Корабельные системы подводных лодок

Системы подводных лодок имеют отличительные особенности.

На подводных лодках общекорабельные (или общелодочные) системы предназначаются для выполнения следующих задач:

а) выполнение маневра перехода подводной лодки из надводного положения в подводное или обратно;

б) приведение и удержание подводной лодки в положении заданного дифферента;

в) снабжение боевых и технических средств сжатым воздухом;

г) удаление с корабля трюмной воды, нечистот и грязной воды;

д) обеспечение работы гидравлических приводов;

е) поддержание необходимых параметров воздуха в помещениях лодки для обеспечения ее обитаемости;

ж) подача пресной и забортной воды для удовлетворения хозяйственных и бытовых нужд команды.

Все системы подводных лодок по роду их использования подразделяют на две основные группы: боевую и повседневную. Группа боевых систем обеспечивает выполнение боевых маневров и борьбу за живучесть корабля. В эту группу входят следующие системы:

1) Система погружения, выполняющая маневр перехода подводной лодки из надводного положения в подводное. Этот переход осуществляется путем погашения запаса плавучести приемом забортной воды в цистерны главного балласта. Заполнение цистерн производится через кингстоны и шпигаты при одновременном выпуске воздуха из них через клапаны вентиляции в помещения лодки.

Управление кингстонами и клапанами вентиляции производится гидравлическими и ручными приводами.

2) Система всплытия осуществляет маневр перехода подводной лодки из подводного положения сначала в позиционное, а затем в надводное положение путем удаления водяного балласта из балластных цистерн: а) продуванием цистерн сжатым воздухом; б) осушением цистерн насосами.

Осушение цистерн главного балласта осуществляется сжатым воздухом через кингстоны или шпигаты при закрытых клапанах вентиляции.

Осушение же насосами должно производиться при закрытых кингстонах и открытых клапанах вентиляции.

3) Система сжатого воздуха обеспечивает снабжение боевых и технических средств подводной лодки сжатым воздухом и состоит из систем воздуха высокого давления (свыше 200 кг/см²) и среднего давления (30—60 кг/см²). Система среднего давления снабжается воздухом из системы высокого давления через воздушный редуктор или дроссельный клапан.

4) Система осушительная и дифферентовочная служит для удаления из помещений подводной лодки небольшого количества воды. Система совместно с воздухопроводом системы воздуха среднего давления осуществляет

а) прием воды из-за борта в дифферентные цистерны;

б) перегон воды воздухом среднего давления из носовых дифферентных цистерн в кормовые и обратно;

в) осушение дифферентных цистерн;

г) продувание воды из дифферентной цистерны за борт.

5) Система гидравлическая предназначена для приведения в действие приводов, приводящих в действие различные корабельные устройства.

6) Систем а общекорабельной и батарейной вентиляции предназначается для вентилирования отсеков подводной лодки в подводном положении и в положении под РДП (устройство, обеспечивающее работу двигателя под водой).

7) Система регенерации воздуха осуществляет восстановление воздуха в помещениях подводной лодки, находящейся в подводном положении, путем отделения из него вредных газов и добавления в очищенный воздух истраченного кислорода.

Свежий воздух через вдувную вентиляцию вновь подается в помещения лодки. Система состоит из приборов регенерации (восстановления) воздуха и сменяющихся регенерационных патронов.

Группа повседневных систем подводной лодки обеспечивает бытовые и хозяйственные нужды личного состава корабля В группу входят системы:

санитарные, к которым относятся системы питьевой, мытьевой, горячей, соленой, сточной воды, гальюны и устройство для выбрасывания пищевых отходов. Система пресной воды аналогична одноименной системе надводных судов. Запас пресной воды должен обеспечить автономность плавания лодки. На подводных лодках большого водоизмещения для снабжения пресной водой устанавливают водяные опреснители. К умывальнику, расположенному в дизельном отсеке, и посудомойке подается забортная горячая вода от трубопровода охлаждения двигателей надводного хода;

Система отопления, которая является паровой, обогревающей помещения подводной лодки в холодное время года; пар подается от внешнего источника во время стоянки лодки у пирса или базы. Система состоит из магистрали свежего и отработанного пара и паровых грелок.

При выходе лодки из базы система продувается и перекрывается.

Для обогрева помещений подводной лодки на ходу во всех положениях используется температура работающих машин и электрогрелки.

