Развитие подводной техники во многом зависит от качества энергетического комплекса корабля, подсистемой которого является энергетическая установка (ЭУ). Перечень типов энергоустановок для подводных морских объектов довольно скуден: ядерные и дизель-электрические ЭУ, электрохимические генераторы, аккумуляторные батареи и различные тепловые двигатели замкнутого цикла. В настоящее время в большинстве ведущих кораблестроительных стран наряду с дальнейшим развитием атомного подводного флота уделяется серьезное внимание развитию неатомных подводных лодок (НАПЛ), которые примерно в 10 раз дешевле атомных и способны длительное время находиться в подводном положении и нести различные виды вооружения. НАПЛ, обладая высокой скрытностью, относительной дешевизной постройки и эксплуатации, выдвигаются на ведущие позиции в составе ВМФ разных стран [1].
Энергетические установки НАПЛ в данное время развиваются по двум направлениям. Первое направление характеризуется совершенствованием традиционных дизель-электрических энергетических установок. Второе направление развития энергетических установок НАПЛ связано с дальнейшим совершенствованием воздухонезависимых (анаэробных) ЭУ, которые позволяют создавать подводные лодки по своим оперативно-тактическим характеристикам (и в первую очередь, по времени непрерывного нахождения под водой) сравнимые с атомными ПЛ. Воздухонезависимые энергетические установки (ВНЭУ) НАПЛ могут иметь в своем составе тепловые двигатели различного типа или химические источники тока.
В качестве тепловых двигателей перспективных ВНЭУ подводных объектов могут использоваться дизельные установки замкнутого цикла, двигатели Стирлинга, паротурбинные и газотурбинные установки замкнутого цикла. Причем двигатель Стирлинга является малошумным двигателем с внешним подводом теплоты и может использоваться как для привода движителя, так и для подзарядки аккумуляторных батарей.
Дизель замкнутого цикла способен обеспечить подводный ход в пределах полной автономности НАПЛ. Этот двигатель обладает минимальной стоимостью разработки и изготовления по сравнению с другими типами ВНЭУ, низкими массогабаритными показателями, низким потреблением электроэнергии на собственные нужды.
Паро- и газотурбинные установки замкнутого цикла используют для выработки тепловой энергии жидкостные и твердотопливные газогенерирующие генераторы на гидрореагирующем топливе, а также другие источники.
Воздухонезависимые ЭУ на основе химических источников тока предполагают использование в своем составе, в первую очередь, электрохимических генераторов. В 60-х годах двадцатого столетия были освоены первые промышленные образцы электрохимических генераторов, являющихся, в принципе, такими же статическими источниками тока, как и аккумуляторные батареи, но обладающих значительно большей энергоемкостью. ЭУ с электрохимическими генераторами системы водород-кислород получили распространение в космической технике, одновременно были начаты поиски возможностей использования их на подводных лодках.
Одной из основных научно-технических проблем, решением которой занимаются проектировщики НАПЛ с ВНЭУ на основе электрохимических генераторов, является проблема, связанная с созданием простой, надежной и безопасной системой храпения и подачи водорода к топливным элементам. Электрохимические генераторы позволяют превращать энергию водорода в электроэнергию. И здесь побочным продуктом является вода, которая может быть использована для технических и бытовых нужд на подводном объекте.
Наиболее перспективным направлением в области создания анаэробных энергетических установок является использование в них двигателей Стирлинга. Бесшумность в работе, высокий к. п.д. (до 40 %), многотопливность и значительный моторесурс современных двигателей Стирлинга (около 60 тыс. часов), позволяют рекомендовать его как универсальный двигатель для всех типов НАПЛ — малого, среднего и большого водоизмещения, а также для большинства типов подводных аппаратов, использование которых возможно в интересах геологоразведки, освоения континентального шельфа, экологического мониторинга, ликвидации последствий аварий на море и т. д. [4].
В настоящее время по пути создания анаэробных энергетических установок с двигателями Стирлинга идут большинство кораблестроительных фирм Швеции, Франции, Японии, Австралии и США. Все реально эксплуатируемые в мире НАПЛ с анаэробными установками используют двигатель Стирлинга.
