Анаэробный двигатель принцип работы. Современная подводная лодка: мощная и воздухонезависимая – не миф, а реальность

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.

С появлением новой русской подводной лодки «Лада» в прошлое уйдёт целая эпоха американского «господства на море», Вашингтон фактически потеряет главный инструмент «проецирования силы» на удалённые регионы и рискует окончательно утратить свою глобальную геополитическую роль.

Многие действительно важные новости, имеющие прямое отношение к изменению военно-стратегического баланса сил в Евразии, проходят мимо внимания массового читателя.

Вот одна из таких новостей.

13 октября 2014 года информагентство «РИА Новости» со ссылкой на источник в оборонно-промышленном комплексе РФ сообщило: «В России принято решение о серийном производстве воздухонезависимых энергетических установок (ВНЭУ) для оснащения будущих подводных лодок проекта 677 «Лада». Испытания опытного макета ВНЭУ на стенде завершились успешно. Следующие испытания будут проводиться уже непосредственно на лодке».

Это сообщение прошло практически незамеченным, даже среди военных обозревателей никто не обратил на него особого внимания. А зря! Ибо это решение знаменует собой настоящую революцию в области военного подводного кораблестроения.

Достоинства и недостатки подводных охотников

Сегодня все подводные лодки по типу энергетических установок делятся на два вида: ПЛ с ядерной энергетической установкой (атомным реактором) и дизель-электрические подводные лодки (ДЭПЛ), двигающиеся в надводном положении при помощи дизеля, а в подводном - используя электромоторы, черпающие энергию от аккумуляторных батарей.

Атомные ПЛ обладают целым рядом выдающихся достоинств: практически неограниченным временем пребывания под водой, высокой скоростью подводного хода и большой глубиной погружения, способностью нести огромное количество самого разнообразного вооружения и оборудования.

Но, увы - главное достоинство ядерной энергетической установки, её мощность, является одновременно источником основного недостатка, свойственного подводным атомоходам. Этот недостаток - большая шумность. Наличие на борту АПЛ атомного реактора (а иногда и двух) со всем комплексом сопутствующих механизмов: турбинами, генераторами, насосами, холодильными установками, вентиляторами и т.д. - неизбежно порождает огромное количество разночастотных колебаний и вибраций и требует сложнейших технологий для снижения уровня шумов, являющихся главным демаскирующим фактором любой АПЛ.

Зато дизель-электрическая подлодка под водой практически бесшумна. Электромоторы, питающиеся энергией аккумуляторных батарей, не требуют наличия турбин и другого высокошумного оборудования. Поэтому ДЭПЛ крадётся в океанских глубинах, практически не шумя, подобно опасной хищной рыбе, выслеживающей зазевавшуюся добычу.

Однако рыба эта может находится под водой относительно недолго - всего несколько суток. Притом двигается она в океанской глубине очень медленно, экономя запас энергии, который по сравнению с атомными «акулами» просто ничтожен. А недостаток энергии, в свою очередь, налагает серьёзные ограничения на водоизмещение, вооружение и другие ключевые характеристики ДЭПЛ. По сути, эти лодки не являются полностью «подводными», их можно скорее назвать «ныряющими», так как большую часть времени на маршрутах развёртывания они проводят в надводном положении, да и в районах боевого патрулирования вынуждены регулярно всплывать и включать дизеля для подзарядки аккумуляторных батарей.

Так, например, у новейшей российской ДЭПЛ проекта 636.3 запас подводного хода составляет всего 400 миль. И двигается она под водой в основном экономходом со скоростью 3 узла, то есть 5,4 км/час. Поэтому преследовать свою добычу под водой такая лодка не может. Она вынуждена полагаться на данные разведки, которая должна вывести её в заданную точку на маршруте развёртывания кораблей противника. Отсюда и главный способ боевого использования ДЭПЛ - т.н. «завеса», т.е. развертывание подводных лодок в линию, перпендикулярную курсу вероятного движения цели, на определенных интервалах друг от друга. При этом вся группа участвующих в ней подлодок управляется с внешнего командного пункта, что создаёт дополнительные демаскирующие факторы и снижает боевую устойчивость и эффективность группировки ПЛ. Если учесть к тому же, что глубина эшелонированной противолодочной обороны современной американской авианосной ударной группировки составляет свыше 300 миль (т.е. более 550 км), становится понятным, как непросто нашим ДЭПЛ противостоять такому противнику.