СУДОВЫЕ СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ

 

Общие сведения

Судовые силовые установки являются теплосиловыми комплексами, состоящими из котлов, машин, различных механизмов, теплообменных аппаратов, систем и приспособлений, преобразующих тепловую энергию, получающуюся при сгорании топлива или делении ядра расцепляющихся элементов, в механическую работу. Судовые силовые установки по своему значению подразделяются на две основные категории:

1) главные судовые силовые установки (ГССУ), являющиеся неотъемлемой частью всякого самоходного судна. Они вырабатывают механическую энергию, передающуюся движительному комплексу, обеспечивающему движение судна с заданной скоростью;

2) судовые вспомогательные механизмы, предназначающиеся для обеспечения работы силовой установки и общесудовых нужд. Они подразделяются на палубные механизмы, обеспечивающие нормальную эксплуатацию судовых устройств, и судовые насосы, обслуживающие судовые системы, а также холодильные и водоопреснительные установки, вспомогательные котлы и т. д.

Двигатели, применяемые в судовых силовых установках, разделяются по роду рабочего тела, при расширении которого тепло превращается в работу, на две группы: к первой относятся двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины, у которых рабочим телом является смесь газов, получившихся при сгорании топлива, а ко второй — паровые турбины и поршневые паровые машины, рабочим телом которых служит водяной пар.

Все эти двигатели в основном работают на жидком топливе. В отдельных случаях на судах, используется ядерное топливо; в этом случае единственным двигателем пока что является паровая турбина.

Выбор типа главной силовой установки судна производится в зависимости от ее мощности, а также от водоизмещения, назначения и условий эксплуатации судна и главных элементов судна.

Каждый тип судовой силовой установки имеет свои преимущества и недостатки.

Так, поршневые паровые установки, наряду с простотой их обслуживания и надежностью в эксплуатации, имеют низкий коэффициент полезного действия, лежащий в пределах 10—15%. На судах новой постройки паровые поршневые машины почти не устанавливают.

Паротурбинные установки имеют значительные преимущества, заключающиеся в малых габаритах и малом весе установки при больших ее мощностях (достигающих 70 000 л. с.) и фактически неограниченных возможностях дальнейшего роста мощности. Большие выгоды и удобства представляет применение на судах газотурбинных установок.

Наиболее широкое распространение на современных судах находят дизельные установки (мощность которых доходит до 30 000 л. с.) благодаря высокой экономичности.

На судах с очень высокими маневренными качествами, таких, как ледоколы, буксиры, спасательные суда и т. п., используют электродвижение (приведение в действие движителей электродвигателями). В этом случае для питания электрической энергией гребных электродвигателей устанавливают главные электрические генераторы с вращением от двигателей внутреннего сгорания, от паровой или газовой турбины. Большинство советских ледоколов и ледокольно-транспортных судов имеют главные судовые дизельэлектрические установки.

Паровые котельные установки

Судовые паровые котельные установки производят пар, необходимый для работы главных машин, а также и для других вспомогательных целей на судах с паровыми поршневыми или паротурбинными силовыми установками. В зависимости от потребителей пара судовые котлы разделяют на главные, обеспечивающие главные машины паром, и вспомогательные, питающие вспомогательные механизмы и подающие пар для других нужд.

Главные судовые паровые котлы должны обладать высокой степенью надежности в работе, выдерживая быстрое изменение режима работы, а для обеспечения форсированного хода судна временно увеличивать паропроизводителыюсть сверх нормального количества.

На судах в качестве главных паровых котлов применяют в большинстве случаев водотрубные котлы. Поверхность нагрева водотрубных котлов составляют трубы, заполненные водой и омываемые снаружи горячими газами, получаемыми в результате горения топлива. В отличие от труб водотрубных котлов трубы огнетрубных котлов, наоборот, омываются горячими газами изнутри, а снаружи находится вода, подлежащая испарению. На судах находят применение также и комбинированные котлы, по своей конструкции близкие к огнетрубным, но имеющие элементы и водотрубных котлов.

Котлы бывают с естественной и принудительной циркуляцией воды. Прямоточными котлами называются такие, у которых при принудительной циркуляции воды она за один раз прохождения по трубкам полностью превращается в пар.

Применяющиеся на морских судах в качестве главных паровых котлов водотрубные котлы с естественной циркуляцией барабанного типа имеют высокую удельную паропроизводительность, достигающую 80 кг/м² в час и при давлении 100—120 атм. К. п. д. этих котлов достигает 93%.

