Еще 15 лет назад ученые и промышленность вели агитацию за внедрение воздухонезависимой энергетики на подводные лодки. Сегодня в мире уже накоплен опыт эксплуатации различных типов установок, который показывает, что востребованными оказались два типа – с двигателями Стирлинга и с электрохимическими генераторами (ЭХГ). Другие варианты остались «нишевыми» (турбина MESMA компании DCNS) или так и не вышли из лабораторий. Российские военные моряки и проектанты выбрали установку с ЭХГ, сделав ставку на простоту и безопасность эксплуатации, а также невысокие требования к системе базирования.Воздухонезависимая энергетическая установка (ВНЭУ) повышает скрытность подлодки, но платой за это становится рост стоимости корабля и всего его жизненного цикла, повышение требований к инфраструктуре и подготовке экипажей, и это отнюдь не полный список. Ни одна из сегодняшних ВНЭУ не является идеальной во всех аспектах – каждая из них имеет свои достоинства и недостатки. Флот каждой страны по-разному относится к этим «плюсам и минусам» – ведь каждый флот решает свои задачи, действует в своих условиях и, самое главное, имеет разные финансовые возможности. Это приводит к спросу на корабли с разными типами ВНЭУ и даже на подлодки вовсе без ВНЭУ.
СТИРЛИНГ
ВНЭУ с двигателем Стирлинга – сравнительно простая установка, использующая типовое для подлодок дизельное топливо и жидкий кислород. Создание установки от замысла до реализации на боевой подлодке потребовало менее 15 лет.
Установку нельзя считать идеальной по скрытности, но она вполне адекватна особенностям Балтийского моря. Его сложная география и интенсивное судоходство делают ненужным снижение акустического поля подлодки до абсолютного минимума, а «теснота» Балтики требует создания небольших кораблей, которым как раз подходят не очень мощные двигатели Стирлинга. Видимо, по этим же причинам шведские подлодки были в свое время выбраны ВМС Сингапура: условия в Малаккском проливе и прилежащих к нему акваториях весьма схожи с балтийскими.
Причины приобретения Японией лицензии на шведскую ВНЭУ менее очевидны. Японские подлодки действуют не только во внутренних морях, но и в океане. Трудно предположить, что японские компании не справились бы с созданием ВНЭУ и инфраструктуры, да и военный бюджет Японии нельзя назвать чрезвычайно ограниченным, однако Морские силы самообороны Японии предпочли лицензировать существующую установку, а не разрабатывать собственную. В результате малая мощность двигателей Стирлинга заставила японских проектантов «умножить ВНЭУ на два» – на более крупных японских подлодках установка состоит из четырех двигателей, а не из двух, как на шведских.
ЭХГ
Второй тип ВНЭУ, электрохимические генераторы, прочно ассоциируется с германскими проектами подлодок типов 212А и 214. Немецкие проектанты создали подлодку с почти что «абсолютной» ВНЭУ – бесшумной, низкотемпературной, на выходе процесса – обычная вода. Плата за это – сложность и высокая стоимость установки, существенный рост размеров корабля, высокие требования к береговой инфраструктуре.
Процесс создания этой ВНЭУ оказался весьма длительным. От начала работы до сдачи боевого корабля прошло более 25 лет, и это несмотря на давно и целенаправленно идущие в Европе работы по внедрению водородной энергетики во все сферы техники.
Основной вопрос установок с ЭХГ – хранение водорода. Выбранное германскими проектантами интерметаллидное хранение водорода (хранение водорода в сплаве металла) позволяет обеспечить высокую безопасность, но требует больших весов и объемов, что не позволяет создавать лодки с большой подводной автономностью – для лодок типов 212А она составляет около двух недель. Впрочем, для ВМС Германии и Италии, действующих на Балтике, в Северном море и в Средиземноморье, эта величина вполне достаточна. Германские и итальянские субмарины большую часть времени действуют в условиях господства на море союзных сил, в силу чего они могут использовать скрытные режимы ВНЭУ не постоянно, а лишь при необходимости.
Аналогичную ВНЭУ имеют экспортные лодки типа 214. Их подводная автономность оказалась вполне достаточной для Португалии, Греции и Турции, чьи ВМС действуют в тех же условиях Средиземноморья. Страны Европы, которые покупают подлодки с такой установкой, с одной стороны, могут опираться на уже созданную инфраструктуру производства и хранения водорода, а с другой – новые пользователи эту инфраструктуру расширяют.
В Восточной Азии подлодки типа 214 и германскую версию ВНЭУ выбрали пока только ВМС Южной Кореи. Замкнутый театр, сравнительно небольшие отстояния районов патрулирования от собственных баз, наличие крупных собственных и союзных сил – все это имеет много общего с ситуацией в Средиземном море.
Таким образом, ВНЭУ с ЭХГ и интерметаллидным хранением водорода имеет множество преимуществ с «лодочной» точки зрения, но не позволяет создавать подлодки с подводной автономностью свыше двух недель и требует наличия дорогостоящей водородной инфраструктуры.
ТИПЫ РИФОРМИНГА
Указанные выше проблемы заставили разработчиков искать новые решения. Одним из ответов стало хранение водорода в виде химических соединений с последующим расщеплением этих соединений и извлечением из них водорода (риформингом). Наиболее известны риформинг спиртов (метилового и этилового) и дизельного топлива. Передача на подлодку и хранение на ее борту этих жидкостей значительно проще, чем водорода.
Получение водорода из спиртов достаточно несложно, этот процесс дает мало углекислого газа (выхлопа). Однако метиловый спирт ядовит, да и этиловый спирт, по замечанию опытного германского подводника, «представляет для экипажа не меньшую угрозу, чем метиловый». Цистерны, арматура и трубопроводы со спиртом требуют тщательной герметизации и контроля как при эксплуатации, так и при погрузке этого топлива. Для использования спиртов необходима дорогостоящая береговая инфраструктура.