Поэтому неудивительно, что заветной мечтой всех подводников является создание подводной лодки с принципиально новой энергетической установкой, которая позволит совместить в себе достоинства атомных и дизель-электрических подводных лодок: мощность и скрытность, большую автономность подводного плавания и малую шумность…

Сказка стала былью

Так вот: российские подводные лодки 677-го проекта «Лада» с воздухонезависимой энергетической установкой как раз и являются серьёзнейшим прорывом в этом направлении, выводящим подводный флот России на принципиально новые рубежи.

«Лады» невелики, их водоизмещение почти в два раза меньше, чем у знаменитой «Варшавянки». Зато комплекс её вооружений очень серьёзен и непривычно велик. Помимо традиционного минно-торпедного вооружения ДЭПЛ (6 торпедных аппаратов 533-мм, 18 торпед или мин), 667-й проект - первая в мире неатомная подводная лодка, оснащённая специализированными пусковыми установками для крылатых ракет (10 вертикальных ПУ в средней части корпуса). Причём эти КР могут быть как оперативно-тактическими, ударно-противокорабельными, так и ракетами большой дальности, предназначенными для поражения стратегических целей в глубине территории противника (о них см. подробнее в статье «Ракетный сюрприз Путина»).

Но самой важной особенностью новых русских ПЛ является ВНЭУ, воздухо-независимая энергетическая установка. Не вдаваясь в детали, интересные специалистам, отметим, что наличие ВНЭУ позволит «Ладам» находиться в подводном положении до 25 суток, то есть почти в 10 раз дольше, чем их знаменитым «старшим сёстрам» - «Варшавянкам» проекта 636.3! При этом шумность у «Лады» будет даже меньше, чем у знаменитой варшавянской «чёрной дыры», которую американцы прозвали так из-за того, что её практически невозможно обнаружить.
Страны НАТО давно уже пытаются оснастить свои подводные лодки такими ВНЭУ. «Законодателями» мод в этой области выступают Германия и Швеция. Германские корабелы ещё с конца 90-х годов строят малые ПЛ проекта 212\214, оснащенные гибридной энергетической установкой.

Оснащение лодки такой анаэробной установкой позволило немцам увеличить время нахождения ее в подводном положении до 20 суток. И сейчас германские «малютки» с ВНЭУ различных модификаций находятся на вооружении Германии, Италии, Португалии, Турции, Израиля, Кореи и еще нескольких стран.

Шведский концерн Kockums Submarin Systems, в свою очередь, в конце прошлого века начал строительство подлодок класса Gotland с ВНЭУ на основе т.н «двигателя Стирлинга». При его использовании эти лодки также могут находиться под водой без подзарядки аккумуляторных батарей до 20 суток. И сейчас ПЛ с двигателями Стирлинга есть не только в странах Скандинавии, но и в Австралии, Японии, Сингапуре и Таиланде.

Но ни немецкие, ни шведские ПЛ, являющиеся малыми, по сути прибрежными лодками, не идут ни в какое сравнение с русскими «Ладами» - ни по своим тактико-техническим характеристиками, ни по разнообразию и мощности вооружения. Наши ПЛ 667-го проекта во всех отношениях являются в этом классе уникальными по своему качеству кораблями нового поколения!
ЦКБ «Рубин» — главный разработчик подводных лодок в России, спроектировал «Ладу» так, что она способна наносить залповые торпедно- ракетные удары по морским и стационарным наземным целям как из торпедных аппаратов, так и из специализированных вертикальных ракетных шахт. За счет уникального гидроакустического комплекса наша лодка имеет существенно увеличенную дистанцию обнаружения целей. Она может погружаться на 300 м, имеет скорость полного подводного хода до 21 узла, автономность — 45 суток. Для снижения шумности лодки применены виброизоляторы, всережимный гребной электродвигатель на постоянных магнитах. Корпус лодки покрыт материалом «Молния», поглощающим сигналы гидролокаторов.

