Подводные лодки. Submarine.itishistory.ru
ПОДЛОДКИ МОДЕЛИ ТАНКИ ИСТОРИЯ

Разработки двигателей для Подводной Лодки

На разработке двигателей Стирлинга, или двигателей с внешним подводом теплоты, сосредоточили свои усилия шведские специалисты. Их конструкция предусматривает наличие единой камеры сгорания для всех цилиндров, использование поршней двойного действия, выполняющих функции рабочего поршня и вытеснителя. Топливо может быть любое, в качестве окислителя используется кислород. По своему КПД двигатели соответствуют современным дизелям, но уступают им по мощности. Поэтому они могут использоваться на подводных лодках только как дополнительные двигатели к классической дизель-электрической силовой установке. Например, на шведских подлодках типа «Готланд» два двигателя Стирлинга мощностью чуть более 100л. с. увеличили время ее пребывания под водой в 7 раз (до 14 суток). Общий запас криогенного кислорода в двух цистернах составил 24 т.

Основные тактико-технические элементы современных неатомных подводных лодок

Название

Пр. 877

Тип «Готланд»

Тип 212

Пр. 877Э

Страна разработчик

проекта, год вступления в

строй головной пл

Россия, 1980

Швеция, 1996

Германия, 2003

Россия, 1986

Водоизмещение, т:

 

 

 

 

надводное

2300

1380

1450

1765

подводное

3950

1490

1830

Запас плавучести, %

70

8

26

Архитектурно-

конструктивный тип

двухкорпусная

однокорпусная

одно—двухкорпусная

однокорпусная

 

 

Главные размерения, м:

 

 

 

 

длина наибольшая

72,6

60,6

55,9

67

ширина наибольшая

9,9

6

7

7

осадка наибольшая

6,2

5,6

6

Главная энергетическая

установка:

ДЭУ с полным

ДЭУ с полным

ДЭУ +

ДЭУ с полным

электродвижением

электродвижением + установка с Стирлинг-генератором

электро-химический генератор

электродви-

жением

число × мощность

2 × 1300

3 × 4240

2 × •

дизелей, л. с.

 

 

 

 

число × мощность

1 × 5500 +

1 × 3600

1 × 3875

1 × 5570

электродвигателей, л. с.

1 × 190 + 2 × 102

 

 

 

число × мощность воз-

2 × 75

1 × 300

духонезависимой

 

 

 

 

установки, кВт

 

 

 

 

число гребных валов

1

1

1

1

Скорость хода, узлы:

 

 

 

 

надводная

10

11

12

10

наибольшая в режиме

 

 

8

РДП

7

10

 

 

подводная наибольшая

17

20

20

21

подводная экономичная

3

6

3

3

Дальность плавания, миль:

 

 

 

 

в режиме РДД

6000

8000

6000

подводная

 

 

 

 

экономичным ходом

400

1440

650

Название

Пр. 877

Тип «Готланд»

Тип 212

Пр. 877Э

Глубина погружения

300

200

300

250

предельная, м

 

 

 

 

Вооружение:

 

 

 

 

число ТА × калибр

6 × 533

6 × 533 + 3 × 400

6 × 533

6 × 533

боекомплект торпед

18

12 + 6

12

18 (в т.ч. ПКР)

мин в спецконтейнерах

48

зенитный ракетный

6—8 ПЗРК

комплекс

 

 

 

 

радиоэлектронное

БИУС, ГАК,

БИУС, ГАК,

БИУС, ГАК,

БИУС, ГАК,

 

РЛК, ИНС

РЛК, ИНС

РЛК, РЭБ

РЛК, ИНС, КРЭБ

Экипаж, чел.