С точки зрения эксплуатации наиболее привлекателен риформинг дизельного топлива. Дизельное топливо на подлодках используется давно, оно недорого и вполне безопасно, все военно-морские базы мира имеют нужную инфраструктуру. На лодке хранится всего один вид топлива – как для дизель-генераторов (при их наличии), так и для ВНЭУ. Это ощутимая экономия, потому что за 30 лет службы корабля расходы на топливо «съедают» львиную долю эксплуатационных затрат.
Однако эти преимущества не даются даром. Риформинг дизельного топлива требует наибольшего расхода кислорода, он идет при самых высоких температурах и дает наибольшее количество выхлопа, а получаемый водород нужно тщательно очищать. Есть некоторое сходство с ядерным реактором – ядерная установка также весьма сложна, но она является «единым двигателем» и дает подлодке самые большие возможности.
РАБОТЫ ПО РИФОРМИНГУ
Компания HDW начала работы по установкам риформинга еще в 90-е годы прошлого века, в их результате был создан опытный образец риформера метанола. Но размер этой установки не позволял безболезненно интегрировать ее в корабли существующих проектов, а экономический кризис заставил ВМС Германии отказаться от финансирования этого проекта. Сегодня компания TKMS (наследник HDW) продолжает работы по этому риформеру для экспортных лодок типа 216. Финансовые кризисы существенно влияют на судьбу новой техники, а реализация перспективных разработок зависит от возможности найти зарубежного заказчика.
Весьма амбициозный испанский проект подводной лодки S-80 («Isaac Peral») основан на использовании ЭХГ и риформера этилового спирта. Испанские проектанты успешно создали широкую мировую кооперацию и получили вполне обнадеживающие первые результаты, в том числе работающий стендовый образец риформера малой мощности. Однако ряд проблем в проекте самой подлодки и неизбежные сложности при переходе от стендовых образцов к реальной технике привели к срыву сроков реализации проекта. Это, в свою очередь, создало проблему с его финансированием. Будет ли этот проект реализован – еще предстоит увидеть. Интересно отметить, что ВМС Испании пошли путем разработки оригинального проекта лодки, включая создание «с нуля» установки риформинга этанола со всеми вытекающими сложностями, тогда как ВМС Португалии предпочли купить готовые субмарины типа 214. Ближайшие соседи, оказывается, могут иметь заметно разные ценности.
В 2014 году компания DCNS объявила о создании и успешных испытаниях стендового образца «ЭХГ второго поколения» с риформером дизельного топлива. Эта установка предлагается для подлодок типа «Scorpene» – считается, что ее применение доведет подводную автономность этих лодок до трех недель и более. Другой проект DCNS, более крупная субмарина, известная под именами «SMX Ocean» и «Shortfin Barracuda», был выбран ВМС Австралии для своей программы SEA-1000. Экспортный заказ, вероятно, позволит компании DCNS довести свою ВНЭУ до работоспособного состояния.
В Индии также ведутся работы по созданию ВНЭУ на основе риформинга боргидрида натрия для подводных лодок типа «Kalvari».
Военно-морской флот России еще в 90-х годах сделал выбор в пользу ЭХГ, а в 2008 году – в пользу системы риформинга дизельного топлива. Условия, в которых действуют российские подлодки, заметно отличаются от европейских. Это открытые театры (Северный и Тихоокеанский), десяток баз подлодок на значительном расстоянии друг от друга, в том числе в малообжитых районах с суровым климатом. Отсюда и требование к снижению затрат на создание и содержание инфраструктуры. Лодки далеко уходят от баз и большую часть времени находятся под угрозой со стороны многочисленного и умелого противника, то есть должны длительно находиться в скрытных режимах. Все эти проблемы может решить только риформинг дизтоплива.
Правда, экономический кризис 90-х, а также то, что острой необходимости во ВНЭУ не было, – у российского флота есть атомные подводные лодки, ядерный реактор можно считать «идеальной ВНЭУ» – замедлили создание анаэробной установки. Однако в середине нулевых эти работы возобновились. Как заявил в конце ноября главком ВМФ РФ Владимир Королев, «мы продолжаем работу над двигательной установкой воздухонезависимого типа, это наша перспектива, наше будущее».
Капитан 1 ранга Н. Сергеев,капитан 1 ранга И. Яковлев,капитан 3 ранга С. Иванов
Подводные лодки с традиционной дизель-электрической энергетической установкой (ЭУ) являются достаточно эффективным средством для решения определенных им задач и имеют ряд преимуществ перед ПЛА, особенно при действиях в прибрежных и мелководных районах моря. К числу таких преимуществ относятся низкий уровень шумности, высокая маневренность на малых скоростях хода и соизмеримая с ПЛА ударная мощь. Кроме того, включение в состав ВМС неатомных ПЛ во многом обусловлено невысокой стоимостью их создания и эксплуатации. В то же время они имеют ряд недостатков, в частности ограниченное время пребывания в подводном положении в связи с небольшим запасом энергии в аккумуляторной батарее (АБ).
Для зарядки АБ ПЛ вынуждена всплывать в надводное положение или использовать режим работы дизеля под водой (РДП), в результате чего повышается вероятность ее обнаружения радиолокационными, инфракрасными, оптико-электронными и акустическими средствами. Отношение времени плавания под РДП, необходимого для зарядки аккумуляторов, к периоду разряжания АБ называется "степенью неосторожности".
Существует несколько направлений увеличения дальности плавания под водой, основным из которых являются научно-технические и технологические разработки с целью совершенствования традиционной ЭУ неатомных ПЛ и ее составных элементов. Однако в современных условиях реализация этого направления не может в полной мере обеспечить решение главной задачи. Выход из сложившейся ситуации, по мнению зарубежных специалистов, заключается в использовании на ПЛ воздухонезависимой энергетической установки (ВНЭУ), которая может служить в качестве вспомогательной.
