Анаэробный двигатель принцип работы и устройство. «Боевой потенциал неатомного флота»: как новые энергетические установки усилят мощь подводных лодок России. Принцип действия атомных энергетических установок
МОСКВА, 23 авг — РИА Новости, Андрей Коц. Дизель-электрические подводные лодки (ДЭПЛ) незаменимы в прибрежных и мелководных районах, куда далеко не всегда могут пройти их более тяжелые атомные собратья. Современные российские ДЭПЛ — грозное и универсальное оружие, но по сравнению с атомными подводными лодками у них есть один серьезный недостаток. Если атомоход способен находиться под водой сколь угодно долго, пока не закончится продовольствие, то дизельные субмарины вынуждены периодически всплывать для зарядки аккумуляторных батарей генераторами. Впрочем, благодаря воздухонезависимым энергетическим установкам (ВНЭУ) некоторые современные "дизелюхи" обходятся и без этого.
Без всплытия
Любая субмарина, вне зависимости от конструкции, водоизмещения, вооружения и выучки экипажа, в надводном положении беззащитна, как котенок перед стаей собак. Лодка не располагает значимой корабельной артиллерией, способной дать отпор скоростным катерам абордажных команд противника. Не сможет отбиться от налета противолодочной авиации или противокорабельных ракет. И даже если успеет срочно погрузиться, вряд ли уйдет от "загонщиков", уже точно определивших ее координаты. В мирное время это грозит срывом "автономки". В военное — гибелью лодки и ее экипажа.
Моторы неатомной подводной лодки приводятся в движение аккумуляторными батареями, заряда которых хватает максимум на четверо суток, если субмарина идет со скоростью до пяти узлов. Если же дана команда "Полный вперед!", батареи сядут через несколько часов. Их максимальная зарядка бортовыми дизель-генераторами занимает около двух суток, для этого необходим кислород, поэтому лодка вынуждена всплывать. Конечно, можно использовать режим работы двигателя под водой (РДП). В этом случае подлодка поднимает над поверхностью воды трубу-шнорхель, через которую и поступает воздух. Однако способ, активно использовавшийся еще в середине прошлого века, сегодня резко повышает вероятность обнаружения субмарины радиолокационными, инфракрасными, оптико-электронными и акустическими средствами противника.
Воздухонезависимому, или анаэробному, двигателю прямой доступ к атмосфере не требуется. В настоящее время в мире существует четыре основных типа ВНЭУ: дизельный двигатель замкнутого цикла, двигатель Стирлинга, топливные элементы (электрохимический генератор) и паротурбинная установка замкнутого цикла. Они должны соответствовать следующим требованиям: низкий уровень шумности, малое тепловыделение, приемлемые массогабаритные характеристики, простота и безопасность эксплуатации, большой ресурс и невысокая стоимость.
Важно отметить, что технология изготовления ВНЭУ очень сложная и наукоемкая. В мире не так много государств, освоивших ее полностью. ВМС США темой ВНЭУ не интересовались, предпочтя перевести весь подводный флот на атомную энергию. По тому же пути пошли и французы, построившие тем не менее экспортные субмарины типа "Скорпен". Эти небольшие лодки работают от турбин по замкнутому циклу, используя этанол и жидкий кислород. Автономность без всплытия — около трех недель.
Немцы приняли другую стратегию и в начале нулевых представили серию подлодок проекта U-212/214. У этих субмарин "гибридная" энергетическая установка: в режиме РДП или для хода в надводном положении аккумуляторы заряжаются дизельным генератором мощностью 1050 киловатт. А под водой для экономичного хода в дело вступает воздухонезависимый двигатель Siemens SINAVY Permasin. Его приводит в действие энергетическая установка из девяти протон-обменных топливных элементов, включающих цистерны с криогенным кислородом и емкости с гидридом металла. Эти элементы и обеспечивают вращение гребных винтов.
Роль топливных элементов
Сегодня в России нет дизель-электрических подводных лодок с воздухонезависимой энергетической установкой, однако они должны появиться в ближайшие годы. Представители Минобороны неоднократно утверждали, что первые ВНЭУ получат субмарины проекта 677 "Лада". Тем не менее принятый в строй "Санкт-Петербург" и строящиеся "Кронштадт" и "Великие Луки" по-прежнему полностью зависят от дизель-генераторов. А вот следующую лодку проекта, которую спустят на воду до 2025 года, уже оснастят анаэробной энергетической установкой собственного производства. Большинство данных об этой разработке строго засекречены, но известно, что в основу ее конструкции заложен паровой реформинг с электрохимическим генератором на твердотельных элементах.
"Эксперименты с ВНЭУ проводили еще в Советском Союзе, — рассказал РИА Новости главный редактор журнала "Арсенал Отечества" Виктор Мураховский. — Создать новую силовую установку на современной элементной базе и соответствующую требованиям сегодняшнего дня достаточно сложно. Раньше она должна была обеспечивать запас окисляющего компонента для работы двигателя внутреннего сгорания. Сейчас же подход другой — питание силовой установки топливными элементами. Главный мировой тренд — полный переход на электродвижение без использования дизельных генераторов. В этом случае топливные элементы с большой энергетической емкостью будут напрямую питать электродвигатели. Необходимости всплывать просто не возникнет".
Конструкторское бюро "Рубин", к слову, сообщало о готовности представить воздухонезависимую энергетическую установку для неатомных подводных лодок в 2021-2022 годах. А в апреле текущего года макетный образец ВНЭУ с газотурбинным двигателем замкнутого цикла успешно испытало КБ "Малахит". Новинку предполагается использовать в малых подводных лодках, которые пока существуют только в виде макетов.
Импортозамещение
"Мы разработали линейку малых подводных лодок водоизмещением от двухсот до тысячи тонн, — сообщил РИА Новости ведущий конструктор КБ "Малахит" Игорь Караваев. — Одно из главных их достоинств — применение ВНЭУ. Эти лодки смогут комфортно себя чувствовать в проливных зонах, мелководных районах, гаванях и даже будут способны заходить во вражеские порты и на военно-морские базы. Высокая скрытность, небольшие габариты и возможность неделями оставаться под водой без всплытия делает их идеальными разведчиками и позволяет наносить внезапный удар по кораблям и ключевым объектам прибрежной инфраструктуры".
По словам Виктора Мураховского, чтобы выйти на собственное серийное производство воздухонезависимых энергетических установок и массово ставить их на подводные лодки, необходимо формировать гигантский научно-технический задел для создания топливных элементов, которые будут питать электродвигатели подводного флота. В качестве более дешевой и простой альтернативы он рассматривает разработку перспективных литий-полимерных аккумуляторов, работающих на одной "подзарядке" гораздо дольше, чем имеющиеся сегодня в ВМФ аналоги. "Однако их производство, судя по всему, придется начинать с нуля, потому что на Западе нам такие технологии никто не продаст. А если и продаст, то в один прекрасный день может просто перекрыть поставки", — добавил эксперт.
», Федеральное государственное унитарное предприятие (ФГУП) «Крыловский научный центр» сообщило о том, что создание первой субмарины с анаэробной, то есть воздухонезависимой, энергетической установкой (ВНЭУ) приведет к значительному технологическому прорыву в кораблестроении.
Научно-технический задел по воздухонезависимым установкам создан. Проработана установка с паровым реформингом с электрохимическим генератором на твердотелых элементах. Создан ее промышленный образец. Из принципиальных технологий в ней реализовано получение из дизельного топлива водорода, создание электрохимического генератора, извлекающего из водорода электрический ток и удаление отходов жизнедеятельности первого цикла. То есть получающегося в ходе реакции СО2. Эта проблема еще дорабатывается, но при должном финансировании будет решена.
- заявил исполнительный директор указанного предприятия Михаил Загородников.