О ВНЭУ нашей лодки известно пока немного. Так же как и у немцев, в ее основе будет электрохимический генератор. Но она будет принципиально отличаться тем, что водород, необходимый для работы ВНЭУ, будет получаться прямо на борту с помощью переработки имеющегося дизельного топлива. Поэтому российская ВНЭУ будет значительно экономичнее немецкого аналога, что позволит увеличить время её непрерывного нахождения лодки под водой до 25 суток. Одновременно и стоить «Лада» будет существенно меньше, чем немецкие лодки проекта 212\214.

До 2020 года российский же флот рассчитывает получить 14 единиц таких новых неатомных подводных лодок 4-го поколения.

Сокрушители балансов

Чтобы читатель понял, насколько существенно новые русские ПЛ с ВНЭУ смогут изменить баланс сил между Россией и США, приведу лишь один пример. «Четыре-шесть таких подлодок, - говорил ещё в конце 2010 года в интервью «РИА Новости» вице-адмирал Виктор Патрушев - могут полностью перекрыть такие закрытые или полузакрытые акватории, как Черное, Балтийское и Каспийское моря. Их преимущества очевидны любому военно-морскому специалисту».

От себя добавлю, что развёртывание в составе Российского ВМФ дополнительно двух-трёх соединений «Лад» способно принципиально изменить соотношение сил не только на Балтике, Каспии и Чёрном море, но и на Севере, и в Средиземноморье, в Атлантике и Индийском океане. На Севере, в Баренцевом море такие лодки способны гарантированно прикрыть маршруты развёртывания российских подводных стратегических ракетоносцев от любых посягательств противолодочных сил США и стран НАТО, что существенно повысит боевую устойчивость морской компоненты наших стратегических ядерных сил.

Сейчас наши ракетоносцы несут боевую службу по большей части под льдами Арктики, где они практически недоступны для вражеского воздействия. Американцы могут засечь, отследить и поразить наш подводный крейсер лишь на этапе его перехода в район боевого патрулирования. А «Лады» 667-го проекта идеально приспособлены для противодействия американским АПЛ, следящим за нашими «стратегами», так как слышат их на дистанциях гораздо больших, чем американцы способны услышать «Ладу». В таких условиях поражение вражеской субмарины - то ли «Ладой» самостоятельно, то ли с помощью наведения на неё сил противолодочной авиации и надводных кораблей - становится делом техники.

Что касается Средиземного моря, Атлантики и Индийского океана, то наличие в их водах в достаточном количестве подводных лодок, подобных «Ладе», практически обнуляет там американскую военно-морскую мощь, ядром которой являются авианосные ударные группировки (АУГ). Ещё в советские времена «дизелюхи» проекта 641Б умудрялись прорывать противолодочную оборону авианосцев и, бывало, всплывали прямо под носом у обалдевших американских адмиралов. И лишь малый запас подводного хода, отсутствие дальнобойного ракетного вооружения да невозможность оставаться в подводном положении больше 3-х суток давали американцем шанс в этом противостоянии с советскими подводниками.

Сегодня, при условии, что «Лада» будет действительно способна оставаться под водой до 25 дней, её боекомплект включит в себя мощный противокорабельный ракетный комплекс, подобный «Калибру», а разведка и наведение ПЛ на АУГ будет осуществляться с использованием эшелонированной разведки, включающей космическую группировку, такого шанса у хвалёных штатовских авианосцев уже не будет! А это значит, что в прошлое уйдёт целая эпоха американского «господства на море», Вашингтон фактически потеряет свой главный инструмент «проецирования силы» на удалённые регионы и окончательно утратит свою глобальную геополитическую роль.