Успешные результаты, полученные в ходе работ по данной тематике, сделали возможным оборудование вспомогательными ВНЭУ вновь строящихся и дооборудование находящихся в эксплуатации дизель-электрических ПЛ. У последних в прочный корпус врезается дополнительный отсек, содержащий саму энергоустановку, емкости для хранения топлива и окислителя, цистерны замещения массы расходуемых реагентов, вспомогательные механизмы и оборудование, а также приборы контроля и управления. В дальнейшем ВНЭУ планируется использовать на ПЛ в качестве основной.
В настоящее время существуют четыре основных типа воздухонезависимых энергетических установок: дизельный двигатель замкнутого цикла (ДЗЦ), двигатель Стирлинга (ДС), топливные элементы или электрохимический генератор (ЭХГ) и паротурбинная установка замкнутого цикла.
К числу основных требований, предъявляемыми к ВНЭУ, относятся следующие: низкий уровень шумности, малое тепловыделение, приемлемые массогабаритные характеристики, простота и безопасность эксплуатации, большой ресурс и невысокая стоимость, возможность использовать существующую береговую инфраструктуру. В наибольшей мере данным требованиям удовлетворяют вспомогательные ЭУ с двигателем Стирлинга, ЭХГ и паротурбинной установкой замкнутого цикла. Поэтому в ВМС ряда стран ведутся активные работы по их практическому применению на неатомных ПЛ.
Энергетическая установка с двигателем Стирлинга. К ее разработке в 1982 году приступила шведская фирма "Кокумс марин AB" по заказу правительства. Специалисты изначально рассматривали ВНЭУ с двигателем Стирлинга как вспомогательную, работающую совместно с традиционной дизель-электрической ЭУ (ДЭЭУ). Проведенные ими исследования показали, что новая установка, создаваемая как главная (без использования традиционной ДЭЭУ), будет слишком дорогой в производстве и технические требования, предъявляемые к энергоустановке подводной лодки, будет трудно удовлетворить.
 |
| Принципиальная схема двигателя Стирлинга |
Королевские ВМС Швеции выбрали ВНЭУ с двигателем Стирлинга по нескольким причинам: высокая удельная мощность, низкий уровень шумности, отработанность технологий производства ДС, надежность и простота эксплуатации.
Высокая удельная мощность ДС достигается за счет сжигания в камере сгорания дизельного топлива в сочетании с кислородом. На ПЛ необходимый запас кислорода хранится в жидком состоянии, что обеспечивается современными криогенными технологиями.
Двигатель Стирлинга является двигателем внешнего сгорания. Принцип его работы предусматривает использование тепла, вырабатываемого внешним источником, и его подвод к рабочему телу, находящемуся в замкнутом контуре. ДС превращает тепло, производимое внешним источником, в механическую энергию, которая затем преобразуется генератором в постоянный ток. Регенератор, входящий в состав замкнутого рабочего контура двигателя, забирает от рабочего тела тепловую энергию, образующуюся после его расширения, и возвращает ее назад в цикл, когда газ меняет направление.
В ДС применяются поршни двойного действия. Пространство над поршнем является полостью расширения, а пространство под поршнем - полостью сжатия. Полость сжатия каждого цилиндра внешним каналом через холодильник, регенератор и нагреватель связана с полостью расширения соседнего цилиндра.
Необходимое сочетание фаз расширения и сжатия достигается с помощью распределительного механизма на основе кривошипов. Принципиальная схема двигателя Стирлинга приведена на рисунке.
Тепловая энергия, которая требуется для работы ДС, вырабатывается в камере сгорания высокого давления путем сжигания дизельного топлива и жидкого кислорода.
Кислород и дизельное топливо в пропорции 4 : 1 поступают в камеру сгорания, где и происходит их сжигание.
Для того чтобы поддерживать необходимую температуру рабочего процесса и обеспечить достаточную термостойкость материалов, в конструкции ДС применяется специальная система рециркуляции газов (GRC). Эта система предназначена для разбавления чистого кислорода, поступающего в камеру сгорания, газами, образующимися в процессе горения топливной смеси.
При работе двигателя Стирлинга часть выхлопных газов удаляется за борт, что может привести к образованию следа из пузырей. Это связано с тем, что процесс сгорания в ДС идет с большим избытком неиспользованного кислорода, который не может быть выделен из выхлопных газов. Для уменьшения количества пузырей, образующихся при растворении отработавших газов в забортной воде, применяется абсорбер, в котором происходит смешивание газов и воды. При этом выхлопные газы предварительно охлаждаются в специальном теплообменнике с 800 до 25 °С. Рабочее давление в камере сгорания позволяет удалять выхлопные газы на разных глубинах погружения ПЛ, вплоть до рабочей, что не требует использования для этих целей специального компрессора, обладающего повышенной шумностью.
Так как процесс внешнего подвода тепла неизбежно сопровождается дополнительными тепловыми потерями, КПД ДС меньше, чем у дизельного двигателя. Повышенная коррозия не позволяет использовать в ДС обычное дизельное топливо. Необходимо топливо с низким содержанием серы.
Для шведской программы был принят ДС типа V4-275 фирмы "Юнайтед Стирлинг". Он представляет собой четырех-цилиндровый двигатель (рабочий объем каждого цилиндра 275 см3). Цилиндры расположены V-образно с целью снижения шума и вибрации. Рабочее давление в камере сгорания двигателя 2 МПа, благодаря чему обеспечивается его использование на глубинах погружения ПЛ до 200 м. Для работы двигателя на больших глубинах необходима компрессия выхлопных газов, что потребует дополнительного расхода мощности на удаление выхлопных газов и приведет к повышению уровня шумности.