В первую очередь, ВНЭУ избавляет корабль от необходимости всплывать на поверхность для подзарядки аккумуляторов и пополнения запаса воздуха, необходимого для работы дизель-генераторов в подводном положении.
Как указывается, в настоящее время в наибольшей мере в деле разработки ВНЭУ продвинулись немцы, создавшие . В 2014 году о своих успехах в этом направлении сообщила французская DCNS, оснастившая рассматриваемой установкой субмарину типа «Scorpene». Проектом более крупной субмарины компании, востребованным ВМС Австралии, является «SMX Ocean» (он же «Shortfin Barracuda»). В Индии ВНЭУ разрабатывается применительно к лодкам типа Kalvari (на базе Scorpene).
В отличие от указанного зарубежного опыта российская ВНЭУ подразумевает совершенно иной метод функционирования: водород не перевозится на борту, а получается непосредственно в установке с помощью реформинга дизельного топлива.
Эксперт в области военно-морских вооружений Владимир Щербаков полагает, что субмарины с ВНЭУ позволяют успешно действовать в акваториях, плотно контролируемых неприятелем.
Возможность не подвсплывать важна там, где активно действуют противолодочные силы противника. Достаточно вспомнить, какой легкой добычей для немцев были наши лодки на Балтике во время Великой Отечественной. Аналогичная ситуация сложилась и для немецких подводников в Северной Атлантике к концу войны.
По его мнению, лодки данного типа имеют высокий экспортный потенциал, в особенности в странах, не обладающих атомным подводным флотом. Для России, как он считает, на данном этапе достаточно ограничиться парой лодок проекта «Лада» для отработки технологий и подготовки специалистов.
С защитой баз и побережья от вражеских атомных лодок сейчас вполне справляются и хорошо освоенные серийные «Варшавянки».
На текущий момент «Адмиралтейские верфи» в Санкт-Петербурге строят : «Кронштадт» и «Великие Луки». Головная субмарина этого проекта - «Санкт-Петербург» - проходит опытную эксплуатацию на Северном флоте. Анаэробной энергетической установки на ней пока нет.
Современные неатомные подводные лодки (ПЛ) являются высокоэффективным средством вооруженной борьбы на море и представляют собой подвижные платформы, способные нести разнообразное оружие, а также совершать длительное плавание в отрыве от мест базирования. В настоящее время ПЛ российских и иностранных фирм в принципе мало отличаются друг от друга или, во всяком случае, сопоставимы между собой по архитектуре, водоизмещению, оснащению высокоточным оружием, включая ракеты различного класса, способные поражать любые морские и наземные цели. Эти ПЛ близки по живучести, надежности, возможностям радиоэлектронного вооружения и т.д.
Однако опыт показывает, что боевая эффективность дизельных подводных лодок в известной степени обесценивается из-за необходимости периодической подзарядки аккумуляторных батарей, что снижает скрытность их действий и повышает вероятность обнаружения. Так, дизельные подводные лодки ежесуточно затрачивают 2…5 ч на подзарядку батарей. Кроме того, ограниченность энергетических запасов дизельных ПЛ не позволяет использовать их в арктических районах, покрытых льдами.
Проблема увеличения продолжительности подводного плавания, исключающего необходимость частого подвсплытия для зарядки аккумуляторных батарей, может быть решена благодаря применению анаэробных энергетических установок мощностью 100…300 кВт, что повышает срок автономности неатомных ПЛ до 480…720 ч.
В соответствии с классификацией, принятой в ВМС западных стран, неатомные подводные лодки принято делить на три подкласса:
- класс «А» – классические ПЛ с дизель-электрической главной энерго установкой (ГЭУ);
- класс «В» – подлодки с гибридной ГЭУ, включающей наряду с дизель-электрической установкой еще и дополнительную анаэробную (воздухонезависимую) подсистему;
- класс «С» – подлодки, оснащенные только специальной анаэробной ГЭУ.
Одними из первых боеспособных образцов ПЛ с гибридными ГЭУ являлись немецкие подлодки с так называемыми «парогазовыми турбинами Вальтера», работавшими на перекиси водорода. Германские подлодки XXVI серии с турбинами Вальтера были способны развивать подводную скорость до 24…25 узлов. Корабельного запаса перекиси хватало на шесть часов полного хода, а в остальное время использовалась обычная дизель-электрическая установка и устройство для обеспечения работы дизеля на перископной глубине (шнорхель). Лодки XXVI серии имели архитектурный облик, существенно отличавшийся от традиционных, ориентированный на уменьшение сопротивления в подводном положении. Они стали своего рода шедеврами военно-морской техники, хотя вступить в строй и участвовать в боевых действиях не успели, зато послужили ценным материалом для стран-победительниц в послевоенной модернизации подводных флотов.
В Советском Союзе накануне Великой Отечественной войны также экспериментировали с подлодками, оснащенными анаэробными энергетическими установками. Так, четырнадцатая подводная лодка типа «М» XII серии (до 1940 г. называлась С-92, а затем Р-1) вошла в историю как первая советская лодка с единым двигателем – дизелем, для функционирования которого в качестве окислителя использовался жидкий кислород, хранившийся при особо низкой температуре (-180°С). Разработка РЕДО (регенеративный единый двигатель особый) велась в 1935-1936 гг. по инициативе и под руководством С.А. Базилевского.
Подлодка С-92 на испытаниях в 1939 г. доказала возможность работы дизеля под водой по замкнутому циклу на протяжении 5,5 ч при мощности 185 л. с.
В июле 1946 г. вышло постановление Совета Министров С.С.С.Р о развитии работ по созданию подводных лодок с «едиными» двигателями. В соответствии с постановлением началось проектирование опытной малой подводной лодки проекта 615 водоизмещением около 390 т, оснащенной «единым» двигателем, который был аналогичен по схеме двигателю лодки проекта 95. В 1955-1958 гг. на заводах № 196 и № 194 было построено 29 лодок этого типа. В процессе эксплуатации на лодках проекта А615 случилось несколько серьезных аварий. Как выяснилось, аварии возникали вследствие неучтенных особенностей энерго установки и недостаточной подготовки личного состава, который нелестно отзывался о своих ПЛ, называя их «зажигалками».
Вторым из отобранных для реализации типов «единого» двигателя стала уже упомянутая парогазовая турбинная установка (ПГТУ) немецкого конструктора Вальтера. Ленинградское ЦКБ-18 в предэскизном проекте 616 воспроизвело германскую лодку XXVI серии. В 1947 г. на территории советской оккупационной зоны в Германии создали специальное конструкторское бюро под руководством А.А. Антипина, которое занималось восстановлением технической документации парогазовой турбинной установки. Параллельно в ЦКБ-18 началось проектирование подлодки проекта 617 с ПГТУ. При этом все оборудование, кроме ПГТУ, планировалось изготовить на отечественных заводах.
По проекту лодка водоизмещением около 950 т обладала способностью развивать скорость подводного хода до 20 узлов на протяжении 6 ч. Опытную лодку заложили 5 февраля 1951 г. на заводе № 196, а ее испытания завершились лишь 20 марта 1956 г. В 1956-1959 гг. подлодка C-99 совершила 98 выходов в море и прошла более 6800 миль, из них 315 – с ПГТУ. 17 мая 1959 г. на корабле произошла серьезная авария: при запуске ПГТУ на глубине 80 м в турбинном отсеке прогремел взрыв. Лодка всплыла на поверхность и своим ходом пришла на базу. После откачки воды из отсека было установлено, что несчастье произошло вследствие разложения перекиси при контакте с попавшей в клапан грязью.
