— уменьшение лобового и поверхностного гидродинамического сопротивления и турбулентности плюс повышение тяги и эффективности гребного винта. К тому же прямой привод позволит обеспечить малую шумность хода судна, увеличив при этом надежность системы. Кроме того, высокотемпературные сверхпроводниковые машины обладают высоким КПД, что очень важно с точки зрения энергоэффективности судов. Так, при мощности силовой установки 30 МВт, увеличение КПД на 1% приведет к экономии 300 кВт мощности!
В кооперации с партнерами на 310-й кафедре МАИ было выполнено несколько проектов по созданию высокотемпературных сверхпроводниковых электрических машин для морской техники. В частности, разработан первый в России генератор с осевым возбуждением мощностью 1 МВт с обмоткой возбуждения на основе высокотемпературных сверхпроводниковых лент. Особенностью такого генератора стало комбинирование электромагнитного возбуждения и возбуждения от постоянных магнитов, что существенно увеличило надежность генератора.
— Используя опыт проектирования высокотемпературных сверхпроводниковых электрических машин, мы выполнили оценочные расчеты электродвигателя мощностью 6 МВт для привода гребных винтов,— рассказывает Николай Иванов.— Обмотка возбуждения в нем выполнена из высокотемпературных сверхпроводников, а обмотка статора — медная.
Однако только использование сверхпроводниковой обмотки на статоре и роторе машины даст возможность выйти действительно на новый уровень производства электрических машин. Для полностью высокотемпературных сверхпроводниковых машин маевцы разработали аналитические методики расчета их основных параметров. На этой основе с использованием современных программных продуктов была выполнена предварительная оптимизация размеров машины. Суммируя полученные результаты, была выполнена серия расчетов, позволившая достичь увеличения удельной мощности до 20 кВт/кг по активной зоне при азотной температуре. Таким образом была обоснована целесообразность перехода на полностью высокотемпературные сверхпроводниковые электрические машины.
— Сегодня мы уже работаем над созданием прототипов таких машин,— говорит Николай Иванов.
Следует отметить, что результатом переговоров с представителями Федерального агентства морского и речного транспорта РФ стало подписание протоколов, показывающих заинтересованность в разработках 310-й кафедры. Сегодня ученые работают над целым направлением исследований: это и подбор новых композитов, и разработка систем криообеспечения, и способы герметизации. Создание полностью сверхпроводниковых машин большой мощности может привести к настоящей революции в судостроении и авиационно-космической технике.
Марк Полов