Первой энергоустановкой на базе ДС была оборудована подводная лодка типа "Нэккен", спущенная на воду после модернизации в 1988 году. Двигатель Стирлинга, цистерны для хранения дизельного топлива, жидкого кислорода и вспомогательное оборудование были размещены в дополнительной секции с нулевой плавучестью, врезанной в прочный корпус ПЛ. За счет этого длина лодки увеличилась на 10 %, что незначительно повлияло на изменение ее маневренных качеств.
Два ДС типа V4-275R работают на генераторы постоянного тока мощностью по 75 кВт. Двигатели размещены в шумоизоляционных модулях на виброизолирующих конструкциях с двухкаскадной амортизацией. Как показали испытания, ДС способен вырабатывать достаточное количество электроэнергии, необходимое для питания бортовых систем ПЛ, обеспечения подзарядки АБ и движения лодки со скоростью до 4 уз.
Для достижения более высоких скоростей хода и питания главного гребного электродвигателя предусматривается использование двигателя совместно с АБ.
Благодаря применению комбинированной энергоустановки время плавания в подводном положении увеличилось с 3-5 до 14 сут, а скорость патрулирования - с 3 до 6 уз. В результате этого повысилась скрытность ПЛ.
Как утверждают шведские специалисты, двигатель Стирлинга в корабельных условиях продемонстрировал высокие надежность и ремонтопригодность. Его шумоизлучение не превосходит шума гребного электродвигателя и на 20-25 дБ ниже, чем у эквивалентного по мощности дизельного двигателя.
ВМС Швеции оснащают данной вспомогательной ВНЭУ ПЛ типа "Готланд".
Контракт на строительство трех ПЛ этого типа был подписан правительством страны с фирмой "Кокумс" в марте 1990 года.
Первая подводная лодка данной серии - "Готланд" - была принята на вооружение в 1996 году, две последующие: "Апланд" и "Халланд" - в 1997-м. В ходе модернизации планируется оборудовать вспомогательными ЭУ данного типа также ПЛ типа "Вэстерготланд".Как сообщают иностранные источники, шведские подводные лодки, оснащенные ЭУ с ДС, уже на практике показали хорошие результаты. В частности, во время учений было доказано превосходство ПЛ "Халланд" над ПЛ ВМС Испании с традиционной дизель-электрической энергоустановкой, а также продемонстрированы ее улучшенные ТТХ в ходе совместного плавания с атомными подводными лодками ВМС США и Франции.
Энергетическая установка с ЭХГ. Электрохимический генератор - это установка, в которой химическая энергия топлива непосредственно превращается в электрическую. Основой ЭХГ являются топливные элементы (ТЭ), в которых и происходит процесс генерирования электроэнергии, возникающей при взаимодействии топлива и окислителя, непрерывно и раздельно подводимых к ТЭ. В принципе топливный элемент - разновидность гальванического.
В отличие от последнего ТЭ не расходуется, так как активные компоненты подводятся непрерывно (топливо и окислитель).
В ходе исследований проводились испытания различных типов топлива и окислителей. Наилучших результатов удалось добиться при использовании реакции между кислородом и водородом, в результате взаимодействия которых вырабатываются электрическая энергия и вода.
Генерирование постоянного тока посредством холодного сгорания водорода и кислорода было известно давно и успешно использовалось для получения электроэнергии на подводных аппаратах. Этот принцип получения электроэнергии был использован на ПЛ только в 1980-е годы. В ПА кислород и водород хранились раздельно в прочных резервуарах под высоким давлением. Хотя электрохимические генераторы более эффективны, чем аккумуляторные батареи, их применение на ПЛ было затруднено тем, что запас топливных реагентов, хранящихся в газообразном состоянии, не позволял обеспечивать требуемую продолжительность подводного плавания.
Наиболее оптимальный способ хранения кислорода - в жидком состоянии (в криогенной форме - при температуре 180 °С), водорода - в форме металлгидрида.
К середине 1980-х годов немецкий консорциум GSC (German Submarine Consortium), включающий фирмы IKL (Ingenieurkontor Lubeck), HDW (Howaldtswerke Deutsche Werft AG) и FS (Ferrostaal), разработал и создал опытную береговую установку ЭХГ с топливными элементами фирмы "Сименс" для проверки совместной работы ее компонентов - топливных элементов, систем хранения водорода и кислорода, трубопроводов, системы управления, а также взаимодействия работы с традиционной ЭУ ПЛ. Опытный образец ЭХГ был конструктивно выполнен с таким расчетом, чтобы по завершении испытаний он мог быть установлен на действующей ПЛ без доработок. Результаты береговых испытаний показали, что ЭУ с ЭХГ может быть эффективно использована на ПЛ.
В 1989 году в интересах ВМС ФРГ успешно закончилась девятимесячная серия морских испытаний ПЛ U-1 проекта 205, оборудованной вспомогательной ВНЭУ с ЭХГ на верфи HDW. В результате руководство этого вида ВС отказалось от дальнейшего строительства ПЛ только с дизель-электрической ЭУ и приняло решение использовать "гибридные" (ДЭЭУ как основная и вспомогательная ЭУ с ЭХГ). Дальнейшие исследования направлены на разработку таких установок с ЭХГ в качестве главной.
Конструктивно ЭХГ представляет собой электрохимические модули с полимерными мембранами (PEM). Все модули устанавливаются на единой раме и могут быть соединены как последовательно, так и параллельно.
Вспомогательными в ЭУ с ЭХГ являются система охлаждения с использованием забортной воды и система остаточных газов. Последняя обеспечивает дожигание остаточного водорода в системе вентиляции АБ и использование остаточного кислорода для бортовых нужд. Система управления ЭУ интегрирована с системой контроля безопасности, мониторы которой находятся в центральном посту.