Впоследствии в связи с успехами в создании атомных подводных лодок руководство советского ВМФ и отечественной судостроительной отрасли практически утратило интерес к неядерным «единым» двигателям для ПЛ. Лишь в первой половине семидесятых годов минувшего столетия работы в указанном направлении возобновились. На этот раз была предпринята попытка оснащения подлодки проекта 613 энерго установкой с электрохимическим генератором мощностью 280 кВт. В 1988 г. подлодка «Катран» проекта 613Э успешно прошла расширенные государственные испытания и подтвердила принципиальную возможность создания и эффективного использования новой энергетики. Однако развал Советского Союза и последовавшие после этого события на несколько десятилетий отбросили создание отечественной ПЛ с электрохимическим генератором.
А конкуренты не дремали
В последнее десятилетие XX века в Германии, Швеции и Франции были созданы, прошли испытания и начали серийно выпускаться анаэробные энергоустановки на основе двигателей Стирлинга, парогазовых турбин и электрохимических генераторов. Так, германские компании Howaldtswerke-Deutsche Werft GmbH (HDW) и Thyssen Nordseewerke GmbH (TNSW) спроектировали и построили четыре подлодки типа 212 (U 31 – U 34, переданные флоту в 2005-07 гг.). В сентябре 2006 г. бундесмарине заказали еще две подлодки типа 212 со сроком их сдачи флоту в 2012-2013 гг.
Лодка типа 212 имеет подводное водоизмещение 1360 т, длину 53,5 м, ширину 6,8 м и высоту от киля до вершины ограждения выдвижных устройств 11,5 м. В одном из походов U 32 установила мировой рекорд длительности движения в подводном положении (без использования шнорхеля), оставаясь погруженной на протяжении двух недель.
Помимо ВМС Германии, аналогичными подлодками решили обзавестись и итальянские моряки. Фирма Fincantieri по германской лицензии построила в 2005-2007 гг. две лодки (S526 Salvatore Todaro и S527 Scire). В марте 2008 г. итальянское правительство приняло решение заказать еще две подлодки типа 212.
Несколько измененным и усовершенствованным типом германской подлодки с электрохимическими генераторами является проект 214, предложенный немецкими фирмами ВМС Греции. При стандартном водоизмещении 1700 т и длине 65 м лодка способна погружаться на глубину 400 м и несет вооружение из восьми 533-мм торпедных аппаратов. Греческое правительство заказало в Германии три лодки указанного типа. Успешно завершились переговоры о постройке четвертой подлодки Katsonis со сроком готовности в 2012 г.
Обладающая мощной судостроительной промышленностью Южная Корея предпочла закупить в Германии лицензию на постройку трех лодок типа 214. Их изготовление ведется фирмой Hyundai Heavy Industries; первая лодка Admiral Sohn Won-il была передана флоту в декабре 2007 г., а две другие – Jung Ji и Ahn Jung-geun планируется закончить постройкой в 2008 и 2009 гг., соответственно. В настоящее время в правительстве Южной Кореи следуют дебаты о целесообразности постройки еще трех ПЛ типа 214. Ценными особенностями лодок этого типа считаются возможность пуска крылатых ракет из торпедных аппаратов из-под воды и наличие двух электрохимических генераторов типа Siemens PEM мощностью по 120 кВт, что позволяет осуществлять движение под водой со скоростью 3…5 узлов на протяжении двух недель.
Свой вклад в создание воздухонезависимых энергетических установок для ПЛ внесли и французы. Так, группой фирм, входящих в кораблестроительный концерн DCN, для французской подводной лодки «Скорпен» (тип Agosta-90B, подводное водоизмещение 1760 т, длина 67 м) была разработана парогенераторная анаэробная ЭУ типа MESMA (Module D’Energie Sous Marine Autonome).
Три подводные лодки типа Agosta-90B были заказаны ВМС Пакистана в 1994 г. Две первые субмарины, Khalid (S137) и Saad (S138) первоначально не были оборудованы анаэробной ЭУ; головной лодкой с такой системой стала третья ПЛ – Hamza (S139).
Существуют проекты оснащения подлодок гибридными энергетическими установками с включением в их состав маломощных атомных реакторов. Подводные лодки, оснащенные малогабаритными ядерными реакторами, по существу, останутся дизельными. Эти установки фирма предполагает поставлять в виде отдельной секции, полностью подготовленной к врезке в корпуса существующих ПЛ или к сборке строящихся. Один из вариантов переоборудования предлагался применительно к подводным лодкам типа «Виктория».
Пожалуй, наиболее впечатляющих результатов в разработке анаэробных установок достиг шведский концерн Kockums Submarin Systems. На французской ПЛ Saga и шведской ПЛ Naecken типа А14 в процессе модернизации были смонтированы двигатели Стирлинга V4-275R, которые использовались в качестве вспомогательных энергетических установок для экономического подводного хода. При переоборудовании в прочный корпус лодки ПЛ Naecken непосредственно за ограждением рубки была сделана вставка длиной около 8 м с двумя двигателями Стирлинга мощностью по 110 кВт, осуществляющими привод генераторов постоянного тока. Запас жидкого кислорода позволял лодке Naecken находиться под водой без всплытия до 14 суток.
Затем концерн Kockums Submarin Systems сделал еще более впечатляющий шаг, построив в 1992-1996 гг. три ПЛ класса Gotland (тип А19). Энергетическая установка подлодок включала обычные дизели и два двигателя Стирлинга V4-275R мощностью по 75 кВт. Длина субмарин – 60,4 м, подводное водоизмещение – 1599 т.
Самый многообещающий проект шведов связан с перспективной подводной лодкой Viking. Это название выбрано не случайно. В реализации проекта должны участвовать еще две скандинавские страны – Норвегия и Дания. Фирма Kokums в содружестве с норвежской и датской судостроительными компаниями образовали консорциум для практической работы над проектом. Всего планировалось построить 12 субмарин нового поколения. По мнению ведущих специалистов, эта была бы лучшая неатомная подводная лодка начала XXI века. На ней планировалось установить единый двигатель Стирлинга большой мощности (ориентировочно 800 кВт). Однако сегодня судьба «Викинга» оказалась в руках Европейской судостроительной компании, контролируемой немецкими концернами. А они, разумеется, не слишком-то заинтересованы в успехе скандинавов, своих прямых конкурентов.
На помощь скандинавам нежданно-негаданно пришли японските ВМС, которые еще в 1997 г. спустили на воду субмарину S 589 Asashio, на которой в порядке эксперимента смонтировали два двигателя Стирлинга. После завершения цикла испытаний японские адмиралы приняли решение о постройке уже целой серии ПЛ класса Soryu, первая из которых должна вступить в строй в марте 2009 г. Эти лодки значительно крупнее немецких и шведских (подводное водоизмещение 4200 т, длина 84 м, экипаж 65 человек).
И наконец, последними из мировых держав окончательный выбор по типу анаэробной установки сделали американцы. Их решение однозначное – двигатели Стирлинга. Для этого в 2005 г. ВМС США взяли в лизинг шведскую подводную лодку типа Gotland, оснащенную вспомогательной воздухонезависимой установкой Стирлинга. Как сообщает журнал Jane’s Defence Weekly, субмарину предполагали использовать для отработки противолодочных операций кораблями американского флота. Лодка была приписана к военно-морской базе Сан-Диего (штат Калифорния), где находится Командование противолодочной войны. Отметим, что ВМС США в последнее время вновь стали проявлять повышенное внимание противолодочной обороне. Это объясняется стремительным ростом военно-морских сил Народно-освободительной армии Китая и, прежде всего, количественным увеличением и повышением качества подводного флота КНР.
Подводная лодка типа Gotland нужна США и для освоения современных технологий неатомного подводного судостроения, утраченных в Соединенных Штатах. В 2006 г. американская корпорация Northrop Grumman и шведская фирма Kokums, построившая ПЛ типа Gotland, подписали соглашение о сотрудничестве. В рамках этого сотрудничества американские специалисты получат возможность в деталях изучить конструкцию новейшей субмарины шведского флота. А помогут им в этом шведские моряки, которые будут нести службу на лодке вместе с американскими коллегами.
