RU2502631C1 - Подводная лодка и двигательная установка подводной лодки - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к подводному кораблестроению и может быть использована преимущественно для подводных лодок. Подводная лодка содержит прочный корпус, охватывающий его легкий корпус, цистерны между этими корпусами, кормовую оконечность с гребным винтом, со ступицей, установленной на гребном валу, соединенном с электродвигателем, соединенным электрическим кабелем с аккумулятором, электрогенератор, вал которого соединен с главным валом двигательной установки. Внутри прочного корпуса установлены баки окислителя и горючего, соединенные трубопроводами с турбонасосным агрегатом. Двигательная установка состоит из турбонасосного агрегата и камеры сгорания, соединенных газоводами, двигателя внешнего нагрева, содержащего системы нагрева и охлаждения, система охлаждения содержит теплообменник-охладитель, использующий хладоресурс одного из компонентов топлива, при этом к легкому корпусу прикреплен коллектор сброса выхлопных газов, соединенный с двигателем внешнего нагрева. Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик подводной лодки, повышении ее надежности и боевой живучести. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Изобретение относится к судостроению, преимущественно подводному флоту.

Известна подводная лодка (атомная подводная лодка - АПЛ), содержащая прочный корпус, охватывающий его легкий корпус, цистерны между этими корпусами и спасательную камеру, пристыкованную к АПЛ с возможностью отделения от нее (см. Павлов А.С. Военные корабли России 1997-1998 г.г. Справочник. Якутск, Литограф, 1997 - 151 с. Стр.17, 18, 23, 24; Букалов В.М., Нарусбаев А.А. Проектирование атомных подводных лодок. -Л.: Судостроение, 1968, стр.72-83).

Существующее расчленение среды обитания в прочном корпусе путем применения "прочных" межотсечных переборок подводной лодки носит иллюзорный характер, сохраняя взаимосвязь отсеков по проходящим через переборки многочисленным трубопроводам газов и жидкостей, воздуховодам вентиляции и кабельным трассам (силовым, управления, связи и др.), что зачастую приводит к невозможности локализации повреждений и пожаров на борту, потере управления отсеками и распространением повреждений в соседние отсеки. Такие ситуации неминуемо заканчиваются катастрофами, см. Букань С.П. По следам подводных катастроф. М.: Гильдия мастеров "Русь" - 1992.

Эти результаты (обеспечение безопасности экипажа) достигаются тем, что в атомной подводной лодке, содержащей прочный корпус, охватывающий его легкий корпус, цистерны между этими корпусами и спасательную камеру, пристыкованную к атомной подводной лодке, прочный корпус выполнен из отдельных жестко связанных между собой капсул с разделением их на капсулы для обитания экипажа и капсулы с энергетическими и другими потенциально опасными установками и системами, причем капсулы прикреплены к общей силовой килевой ферме, а спасательная камера выполнена в виде самоходной и управляемой подводной лодки, в которой размещен главный пункт управления атомной подводной лодкой и которая используется для спасения всего экипажа при аварии атомной подводной лодки, при этом капсулы сообщены между собой переходными люками с герметичными закрытиями и через соединительный блок и разъемный шлюз для прохода в спасательную камеру.

Кроме того, на атомной подводной лодке установлены реакторы, имеющие ответвления первого контура на термоэлектрические генераторы с естественной циркуляцией теплоносителя. Кроме того, каждая капсула снабжена автономными системами пожаротушения и живучести, а обитаемые капсулы имеют еще и автономные системы жизнеобеспечения и связи.