Преобразование энергии в топливных элементах происходит бесшумно.
В составе ЭУ отсутствуют узлы, совершающие вращательные или колебательные движения. Она имеет малое тепловыделение, вследствие чего не оказывает значительного влияния на формирование физических полей. Единственная вспомогательная система с вращающимися частями - система охлаждения, но она не настолько шумная, чтобы сильно повлиять на уровень акустического поля ПЛ.
Первоначальная активизация реакций в топливных элементах не требует много электроэнергии, для того чтобы металл-гидрид, хранящийся в баллонах, расположенных в междубортном пространстве, стал выделять водород и начал испаряться кислород, хранящийся в жидком состоянии в ударозащищенных криогенных цистернах, выполненных из маломагнитной стали.
Этот тип ЭУ достаточно эффективен, он имеет высокий КПД - до 70 %, и по этому показателю значительно превосходит другие воздухонезависимые энергоустановки. Сравнительные данные зависимости КПД разных типов ВНЭУ от относительного уровня выходной мощности показаны на графике. Процесс преобразования энергии происходит при низкой рабочей температуре (60-90 °С). Для поддержания первоначально инициированного электрохимического процесса требуется небольшое количество тепла, выделяемого системой в процессе работы. Часть тепла, вырабатываемого ЭУ, может использоваться для бытовых нужд, таких как обогрев.
Количество тепла, которое необходимо отводить от установки, невелико, поэтому принудительное охлаждение ЭУ забортной водой не требует длительного времени (до суток ее работы). Воду, производимую в ходе реакции, после соответствующей обработки можно использовать для питья.
Комбинация компактных топливных, последовательно соединенных элементов позволяет получить любое требуемое напряжение. Регулировка напряжения достигается изменением числа пластин в агрегатах с топливными элементами.
Наибольшая мощность может быть достигнута посредством последовательного соединения этих элементов.
Работа ЭУ с ЭХГ не зависит от глубины погружения ПЛ. Электроэнергия, генерируемая такой энергоустановкой, поступает прямо на главный распределительный щит лодки. 65 % ее расходуется на движение и корабельные нужды, 30 % - на систему охлаждения и систему остаточных газов ЭУ, 5 % - на дополнительное оборудование ЭУ.
Вспомогательная ЭУ может работать как параллельно с АБ, обеспечивая электродвижение ПЛ и питание других потребителей, так и для подзарядки АБ.
Планируется оснастить вспомогательной ЭУ с ЭХГ четыре и две ПЛ типа 212А, строящихся для ВМС ФРГ и Италии соответственно, а также экспортный вариант лодки типа 214 для ВМС Греции и Республики Корея.
Две ПЛ из первой подсерии лодок типа 212А для ВМС ФРГ оборудованы вспомогательной ЭУ с ЭХГ номинальной мощностью около 300 кВт с девятью топливными элементами по 34 кВт. Лодки второй подсерии планируется оснастить двумя топливными элементами по 120 кВт. Они будут иметь практически те же массогабаритные характеристики, что и топливные элементы мощностью 34 кВт, но при этом их эффективность увеличится в 4 раза. ПЛ типа 212А будет способна находиться в подводном положении в течение примерно двух недель. Номинальная мощность данной установки позволит развивать скорость хода до 8 уз без использования АБ.
Модульная конструкция ЭУ на основе топливных элементов не только облегчает их установку на строящихся ПЛ, но и позволяет оборудовать ими ранее построенные, даже те, которые были построены по лицензиям на верфях стран - импортеров немецких ПЛ.
Кроме того, такая ЭУ, как утверждают немецкие специалисты, отличается высокой ремонтопригодностью и более продолжительным сроком службы.
Паротурбинная установка (ПТУ) замкнутого цикла. ПТУ MESMA (Module d’Energie Sous-Marin Autonome), работающая по замкнутому циклу Ренкина, была разработана управлением кораблестроения ВМС Франции DCN для продажи на экспорт. В ее производстве участвуют французские фирмы "Текникатом", "Термодайн", "Эр ликвид", "Бертин", а также судоверфь "Эмпреса насьональ Базан" (Испания).
 |
| Сравнительные данные зависимости КПД воздухонезависимой ЭУ от относительного уровня выходной мощности (1 - ЭХГ, 2 - ДЗЦ, 3 - двигатель Стирлинга, 4 - ПТУ MESMA) |
MESMA является двухконтурной установкой. В первом контуре в результате сгорания этанола в кислороде образуется теплоноситель (парогаз), который проходит через тракт парогенератора и отдает тепло воде, циркулирующей во втором контуре.
Вода превращается в пар высокого давления, вращающий паровую турбину, соединенную с генератором. Кислород хранится на борту ПЛ в специальных емкостях в жидком состоянии. Продуктами реакции горения являются вода и отработанные газы, отводимые за борт. Это может привести к увеличению заметности ПЛ.
Горение в камере сгорания происходит под давлением 6 МПа, вследствие чего установка может работать на глубинах до 600 м, поэтому для удаления за борт продуктов горения не надо задействовать компрессор.
КПД энергоустановки с ПТУ MESMA составляет 20 %, что обусловлено большими потерями при многократном преобразовании энергии - сжигание топлива, получение перегретого пара, генерация трехфазного тока и последующее его преобразование в постоянный.
Вся установка в целом отличается достаточной компактностью и монтируется в секции прочного корпуса длиной 10 м и шириной 7,8 м. Кислород хранится в сжиженном состоянии в баллонах, смонтированных на специальных амортизационных креплениях внутри прочного корпуса ПЛ в вертикальном положении.
В сентябре 1998 года завершились стендовые испытания опытного образца ЭУ MESMA. В апреле 2000 года на судоверфи в г. Шербур была изготовлена первая корабельная энергоустановка, размещенная в секции прочного корпуса.