Принцип действия двигателя Стирлинга
Данный тепловой двигатель был изобретен Робертом Стирлингом в 1816 г. Газ, используемый в качестве рабочего тела двигателя Стирлинга, нагревается не в результате сжигания в нем топлива, а от горячих стенок, поэтому после совершения одного рабочего цикла не заменяется, как в ДВС, а используется повторно. Таким образом, двигатель Стирлинга, в отличие от ДВС, является двигателем с внешним подводом теплоты (ДВПТ).
Рис. 1. Идеальный цикл Стирлинга
Идеальный цикл ДВПТ (рис. 1) состоит из двух изотерм и двух изохор. В этом цикле теплота, отводимая от рабочего тела в изохорном процессе при его охлаждении, не уходит из цикла, а передается рабочему телу в процессе изохорного нагревания, т. е. теплота подводится в цикле только при изотермическом расширении, а отводится только при изотермическом сжатии. Очевидно, что термический КПД идеального цикла ДВПТ равен термическому КПД цикла Карно.
Устройство двигателя Стирлинга
Принципиальная схема двигателя Стирлинга представлена на рис. 2. Поршень 4 посредством штока 6 соединяется с траверсой 7. Один из концов траверсы через шатун 9 крепится к кривошипу 10, а другой через шатун 15 — к кривошипу 14. Вытеснитель 2 посредством штока 5 соединяется с траверсой 12, которая крепится к кривошипам 10 и 14 через шатуны 11, и 13. При одинаковой длине шатунов 9, 11, 13 и 15 образуется ромбическая фигура, у которой при движении изменяются только величины углов. В этом случае зубчатые колеса 8 и 16 всегда обеспечивают симметричную систему привода, связывающую между собой два коленчатых вала, когда выходная мощность может сниматься с любого из них.
Сальники 17 и ^способствуют образованию под поршнем 4 замкнутой цилиндрической полости 18у которую называют буферной полостью. Данная полость посредством капиллярной трубки сообщается с рабочей полостью и заполняется тем же газом, что используется в качестве рабочего тела.
Поршень-вытеснитель 2 в процессе возвратно-поступательного движения перемещает газ в одну из двух полостей, из которых нижняя находится при постоянной низкой температуре (холодная полость 3) а верхняя — при постоянной высокой температуре (горячая полость 1). Движение поршня-вытеснителя 2 сопровождается перетечкой газа либо из горячей полости 1 по каналам нагревателя 22 через регенератор 21 у канала охладителя 20 в холодную полость, либо в обратном направлении. Конструкция нагревателя определяется типом источника теплоты, например, при использовании жидкого или газообразного топлива нагреватель будет представлять собой камеру сгорания постоянного давления.
Рис. 2. Принципиальная схема ДВПТ с ромбическим приводом: 1 — горячая полость: 2 — поршень-вытеснитель; 3 — холодная полость; 4 — поршень; 5 -шток вытеснителя; 6 — шток поршня; 7, 12 — траверсы; 8, 16 — шестерни; 9, 11, 13, 15 — шатуны; 10, 14 — кривошипы коленчатых валов; 17, 19 — сальники; 18 — буферная полость; 20 — охладитель; 21 — регенератор; 22 — нагреватель
На рис. 3. представлена одна из возможных функциональных схем систем модуля с ДВПТ применительно к подводному аппарату. ДВПТ приводит во вращение электрогенератор ЭГ, электрический ток которого поступает на гребной электродвигатель (не показан на схеме). Жидкий кислород и дизельное топливо для работы ДВПТ хранятся в сферических или цилиндрических емкостях в зависимости от архитектуры подводного аппарата.
Рис. 3. Функциональная схема систем модуля с ДВПТ
Охлаждение ДВПТ осуществляется пресной водой, которая, в свою очередь, отдает теплоту заборной воде в поверхностном теплообменнике. В данной схеме циркуляция забортной воды осуществляется центробежным насосом.