Такие котлы обладают большой надежностью в эксплуатации. Малое количество находящейся в них воды позволяет быстро вводить их в действие, а поддержание постоянного давления пара во время эксплуатации требует обязательного автоматического регулирования.

Вспомогательные судовые паровые котлы служат для обеспечения паром вспомогательных механизмов, для обогрева помещений, для других нужд на судах, где в качестве главных двигателей установлены двигатели внутреннего сгорания (дизели или газовые турбины). Часто на теплоходах устанавливают вспомогательные котлы, использующие тепло отработанных газов двигателей внутреннего сгорания. Такие котлы называются утилизационными.

На всех теплоходах, наряду с утилизационными котлами, работающими только на ходу судна, устанавливают вспомогательные паровые котлы, обеспечивающие паром потребителя на стоянке, или водотрубные комбинированные котлы, работающие на ходу судна как утилизационные, а на стоянке — как обычные вспомогательные котлы, отапливаемые жидким топливом.

Турбинные установки

Судовые турбины служат для преобразования тепловой энергии пара или газа в механическую работу. Метод превращения энергии в турбине не зависит от рабочего тела, которое используется в турбине. Поэтому рабочие процессы, протекающие в паровых турбинах, не имеют существенного отличия от рабочих процессов, протекающих в газовых турбинах, а основные принципы проектирования паровых и газовых турбин одинаковы.

Свежий пар или газ, поступая в сопло, являющееся направляющим аппаратом, расширяется, потенциальная энергия превращается в кинетическую, и пар или газ приобретают значительную скорость. По выходе из сопла пар или газ попадает в каналы рабочих лопаток, насаженных на обод турбинного диска, сидящего на валу турбины. Рабочее тело давит на изогнутые поверхности рабочих лопаток, заставляя диск с валом вращаться. Совокупность рассматриваемых таких направляющих аппаратов (сопел) и рабочих лопаток на турбинном диске называется ступенью турбины. Турбины, имеющие лишь одну ступень, называются одноступенчатыми в отличие от многоступенчатых турбин.

Турбины по принципу работы рабочего тела (пара или газа) разделяют на две основные группы. Турбины, в которых расширение, пара или газа происходит только в неподвижных направляющих аппаратах, а на рабочих лопатках используется лишь их кинетическая энергия, называются активными. Турбины, в которых расширение пара или газа происходит также и при движении рабочего тела в каналах рабочих лопаток, называются реактивными. Турбины вращаются только в одну сторону и являются нереверсивными, т. е. они не могут изменять направление вращения. Поэтому на одном валу с главными турбинами переднего хода обычно предусматривают турбины заднего хода. Мощность судовых турбин заднего хода не превышает 40—50% мощности турбин переднего хода. Поскольку эти турбины не должны обеспечивать высокую экономичность в работе, число ступеней в них невелико.

Судовые паротурбинные установки, работающие при начальном давлении пара 40—50 атм и температуре пара 450—480° С, имеют экономический к. п. д. 24—27%.

Экономическим (эффективным) к. п. д. называется отношение тепла, превращенного в полезную работу, к теплу, развивающемуся при полном сгорании затраченного топлива. Эффективный к. п. д. характеризует экономичность двигателя. При повышении давления до 70—80 атм и температуры пара до 500— 550° С экономический к. п. д. возрастает до 29—31%. Дальнейшее повышение начального давления пара и совершенствование установок позволит увеличить к. п. д. судовой паротурбинной установки примерно до 35%.

Работа над судовыми газотурбинными установками (ГТУ) по существу носит еще экспериментальный характер, так как все еще не создано их серийной конструкции.

Газовая турбина отличается от паровой тем, что рабочим телом ее является не пар из котлов, а газы, образующиеся при сгорании топлива в специальных камерах.

Устройство и работа газовой турбины аналогичны устройству и работе паровой турбины. Они также бывают активные или реактивные, однокорпусные, многокорпусные и т. п. Отличаются газовые турбины от паровых более высокими температурными нагрузками: температура горячих газов бывает в пределах 700—800° С. Разница в температурном режиме уменьшает ресурсы времени работы газовых турбин.

В зависимости от способа сжатия воздуха и образования горячих газов различают газотурбинные установки с камерой горения и ГТУ со свободно-поршневыми генераторами газа (СПГГ). Отрицательным качеством ГТУ является большая потеря тепла при отводе отработавших газов.

Методом повышения экономичности ГТУ является использование тепла отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания, так называемая регенерация.