Помимо повышения безопасности экипажа в капсулах, дистанционированных от капсул с энергетическими и другими опасными установками и системами, значительный функциональный эффект предлагаемой атомной подводной лодки (АПЛ) обеспечивается применением дополнительных термоэлектрических генераторов (ТЭГ), работающих со штатными реакторами ядерной энергетической установки (ЯЭУ) АПЛ см. описание к патенту RU 2151083 С1. Это позволяет отказаться от аварийных дизель-генераторов и сократить емкость аккумуляторной батареи (резервной). Мощность ТЭГ ориентировочно на два порядка ниже, чем штатного турбогенератора, и выбирается из условий обеспечения бесшумного плавания АПЛ на малых ходах (3-7 узлов) в подводном рейсе с одновременным экономным снабжением электроэнергией основных бортовых систем управления, жизнеобеспечения, живучести и связи АПЛ, в том числе при ремонтах и/или авариях на борту без ограничения по времени пребывания в подводном положении.

Реальность предложения подтверждается достигнутыми в настоящее время показателями надежности и возможностями дистанционного управления сложных технических систем из удаленного центра с перенесением функций активной безопасности, саморегуляции и автоматического дублирования на локальные необслуживаемые компьютерные устройства уже давно успешно используемые, например, в наземной ядерной энергетике и в технике пилотируемых космических полетов, авиации (см., например, Отраслевой семинар Минатома "Современные методы и средства диагностики ЯЭУ. Обнинск, 2001, 98 с., а также опытом создания и эксплуатации автоматизированной АПЛ проекта 705, разработанной СКБ-142, см. Ильин В.Е. Подводные лодки России.- М.: Астраль, 2002 - 287 с., стр.62-71).

Предлагаемые капсулирование и дистанционное управление саморегулирующимися установками АПЛ из главного пункта управления (ГПУ), размещенного в спасательной камере, позволяют резко сократить численность экипажа АПЛ, оставляя за специалистами только контроль по основным служебным постам. При трехсменной вахте получается 15 человек на борту.

Ряд вспомогательных функций, таких как питание, уборка помещений, медицина, организация досуга и др., будет обеспечиваться подвахтенной сменой. Реальность такого расширения функций подтверждается практикой длительных (более 1 года!) космических пилотируемых полетов. С набором опыта плавания в подобных условиях можно ожидать дальнейшую интеграцию функций членов экипажа и снижение их численности.

Известна американская атомная подводная лодка "Тритон" (SSRN-586), имеющая кормовую оконечность (КО), содержащую прочный корпус, гребные валы с гребными винтами, а также главные упорные подшипники и дейдвуды в кормовом отсеке. (Быховский И.А. Атомные суда. Ленинград, 1961 г., стр.121-128, 144, табл.13/3-я строка сверху).

Недостатком этой АПЛ является то, что ее КО не приспособлена для размещения в ней дополнительного оборудования контроля и защиты кормовой полусферы как из-за отсутствия необходимой площади для размещения, так и невозможности обеспечить условия для работы аппаратуры обнаружения.

Известна также российская дизельная ПЛ проекта 877 (Класс "Kilo" -"Варшавянка") (см. Справочник "Военные корабли СССР и России", г.Якутск, изд. 1995 г., стр.44), имеющая КО с кормовым отсеком, через которые насквозь проходит линия вала, а гребной винт расположен кормовее по отношению к кормовым рулям - прототип подводной лодки.

Недостатком КО данной ПЛ является конструктивная неприспособленность для размещения в ней дополнительных акустических и неакустических средств контроля за наиболее уязвимой кормовой полусферой пространства за ПЛ, систем подводной радиосвязи с выпускаемой антенной и средств активной и пассивной защиты от телеуправляемого и самонаводящегося оружия противника.

Подводная лодка (ПЛ) содержит прочный и легкий корпуса, гребной винт и вал, гребной электродвигатель, главный упорный и опорный подшипники, дейдвуд и кормовые рули с приводами, гребной винт подвижно насажен на прочный корпус, например в районе кормового отсека, и имеет ступицу большого диаметра, по контуру совпадающую с образующей линией легкого корпуса ПЛ в месте установки ГВ. При этом для размещения ГВ легкий корпус ПЛ имеет разрыв, а упор винта передается на корпусные конструкции прочного корпуса непосредственно от ГВ через кольцевые поверхности на ступице винта и прочном корпусе (находящиеся в плоскости шпангоута), снабженные антифрикционным покрытием, а смазка и охлаждение трущихся поверхностей обеспечивается самопротоком окружающей забортной воды.