57 (16)

28 (5)

27 (8)

34 (•)

(в т. ч. офицеров)

 

 

 

 

Примечание. ДЭУ — дизель-электрическая установка, ПЗРК — переносной зенитный ракетный комплекс, ПКР — противокорабельная ракета, БИУС — боевая информационно-управляющая система, ГАК — гидроакустический комплекс, РЛК — радиолокационный комплекс, ИНС — инерциальная навигационная система, КРЭБ — комплекс радиоэлектронной борьбы.

 

Электрохимический генератор создан на базе топливных элементов. По сути это аккумуляторная батарея с постоянной подзарядкой. Физика его работы базируется на процессе, обратном электролизу воды, когда при соединении водорода с кислородом выделяется электроэнергия. При этом энергетическое превращение происходит бесшумно, а единственным побочным продуктом реакции является дистиллированная вода, которой достаточно легко найти применение на подводной лодке. По критериям эффективности и безопасности водород решили держать в связанном состоянии в форме металлогидрида (специальный сплав металла в соединении с водородом), а кислород — в сжиженном виде в специальных емкостях между легким и прочным корпусами подлодки. Между водородным и кислородным катодами находятся полимерные электролитные мембраны протонного обмена, выполняющие функцию электролита. Мощность одного элемента достигает 34 кВт, а кпд установки доведен до 70 %. Несмотря на очевидные преимущества разработанной установки на топливных элементах, она не обеспечивает требуемые оперативно-тактические характеристики подводной лодки океанского класса, прежде всего в части, касающейся выполнения скоростных маневров при преследовании цели или уклонении от атаки противника. Поэтому подводные лодки проекта 212 оснащаются комбинированной двигательной установкой, в которой для движения на высоких скоростях под водой используются аккумуляторные батареи или топливные элементы, а для плавания в надводном положении — традиционный дизель-генератор, в состав которого входит 16-цилиндровый V-образный дизель и синхронный генератор переменного тока. Дизель-генератор используется также для подзарядки аккумуляторной батареи — традиционного элемента неядерных подводных лодок. Электрохимический генератор, состоящий из девяти модулей топливных элементов, имеет суммарную мощность 400л. с. и обеспечивает движение лодки в подводном положении со скоростью 3 узла в течение 20 суток с показателями шумности ниже уровня естественных шумов моря.

 

Германская подводная лодка типа 212:

Германская подводная лодка типа 212:

 1 — носовая антенна гидроакустического комплекса; 2 — торпедный аппарат; 3, 10, 17 — цистерны главного балласта; 5 — помещение запасных торпед; 6 — жилые помещения;  7 — прочная рубка; 8 — подъемно-мачтовое устройство; 9 — центральный пост; 11 — установка элект генератора; 12 — цистерна хранения криогенного кислорода; 13 — интерметаллидные емкости; 14 — дизель-генератор; 15 — топливная цистерна; 16 — гребной электродвигатель

 

В 1930-х гг. существовала еще одна попытка создать дизель, работающий по замкнутому циклу, но с применением в качестве окислителя не кислорода, а перекиси водорода. Автором идеи стал германский инженер Гельмут Вальтер. К этой идее его подтолкнуло наблюдение за тем, что подожженные перекисью органические материалы невозможно потушить ни с помощью песка, ни с помощью пенного огнетушителя — под их слоем без доступа воздуха органика все равно горела. Значит, необходимый для поддержания процесса горения кислород выделялся самой перекисью водорода. В 1933г. Вальтер приступил к целенаправленному исследованию энергетических возможностей растворов перекиси водорода. При этом выяснились интересные закономерности. Во-первых, чем выше концентрация раствора перекиси, тем больше при ее разложении выделяется тепла, вода же, начиная с концентрации 60 % и выше испарялась, а продукты разложения — смесь водяных паров и кислорода (парогаз) — перегревались. Во-вторых, каждой концентрации раствора соответствовало строго определенное количество выделяющейся теплоты и кислорода. В-третьих, при использовании в качестве катализатора очень сильных окислителей — перманганатов натрия и кальция — реакция разложения проходила практически мгновенно и до конца.