Российский ОПК больше полувека бьется над созданием воздухонезависимых силовых установок для подлодок, от которых в США отказались еще в 1960-х.

Октябрь этого года запомнится масштабной поисковой операцией, которую в своих территориальных водах провели шведские военные. Для поиска иностранной подводной лодки, которая, по сообщениям очевидцев, проникла в акваторию Стокгольмского архипелага, были мобилизованы все военно-морские силы страны. Для розыска субмарины были задействованы сотни военных и использованы современные технологии, но даже эти сверхусилия не позволили обнаружить нарушителя. Результатом многодневного поиска стал снимок морского дна, на котором отчетливо просматриваются следы подлодки. Это единственное доказательство было представлено в оправдание того, что на поисковую операцию было потрачено почти 2,7 млн долларов. Какая это была подлодка, едва ли станет известно в ближайшее время. Но лучше всего умеют водить за нос флот целой страны маленькие дизель-электрические субмарины с воздухонезависимыми двигателями. Это технологии, которые позволяют неатомной подводной лодке небольшого размера быть практически незаметной и длительное время не подниматься на поверхность.

В организации этого переполоха полагали уличить российский флот, скорее всего, подозрения зародились в связи с тем, что незадолго до этого инцидента несколько раз звучали заявления о создании в России принципиально новой подводной лодки. Последние месяцы на официальном уровне неоднократно говорилось о серьезных характеристиках субмарины, главным преимуществом называли ее высокую скрытность и автономность. В частности, говорилось, что они будут обладать ресурсом, который позволит находиться под водой до 20 суток, что должно стать рекордом среди неатомных кораблей.

ПРОЕКТ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК ТИПА 677 «ЛАДА» РЕАНИМИРОВАН И ПРИЗНАН УНИКАЛЬНЫМ

В конце лета главнокомандующий ВМФ адмирал Виктор Чирков сообщил, что в 2015 году Россия приступит к испытаниям подводной лодки с воздухонезависимым двигателем, или, как еще называют, анаэробной силовой установкой, которую уже не первый год разрабатывают в ЦКБ «Рубин». В продолжение темы, 1 октября представители оборонно-промышленного комплекса заявили, что в России в ближайшее время начинается серийное производство анаэробных энергетических установок на водородном топливе для дизельных подводных лодок. Этому решению предшествовали испытания экспериментального двигателя на опытной подлодке Б-90 «Саров», которая используется для тестирования новых образцов вооружений и техники. Также было объявлено, что параллельно проведено тестирование опытного макета на стенде и оно признано успешным. Следующий этап испытания двигателя будет производиться непосредственно на лодке, которой предстоит выходить с этим агрегатом в море. Было также заявлено, что принято решение о серийном производстве этих силовых установок, в настоящее время ведется производство комплектующих деталей для опытного образца.

Характеристики нового российского двигателя не разглашаются, однако известно точно: он относится к типу воздухонезависимых силовых установок. Подобные двигатели имеют самые совершенные на сегодняшний день немецкие дизель-электрические подлодки проектов U-212 и U-214. Сообщается, что российская анаэробная силовая установка основана на преобразовании химической энергии в электрическую без движения и горения. По сути, это электрохимический генератор, где происходит химическая реакция - соединение кислорода и водорода, при этом электроэнергия выделяется бесшумно, а единственным побочным продуктом процесса является дистиллированная вода. КПД такой установки достигает 70 процентов, а уровень шума подлодки на анаэробном ходу ниже естественных морских шумов. От зарубежных аналогов российские установки отличаются методом получения водорода. Чтобы не возить газ высокой чистоты на борту подлодки, его синтезируют из дизтоплива методом реформинга.