По мнению ведущих специалистов, субмарины с гибридными ЭУ уже в настоящее время по своим характеристикам не только приблизились к атомоходам, но по некоторым показателями даже превосходят их. Так, в ходе двух учений в Атлантике, прошедших в 2003 г., шведская подводная лодка Halland с анаэробными двигателями Стирлинга «победила» в дуэльной ситуации испанскую субмарину с обычной дизель-электрической установкой, а затем и французскую атомную лодку. Она же в Средиземном море одержала верх в «схватке» с американской атомной подводной лодкой Huston. При этом необходимо отметить, что малошумный и высокоэффективный Halland стоит в 4,5 раза дешевле своих атомных соперников.
Достоинства гибридных ЭУ
Учитывая приблизительно одинаковый уровень совершенства оружия и радиоэлектронного вооружения большинства ПЛ западноевропейских стран – основных поставщиков ПЛ на мировом рынке, конкурентоспособность перспективных ПЛ будет во многом определяться типом двигателя, примененного в анаэробной ЭУ.
От всех известных преобразователей энергии прямого цикла (дизелей, паровых и газовых турбин, карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, ЭХГ и др.), которые могут использоваться в составе анаэробных установок, двигатели Стирлинга выгодно отличаются целым рядом качеств, которые обуславливают перспективу их применения на неатомных ПЛ: практическая бесшумность в работе из-за отсутствия взрывных процессов в цилиндрах двигателя и клапанного механизма газораспределения и достаточно плавного протекания рабочего цикла при относительно равномерном крутящем моменте, что напрямую влияет на акустическую скрытность ПЛ – главную составляющую обобщенного показателя – «скрытность ПЛ»; высокий к.п.д. (до 40 %), что значительно выше соответствующего показателя лучших образцов дизелей и карбюраторных ДВС; возможность использования в качестве горючего нескольких типов углеводородного топлива (соляровое топливо, сжиженный природный газ, керосин и др.); эксплуатация двигателей Стирлинга, работающих на традиционном топливе, не требует создания сложной береговой инфраструктуры (в отличие от электрохимических генераторов); моторесурс современных двигателей Стирлинга составляет 20…50 тыс. часов, что в 3…8 раз превышает срок жизни топливных элементов (около 6 тыс. часов); при сроке эксплуатации ПЛ порядка 25…30 лет применение двигателей Стирлинга позволит сократить необходимое количество подводных лодок на 35…40 % по сравнению с потребным числом лодок с электрохимическими генераторами (из-за более высокой надежности).
По мнению ряда иностранных и отечественных специалистов, двигатель Стирлинга является наиболее конкурентоспособным типом двигателя для анаэробных энергетических установок неатомных ПЛ в силу указанных выше преимуществ. Более того, если сегодня разрабатываются установки, увеличивающие подводную автономность до 30…45 суток на режимах экономического хода, то в недалеком будущем двигатель Стирлинга можно рассматривать как единый всережимный источник энергии, обеспечивающий как подводный, так и надводный ход во всем диапазоне нагрузок.
Преимущества двигателей Стирлинга по сравнению с другими преобразователями энергии прямого цикла позволяют рекомендовать его как универсальный двигатель для всех типов неатомных ПЛ малого, среднего и большого водоизмещения.
Отечественный ВМФ заинтересован в создании ПЛ с анаэробными ЭУ для использования их на Балтийском и Черном и морях, где использование атомоходов исключено по политическим мотивам. Общая потребность ВМФ в таких подлодках ориентировочно составляет 10-20 единиц. Весьма крупным рынком сбыта неатомных ПЛ с двигателями Стирлинга в недалеком будущем станет международный рынок вооружений, где начиная с 2005 гг. наблюдается устойчивое повышение спроса на подобные ПЛ со стороны стран Латинской Америки, Юго-Восточной Азии, Ближнего и Среднего Востока. В целом, ориентировочная рыночная ниша составляет от 300 до 400 ПЛ при средней стоимости ПЛ около $300…400 млн.
В настоящее время неатомные ПЛ входят в состав 30 флотов зарубежных стран. Учитывая, что срок службы этих лодок оценивается около 30 лет и то, что большинство из них было построено не позднее конца восьмидесятых годов минувшего века, можно ожидать, что с 2010 г. многие перечисленные страны задумаются о приобретении новых неатомных ПЛ вместо устаревших кораблей, исчерпавших свой ресурс.
В ближайшее время в России будет создан морской прототип воздухонезависимой (анаэробной) энергетической установки (ВНЭУ) для неатомных субмарин. Об этом сообщил президент «Объединённой судостроительной корпорации» (ОСК) Алексей Рахманов. Такой двигатель позволяет подводным лодкам не всплывать на поверхность для подзарядки аккумуляторных батарей. Субмарины с ВНЭУ отличаются высокой скрытностью и малошумностью, что уменьшает вероятность их обнаружения противником. Анаэробными установками будут оснащаться подлодки «Лада» и «Калина».
Президент «Объединённой судостроительной корпорации» (ОСК) Алексей Рахманов заявил, что в ближайшее время российские специалисты создадут морской прототип воздухонезависимой (анаэробной) энергетической установки (ВНЭУ) для . Также этим силовым агрегатом будет оснащена часть субмарин четвёртого поколения проекта 667 «Лада».
Научно-исследовательские работы по ВНЭУ были завершены в 2014 году. В 2016 году конструкторы провели цикл её наземных испытаний, а в начале этого года протестировали макет установки с газотурбинным двигателем. Разработкой силового агрегата занимаются три санкт-петербургских предприятия: ЦКБ «Рубин», МКБ «Малахит» и Крыловский государственный научный центр (КГНЦ).
ВНЭУ позволяет устранить существенный недостаток современных . Он заключается в том, что дизель-электрическим субмаринам приходится достаточно часто всплывать для восполнения заряда батарей. Таким образом, лодку может легко обнаружить авиация противника. Анаэробная же установка позволяет лодке находиться под водой от 20 до 45 дней.
«В неатомных подлодках дизель выступает в роли генератора энергии для электромоторов. Однако дизельный двигатель не может работать без забортового воздуха, а точнее — кислорода. Поэтому дизель-электрические субмарины вынуждены всплывать ежесуточно или через несколько дней», — пояснил в беседе с RT основатель портала Military Russia Дмитрий Корнев.
По словам эксперта, классическая дизель-электрическая подлодка неспособна продолжительное время двигаться на высоких скоростях и скрыться от современных средств наблюдения. Поднимаясь на поверхность, субмарина практически всегда даёт противнику возможность обнаружить её.
Водород из дизеля
Разработка ВНЭУ стартовала в 1950-х годах в странах Запада и несколько позже — в СССР. Научно-технические изыскания сосредоточились вокруг изучения возможностей воздухонезависимых «двигателей Стирлинга» (разновидность двигателя внешнего сгорания. — RT ).
Однако в течение нескольких десятилетий учёные не могли достичь практического результата из-за сложности и дороговизны эксплуатации подобных агрегатов. В конце 1980-х годов успеха добились шведские специалисты, создавшие первую субмарину с эффективно работающей ВНЭУ.
В 1990-х годах концерн Kockums Submarine System построил три малых подлодки типа Gotland, оснащённых анаэробными установками. Однако их серийное производство не получило развития. В 2000 годы воздухонезависимым двигателем обзавелись ВМС Германии и Силы самообороны Японии.
- Всплытие российской подлодки
- function.mil.ru
Корнев предполагает, что российская ВНЭУ может превзойти зарубежные аналоги. В частности, для генерации электричества отечественная анаэробная установка использует водород высокой степени очистки, который вырабатывается из дизельного топлива. При этом за рубежом запасы водорода загружают на борт субмарин перед выходом в море.