От всех известных преобразователей энергии прямого цикла (дизелей, паровых и газовых турбин, карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, ЭХГ и др.), которые могут использоваться в составе анаэробных установок, двигатели Стирлинга выгодно отличаются целым рядом качеств, которые обуславливают перспективу их применения на НАПЛ [5]:
– практическая бесшумность в работе из-за отсутствия взрывных процессов в цилиндрах двигателя и клапанного механизма газораспределения и достаточно плавного протекания рабочего цикла при относительно равномерном крутящем моменте, что напрямую влияет на акустическую скрытность ПЛ — главную составляющую обобщенного показателя — «скрытность ПЛ»;
– высокий к. п.д. до 40 %, что значительно превосходят лучшие образцы дизелей и карбюраторных ДВС;
– возможность выполнить двигатели Стирлинга многотопливными, т. е. использовать в качестве горючего несколько типов углеводородного топлива (соляр, сжиженный природный газ, керосин и др.), что повысит боевую устойчивость НАПЛ;
– эксплуатация двигателей Стирлинга, работающих на традиционном топливе, не требует создания сложной береговой инфраструктуры, в отличие от ЭХГ, т. к. используется уже существующая береговая инфраструктура флота, более того, при необходимости, возможна организация базирование НАПЛ в недостаточно оборудованных пунктах, т. е. НАПЛ не будет «привязана» к существующим базам ВМФ, что существенно повысит ее мобильность и боевую устойчивость;
– моторесурс современных двигателей Стирлинга составляет от 20 до 50 тыс. часов, что от 3 до 8 раз превышает срок жизни ЭХГ (около 6 тыс. часов);
– при полном сроке эксплуатации ПЛ (25–30 лет) применение двигателей Стирлинга позволит сократить необходимое количество подводных лодок на 35–40 %, по сравнению с практикой применения анаэробных установок с ЭХГ и т. д.
Недостатки ДВПТ также очевидны:
– высокая стоимость ДВПТ по сравнению с ДВС;
– сложности системы регулирования;
– повышенные по сравнению с ДВС масса и габариты;
– высокое (по сравнению с топливными элементами) потребление жидкого кислорода, что снижает автономность НАПЛ по его запасам;
– низкое значение агрегатной мощности ДВПТ (не более 75 кВт на сегодняшний день);
– наличие акустической заметности НАПЛ с ДВПТ, вызываемой как движущимися частями двигателя, так и газовым выхлопом за борт;
– потребности в высоких технологиях изготовления деталей и узлов, в обеспечении их производства конструкционными материалами, способными работать при высоких температурах [1, 2].
Проведенный анализ перспектив развития различных типов двигателей позволяет утверждать, что наибольший интерес представляют собой двигатели, работающие по циклу Стирлинга. АНЭУ с двигателями Стирлинга обладают рядом преимуществ перед ДЗЦ: относительно низкий уровень воздушных шумов (на 20–40 дБ) и вибраций (до 5–3 0 дБ); более высокий КПД, особенно на частичных нагрузках, позволяющий сэкономить до 20 % топлива (по сравнению с ДВС). Двигатель Стирлинга, установленный на правильно подобранных амортизаторах, создает менее мощное акустическое поле, чем ДВС [3].
Вместе с тем двигатели Стирлинга отличаются увеличенными, по сравнению с ДВС, массами и габаритами, высокой стоимостью и, кроме того, сложностью регулирования. В настоящее время в мире именно на основе двигателей Стирлинга проектируется и эксплуатируется наибольшее количество АНЭУ для ПЛ.
Так, в 1996–1998 гг. в Швеции сдана в эксплуатацию серия из трех ПЛ с двигателями Стирлинга (типа «Gotland». В 1998 г. успешно прошла испытания французская ПЛ «Saga-1» с анаэробной системой на основе двигателя Стирлинга. в Японии фирмой Mitsubichi Heavy Industries испытан двигатель Стирлинга мощностью более 600 кВт для новой ПЛ с ЕД. В Германии фирмой MAN для перспективных ПЛ разрабатывается двигатель Стирлинга мощностью 700 кВт. Двигатели Стирлинга относятся к классу двигателей с внешним подводом тепла, что обуславливает особенность их работы. Процесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает более равновесно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура, при отсутствии газораспределительного механизма клапанов.
Специалистами ВРПСУ и ГУП «Центр «Меркурий»» разработано несколько принципиальных схем АНЭУ с двигателями Стирлинга, работающими на сжиженных природном газе и кислороде. Выбор в качестве горючего природного газа определяется его уникальными физико-химическими свойствами, громадными разведанными и разработанными запасами, развитой сетью его доставки во многие регионы страны по магистральным газопроводам и низкой ценой.