В результате исследований Вальтер пришел к выводу, что наиболее эффективно свойства концентрированной перекиси водорода применить не в дизельной, а в турбинной установке. В 1936г. такую экспериментальную парогазовую турбинную энергетическую установку построили в Киле.

 

Схема водородно-кислородного топливного элемента

Схема водородно-кислородного топливного элемента:

 1 — водородный электрод (анод); 2 — полимерная электролитная мембрана протонного обмена; 3 — кислородный электрод (катод); 4 — вода

 

Первая парогазовая установка работала по так называемому «холодному» циклу. Продукты реакции разложения высококонцентрированного раствора перекиси водорода подавались в турбину, вращавшую через понижающий редуктор гребной винт, а затем отводились за борт. В ходе испытаний пришлось решать попутно возникающие проблемы. Например, обнаружилось, что пыль, ржавчина, щелочи и другие примеси резко ускоряют разложение перекиси и создают опасность взрыва. Поэтому для хранения раствора перекиси применили эластичные емкости из синтетического материала. Такие емкости планировалось размещать вне прочного корпуса, что позволяло рационально использовать свободные объемы межкорпусного пространства и, кроме того, создавать подпор раствора перекиси перед насосом установки за счет давления забортной воды.

Первая энергетическая установка имела два очевидных недостатка. Кислород, содержащийся в отводимых за борт продуктах реакции, плохо растворялся в воде, а его пузырьки могли демаскировать подводную лодку. Но главное, в условиях корабля, изолированного от атмосферы толщей воды, выбрасывать за борт кислород было неоправданным расточительством. Поэтому логическим продолжением «холодного» процесса являлся «горячий», при котором в продукты разложения перекиси можно подать органическое топливо и сжигать его в среде ранее неиспользованного кислорода. В таком варианте мощность установки резко возрастала и, кроме того, уменьшалась следность, так как продукт горения — углекислый газ — значительно лучше кислорода растворяется в воде. Вальтер отдавал себе отчет в недостатках «холодного» процесса, но мирился с ними, так как понимал, что в конструктивном отношении такая энергетическая установка будет несоизмеримо проще, чем при «горячем» цикле, а значит, можно гораздо быстрее построить лодку и продемонстрировать ее достоинства.

В 1937г. Вальтер доложил результаты своих опытов руководству германских ВМС и заверил всех в возможности создания подводных лодок с парогазовыми турбинными установками с невиданной доселе скоростью подводного хода более 20 узлов. В результате совещания было принято решение о создании опытной подлодки. В процессе ее проектирования решались вопросы, связанные не только с применением необычной энергетической установки. Для проектной скорости подводного хода порядка 25 узлов обводы корпуса обычной подводной лодки и способы управления ею в подводном положении стали неприемлемы. Пришлось прибегнуть к опыту авиастроителей. Выбирая оптимальную форму и размеры корпуса лодки, испытали несколько моделей в аэродинамической трубе. При создании системы управления по курсу и глубине применили сдвоенные рули по образцу рулей самолета «Юнкерс-52». В 1938г. в Киле заложили первую в мире опытную подводную лодку с энергетической установкой на перекиси водорода водоизмещением 80 т, получившую обозначение V-80 (ФАУ-80). Проведенные в 1940г. испытания буквально ошеломили — подлодка развила под водой скорость 28,1 узла.

Несмотря на великолепные результаты испытаний подводной лодки V-80, дальнейшие работы застопорились — шла Вторая мировая война и германское командование сделало ставку на уже отработанные образцы вооружения. Однако подводные лодки для Германии, в отличие от других государств, — это стратегическое оружие. Только с помощью его можно было надеяться поставить на колени одного из своих главных противников — Великобританию. Поэтому уже в 1941 г. начинается разработка, а затем постройка подводной лодки V-300 с парогазовой турбиной, работающей по так называемому «горячему» циклу.