На форуме «Армия-2017» Центральный НИИ судовой электротехники и технологии (входит в КГНЦ) представил образец батареи на основе твердотопливных элементов БТЭ-50К-Э. Этот аккумулятор является одним из важнейших элементов ВНЭУ. Батарея входит в состав энергетических модулей мощностью 250—450 кВт.
«В последние годы активно совершенствуются аккумуляторы, они становятся более ёмкими и компактными. Например, в первой половине октября в Японии была спущена на воду лодка с литиево-ионными батареями. Японцы рассчитывают, что продолжительность пребывания под водой будет сопоставима с тем, на что способна ВНЭУ», — сообщил Корнев.
В то же время, как отметил собеседник RT, сейчас сложно давать прогнозы, насколько успешным будет эксперимент японских ВМС. По мнению Корнева, с большой вероятностью новейшие образцы аккумуляторов ещё долго будут использоваться для увеличения возможностей ВНЭУ.
«Стратегическая и многоцелевая»
Российская анаэробная установка разрабатывается в рамках реализации проекта неатомной подлодки «Калина». 16 октября Алексей Рахманов заявил, что ОСК готова заложить субмарину пятого поколения, как только получит соответствующий заказ от Минобороны.
Ранее топ-менеджер подчёркивал, что «Калина» «будет совершенно другой лодкой с точки зрения физических полей». По его словам, она будет «стратегической и многоцелевой по ряду своих ключевых элементов». Предполагается, что основу ударного вооружения подлодки пятого поколения составит гиперзвуковой ракетный комплекс «Циркон».
В настоящее время самой современной неатомной подлодкой ВМФ является разработки ЦКБ «Рубин». На сегодняшний день в опытной эксплуатации находится субмарина «Санкт-Петербург», в то время как «Кронштадт» и «Великие Луки» планируется передать флоту в 2019 и в 2021 годах соответственно. Строительство ещё двух подлодок заложено в госпрограмме вооружения (ГПВ) до 2027 года. Шестая по счёту «Лада» должна получить ВНЭУ.
В беседе с RT доктор военных наук капитан запаса 1-го ранга Константин Сивков предположил, что «Калина» разрабатывается на базе «Лады», которая относится к четвёртому поколению неатомных подлодок. По его словам, на сегодняшний день ВНЭУ «фактически создана» и потому промышленность готова к производству новейших субмарин.
«Информация об этом проекте засекречена. Но наверняка наши конструкторы возьмут лучшее из подлодок предыдущих поколений, прежде всего от «Лады». Это будет малошумная и почти незаметная для противника лодка. Появление в составе ВМФ «Калины» позволит полноценно реализовать боевой потенциал неатомного компонента подводного флота»,— уверен Сивков.
- Подлодка проекта 677
- function.mil.ru
Дмитрий Корнев заявил, что, скорее всего, «Калина» будет достаточно сильно отличаться от предшественниц. Помимо анаэробного агрегата, на субмарине будут установлены более совершенные батареи и электронное оборудование. По габаритам и ряду других характеристик субмарина заметно превзойдёт «Ладу».
«В нашей стране традиционно строились двухкорпусные подлодки: помимо прочного внутреннего корпуса, у них есть лёгкий водопроницаемый. Подобная конструкция повышает живучесть в случае повреждения, но уменьшает плавучесть и малошумность. С большой вероятностью «Лада» будет однокорпусной, и это несомненный шаг вперёд», — сказал Корнев.
Эксперт считает, что анаэробная установка позволит новейшим российским подлодкам более эффективно выполнять задачи как на малых глубинах (в Чёрном, Балтийском, Средиземном морях), так и в Мировом океане. По мнению Корнева, по своим боевым возможностям приблизятся к более дорогим и мощным атомным образцам.
«Конечно, вряд ли «Калина» будет патрулировать побережье США. Но лодки с ВНЭУ вполне могут отслеживать передвижение атомного подводного флота противника, обеспечивать выход в океан наших крейсеров стратегического назначения и выполнять широкий спектр других боевых задач, включая поражение крупных надводных сил и наземных целей», — подытожил Корнев.
самая большая дизельная силовая установка компании «Hyundai Heavy Industries» мощностью 108900 л. с.
ТЕПЛОХОДЫ
История теплохода насчитывает шесть десятилетий, но суда с двигателями внутреннего сгорания уже прочно занимают ведущее место в . Это объясняется, прежде всего, высокой экономичностью и возможностью постройки двигателей различных мощностей от 100 до 30000 л. с.
Родиной теплохода является Россия. В 1896 году свой двигатель внутреннего сгорания запатентовал немецкий инженер Рудольф Дизель, а в 1904 году по предложению русского ученого-кораблестроителя К. П. Боклевского двигатель внутреннего сгорания Дизеля, был установлен на судне «Вандал », построенном в 1903 году. Первый теплоход «Вандал » был одновременно и дизель-электроходом. Электрическую передачу использовали для устранения трудностей реверсирования, так как первые судовые дизельные силовые установки имели вращение в одну сторону и их нельзя было переключить с переднего хода на задний. В 1907 году русский инженер Р. А. Корейво изобрел пневматическую муфту, которая облегчила реверсирование двигателя. Впоследствии муфта получила распространение во всем мире. Дизельные силовые установки сразу заняли ведущие позиции в судостроении. Уже в 1914 году их мощности достигли 2500 л. с.
В 60-х годах одновременно с появлением винтов регулируемого шага в качестве главного двигателя стали применять не реверсивные дизельные силовые установки изначально на небольших судах, траулерах и буксирах, а затем и на больших коммерческих кораблях. За счет этого конструкция двигателей совершенствовалась и упрощалась.
ДИЗЕЛЬНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ИЛИ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Дизельная силовая установка состоит из одного или нескольких основных двигателей, а также из обслуживающих их механизмов. В зависимости от способа осуществления рабочего цикла двигатели внутреннего сгорания разделяют на четырехтактные и двухтактные. Дополнительное увеличение мощности достигается с помощью наддува. Существует другой принцип разделения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) - по частоте вращения. Малооборотные дизели с частотой вращения 100-150 оборотов в минуту непосредственно приводят в движение судовой движитель. Среднеоборотными называют ДВС с частотой вращения 300-600 оборотов в минуту. Они приводят в движение судовой через редуктор.
Кроме главного двигателя предусмотрены еще два вспомогательных, которые приводят во вращение генераторы. Для обслуживания главного и вспомогательных двигателей используются вспомогательные механизмы и системы, а также система трубопроводов и клапанов. Топливная система предназначена для подачи топлива из цистерн к двигателю. При этом для уменьшения вязкости топливо подогревается и очищается в сепараторах и фильтрах от различных примесей. Система смазки служит для прокачивания смазочного масла через двигатель с целью уменьшения трения между трущимися поверхностями, а также для отвода части полученного от двигателя тепла и очистки масла. Система охлаждения предусмотрена для отвода от двигателя тепла, которое проникает в основном через стенки цилиндра и возникает во время сжигания топлива, а также для охлаждения циркулирующего смазочного масла. Эта система состоит из насосов для пресной и морской воды, охладителей воды и масла.
дизельная силовая установка
Принцип действия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания показан на рисунке 5. В четырехтактном двигателе рабочий цикл осуществляется за два поворота коленчатого вала, т. е. за четыре хода поршня. Механическая работа совершается только за время одного такта, три остальных служат для подготовки. При первом такте поршень движется в направлении коленчатого вала. Под воздействием возникающего при этом разрежения воздух через открытый всасывающий клапан устремляется в цилиндр. В дизельной силовой установке без наддува давление всасываемого воздуха равно атмосферному, в дизельной силовой установке с наддувом к цилиндру подводится уже предварительно сжатый воздух. Во время второго такта при закрытых всасывающих клапанах предварительно поступивший воздух перед поршнем подвергается сжатию, за счет чего повышаются температура и давление. Топливоподкачивающий насос, привод которого согласован с движением соответствующего поршня, повышает давление топлива. При достижении необходимого давления топливо через форсунку впрыскивается в цилиндр.