После завершения сдаточных испытаний модуль с ЭУ должен был быть отправлен в Пакистан для оснащения строящейся там по французской лицензии ПЛ "Гази" типа "Агоста 90B". Это первая ПЛ данного типа, на которой вспомогательная воздухонезависимая ЭУ будет установлена в процессе строительства. Две другие ПЛ, построенные ранее, намечается дооборудовать ими позже - в процессе модернизации и ремонта.
Применение вспомогательных воздухонезависимых энергетических установок на неатомных ПЛ позволило улучшить их ТТХ по продолжительности подводного плавания, что повысило скрытность лодок и расширило их боевые возможности. Помимо строящихся ПЛ вспомогательными ВНЭУ можно оборудовать имеющиеся дизельные подводные лодки в процессе их модернизации. Дальнейшее развитие технологий и получение на этой основе качественно новых характеристик ВНЭУ, вероятнее всего, позволит неатомным ПЛ решать задачи, свойственные атомным.
Зарубежное военное обозрение 2004 №6, С. 59-63
factmil.com
До сих пор существовали два основных класса подводных лодок (ПЛ) - дизель-электрические и атомные. Сейчас, похоже, появился новый класс ПЛ, который займет промежуточное место между этими двумя классами. Это ПЛ с воздухонезависимой энергетической установкой (AIP submarines).
Существуют различные типы воздухонезависимых энергоустановок:
• Дизельные двигатели закрытого цикла
• Паровые турбины закрытого цикла
• Двигатели Стирлинга
• Топливные элементы
ВМС разных стран разрабатывают свои варианты воздухонезависимых энергоустановок для ПЛ:
• Германия – топливные элементы
• Швеция – двигатель Стирлинга
• Япония – двигатель Стирлинга
• Франция – установка MESMA
• Испания – топливные элементы
• Индия – топливные элементы
• Россия – топливные элементы
• КНР – двигатель Стирлинга
Вот, например, схема перспективной российской ПЛ с топливными элементами.
Рис.1. Пропульсивная установка перспективной российской ПЛ проекта Амур 1650. Источник Amur 1650 AIP module – воздухонезависимая энергетическая установка ПЛ проекта Амур 1650; Power plant module with electro-chemical generators - энергетическая установка с электрохимическими генераторами; 1. Liquid oxygen tank - бак для хранения жидкого кислорода; 2. Monitoring panels - системы контроля; 3. Hydrogen accumulators - баллоны для хранения водорода; 4. Heat exchangers - теплообменники; 5,6. Technical water tanks - баки для хранения технической воды; 7. Ventilation and burning system - системы вентиляции и сжигания; 8. Fuel cells - топливные элементы.
Ниже мы рассмотрим только проекты ПЛ с двигателем Стирлинга. Корпорация China Shipbuilding and Offshore International продемонстрировала на международной выставке вооружений IDEX 2017 модель подводной лодки типа S-26 с двигателем Стирлинга, что позволило сделать ПЛ воздухонезависимой.
На обычной дизель-электрической ПЛ для забора воздуха для работы дизеля используется шноркель - устройство изобретенное немецкими подводниками в ходе Второй Мировой войны.
Рис.2. Обычная дизель-электрическая ПЛ, использующая шноркель. Источник
Рис.3. Схема энергетической установки обычной дизель-электрической ПЛ. Источник Air intake - воздухозаборник; Diesel exhaust - выброс выхлопных газов; Isolation valve - стопорный клапан; Diesel engine - дизельный двигатель; Gen. - генератор; Control - система управления; Electric motor - электромотор; Batteries - аккумуляторные батареи.
Рис.4. Принципиальная схема устройства перспективной энергетической установки воздухонезависимой ПЛ с двигателем Стирлинга. Источник Nitrogen (N2) - азот; Oxygen (O2) - кислород; Hydrogen (h3) - водород; Fuel cell - топливный элемент; Electrolytes - электролиты; Battery - батарея; Air-independent propulsion - воздухонезависимая ЭУ; ПЛ, оснащенная воздухонезависимой энергетической установкой, может заряжать аккумуляторные батареи, не всплывая, что значительно повысит ее скрытность по сравнению с обычными дизельными ПЛ; A fuel cell - топливный элемент - это электрохимическое устройство, которое преобразует водород и кислород в воду, электроэнергию и тепло.
Важнейшей характеристикой для обеспечения скрытности ПЛ является отсутствие выбросов двигателя. Все газы, необходимые для эффективной работы воздухонезависимой энергетической установки, хранятся в танках на борту лодки.
Китайская ПЛ проекта 039A (Обозначение по классификации НАТО - ПЛ класса Yuan) является первой воздухонезависимой ПЛ китайских ВМС (People's Liberation Army Navy - PLAN).
ПЛ с воздухонезависимой энергоустановкой побила рекорды по дальности плавания, максимальной глубине погружения, потоплению судов-мишеней при сравнимых условиях для дизель-электрических ПЛ.
Корабль может пробыть в подводном положении примерно от двух до трех недель, что значительно повышает живучесть ПЛ. Время нахождения в подводном положении для традиционных дизель-электрических лодок составляет от 10 до 100 часов, после чего лодка должна всплыть для перезарядки аккумуляторных батарей. Однако воздухонезависимые ПЛ могут перезаряжать аккумуляторные батареи в подводном положении.Помимо того, что воздухонезависимая энергоустановка играет роль двигателя (главного или вспомогательного), она также обеспечивает освещение, регенерацию воздуха, охлаждение и выполняет другие функции.
Подводные лодки с воздухонезависимыми энергоустановками более эффективны при ведении боевых действий и уступают только атомным ПЛ. Правда, в настоящее время их постройка обходится дороже обычных дизель-электрических ПЛ, но в будущем они могут стать распространенным техническим решением.