 

Принципиальная схема парогазовой турбинной установки, работающей по «холодному» циклу

Принципиальная схема парогазовой турбинной установки, работающей по «холодному» циклу:

1 — гребной винт; 2 — редуктор; 3 — турбина; 4 — сепаратор; 5 — камера разложения; 6 — регулирующий клапан; 7— электронасос раствора перекиси; 8 — эластичные емкости раствора перекиси; 9 — невозвратный клапан удаления за борт продуктов разложения перекиси

 

Парогазовая турбинная установка по «горячему» циклу работала следующим образом. Насос для подачи раствора перекиси водорода, сблокированный на одной оси трехнасосного агрегата с топливным и водяным насосами, подавал раствор из эластичных емкостей через четырехкомпонентный регулятор, трехкомпонентный переключатель и клапан включения форсунок в камеру разложения. Продукты разложения — пары воды и кислород поступали в камеру горения, куда одновременно подавалось топливным насосом органическое топливо из цистерн. При пуске установки зажигание осуществлялось запальным устройством, к которому топливо подводилось помимо четырехкомпонентного регулятора по специальному растопочному трубопроводу с клапаном. Топливо сгорало в среде, насыщенной свободным кислородом. Температура продуктов горения достигала 2000°С. Для ее снижения перед лопатками турбины до 550°С в камеру горения водяным насосом через те же четырехкомпонентный регулятор и трехкомпонентный переключатель подавалась питательная вода. Парогаз, состоявший из паров воды и углекислоты, из камеры горения через сепаратор поступал в турбину, вращавшую через понижающий редуктор гребной винт. Из турбины отработавший парогаз поступал в конденсатор смешения, где охлаждался, смешиваясь с подаваемой в конденсатор водой. Сконденсировавшиеся пары воды конденсатным насосом прокачивались через расположенный за бортом охладитель, после чего часть конденсата возвращалась в конденсатор для охлаждения парогаза, а другая подавалась водяным насосом в камеру горения. При установившемся режиме работы установки вода, накапливающаяся в процессе разложения перекиси водорода, отводилась за борт. Углекислота из газосборника удалялась за борт компрессором. В связи с расходом раствора перекиси и топлива неизменность водоизмещения подводной лодки достигалась замещением их забортной водой, поступление которой в специальные цистерны дозировал четырехкомпонентный регулятор.

 

Принципиальная схема парогазовой турбинной установки, работающей по «горячему» циклу

Принципиальная схема парогазовой турбинной установки, работающей по «горячему» циклу:

 1 — гребной винт; 2 — редуктор; 3 — турбина; 4 — гребной электродвигатель; 5 — сепаратор; 6 — камера горения; 7 — запальное устройство; 8 — клапан растопочного трубопровода; 9 — камера разложения; 10 — клапан включения форсунок; 11 — трехкомпонентный переключатель; 12 — четырехкомпонентный регулятор; 13 — насос раствора перекиси водорода; 14 — топливный насос; 15 — водяной насос; 16 — охладитель конденсата; 17 — конденсатный насос; 18 — конденсатор смешения; 19 — газосборник; 20 — углекислотный компрессор

 

На V-300, или U-791, такое литерно-цифровое обозначение получила эта подлодка, дополнительно к парогазовой турбине имелась дизель-электрическая силовая установка. Дело в том, что турбина фактически являлась форсажным двигателем и никак не могла стать основным хотя бы из-за очень низкой экономичности. Так что, скорее, парогазовая турбина являлась дополнением кклассической установке. U-791 так и не достроили, а сразу заложили четыре опытно-боевые подводные лодки двух серий — Wa-201 (Wa — Вальтер) и Wk-202 (Wk — Вальтер—Крупп) различных судостроительных фирм. По своим энергетическим установкам они были идентичны, но отличались кормовым оперением. С 1943 г. начались их испытания, которые проходили тяжело, но к концу 1944г. все основные технические проблемы были позади. В частности U-792 (серия Wa-201) прошла испытания на полную дальность плавания, когда, имея запас перекиси водорода 40 т, она почти четыре с половиной часа шла под форсажной турбиной и четыре часа поддерживала скорость 19,5 узла.