Топливо впрыскивается незадолго до того момента, когда поршень достигнет верхнего положения. Впрыснутое и тщательно распыленное топливо в сжатом воздухе нагревается, испаряется и вместе с воздухом образует горячую самовоспламеняющуюся смесь. Третий такт является рабочим. Во время процесса сгорания топлива образуются горячие газы, которые вызывают увеличение давления над поршнем. Под давлением силы, возникающей за счет давления газов, поршень движется вниз, газы расширяются и производят при этом механическую работу. Во время четвертого такта открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выходят наружу. Четырехтактные судовые дизельные установки изготовляются как многоцилиндровые двигатели. Они устроены так, что рабочие такты равномерно распределяются по отдельным цилиндрам.
Под наддувом дизельного двигателя понимают подачу к цилиндрам большего количества воздуха, который требуется для заполнения всего цилиндра при такте всасывания. Цель наддува заключается в том, чтобы способствовать сжиганию наибольшего количества топлива за один рабочий цикл. Это означает повышение мощности двигателя без увеличения его размеров, а также частоты вращения. Наддув можно осуществлять за счет предварительного сжатия воздуха перед цилиндром. Во всех выпускаемых четырехтактных судовых дизельных силовых установках предварительное сжатие воздуха происходит с помощью центробежного компрессора, который приводится в действие газовой турбиной, работающей на отработавших газах дизеля.
Четырехтактные дизели применяют на судах либо в составе дизель-генераторных установок, либо в качестве главного двигателя в многовальных силовых установках (по одному ДВС на один движитель) и, соответственно, в многодвигательных установках для одного движителя. Применение среднеоборотных дизельных силовых установок в качестве главного двигателя имеет следующие преимущества:
Повышение надежности (при выходе из строя одного двигателя остальные продолжают работать);
- уменьшение габаритов и собственной массы деталей (клапанов, поршней, кривошипных механизмов, подшипников и т. д.);
- снижение удельной массы, которая в зависимости от мощности составляет от 14 до 35 кг/кВт (для мощностей около 2200 кВт).
Современные дизельные силовые установки отличаются высокой экономичностью и надежностью, они не требуют капитального ремонта до 50000 часов.
ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРОХОДЫ
Первым дизель-электроходом был, как уже упоминалось выше, русский теплоход «Вандал », но дизель-электроходы не получили большого распространения. Потери при двойном превращении энергии (механической в электрическую, а затем электрической вновь в механическую) довольно велики и составляют 15 процентов. Но вместе с тем для некоторых электродвигатель является единственно приемлемым. Это суда с частой сменой режимов нагрузки гребной установки, корабли, требующие повышенных маневровых качеств, длительное время работающие с пониженной мощностью. Такими судами являются ледоколы, китобойные суда, и некоторые другие.
ГАЗОТУРБОХОДЫ
Характерные черты газотурбинной установки - небольшой вес и малые габариты, простота обслуживания и безотказность в работе. Газотурбинные установки состоят из генератора газа и турбины.
Применить газовые турбины на судах впервые предложил русский офицер Назаров. В 1892 году Кузьминский создал газотурбинную установку. В СССР в 1961 году был построен газотурбоход «Павлин Виноградов ». Его силовая установка состояла из четырех свободно-поршневых генераторов газа, вырабатывающих рабочий газ для турбины мощностью 3800 л. с., водоизмещение судна составляло 9080 тонн, скорость хода - 15,6 узла.
В современных газовых турбинах максимальный коэффициент полезного действия составляет около 29 процентов.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК
На сегодняшний день победа, как будто бы, осталась за дизелями. Во всяком случае, свыше 50% существующего мирового тоннажа - теплоходы. Но сейчас бурными темпами растет число спущенных на воду судов-гигантов, и т. д. Для сообщения этим «судам гигантам» заданной скорости нужны мощности, которые не всегда могут быть достигнуты двигателями внутреннего сгорания.
Для поршневой паровой машины был найден эквивалент в виде дизельной установки, в которой сгорание осуществляется непосредственно в рабочем цилиндре и для которого уже не нужен специальный паровой котел. Специалисты, работающие в области турбостроения, также сумели найти эквивалент паровой турбине, которая могла бы успешно функционировать без отдельного парового котла. Такой двигатель - газовая турбина - сочетает в себе достоинства дизельной силовой установки и паровой турбины: не нуждается в паровых котлах, а как турбина - не содержит элементов, совершающих возвратно-поступательного движения (поршней, штоков и т. д.).
В простейшем варианте газовая турбина - это своего рода «турбина внутреннего сгорания», в которой воздух засасывается из атмосферы посредством компрессора, сжимается давлением несколько атмосфер, и направляется в камеру сгорания, где сжигается соляровое масло, «флотский» мазут или другие виды дешевого топлива. Образующиеся при сгорании газы, нагретые до температуры 600 - 800° по Цельсию, вращают диски турбины. Отработавшие продукты сгорания топлива или удаляются в атмосферу, либо используются для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания.
Газовая турбина относится к числу весьма перспективных энергетических установок, обладающих большой мощностью при малом весе. Недостаток ее, как и паровой турбины - это практическая невозможность ее реверсирования, вследствие чего на судне приходится предусматривать отдельную турбину заднего хода. Впрочем, с появлением винтов регулируемого шага и вспомогательных винтов, расположенных в носовой части судна проблема реверса и маневров заметно упростилась, так как при определенном положении лопастей винта турбина переднего хода может сообщать судну движение назад. Более серьезным недостатком газовой турбины является ее низкий КПД, порядка 30 процентов, и сравнительно большой расход топлива. Но все же есть все основания предполагать, что по мере создания более экономичных газотурбинных установок они найдут самое широкое распространение.
Принцип действия газотурбинного нагнетателя показан на рисунке 6. Принцип действия газотурбинной силовой установки показан на рисунке 7.
принцип действия газотурбинного нагнетателя
Газотурбинные двигатели устанавливают в основном на кораблях военно-морского флота. На коммерческих судах они не оправдали себя - на сегодняшний день газовые турбины применяются только на небольшом количестве судов. Причинами понизившегося интереса к этому виду двигателей являются малый КПД, довольно большой расход топлива и высокая рабочая температура, требующая применения высокопрочных и дорогих материалов. К преимуществам газотурбинного двигателя относятся малые габаритные размеры по сравнению с достигаемой мощностью и небольшая собственная масса. Газовые турбины можно также использовать в качестве главных и вспомогательных двигателей на или .
ротор турбины
АТОМОХОДЫ
Успехи современной науки в использовании атомной энергии позволили применить на флоте новый вид топлива - ядерное. В 1956 году в СССР был спущен на воду первый атомоход «Ленин». Выбор ледокола для установки на нем ядерного реактора был не случаен. этого типа могут брать топлива не более чем на 40 суток плавания, ядерное горючее позволяет атомоходу трудиться во льдах Арктики без пополнения запасов топлива более года.
Но первыми, и пожалуй, единственными коммерческими судами с ядерной энергетической установкой стали грузопассажирские суда «Savannah » построенное в 1964 году, «Otto Hahn » - 1968 году, «Mutsu Japan » - 1970 году и - 1988 году.
судно с атомной энергетической установкой «Savannah»
«Savannah » - грузопассажирский атомоход , построенный на верфи «New York Shipbuilding », США. Стоимость судна составила 46,9 миллионов долларов, из них 28,3 миллиона составила стоимость реактора. Строительство финансировало правительство США, как проект для демонстрации возможностей ядерной энергетики. Судно было спущено на воду 21 июля 1959 года и служило с 1962 по 1972 годы.