Однако эксперты с осторожностью отзываются об этой силовой установке, по некоторым сведениям, этот агрегат далек от совершенства, и лечить его «детские болезни» придется еще не один год. И это порождает дополнительную интригу, ведь новые двигатели делаются для дизель-электрических подлодок типа 677 «Лада»; других значимых проектов в такой высокой степени готовности в России нет. Получается, что от успехов создания этой силовой установки зависит возобновление проекта строительства субмарин этого класса, который был свернут из-за того, что флот не устраивали характеристики предложенного ранее воздухонезависимого двигателя. Планируется, что уже в ближайшее время анаэробный отсек появится на одной из спущенных на воду подлодке «Лада» и пройдет на ней полный цикл испытаний. Если на этот раз экзамен будет сдан, то с 2017 года базовое предприятие судостроительной отрасли, Центр неатомного подводного кораблестроения ОАО «Адмиралтейские верфи», получит заказ на строительство неатомных подводных лодок нового поколения.

Напомним, что подлодки «Лада» предназначены для уничтожения субмарин и надводных кораблей противника. Для снижения шумности в них применены виброизоляторы, всережимный гребной электродвигатель на постоянных магнитах, корпус лодки покрыт материалом, поглощающим сигналы гидролокаторов. Вооружена «Лада» торпедами и ракетоторпедами в горизонтальных и вертикальных пусковых установках. Разработчики субмарины ЦКБ морской техники «Рубин» рекомендовали ее как новейшую дизель-электрическую подводную лодку четвертого поколения, оснащенную вспомогательной анаэробной энергетической установкой. Однако первая лодка серии «Санкт-Петербург» была спущена на воду в классическом дизель-электрическом варианте, это вызвало скандал, а впоследствии приостановку проекта. Теперь выясняется, что в лучшем случае анаэробная установка будет установлена на третьем корабле серии. В настоящее время в разной степени готовности находятся еще два корабля проекта 677 «Кронштадт» и «Севастополь», по всей видимости, их строительство будет возобновлено, если испытание водородного двигателя завершится успешно.

Военные моряки возлагают большие надежды на воздухонезависимые силовые установки, готовы найти им широкое применение: например, не исключается вероятность, что ими оснастят и ветерана российского флота - дизель-электрическую подводную лодку проекта 636 «Варшавянка». Это обосновывается необходимостью экономии средств и оптимизации расходов. В составе флота имеется 23 корабля этого проекта, заложено еще шесть, такое большое число лодок неплохо было бы модернизировать. Тем более что эксперты считают: «Варшавянки» уже отшлифованы и доведены до ума, и их переоборудование для новых двигателей займет максимум два года, а вот на «Ладах» интеграция бортовых систем и энергетической установки может растянуться на 5-10 лет, так как проект еще сырой.

АМЕРИКАНЦЫ ПЕРЕШЛИ НА АТОМНЫЕ ПОДВОДНЫЕ ЛОДКИ

Бывший начальник Главного штаба ВМФ (в 1992-1996 годах) адмирал Валентин Селиванов рассказал «Совершенно секретно», что в Советском Союзе, а затем в России уже на протяжении пятидесяти лет пытаются создать воздухонезависимый двигатель для подводных лодок и только в последнее время наметились сдвиги.

«На все традиционные дизель-электрические подводные лодки устанавливаются мощные аккумуляторные батареи, которые служат единственным источником энергии в подводном положении. Если субмарина двигается в экономичном режиме, то есть со скоростью два узла или четыре километра в час можно не заряжать батареи до трех суток. Но когда появляется необходимость ускориться, чтобы, допустим, оторваться от противника, разогнаться, к примеру, до 17 узлов, то запас энергии сократится до восьми часов. Для сравнения: атомные подлодки находятся в подводном положении месяцами. Только на поверхности судно получает возможность подзарядки батарей, с этой целью используются двигатели внутреннего сгорания, для работы которых требуется кислород. Именно в момент подзарядки подлодки становятся наиболее уязвимыми.