Количество лопастей данного ГВ в связи с резким увеличением диаметра ступицы увеличивается в несколько раз по сравнению с ГВ традиционной конструкции, а их высота снижена из расчета создания требуемого упора ГВ при существенно сниженной частоте вращения до супернизких оборотов.

Привод ГВ осуществляется, например, несколькими радиально установленными электродвигателями, на выходном валу каждого из которых имеются шестерни, вступающие в зацепление с зубчатым колесом большого диаметра, являющимся частью конструкции ступицы ГВ.

Известен двигатель внешнего нагрева из сайта Интернет http://www.medem.kiev.ua/page/php (Приложение 1) стр.3, нижняя фиг., содержащий цилиндр, внутри которого установлены рабочий и вытеснительный поршни, кинематически связанные с валом, и системы нагрева и охлаждения. Эта двигательная установка может быть применена на подводной лодке (прототип двигательной установки).

Недостатками этой двигательной установки является то, что в случае применения открытого источника горения подводная лодка может кратковременно двигаться в подводном положении. В случае применения ядерного реактора стоимость изготовления такой подводной лодки чрезвычайно велика и она должна иметь огромные габариты, что снижает ее боевые качества: не может действовать на мелководье. Кроме того, подводные лодки меньших габаритов мало уязвимы и могут плавать на большей глубине.

Задачи создания группы изобретений - значительное повышение длительности движения подводной лодки, ее надежности и боевой живучести.

Решение указанных задач достигнуто в подводной лодке, содержащей прочный корпус, охватывающий его легкий корпус, цистерны между этими корпусами, кормовую оконечность с гребным винтом, со ступицей, установленной на гребном валу, соединенном с электродвигателем, соединенным электрическим кабелем с аккумулятором, электрогенератор, вал которого соединен с главным валом двигательной установки, тем, что согласно изобретению внутри прочного корпуса установлены баки окислителя и горючего, соединенные трубопроводами с турбонасосным агрегатом, двигательная установка состоит из турбонасосного агрегата и камеры сгорания, соединенных газоводами, двигателя внешнего нагрева, содержащего системы нагрева и охлаждения, система охлаждения содержит теплообменник-охладитель, использующий хладоресурс одного из компонентов топлива, при этом к легкому корпусу прикреплен коллектор сброса выхлопных газов, соединенный с двигателем внешнего нагрева. Внутри прочного корпуса на двигателе внешнего нагрева может быть установлен термоэлектронный генератор.

Решение указанных задач достигнуто в двигательной установке подводной лодки, содержащей поршневую машину и соединенный с ней источник тепловой энергии, отличающейся тем, что поршневая машина выполнена в виде двигателя внешнего нагрева, содержащего системы нагрева и охлаждения, система охлаждения содержит теплообменник-охладитель, использующий хладоресурс одного из компонентов топлива, а источник тепловой энергии - в виде турбонасосного агрегата и камеры сгорания, соединенных газоводами.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…8,

где на фиг.1 приведена схема подводной лодки,

на фиг.2 приведен вид сверху,

на фиг.3 приведена двигательная установка,

на фиг.4 приведен двигатель внешнего нагрева,

на фиг.5 приведена схема электрооборудования для первого варианта,

на фиг.6 приведена схема электрооборудования для второго варианта,

на фиг.7 приведен разрез А-А (кормовая часть подводной лодки),

на фиг.8 приведена схема кормовой части подводной лодки.