Технические характеристики грузопассажирского судна «Savannah»:
Длина - 181,6 м;
Ширина - 23,7 м;
Водоизмещение - 13599 тонн;
Силовая установка - 1 атомный реактор;
Мощность - 20300 л.с.;
Скорость - 24 узла;
Экипаж 124 человека;
Количество пассажиров - 60 человек;
Грузовместимость - 8500 тонн;
судно с атомной энергетической установкой «Otto Hahn»
Проектирование торгового и исследовательского судна для выяснения целесообразности использования атомной энергии в гражданском флоте началось и в Германии. Судно «Otto Hahn » было заложено в 1963 году компанией «Howaldtswerke-Deutsche Werft » в городе Киль. Спуск на воду состоялся в 1964 году. Судно было названо в честь Отто Гана, выдающегося немецкого радиохимика, нобелевского лауреата, открывшего ядерную изомерию и расщепление урана. В 1968 году был запущен атомный реактор судна и начались ходовые испытания. В октябре того же года «Otto Hahn » было сертифицировано как .
Технические характеристики грузопассажирские суда «Otto Hahn»:
Длина - 172,0 м;
Ширина - 23,4 м;
Водоизмещение - 25790 тонн;
Силовая установка - 1 атомный реактор, мощностью 38 МВт;
Скорость - 29 узлов;
Автономность плавания - 300000 миль;
Экипаж - 63 человека;
Количество пассажиров - 35 человек;
Грузовместимость - 14040 тонн;
К неоспоримым преимуществам относятся очень низкий расход топлива и практически неограниченная дальность плавания. Например, судно «Otto Hahn » за три года не израсходовало даже 20 кг урана, в то время как расход топлива обычной паротурбинной энергетической установкой на судне таких размеров составил 40000 тонн. Несмотря на эти преимущества, атомные энергетические установки широко применяются только на боевых кораблях. Особенно выгодно их использовать на крупных подводных лодках, которые долгое время могут находиться под водой, так как для получения тепловой энергии в реакторе воздуха не требуется.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АТОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
К энергетической установке судна с атомным двигателем относятся реактор, парогенератор и турбинная установка, приводящая в движение судовой движитель. Реактор - это установка для получения ядерных цепных реакций, во время которых возникает энергия, преобразуемая далее в механическую. Принцип действия ядерного реактора показан на рисунке 8.
принцип действия ядерного реактора
Известно, что энергия, выделяемая при использовании 1 кг урана, примерно равна энергии, получаемой при сгорании 1500 тонн мазута. Сердцем ядерной установки является реактор: в нем осуществляется управляемая ядерная реакция, в результате которой образуется тепло, отводимое с помощью теплоносителя - воды. Радиоактивная вода-теплоноситель перекачивается в парогенератор, где за счет ее тепла происходит образование пара из не радиоактивной воды. Пар направляется на диски турбин, которые приводят во вращение турбогенераторы, работающие на гребные электродвигатели, а последние вращают гребные винты. Отработавший пар направляется в конденсатор, где он снова превращается в воду и нагнетается в парогенератор. Принцип действия атомной энергетической установки показан на рисунке 9.
схема атомной энергетической установки с реактором, охлаждаемым водой под давлением
Большое внимание уделяется безопасности эксплуатации ядерной установки, так как находящиеся на судне люди в какой-то мере подвержены опасности радиоактивного облучения, поэтому ядерный реактор изолирован от окружающей среды защитным экраном, не пропускающим вредные радиоактивные лучи. Обычно применяются двойные экраны. Первичный экран окружает реактор и изготовляется из свинцовых пластин с полиэтиленовым покрытием и из бетона. Вторичный экран окружает парогенератор и заключает внутри себя весь первый контур высокого давления. Этот экран в основном изготовляют из бетона толщиной от 500 мм до 1095 мм, а также из свинцовых пластин толщиной 200 мал и полиэтилена толщиной 100 мм. Оба экрана требуют много места и имеют очень большую массу. Наличие таких экранов является большим недостатком атомных энергетических установок. Расположение атомной энергетической установки на судна показано на рисунке 10. Другим, еще более существенным недостатком, является, несмотря на все защитные меры, опасность заражения окружающей среды как во время нормального функционирования энергетической установки вследствие отходов использованного топлива, выпуска трюмной воды из реакторного отсека и т. д., так и во время случайных аварий судна и атомной энергетической установки .
ядерная энергетическая установка на судне
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
принцип действия двигателя Стерлинга
Еще до второй мировой войны кораблестроителями предпринимались попытки создать для подводных лодок некую альтернативу дизель-электрической энергетической установке - так называемый единый двигатель для надводного и подводного хода. По разным причинам в то время все эти попытки не вышли из стадии экспериментов, но уже в 1960-х годах к ним снова вернулись. Это было вызвано сразу несколькими причинами. Во-первых, Балтийское море объявлено безъядерной зоной, что подразумевает отсутствие у прибалтийских стран кораблей с ядерными силовыми установками. Во-вторых, по политическим мотивам такие не могут находиться на вооружении Германия и Япония. В-третьих, строительство и эксплуатационное обслуживание атомных подводных лодок для многих стран не по карману. Наиболее продуктивно над созданием единого не ядерного двигателя работали в Швеции, Нидерландах, Великобритании и Германии.
Но вместе с тем для некоторых типов судов электродвигатель является единственно приемлемым. Это суда с частой сменой режимов нагрузки гребной установки, корабли, требующие повышенных маневровых качеств, длительное время работающие с пониженной мощностью. Такими судами являются ледоколы, буксиры, паромы, китобойные суда, драгеры и некоторые другие.
Двигатель Стерлинга представляет собой тепловой поршневой двигатель с внешним подводом теплоты, в замкнутом объеме которого циркулирует постоянное рабочее тепло (газ), нагреваемое от внешнего источника тепла и совершающее полезную работу за счет своего расширения. Принцип действия двигателя Стерлинга показан на рисунке 11.
В отличие от двигателя внутреннего сгорания двигатель Стерлинга имеет в цилиндре две переменные по объему полости - горячую и холодную. Рабочее тело сжимается в холодной полости и поступает в горячую, затем после нагрева газ движется в обратном направлении и поступает в холодную полость, где, расширяясь, производит полезную работу. Такое двустороннее движение газа обеспечивается наличием двух поршней в каждом цилиндре: поршня-вытеснителя, регулирующего перетекание газа, и рабочего поршня, совершающего полезную работу. Объем горячей полости и верхней части цилиндра регулируется поршнем-вытеснителем, а объем холодной полости, находящейся между обоими поршнями, - их совместным перемещением. Оба поршня связаны механически и совершают согласованное движение, обеспечиваемое специальным механизмом, одновременно заменяющим кривошипно-шатунный механизм.
При работе двигателя можно выделить четыре основных последовательных положения поршней, определяющих рабочий цикл двигателя:
а) - рабочий поршень в крайнем нижнем положении, поршень-вытеснитель - в крайнем верхнем. При этом большая часть газа находится между ними в холодном пространстве (охлаждение);
б) - поршень-вытеснитель находится в верхнем положении, а рабочий поршень движется вверх, сжимая холодный газ (сжатие);
в) - поршень-вытеснитель движется вниз, приближаясь к рабочему поршню и вытесняя газ в горячую полость (нагревание);
г) - горячий газ расширяется, совершая полезную работу воздействием на рабочий поршень (расширение). На пути газа устанавливается регенератор, который отбирает часть тепла при движении через него горячего газа и отдает его при его движении после охлаждения и сжатия в обратную сторону.