Над проблемой подзарядки батарей в подводном положении первыми задумались немцы, которые во время Второй мировой войны придумали использовать устройство для работы двигателя под водой, так называемый шноркель. По сути, это выхлопная труба, которая выводилась над водой. Но даже это примитивное изобретение существенно улучшило скрытность субмарин: для вентиляции и зарядки аккумуляторов лодке со шноркелем можно было вместо всплытия идти на перископной глубине, около 15 метров. При этом на поверхности находилась только вершина трубы, которая по сравнению со всплывшей субмариной была малозаметна. Но это не стало окончательным решением проблемы, поскольку оставалось множество демаркирующих признаков. Только сегодня этот недостаток дизельных подлодок устранен, сейчас распространения получили четыре вида воздухонезависимых двигателей: с внешним подводом тепла (двигатель Стирлинга), дизели замкнутого цикла, паротурбинные установки замкнутого цикла и энергетические установки с электрохимическими генераторами. Эти силовые установки позволяют вырабатывать необходимую энергию без всплытия лодки и по показателям автономности практически сравнялись с атомными.

Кстати, американцы еще в 1960-х годах создали свой анаэробный двигатель, но не стали его использовать, поскольку примерно в то же время полностью отказались от дизельных подводных лодок и делают только атомные. Тем не менее сегодня технологию воздухонезависимых двигателей используют в нескольких странах мира, которые ведут патрулирование во внутренних морях. В ограниченных акваториях лодки этого типа могут справиться с теми же задачами, что и АПЛ, но с меньшими затратами. Развивать такую технологию в России необходимо: без современной силовой установки подводные лодки становятся неконкурентоспособными в море и на рынке вооружений; в последнее время иностранные покупатели требуют, выдвигают условия - ставить на неатомные подлодки анаэробный двигатель».

ШНОРКЕЛЬ (НЕМ. SCHNORCHEL - ДЫХАТЕЛЬНАЯ ТРУБКА) - ИННОВАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ВРЕМЕН ВТОРОЙ МИРОВОЙ ВОЙНЫ, КОТОРОЕ ВПЕРВЫЕ ПОЗВОЛИЛО ДВИГАТЕЛЮ ДИЗЕЛЬНОЙ СУБМАРИНЫ РАБОТАТЬ ПОД ВОДОЙ, НЕ РАЗ СПАСАЛО НЕМЕЦКИХ ПОДВОДНИКОВ

Фото: www.diaporama.sectionrubis.fr

РОССИЯ ПРОИГРАЛА КОНКУРЕНТНУЮ БОРЬБУ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ИННОВАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В мире некоторые страны активно занимаются созданием подлодок, оснащенных воздухонезависимыми двигателями. Главными их плюсами является то, что они проще и дешевле в постройке и эксплуатации, экологичнее, менее шумны. По мнению ведущих специалистов, должен повышаться спрос на неатомные подводные лодки, которые уже в настоящее время по своим характеристикам не только приблизились к атомоходам, но по некоторым показателям даже превосходят их, будучи при этом в несколько раз дешевле. Это значит, что страны, умеющие делать такие субмарины, имеют большой экспортный потенциал. Мировой рынок подводных лодок в ближайшее время составит порядка полутысячи субмарин, стоимость каждой - несколько сотен миллионов долларов.

Пионерами в мировой разработке воздухонезависимых силовых установок вполне закономерно являются немцы, имеющие огромные традиции подводного флота и создавшие эталонный проект U-212/214. Кроме того, в настоящее время анаэробные установки имеют французские подлодки, испанские, шведские, японские и китайские. В 2011 году в Организации оборонных исследований и разработок Индии заявили, что тоже занимаются созданием воздухонезависимой силовой установки для подводных лодок. В последние годы ряд стран, в том числе Швеция, Япония, уже официально сообщают о начале работ по созданию подлодки пятого поколения, где предполагается использование всережимного единого двигателя Стирлинга (который может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла) как для надводного, так и для подводного плавания. По всей видимости, у России пока недостаточно технологий, чтобы в короткие сроки создать воздухонезависимые силовые установки. По сути, Россия - единственная из стран мира, серьезно занимающаяся строительством подводных лодок, которая не смогла создать дизельную субмарину пятого поколения.