Подводная лодка (фиг.1…8) содержит прочный корпус 1, охватывающий его легкий корпус 2, цистерны 3 между этими корпусами 1 и 2, прочную рубку 4 и спасательную всплывающую камеру 5, установленную внутри прочного корпуса 1 под прочной рубкой 4, кормовую оконечность 6 с гребным винтом 7 со ступицей 8, установленной на гребном валу 8, соединенном с электродвигателем 10.

Электродвигатель 10 электрическим кабелем 11 соединен с коммутатором 12, к которому также электрическим кабелем 11 присоединены аккумуляторы 13.

Внутри прочного корпуса 1 установлена двигательная установка 14, к которой валом 15 присоединен электрогенератор 16. Электрогенератор 16 также электрическим кабелем 11 соединен с коммутатором 12.

Подводная лодка содержит палубы 17, переборки 18, разделяющие внутреннюю полость прочного корпуса 1 на отсеки 19. В одном или двух отсеках 18 установлены торпеды 20.

Внутри прочного корпуса 1 установлены бак окислителя 21 и бак горючего 22.

На легком корпусе 2 установлен коллектор сброса выхлопных газов 23.

Бак окислителя 21 (фиг.5) трубопроводом 24, содержащим главный клапан 25, соединен с двигательной установкой 14, а бак горючего 22 трубопроводом 26, содержащим главный клапан 27, соединен с двигательной установкой 14. Двигательная установка 14 оборудована системами нагрева 28 и охлаждения 29 (фиг.3 и 4).

Возможен второй вариант исполнения электрической схемы соединения агрегатов подводной лодки (фиг.6). В этом случае на горячей поверхности двигательной установки 14 установлен термоэлектронный элемент 30 (например, блок горячих термопар), который электрическим кабелем 11 соединен с коммутатором 12 и позволяет получить дополнительную энергию.

Двигательная установка подводной лодки (фиг.3) содержит закрепленные в одном из отсеков 14 прочного корпуса 1 турбонасосный агрегат 31, камеру сгорания 32, газогенератор 33 и двигатель внешнего нагрева (Стирлинга) 34.

Газогенератор 33 подстыкован к турбонасосному агрегату 31. Турбонасосный агрегат 31 посредством газовода 35 соединен с камерой сгорания 32.

Турбонасосный агрегат 31 содержит, в свою очередь, турбину 36, насос окислителя 37, насос горючего 38. Турбонасосный агрегат 31 может содержать дополнительный насос горючего 39.

Выход из насоса горючего 38 соединен трубопроводом горючего 40 с входом в дополнительный насос горючего 39 (при его наличии).

Камера сгорания 32 (фиг.3) содержит головку 41, цилиндрическую часть 42, к которой прикреплен трубопровод 43, другой конец которой соединен с двигателем внешнего нагрева 34.

Камера сгорания 32 и турбонасосный агрегат 31 закреплены на силовых шпангоутах 44 при помощи шарниров 45 и тяг 46.

Возможная пневмогидравлическая схема двигательной установки приведена на фиг.3 и содержит трубопровод горючего 47, подсоединенный одним концом к выходу из насоса горючего 38, содержащего пускоотсечной клапан горючего 48, выход этого трубопровода соединен с главным коллектором 49, расположенным на камере сгорания 32 или трубопроводе 43, если он выполнен охлаждаемым. Выход из насоса окислителя 37 трубопроводом окислителя 50 соединен с входом теплообменника-охладителя 52, выход которого трубопроводом 51, содержащим пускоотсечной клапан окислителя 53, соединен с газогенератором 33. Также выход из дополнительного насоса горючего 39 трубопроводом горючего 54, содержащим пускоотсечной клапан горючего 55, соединен с газогенератором 33. На газогенераторе 33 и на камере сгорания 32 установлены, по меньшей мере, по одному запальному устройству 56.

Двигательная установка 14 оборудован блоком управления 57, который электрическими связями 58 соединен с запальными устройствами 56 и с пускоотсечными клапанами 50, 53 и 55.