Применение регенерации с одновременным двухступенчатым сжатием воздуха повышает эффективный к. п. д. установки до 28—30%. Такие ГТУ находят применение в качестве судовых силовых установок.

В судовой газотурбинной установке с камерой горения (рис.69) атмосферный воздух засасывается, сжимается компрессором низкого давления 1, располагаемым на одном валу с газовой турбиной 5, и направляется в холодильник 2, охлаждаемый забортной водой. Охлажденный воздух поступает в компрессор высокого давления 3, где снова сжимается до более высокого давления, после чего подается в регенератор 4, откуда подогретый отработавшими газами идет в камеру горения 6, где сгорает подающееся туда топливо. Продукты сгорания расширяются в газовой турбине 5 и через регенератор, отдав в нем часть тепла воздуху, выходят в атмосферу или используются в утилизационном котле.

 

Рис. 69. Схема газотурбинной установки с регенерацией и двухступенчатым сжатием воздуха.

Энергия, развиваемая в газовой турбине, не полностью используется по основному назначению, а частично расходуется на привод компрессоров. Для запуска газовой турбины ее необходимо раскрутить пусковыми электромоторами.

Газотурбинная установка со свободно-поршневым генератором газа (СПГГ) представляет собой активную или реактивную турбину и дизельный цилиндр, в котором происходит сжигание топлива. Комбинированная газотурбинная установка с СПГГ показана на рис. 70.

Цилиндр СПГГ 1 имеет два рабочих поршня 2 на одних штоках с поршнями компрессоров 3. При сгорании смеси воздуха с топливом, подаваемым через форсунку 11, газы в цилиндре расширяются, раздвигая поршни. В полостях 6 компрессорных цилиндров 5 создается разряжение и через клапаны 7 атмосферный воздух засасывается. Одновременно в полости 4 компрессорных цилиндров воздух сжимается и рабочие поршни возвращаются в исходное положение.

При расхождении поршней в цилиндре открываются сначала выхлопные окна 9, а затем продуваются окна 10. Отработанные газы через выхлопные окна поступают в ресивер 8 и оттуда — в газовую турбину 12.

При обратном ходе компрессорных поршней выхлопные и продувочные окна закрываются, воздух из полости 6 нагнетается в продувочный ресивер, а воздух в рабочем цилиндре сжимается. В конце сжатия температура воздуха поднимается и впрыснутое в этот момент форсункой топливо воспламеняется. Начинается новый цикл работы свободно-поршневого генератора газа.

Эффективный к. п. д. такой комбинированной газотурбинной установки с СПГГ приближается к 40%, что делает выгодной их установку на судах. Газотурбинные установки с СПГГ перспективны и будут широко использоваться на судах в качестве главных двигателей.

 

Рис. 70. Схема газотурбинной установки со свободно-поршневым генератором газа (СПГГ).

Судовые ядерные установки служат для получения тепловой энергии в результате деления ядер расщепляющихся элементов, которое происходит в аппаратах, называемых ядерными реакторами. Суда с такими установками имеют практически неограниченную дальность плавания.

Энергия, выделяемая реакцией деления ядер при использовании 1 кг урана, примерно равна энергии, получаемой при сжигании 1400 т мазута. Суточный расход ядерного топлива на транспортных судах исчисляется лишь десятками граммов. Срок смены тепловыделяющих элементов в судовых реакторах равен двумтрем годам. Несмотря на большой вес ядерной установки, вызванный большим весом биологической защиты, полезная грузоподъемность судов с ядерными установками, значительно больше грузоподъемности судов равных размерений, имеющих общепринятые силовые установки. Увеличение грузоподъемности на этих судах объясняется отсутствием на них обычного топлива.

Для повышения скорости движения судов применение установок, работающих на ядерной энергии, является экономически выгодным, позволяет повысить мощность силовых установок без резкого увеличения их веса. Решающим преимуществом судовых ядерных установок является отсутствие потребности в воздухе при их работе. Эта особенность позволяет решить проблему длительного движения судов под водой. Как известно, суда, плавая под водой, в однородной среде, встречают меньшее сопротивление, чем надводные суда, и, следовательно, при равных мощностях двигателей могут развивать большие скорости. Подводные транспорты большого водоизмещения могут быть значительно выгоднее в эксплуатации, чем надводные суда того же водоизмещения.

В качестве ядерного топлива для современных судовых реакторов применяется искусственно обогащенный уран с содержанием изотопа U²³⁵ в количестве 3—5%.