Главный редактор журнала «Национальная оборона» Игорь Коротченко рассказал «Совершенно секретно», что сегодня в России наметился некоторый прогресс в создании воздухонезависимых двигателей: «Для России это, по сути, освоение новых технологий, работы по созданию таких силовых агрегатов особенно интенсивно ведутся в последние годы, но, наверное, не так быстро как хотелось бы. Думаю, в ближайшее время их начнут устанавливать на российских подводных лодках».

Между тем еще пять лет назад положение казалось совсем отчаянным, осенью 2009 года появилась информация о возможных закупках зарубежных неатомных подводных лодок четвертого поколения для ВМФ РФ в Германии. Позже руководство ВМФ России опровергло это сообщение, заявив, что речь может идти лишь о закупке новой технологии по производству анаэробных энергетических установок. Позже выяснилось, что контракт не состоялся, поскольку немцы запросили слишком много. По некоторым данным, продавцы настаивали на покупке корабля в полном комплекте, куда входят док, учебный центр, центр материально-технического обеспечения, защищенное укрытие и программа подготовка личного состава в Германии.

Уже даже не верится, что ФРГ и СССР изначально являлись главными конкурентами в борьбе за мировой рынок подводных вооружений. Практически одновременно в середине 1980-х начали работы по созданию неатомных подводных лодок четвертого поколения. В итоге немецкие компании Howaldtswerke-Deutsche Werft GmbH и Thyssen Nordseewerke GmbH спроектировали и в 1998 году заложили четыре неатомные субмарины четвертого поколения проекта 212. Сейчас для подводного флота Германии эти корабли уже построены. Энергетическая установка на лодках проекта 212 включает обычную дизель-электрическую, дополненную анаэробной энергоустановкой на основе электрохимического генератора. А российские моряки по-прежнему живут надеждами и обещаниями представителей ОПК, которые заявляют, что с созданием на «Рубине» собственной воздухонезависимой силовой установки Россия, наконец, догонит Германию.

РАЗВИТИЕ НЕАТОМНЫХ ПОДЛОДОК ЗАТОРМОЗИЛОСЬ

Главной тенденцией в развитии подводных лодок всегда будет дальнейшее увеличение скрытности. Маленькие субмарины, оснащенные воздухонезависимыми силовыми установками, по мнению экспертов, считаются стандартом незаметности, и небезосновательно. Например, во время двух учений в Атлантике, прошедших в 2003 году, шведская лодка Halland с анаэробными двигателями, которая использовалась как учебная цель, переиграла в дуэльной ситуации испанскую субмарину с обычной дизель-электрической установкой, а затем и французскую атомную субмарину. Позже Halland в Средиземном море сумела уйти от американской атомной подлодки Houston (тип Los Angeles). При этом необходимо отметить, что малошумный и высокоэффективный Halland стоит в 4,5 раза дешевле своих атомных соперников.

Однако, по оценке ряда экспертов, незаметность субмарин практически достигла предела, развитие малых подводных лодок может затормозиться из-за того, что технологии создания топливных элементов воздухонезависимых силовых установок также не двигаются вперед, и дальнейшие возможности для их усовершенствования в ближайшее время не предвидятся. Так, в отчетах Американского физического общества и Национальной академии наук США отмечается: для того чтобы реализовать программу широкого применения водородной энергетики необходимо осуществить технологический прорыв не менее чем в 100 направлениях современной науки. В 2006 году федеральное финансирование водородной программы в Соединенных Штатах было прекращено. Заявлено, что создание таких топливных элементов нерентабельно.

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»

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

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

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

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.

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.

Главная » Трансмиссия » Анаэробный двигатель принцип работы. Современная подводная лодка: мощная и воздухонезависимая – не миф, а реальность