В электрической схеме управления применены четыре датчика температуры:

- первый датчик температуры нагревающей среды 59,

- второй датчик температуры нагревающей среды 60,

- первый датчик температуры охлаждающей среды 61,

- второй датчик температуры охлаждающей среды 62.

Датчики температуры 59…62 позволяют определять кпд двигателя внешнего нагрева 14 в режиме реального времени.

Двигатель внешнего нагрева 34 (фиг.1…8) содержит цилиндр 63, внутри которого расположены рабочий поршень 64 и вытеснительный поршень 65. В свою очередь, цилиндр 63 выполнен их двух частей: нагревательной части 66 и охлаждающей части 67. Для этого цилиндр 62 выполнен пустотелым и содержит торцевую стенку 68 и боковую стенку 69. Боковая стенка 69 выполнена пустотелой и содержит внутреннюю стенку 70 и внешнюю стенку 71 с полостью нагрева 72, полостью охлаждения 73 между ними. На торцевой стенке 68 цилиндра 62 также может быть выполнена дополнительная полость нагрева 72.

Рабочий поршень 63 установлен на штоке 74, а вытеснительный поршень 64 - на внешнем штоке 75, выполненном в виде втулки коаксиально штоку 74.

К штокам 74 и 75 присоединен механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное 76.

Далее описана конструкция этого механизма (фиг.4). К штоку 74 шарниром 77 присоединен шатун 78, другой конец которого через шарнир 79 соединен с рычагом 80, жестко закрепленным на главном валу 15.

Вытеснительный поршень 64 установлен на внешнем штоке 75.

К штоку 75 шарниром 81 присоединен шатун 82, другой конец которого через шарнир 83 соединен с рычагом 84, жестко закрепленным на главном валу 15. С главным валом 15 соединен датчик частоты вращения 65.

На главном валу 15 также может быть закреплен маховик 85.

Цилиндр 62 имеет открытый торец 86, имеющий отверстия 87 для сообщения полости 88 с атмосферой. На нагревательной части 66 цилиндра 62 может быть выполнена тепловая изоляция 89. Кроме того, между торцом 68 и рабочим поршнем 63 выполнена «горячая» полость 90, а между рабочим поршнем 63 и вытеснительным поршнем 64 - «холодная» полость 91 (фиг.4).

Система нагрева 28 содержит (фиг.4), кроме камеры сгорания 32 и трубопровода 43, полость нагрева 72 в цилиндре 62, к выходу которой присоединен трубопровод сброса выхлопных газов 92 с обратным клапаном 93, присоединенный к коллектору сброса выхлопных газов 23.

Система охлаждения 29 содержит трубопровод отбора 94, содержащий насос 95, имеющий привод 96, за насосом присоединен подающий трубопровод 97 к теплообменнику-охладителю 98, выход подающего трубопровода 97 присоединен к полости охлаждения 73 цилиндра 62. Насос 95 выполнен с переменной регулируемой производительностью, что достигнуто соединением их с приводом 96, это позволяет настраивать наиболее оптимальный по экономичности режим работы двигательной установки 14. Главный вал 15 через редуктор 98 (или мультипликатор) валом 99 соединен с электрогенератором 16.

Работа агрегатов двигательной установки и электрооборудования подводной лодки.

Подводная лодка первого варианта исполнения работает следующим образом (фиг.1…8). Открывают главные клапаны 25 и 27 и окислитель с горючим из баков 21 и 22 по трубопроводам 24 и 26 (фиг.5) поступают в двигательную установку 14, где воспламеняются при помощи запальных устройств 56. Выхлопные газы по трубопроводу 43 поступают в полость нагрева 28 двигателя внешнего нагрева 34. Одновременно окислитель по трубопроводу 51 подается в теплообменник-охладитель 52 для охлаждения полости охлаждения 29 и всех охлаждаемых частей двигателя внешнего нагрева 34. При использовании криогенного окислителя, например жидкого кислорода, эффект охлаждения и кпд двигателя внешнего нагрева будут максимальными.

