5 Апреля 2014 года Данная новость была прочитана 18091 раз

"Калина" - российская подводная лодка пятого поколения с воздухонезависимой энергетической (анаэробной) установкой (ВНЭУ)

19 марта главком ВМФ России адмирал Виктор Чирков сообщил, что проект по разработке неатомной подводной лодки пятого поколения получил название «Калина» , и напомнил, что новая субмарина получит воздухонезависимую энергетическую (анаэробную) установку. Повышение боевых возможностей неатомных субмарин, а также многоцелевых, как отметил Чирков, планируется обеспечивать за счет интеграции в состав их вооружения перспективных роботизированных комплексов. Кроме того, «в дальнесрочной перспективе предусматривается создание подводных кораблей нового поколения на базе унифицированных подводных платформ», добавил адмирал.

Основу подводного флота ВМФ сейчас составляют подлодки третьего поколения. Субмарины четвертого поколения типа «Юрий Долгорукий» (проект 955, «Борей» ) и «Санкт-Петербург» (проект 677, «Лада» ) только начали поступать на вооружение флота. С мая 2010 года «Санкт-Петербург» находится на опытной эксплуатации ВМФ. К четвертому поколению АПЛ также относятся корабли проекта 885 «Ясень» . К 2021 году ВМФ планирует получить семь АПЛ «Ясень» .

Пионерами в мировой разработке ВНЭУ стали немцы, имеющие огромные традиции подплава и создавшие проект U-212/214 с анаэробной установкой. Разработку проекта «Калина» ведет Центральное конструкторское бюро морской техники (ЦКБ МТ) «Рубин» . О разработке предприятием подлодок пятого поколения гендиректор бюро Игорь Вильнит сообщал в прошлом году. «Формирование облика корабля следующего поколения началось и идет с учетом замечаний и предложений, которые поступают в ходе эксплуатации кораблей предыдущего поколения и головных кораблей новых проектов», - говорил он.

Он рассказывал о проведении научно-исследовательских работ с целью определения облика будущего корабля. Наряду с головным конструкторским бюро в этом участвуют профильные институты Минобороны и Военно-морского флота, а также контрагенты «Рубина» - основные разработчики гидроакустических комплексов, радиоэлектронного оборудования, ракетно-торпедного оружия.

Результатами такой работы стали создание проекта атомной подводной лодки «Борей-А» и модернизация проекта 636 для ВМФ РФ, улучшенный проект подлодки «Лада» .

Высокопоставленный представитель Главного штаба ВМФ заявлял ранее, что подводная лодка пятого поколения, разработка которой заявлена в госпрограмме вооружений (ГПВ) РФ до 2020 года, будет унифицированной как для баллистических ракет, так и для крылатых. Еще эти подлодки будут отличаться пониженной шумностью, автоматизацией систем управления, безопасным реактором и дальнобойным оружием.

Подводная лодка «Санкт-Петербург» (проект 677, «Лада» )

Разработку ВНЭУ планируется завершить в 2015-2016 гг. А в 2016-2017 гг., по словам Чиркова , первая новая подлодка будет построена для ВМФ. Экспериментальную установку установят на второй подводной лодке проекта 677 «Лада» . Первая лодка этого проекта «Санкт-Петербург» сейчас находится в опытной эксплуатации и использует обычную дизельную энергетическую установку.

ВНЭУ российской разработки принципиально отличается от зарубежных аналогов методом получения водорода. Чтобы не возить водород высокой чистоты на борту подлодки, в установке предусмотрено получение водорода в объеме потребления с помощью реформинга дизельного топлива.

Испытания воздухонезависимой энергетической установки должны были пройти в июне 2013 года на специальном стенде «Рубина» в Санкт-Петербурге. Как говорил источник в главкомате, осенью 2012 года установка была опробована на опытной подлодке «Саров» в акватории Белого моря, и «были выявлены определенные проблемы в работе ВНЭУ, ненадежность некоторых узлов и агрегатов».

Кроме действующего «Санкт-Петербурга» заложены «Кронштадт» и «Севастополь» . ВНЭУ должен получить «Севастополь» и «Санкт-Петербург» (при условии его удачных ходовых испытаний), а «Кронштадт» останется со старыми аккумуляторами, так как он в высокой степени готовности, и переоборудовать его еще не принятой на вооружение ВНЭУ не имеет смысла.

По словам председателя Санкт-Петербургского клуба моряков-подводников Игоря Курдина , в ряде стран, прежде всего в Германии и Швеции, проекты подобных лодок с ВНЭУ «реализованы в металле». «Во всем мире воздухонезависимые установки более известны как двигатель Стирлинга. Этот двигатель был запатентован более ста лет назад. Первая российская неатомная подводная лодка, на которой планировалось установить воздухонезависимую установку, была «Санкт-Петербург» . Но, к сожалению, этот проект не пошел. Поэтому были вынуждены сделать обычную дизель-электрическую подводную лодку. Сейчас она остается экспериментальной и должна пройти глубоководные испытания на Северном флоте», - рассказал Курдин .

По словам Курдина , подлодки пятого поколения будут делаться на базе «Санкт-Петербурга» , но главным будет создание воздухонезависимой установки, и «здесь есть большие трудности». «Создание воздухонезависимых установок - это единственный путь развития неатомных подводных лодок. Дизель-электрическим сто лет уже! Это «ныряющие» подводные лодки, потому что они вынуждены часто всплывать, чтобы производить зарядку аккумуляторных батарей. А воздухонезависимая установка позволит им оставаться под водой столько же, сколько могут атомные подлодки», - отметил эксперт.