Наличие регенератора теоретически позволяет довести КПД двигателя Стерлинга до 70 процентов. Регулирование мощности двигателя достигается изменением количества газа. В качестве рабочего тепла применяются газы с высокими теплотехническими свойствами (водород, гелий, воздух и пр.).
Двигатели Стирлинга обладают следующими уникальными особенностями:
- возможностью применения любого источника тепла (жидкого, твердого, газообразного и ядерного топлива, солнечной энергии и т. д.);
- работой в большом диапазоне температур при малом перепаде давления сжатия и расширения;
- регулированием мощности путем изменения количества рабочего тепла в цикле при неизменных высшей и низшей температурах газа;
Эти особенности обеспечивают двигателю Стерлинга перед другими установками следующие преимущества, как многотопливность и малая токсичность продуктов сгорания топлива; малошумность и хорошая уравновешенность; высокий КПД на режимах малых мощностей. Благодаря этим достоинствам на двигатель и обратили внимание шведские подводники, воплотив идею в реальность на современной подводной лодке типа «Gotland ». Но если по своему КПД двигатели Стирлинга соответствуют современным дизелям, то уступают им по мощности. Поэтому они могут использоваться на подводных лодках только как дополнительные двигатели к классической дизель-электрической силовой установке.
АНАЭРОБНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА
Но самым перспективным оказалось направление, связанное с превращением химической энергии непосредственно в электрическую, без процесса горения или механического движения, иными словами с выработкой электрической энергии бесшумным способом. Речь идет об электрохимических генераторах. На практике такой способ нашел применение на современной германской . Компоновка анаэробной энергетической установки показана на рисунке 12.
анаэробная энергетическая установка на подводной лодке U-212
Электромеханический генератор создан на базе топливныхэлементов. По сути это аккумуляторная батарея с постоянной подзарядкой. Физика его работы базируется на процессе, обратном электролизу воды, когда при соединении водорода с кислородом выделяется электроэнергия. При этом энергетическое превращение происходит бесшумно, а единственным побочным продуктом реакции является дистиллированная вода, которой достаточно легко найти применение на подводной лодке.
По критериям эффективности и безопасности водород хранится в связанном состоянии в форме металлогидрида (сплав металла в соединении с водородом), а кислород - в сжиженном виде в специальных емкостях между легким и прочным корпусами субмарины. Между водородным и кислородным катодами находятся полимерные электролитные мембраны протонного обмена, выполняющие функцию электролита.
Мощность одного элемента достигает 34 кВт, а КПД энергетической установки составляет до 70 процентов. Несмотря на очевидные преимущества разработанной установки на топливных элементах, она не обеспечивает требуемые оперативно-тактические характеристики подводной лодки океанского класса, прежде всего в части, касающейся выполнения скоростных маневров при преследовании цели или уклонении от торпедной атаки противника. Поэтому подводные лодки проекта 212 оснащены комбинированной двигательной установкой, в которой для движения на высоких скоростях под водой используются аккумуляторные батареи или топливные элементы, а для плавания в надводном положении - традиционный дизель-генератор, в состав которого входит 16-цилиндровый V-образный дизель и синхронный генератор переменного тока. Дизель генераторы используются также для подзарядки аккумуляторных батарей - традиционного элемента неядерных подводных лодок. Электрохимический генератор, состоящий из девяти модулей топливных элементов, имеет суммарную мощность 400 л. с. и обеспечивает движение подлодки в подводном положении со скоростью 3 узла в течение 20 суток с показателями шумности ниже уровня естественных шумов моря.
КОМБИНИРОВАННЫЕ СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ
В последнее время стали популярны комбинированные силовые установки. Первоначально комбинированные энергетические установки породили желание обеспечить военным кораблям одновременно высокую скорость для боя большую дальность плавания для действий в удаленных районах Мирового океана. В частности, та на германских крейсерах времен второй мировой войны появилась комбинация котлотурбинной и дизельной энергетических установок. В 1960-е годы на кораблях появились газовые турбины, которые по своей экономичности и особенностям эксплуатации могли использоваться только кратковременно и на больших оборотах. Для компенсации этого недостатка их стали комбинировать с котлотурбинной (COSAG) или дизельной (CODAG) энергетической установкой. Несколько позже появились та называемые маршевые газовые турбин, к которым требовались форсажные турбины (COGAG). Только появление всережимных газовых турбин позволили перейти к однородной газотурбинной энергетической установке.
возможные комбинации энергетических установок
Бывают даже уникальные комбинации энергетических установок CODEAG (дизель-газотурбинная с полным электродвижением), которая встречается на фрегате «Duke » Королевских ВМС Великобритании. При его создании конструкторы исходили из необходимости обеспечить сверхнизкий уровень шумности на малых ходах при использовании буксируемой антенны гидроакустической системы, а также быстрый переход от малой скорости хода к высокой. Установка включает в себя две газовые турбины суммарной мощностью 31000 л. с., два гребных электродвигателя постоянного тока мощностью по 2000 л. с., встроенных в линии гребных валов и работающих от четырех дизель-генераторов суммарной мощностью 8100 л. с. Такая главная энергетическая установка работает в четырех режимах: малой скорости с минимальным уровнем шумности при отключенных главных редукторах; высокой скорости хода при работе газовых турбин на винты через редукторы совместно с гребными электродвигателями; промежуточной скорости при работе одной газовой турбины на один винт и одного гребного электродвигателя на другой винт при отключенном редукторе; маневрирование при использовании только дизелей. Винты работают на задний ход только от гребных электродвигателей.
основные названия комбинированных силовых установок:
COSAG
- Combined Steam and Gas turbines (паротурбинная и газотурбинная). Установки работают совместно.
CODAG
- Combined Disel and Gas turbines (дизель и газотурбинная). Установки работают совместно.
CODOG
- Combined Disel or Gas turbines (дизель или газотурбинная). Установки работают раздельно. На большом ходу дизельная часть отключается.
COGAG
- Combined Gas turbines and Gas turbines (газовая турбина и газовая турбина). Маршевая и форсажная турбины на полном ходу работают вместе.
COGOG
- Combined Gas turbines or Gas turbines (газовая турбина или газовая турбина). Маршевая турбина работает до полного хода, а на полных ходах работает только форсажная.
Таковы типы силовых установок, существующие на кораблях и судах прошлых и наших дней. Часть из них доживает свои последние годы, часть ограничила сферу своего распространения главным образом прогулочными и спортивными судами, некоторые достигли своей зрелости, некоторые еще не вышли из младенческого возраста, но все они выполняют одну и ту же функцию - дают возможность судну двигаться, преодолевая водные преграды.
Afrikaans Albanian Arabic Armenian Azerbaijani Basque Belarusian Bulgarian Catalan Chinese (Simplified) Chinese (Traditional) Croatian Czech Danish Detect language Dutch English Estonian Filipino Finnish French Galician Georgian German Greek Haitian Creole Hebrew Hindi Hungarian Icelandic Indonesian Irish Italian Japanese Korean Latin Latvian Lithuanian Macedonian Malay Maltese Norwegian Persian Polish Portuguese Romanian Russian Serbian Slovak Slovenian Spanish Swahili Swedish Thai Turkish Ukrainian Urdu Vietnamese Welsh Yiddish ⇄ Afrikaans Albanian Arabic Armenian Azerbaijani Basque Belarusian Bulgarian Catalan Chinese (Simplified) Chinese (Traditional) Croatian Czech Danish Dutch English Estonian Filipino Finnish French Galician Georgian German Greek Haitian Creole Hebrew Hindi Hungarian Icelandic Indonesian Irish Italian Japanese Korean Latin Latvian Lithuanian Macedonian Malay Maltese Norwegian Persian Polish Portuguese Romanian Russian Serbian Slovak Slovenian Spanish Swahili Swedish Thai Turkish Ukrainian Urdu Vietnamese Welsh Yiddish
English (auto-detected) » Russian