Таиланд покупает у КНР ПЛ класса S26 T Yuan, которые, как было заявлено, строятся специально для Таиланда на основе проекта ПЛ 039A Yuan. Эти корабли будут иметь длину 78 м при ширине 9 м и оснащены воздухонезависимыми энергоустановками.
Двигатель, используемый на воздухонезависимых ПЛ китайской постройки, является двигателем Стирлинга, импортированным из Швеции в 1980 гг. Как заявлено, КНР сумела скопировать двигатель и монтирует на ПЛ проекта 039B собственную версию этого двигателя. КНР потратила примерно 10 лет на разработку бренда нового типа двигателя, основанного на китайской интеллектуальной собственности.Насколько хорош бренд нового двигателя, и насколько соблюдены права интеллектуальной собственности в данном вопросе, можно только гадать. В китайских заявлениях содержится только приведенная выше информация и не более того.
Фактически постройка китайских подводных лодок была бы невозможна за эти сроки без использования советских технических решений и технологий. Однако лучшие образцы советских дизель-электрических ПЛ заимствовали многие решения, примененные на прототипах германских кораблей времен Второй Мировой войны.
Подводя итог, получается, что китайские ПЛ класса Yuan являются воплощением смеси технологий и технических решений, разработанных в других странах и объединенных в одном изделии. Китай держит в секрете информацию по конструкции варианта двигателя Стирлинга, использованного при постройке ПЛ класса Yuan.
Поэтому можно только упомянуть общие принципы аналогичного двигателя. Двигатель Стирлинга является двигателем закрытого цикла с рабочим телом, постоянно находящимся в системе. Источник энергии используется для нагрева рабочего тела, которое в свою очередь приводит в движение поршни и поддерживает работу двигателя. Двигатель сопряжен с генератором, вырабатывающим электроэнергию и заряжающим батареи.
Рис.5. Анаэробный двигатель Стирлинга для ПЛ разработки компании SAAB в модульном исполнении. Источник
Рис.6. Внешний вид двигателя Стирлинга (справа) и вставка дополнительного отсека для установки модульного двигателя с Стирлинга на существующих ПЛ (слева). Источник Шведы используют на своих кораблях двигатель Стирлинга в качестве вспомогательного двигателя для подводного хода, при наличии на ПЛ дизелей для обеспечения хода в надводном положении.
Вопрос об использовании двигателя Стирлинга в качестве главного двигателя, вроде бы, находится в разработке для перспективной подводной лодки проекта Viking.
Таким образом, на сегодня вопрос использования анаэробных энергетических установок на неатомных ПЛ из стадии концептуального проектирования перешел на стадию постройки опытных образцов, используемых на конкретных подлодках и испытаний.Автор: Олег Губарев
Источники
sudostroenie.info
Подводная лодка проекта 039C ВМС НОАК (c) club.china.com
26 апреля 2015 года главная китайская официальная газета «Жэньминь жибао» опубликовала парадную статью «Лучшие работники», часть которой была посвящена успехам китайских разработчиков воздухонезависимой энергетической установки (ВНЭУ) на основе двигателя Стирлинга. В статье указывается, что китайцам удалось добиться резкого (на 117%) повышения мощности установки по сравнению с шведским прототипом, послужившим образцом для копирования. Этим были расширены возможности китайской промышленности по созданию новых типов неатомных подводных лодок.
Проектирование ВНЭУ осуществлял шанхайский НИИ-711 (Shanghai Marine Diesel Research Institute) китайской государственной судостроительной корпорации China Shipbuilding Industry Corporation (CSIC). Отдельное подразделение по «специальным двигателям» было сформирована в НИИ-711 около 10 лет назад, хотя активные работы в этой области, судя по статье, велись и ранее. Отправной точкой в проектировании послужил двигатель Стирлинга 4-275 мощностью 75 кВт производства шведской компании United Stirling AB. После освоения серийного производства копии данного двигателя, он был использован для оснащения китайских подводных лодок проекта 039B.
Как известно, главным недостатком двигателей Стирлинга является их невысокая удельная мощность. Мощность скопированной шведской установки не вполне устраивала китайцев. Отмечается, что лодке проекта 039B после разрядки аккумуляторов из-за движения скоростью 20 узлов на протяжении нескольких часов, пришлось бы несколько дней двигаться под двигателем Стирлинга со скоростью не более двух узлов, чтобы полностью зарядить батареи.
В статье утверждается, что новое поколение двигательных установок на основе двигателей Стирлинга, созданное в НИИ-711, имеет мощность от 160 до 217 кВт. Если «подводная лодка нового типа» (под ней, видимо, понимается лодка проекта 039C) будет, подобно лодке проекта 039B оснащена четырьмя двигателями Стирлинга, то это обеспечит ей мощность в 640-868 кВт. По мнению авторов статьи, из этого следует, что новая китайская подводная лодка сможет осуществлять в подводном положении зарядку аккумуляторов при помощи двигателей Стирлинга с той же скоростью, с какой обычная подводная лодка типа «Кило» (проект не конкретизирован) осуществляет подзарядку при помощи своих дизель-генераторов в режиме РДП.
Таким образом, китайская подводная лодка получит уникальные возможности по сравнению с другими современными неатомными ПЛ, оснащенными ВНЭУ, поскольку тем по-прежнему надо будет периодически подзаряжать батареи с использованием устройства РДП, отмечает автор.