Та часть реактора, в которой совершается цепная реакция, называется активной зоной. В эту зону вводят особое вещество — замедлитель нейтронов, замедляющее движение нейтронов до скорости теплового движения. В качестве замедлителя применяется простая вода (Н²0), тяжелая вода (D²0), бериллий или графит.

По типу активной зоны реакторы делят на гомогенные и гетерогенные. В гомогенных реакторах ядерное топливо и замедлитель представляют собой однородную смесь. В гетерогенных реакторах ядерное топливо располагается в замедлителе в виде стержней или пластин, называемых тепловыделяющими элементами. В судовых ядерных силовых установках применяется единственный тип — гетерогенные реакторы.

При совершении ядерной реакции около 80% энергии превращается в тепло, а 20% выделяется в виде излучений (а, в и у), а- и в-излучения особенной опасности не представляют. Но вот у-излучения и нейтронные излучения, обладающие большой проникающей способностью, вызывают вторичное излучение во многих материалах. При этом излучении в организме человека возникают тяжелые заболевания. Для предотвращения такого излучения ядерные силовые установки должны иметь надежную защиту, называемую биологической. Биологическую защиту обычно выполняют из металла, воды и бетона, она имеет значительные габариты и вес.

Наиболее мощной и технически совершенной судовой ядерной силовой установкой на гражданских судах является силовая установка на ледоколе «Ленин» — самом мощном ледоколе в мире.

Мощность четырех его турбин равна 44 000 л. с.

Главная энергетическая установка ледокола «Ленин» выполнена по следующей схеме (рис. 71). На ледоколе установлены три реактора 1 со стабилизаторами давления 2 в первом контуре. Замедлителем и теплоносителем служит обычная вода под давлением около 200 атм. Вода реактора подается в парогенераторы 3 при температуре около 325° С циркуляционными электронасосами 4. В парогенераторах получается пар второго контура под давлением 29 атм и с температурой 310° С, который приводит в действие четыре паровых турбогенератора 5. Отработавший пар проходит через конденсаторы 6 в виде конденсата и используется снова, совершая работу по замкнутому циклу.

Реакторы, парогенераторы и насосы активной зоны окружены биологической защитой из слоя воды и стальных плит толщиной 300—420 мм.

 

Рис. 71. Схема энергетической установки ледокола «Ленин»

Судовые турбореактивные двигатели применяются на судах на подводных крыльях или на судах специального назначения. Часто встречающаяся схема турбореактивного двигателя приведена на рис. 72.

 

Рис. 71. Схема энергетической установки ледокола «Ленин»

При движении двигателя влево (по стрелке А) воздух поступает в его корпус и сжимается турбокомпрессором 1. Сжатый воздух подается в камеру горения 2, в которой сгорает поступающее одновременно топливо. Из камеры 2 продукты сгорания направляются в газовую турбину 3. В турбине газы частично расширяются, совершая этим работу для привода турбокомпрессора. Дальнейшее расширение газа происходит в сопле 4, откуда он с большой скоростью вырывается в атмосферу. Реакция вытекающей струи обеспечивает движение судна.

Парогазовая турбинная установка, работающая по циклу Вальтера, была применена на немецких подводных лодках во второй мировой войне с целью увеличения их скорости в подводном положении. Лодка с такой установкой могла в течение 5—6 ч развивать большие скорости подводного хода, доходящие до 22—25 узл.

Окислителем в этом цикле служила перекись водорода высокой (80%) концентраций, которая в присутствии катализатора разлагается в специальной камере на водяной пар и кислород, выделяя значительное количество тепла. В камере горения в кислороде сжигалось жидкое топливо с одновременным впрыскиванием туда же пресной воды. Энергия получающейся парогазовой смеси с высоким давлением и высокой температурой использовалась в парогазовой турбине. Отработавшая парогазовая смесь охлаждалась в конденсаторе, где водяной пар превращался в воду и поступал опять в систему, питательной воды, а углекислота откачивалась за борт.

Основными недостатками этих установок являлась малая дальность плавания лодок максимальными ходами, повышенная пожароопасность из-за наличия на лодке большого количества перекиси водорода, зависимость их нормальной работы от глубины погружения и высокая стоимость как самой установки, так и ее эксплуатации.

В Англии в послевоенные годы была построена подводная лодка «Эксилорер» с силовой установкой такого типа. На проведенных испытаниях было определено, что стоимость ее одного ходового часа эквивалентна стоимости 12,5 кг золота.