Не исключено применение для охлаждения горючего, например сжиженного природного газа - СПГ. В некоторых случаях можно использовать хладоресурс обоих компонентов топлива: окислителя и горючего.

Предложенная схема полностью не зависит от атмосферы, поэтому подводная лодка может находиться под водой в движении со скоростью более 20 узлов более 20 суток. При этом огромные запасы жидкого кислорода обеспечат комфортное пребывание экипажа под водой при неподвижном состоянии подводной лодки или ее движении с небольшой скоростью более 2 месяцев. Это повысит боевую готовность и боевую живучесть подводной лодки.

Рабочий и вытеснительный поршни 63 и 64 совершают возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное посредством устройства преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное 76. Главный вал 15 приводит в действие электрогенератор 16.

Электрогенератор 16 вырабатывает электрический ток, который по электрическому кабелю 11 через коммутатор 12 подается в аккумулятор 13 и в электродвигатель 10. Электродвигатель 10 через гребной вал 9 приводит во вращение ступицу 8 с гребными винтами 7. Подводная лодка движется в подводном положении. При необходимости подзарядки аккумуляторов 13 электродвигатель 10 отключается коммутатором 12.

В варианте 2 (фиг.6) термоэлектрический генератор 30 дополнительно вырабатывает электрическую энергию, например при отказе двигательной установи 14 или в течение нескольких часов после выключения двигательной установки 14 за счет остаточного тепла.

Кроме того, при использовании криогенных компонентов топлива имеется возможность непрерывного получения энергии для обеспечения жизненных условий и движения малым ходом длительное время.

Это также повышает надежность и боевую живучесть подводной лодки.

Датчики температуры 59…62 позволяют в режиме реального времени вычислять кпд двигательной установки 34 и корректировать ее работу в сторону увеличения кпд до теоретически максимального значения.

Применение группы изобретений позволило:

1. Обеспечить значительное увеличение длительности пребывания подводной лодки в подводном положение.

2. Повысить надежность двигательной установки и подводной лодки.

3. Повысить кпд двигательной установки за счет использования хладоресурса одного из компонентов топлива (особенно для криогенного топлива).

4. Снизить стоимость двигательной установки и подводной лодки.

5. Значительно повысить надежность работы системы управления за счет применения блока управления и четырех датчиков температуры нагревающей и охлаждающей сред (забортной воды).

Claims (3)

1. Подводная лодка, содержащая прочный корпус, охватывающий его легкий корпус, цистерны между этими корпусами, кормовую оконечность с гребным винтом, со ступицей, установленной на гребном валу, соединенном с электродвигателем, соединенным электрическим кабелем с аккумулятором, электрогенератор, вал которого соединен с главным валом двигательной установки, отличающаяся тем, что внутри прочного корпуса установлены баки окислителя и горючего, соединенные трубопроводами с турбонасосным агрегатом, двигательная установка состоит из турбонасосного агрегата и камеры сгорания, соединенных газоводами, двигателя внешнего нагрева, содержащего системы нагрева и охлаждения, система охлаждения содержит теплообменник-охладитель, использующий хладоресурс одного из компонентов топлива, при этом к легкому корпусу прикреплен коллектор сброса выхлопных газов, соединенный с двигателем внешнего нагрева.

2. Подводная лодка по п.1, отличающаяся тем, что внутри прочного корпуса на двигателе внешнего нагрева установлен термоэлектронный генератор.

3. Двигательная установка подводной лодки, содержащая поршневую машину и соединенный с ней источник тепловой энергии, отличающаяся тем, что поршневая машина выполнена в виде двигателя внешнего нагрева, содержащего системы нагрева и охлаждения, система охлаждения содержит теплообменник-охладитель, использующий хладоресурс одного из компонентов топлива, а источник тепловой энергии в виде турбонасосного агрегата и камеры сгорания, соединенных газоводами.

Images