Отметим, что такое необычно откровенное описание успехов китайских инженеров имеет место на фоне активизации усилий китайцев по продвижению своих неатомных ПЛ за рубеж. В частности, в апреле стало известно об одобрении премьер-министром Пакистана сделки по закупке 8 китайских ПЛ, стоимость которых может составить 4-5 млрд. долларов. Если сделка будет реализована, речь будет идти о крупнейшем контракте за всю историю китайского оружейного экспорта.
bmpd.livejournal.com
Воздухонезависимый двигатель — понятие, включающее в себя технологии, которые позволяют подводной лодке плавать без необходимости подниматься на поверхность. Понятие обычно исключает использование ядерной энергии (НАПЛ).
Распространение получили четыре вида:
К созданию воздухонезависимой энергетической установки разные страны подошли по-своему:
В первой половине 1960-х годов военно-морские справочники указывали на возможность установки на подводных лодках типа «Шёурмен» производства Швеции воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Однако ни «Шёурмены», ни последовавшие за ними «Наккены» и «Вестеръётланды» указанные силовые установки так и не получили. И только в 1988 году головная субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10 тыс. часов. Другими словами, именно шведы открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных двигательных установок. И если «Наккен» — первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа «Готланд» стали первыми серийными лодками с двигателями Стирлинга, которые позволяют им находиться под водой непрерывно до 20 суток. В настоящее время по большей части подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга, а шведские кораблестроители уже хорошо отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок, путём врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка.
В 2005–2007 гг. подводная лодка «Готланд» была сдана в лизинг США для использования на учениях в качестве подводного противника. Шведские моряки наглядно показали своим американским коллегам насколько сложна оборона от современных неатомных субмарин.
Подобные двигатели установлены также в новейших японских подводных лодках типа «Сорю».
Поскольку воздухонезависимая энергетическая установка требует для своей работы запаса на борту подводной лодки жидкого кислорода или водорода, а также из-за невысокой дальности подводного хода, обеспечиваемой ВНЭУ, существует тенденция к возвращению в современных проектах неатомных подводных лодок к традиционной дизель-электрической схеме с использованием сверхъемких литий-полимерных аккумуляторов[3][4].
ru-wiki.ru
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 10 сентября 2016; проверки требуют 3 правки. ДПЛ «Готланд» прибыла в Сан-Диего, США. 2005 годВоздухонезависимый двигатель — понятие, включающее в себя технологии, которые позволяют подводной лодке плавать без необходимости подниматься на поверхность. Понятие обычно исключает использование ядерной энергии (НАПЛ).
Распространение получили четыре вида:
К созданию воздухонезависимой энергетической установки разные страны подошли по-своему:
В первой половине 1960-х годов военно-морские справочники указывали на возможность установки на подводных лодках типа «Шёурмен» производства Швеции воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Однако ни «Шёурмены», ни последовавшие за ними «Наккены» и «Вестеръётланды» указанные силовые установки так и не получили. И только в 1988 году головная субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10 тыс. часов. Другими словами, именно шведы открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных двигательных установок. И если «Наккен» — первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа «Готланд» стали первыми серийными лодками с двигателями Стирлинга, которые позволяют им находиться под водой непрерывно до 20 суток. В настоящее время по большей части подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга, а шведские кораблестроители уже хорошо отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок, путём врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка.
В 2005–2007 гг. подводная лодка «Готланд» была сдана в лизинг США для использования на учениях в качестве подводного противника. Шведские моряки наглядно показали своим американским коллегам насколько сложна оборона от современных неатомных субмарин.
Подобные двигатели установлены также в новейших японских подводных лодках типа «Сорю».
Поскольку воздухонезависимая энергетическая установка требует для своей работы запаса на борту подводной лодки жидкого кислорода или водорода, а также из-за невысокой дальности подводного хода, обеспечиваемой ВНЭУ, существует тенденция к возвращению в современных проектах неатомных подводных лодок к традиционной дизель-электрической схеме с использованием сверхъемких литий-полимерных аккумуляторов[3][4].
www.gpedia.com
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Воздухонезависимый двигатель — понятие, включающее в себя технологии, которые позволяют подводной лодке плавать без необходимости подниматься на поверхность. Понятие обычно исключает использование ядерной энергии (НАПЛ).Распространение получили четыре вида: двигатели с внешним подводом тепла (Стирлинга), дизели замкнутого цикла, паротурбинные установки замкнутого цикла и, наконец, энергетические установки с электрохимическими генераторами.
К созданию воздухонезависимой энергетической установки разные страны подошли по-своему: Швеция пошла по пути создания установки на базе двигателя Стирлинга; основой немецкой установки стали электрохимический генератор и интерметаллидное хранение водорода; французы создали установку МЕSМА (Module d'Energie Sous-Marine Autonome) на основе работы турбины по замкнутому циклу, использующей этанол и жидкий кислород. КБ «Рубин» в России своим направлением по созданию ВНЭУ избрало электрохимический генератор[1][2].
В первой половине 1960-х годов военно-морские справочники указывали на возможность установки на подводных лодках типа «Шёурмен» производства Швеции воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Однако ни «Шёурмены», ни последовавшие за ними «Наккены» и «Вестеръётланды» указанные силовые установки так и не получили. И только в 1988 году головная субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10 тыс. часов. Другими словами, именно шведы открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных двигательных установок. И если «Наккен» — первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа «Готланд» стали первыми серийными лодками с двигателями Стирлинга, которые позволяют им находиться под водой непрерывно до 20 суток. В настоящее время по большей части подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга, а шведские кораблестроители уже хорошо отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок, путём врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка.
В 2005–2007 гг. подводная лодка «Готланд» была сдана в лизинг США для использования на учениях в качестве подводного противника. Шведские моряки наглядно показали своим американским коллегам насколько сложна оборона от современных неатомных субмарин.
Подобные двигатели установлены также в новейших японских подводных лодках типа «Сорю».
На текущий момент двигатель Стирлинга рассматривается как перспективный единый всережимный двигатель НАПЛ 5-го поколения.
o-ili-v.ru