В сравнении с АПЛ главным преимуществом подлодок с подобными установками Курдин считает их малошумность и более низкую цену.

«Атомные лодки - это турбины, а такую систему бесшумной никак не сделать. Даже такие технически развитые страны, как Япония, не имеют атомных подводных лодок, потому что считают, что это очень дорогое удовольствие. Поэтому дизель-электрические лодки должны быть заменены на подлодки с воздухонезависимыми энергоустановками», - уверен он.

Кроме этого Курдин напомнил про существующие ограничения. В Балтийском и Черном морях, согласно международным договорам, нахождение атомных подводных лодок запрещено (поэтому все атомные подлодки базируются на Северном и Тихоокеанском флотах), и «единственный выход - это создание лодок с воздухонезависимой энергоустановкой». Сейчас на Черном море у России осталась одна дизель-электрическая подлодка «Алроса» . «При том что Турция, член НАТО, имеет 14 подлодок. Соотношение далеко не в пользу России», - подчеркнул эксперт, предположив, что именно на Черном море будут прежде всего востребованы подлодки следующего поколения.

Он напомнил, что на прошлогоднем Международном военно-морском салоне была выставлена голландская дизель-электрическая подводная лодка «Долфин» . «Меня туда пригласили. Мне показали все, кроме кормового машинного отделения. По некоторым данным, у них там как раз установлена воздухонезависимая энергетическая установка, что является большим секретом, поэтому они нам ее и не показали», - полагает Игорь Курдин .

В свою очередь директор программы ПИР-центра по обычным вооружениям Вадим Козюлин согласен, что для России эта технология «исключительно необходимая». «К сожалению, для России она пока недоступна. Первые здесь немцы. Такая же технология есть у французов. Но, естественно, делиться ей с нами они не будут, поэтому нужно доходить своим умом. Это по силам сделать, так что названное Чирковым время и будет потрачено на то, чтобы приобрести эту технологию. Научный потенциал у России серьезный. За последние 20 лет военные технологии ушли вперед, а все это время флот был в роли падчерицы», - сказал Козюлин .

По его словам, технология создания подобных силовых установок для России считается приоритетной, а для «данного проекта - ключевой». «Эта технология позволяет подводной лодке находиться под водой до двадцати, а то и более суток», - отметил он, предположив, что подлодки будут востребованы на всех российских флотах.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab® по материалам сайта Новости ВПК .

Другие новости по этой теме на сайте :

23.02.2014
16.03.2013
27.09.2012
18.09.2012.
10.09.2012.
18.08.2012
26.05.2012
26.04.2012

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.

Без всплытия

Роль топливных элементов

Импортозамещение

Проект 677 «Лада» - дизель-электрическая подводная лодка типа «Санкт-Петербург» / Фото: upload.wikimedia.org

Опытный образец воздухонезависимой энергетической установки (ВНЭУ) для российских неатомных подлодок создан и уже работает, сообщил журналистам в пятницу гендиректор ЦКБ "Рубин" Игорь Вильнит.

Главнокомандующий ВМФ РФ адмирал Виктор Чирков сообщил в августе журналистам, что с 2017 года Россия приступает к строительству неатомных подлодок нового поколения с анаэробной установкой.

Главное преимущество ВНЭУ — увеличение скрытности подводной лодки. Субмарина получает возможность находиться под водой без всплытия для зарядки батарей. Планируется, что в 2015 году первая ВНЭУ будет установлена на подводной лодке проекта 677 "Лада", сообщает РИА Новости .

Техническая справка

Анаэробные энергетические установки на основе двигателей Стирлинга

Современные тенденции развития подводного флота свидетельствуют о необходимости оснащения неатомных подводных лодок (НАПЛ) воздухонезависимыми (анаэробными) вспомогательными энергетическими установками.

Наиболее перспективным направлением в области создания анаэробных энергетических установок является использование в них двигателей Стирлинга. Б есшумность в работе, высокий к.п.д. (до 40%), многотопливность и значительный моторесурс современных двигателей Стирлинга (около 60 тыс. часов), позволяют рекомендовать его как универсальный двигатель для всех типов НАПЛ - малого, среднего и большого водоизмещения, а также для большинства типов подводных аппаратов, использование которых возможно в интересах геологоразведки, освоения континентального шельфа, экологического монито ринга, ликвидации последствий аварий на море и т.д.

Существующие типы анаэробных установок для подводных лодок

Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии» является единственной в России компанией, специалисты которой имеют многолетний опыт проектирования анаэробных установок с двигателями Стирлинга для специальных объектов различного функционального назначения: объектов космического назначения, подводных технических средств и др. Технические решения защищены более 40 патентами РФ.

Специалистами компании разработана анаэробная энергетическая установка для перспективной подводной лодки XXI века на основе двигателя Стирлинга и сжиженного природного газа в качестве горючего.

Перспектиная неатомная подводная лодка с анаэробной установкой на основе двигателя Стирлинга и криогенных компонентов топлива (жидкий метан, жидкий кислород)

Анаэробные энергетические установки на основе двигателей Стирлинга, созданные специалистами ООО «ИИЦ «Стирлинг-технологии» защищены патентами РФ. ООО «ИИЦ «Стирлинг-технологии» владеет исключительными правами на использование данных технических решений на территории Российской Федерации.

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

принцип действия газовой турбины

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