Выбор криогенного состояния компонентов топлива — природного газа и кислорода — определяется в основном исходя из опыта создания топливных систем других транспортных средств. Практика показывает, что применение криогенных (сжиженных) компонентов топлива позволяет снизить массу топливных систем в 2–3 раза, а объем в 1,5 раза.
Согласно результатам технико-экономических расчетов, система производства, хранения и распределения сжиженного природного газа (СПГ) имеет лучшие показатели, чем для компримированного (сжатого) природного газа (КПГ). Так, при масштабном производстве СПГ удельные капиталовложения ниже на 25–30 %, себестоимость производства меньше на 40 %, а суммарные приведенные затраты на производство, доставку и распределение ниже на 10–30 %, чем для КПГ.
Таким образом, АНЭУ с двигателями Стирлинга, работающими на сжиженных природном газе и кислороде, представляются в настоящее время наиболее привлекательными в экономическом отношении.
Для решения проблемы отработанных газов предполагается применять системы, как с внутренней утилизацией, так и с удалением их за борт ПЛ. При погружении лодки на глубину до 300–400 м продукты сгорания можно удалять непосредственно за борт ПЛ без применения компрессора. Давление, необходимое для этого, создается за счет применения камеры сгорания высокого давления двигателя Стирлинга и поддержания в трубопроводах системы сжигания топлива давления 3 Мпа. Однако при дальнейшем увеличении глубины погружения ПЛ для удаления отработанных газов необходим компрессор, что усложняет анаэробную установку и ухудшает ее виброшумовые характеристики. Поэтому целесообразно конденсировать или использовать продукты сгорания топлива внутри ПЛ, что позволяет применять камеру сгорания низкого давления и исключает необходимость выброса отработанных продуктов за борт.
Для обеспечения полноты сгорания СПГ предлагается подавать в камеру сгорания двигателя Стирлинга избыточный кислород по сравнению с количеством, которое определяется стехиометрическим соотношением. В последующем СО2 и Н2О из отработанных газов вымораживаются или частично возвращаются в топливный цикл вместе с не прореагировавшим кислородом. Данный подход позволяет также избежать нагарообразования на теплообменных поверхностях камеры сгорания и исключить попадание токсических газов в обитаемые помещения ПЛ.
С целью создания анаэробных энергетических установок для подводных лодок XXI века, конкурентоспособных на мировом рынке по скрытности и продолжительности автономного подводного плавания, может выполнить следующие виды работ [4]:
– разработать принципиальные схемы анаэробных установок на основе двигателей Стирлинга с различными видами горючего (дизельное топливо, сжиженный природный газ и т. д.);
– выполнить технико-экономическое обоснование выбора наиболее перспективного варианта анаэробной установки на основе двигателей Стирлинга для современной НАПЛ;
– определить массогабаритные характеристики основного энергетического оборудования, запасов материальных сред и участвовать в работе по компоновке энергоустановки в отсеке–модуле НАПЛ;
– обеспечить поставку, монтаж и сервисное обслуживание серийно выпускаемых двигателей Стирлинга для анаэробных установок современных НАПЛ;
– организовать создание опытно-промышленных образцов и мелкосерийное производство российских двигателей Стирлинга необходимой мощности для перспективных российских НАПЛ;
– обеспечить координацию взаимодействия предприятий по производству и поставке оборудования для анаэробных установок на основе двигателей Стирлинга;
– разработать эксплуатационную документацию по использованию анаэробных установок на основе двигателей Стирлинга на НАПЛ.
Литература:
- Дядик А. Н., Замуков В. В., Дядик В. А. Корабельные воздухонезависимые энергетические установки. — СПб.: Судостроение, 2006. — 424 с.
- Дядик А. Н., Никифоров Б. В. Корабельные энергетические установки. Научно-техническое издание. — СПб.: Колорит, 2010. — 577 с.
- Хотинский О. В. Развитие энергетических установок подводных лодок ВМФ России // Диссертация. Владивосток. 2003.
- https://ecoteco.ru/id317/
- http://energyua.com/795–0.html