Не дожидаясь окончания испытаний опытных подлодок, в январе 1943г. промышленности выдается заказ на постройку сразу 12 кораблей двух серий — XVIIB и XVIIG. До окончания войны на воду успели спустить только пять единиц, из которых три прошли испытания. Перед капитуляцией всех их затопили экипажи. Но, пользуясь тем, что это произошло на мелководье и в британской зоне оккупации, две из них подняли и перегнали — U-1406 в США, а U-1407 в Великобританию. Там специалисты тщательно изучили эти подлодки, а британцы даже провели натурные испытания.

Горький опыт двух мировых войн на море вселил в британцев убежденность в безусловном приоритете противолодочных сил. В этой плоскости рассматривались все боевые средства флота, от радиоразведки до авианосцев и авиации берегового базирования. Несколько раз британцы пытались создать специальные противолодочные подводные лодки. Предполагалось развертывание их на подходах к базам противника, где они должны были атаковывать выходящие в море подлодки врага. Но для этого сами противолодочные подлодки должны были обладать двумя важными качествами: способностью длительное время скрытно находиться под носом у противника и хотя бы кратковременно развивать большие скорости хода для быстрого сближения с противником и внезапной его атаки. Немцы в качестве трофея подарили своим вчерашним противникам решение обеих проблем: РПД и газовая турбина. Поэтому британцы не только восстановили и испытали германскую U-1407, еще и построили в 1956г. две свои опытовые «Эксплорер» и «Экскалибур». Однако время ушло. К тому сроку американцы уже внедрили ядерную силовую установку, по этому пути решили идти и британцы. Тем более что эксплуатация подводных лодок с парогазовыми турбинами оказалась делом дорогим: один ходовой час «Эксплорера» обходился в 5000 фунтов стерлингов, что по курсу того времени равно 12,5 кг золота.

 

Английская экспериментальная подводная лодка «Эксплорер»

Английская экспериментальная подводная лодка «Эксплорер»

 

Советскому Союзу подлодок с газовыми турбинами не досталось. Однако, учитывая богатый отечественный опыт создания единого двигателя для подводных лодок, германские разработки по парогазовым турбинам нас очень интересовали.

Основные тактико-технические элементы подводных лодок с парогазотурбинным двигателем

Название

Wa-201

XVIIB серия

Пр. 617

Страна разработчик проекта, год

вступления в строй головной пл

Германия, 1944

Германия, —

СССР, 1956

Водоизмещение, т:

надводное

подводное

 

277

372

 

312

415

 

950

1216

Главные размерения, м:

длина наибольшая

ширина наибольшая

осадка наибольшая

 

34

3,4

4,55

 

41,4

5 4,5

4,3

 

62,2

6

5

Главная энергетическая установка:

число × мощность газовых турбин, л. с.

число × мощность дизелей, л. с.

число × мощность электродвигателей, л. с.

запас перекиси водорода, т

2 × 2500

1 × 230

1 × 77,5

43

1 × 2500

1 × 230

1 × 77,5

52

1 × 7250

1 × 600

1 × 540

103,4

Скорость хода, узлы:

надводная наибольшая

надводная экономичная

подводная наибольшая под турбиной

подводная экономичная под турбиной

подводная экономичная под электродвигателем

 

9

 9

25

20

5

 

8,8

8,5

25

15

 5

 

11

8,5

20

14,2

2,3

Дальность плавания, миль:

надводная экономичным ходом

подводная экономичным ходом под турбиной

подводная экономичным ходом

под электродвигателем

 

2910

127

50

 

3000

163

76

 

8500

198

132

Глубина погружения предельная, м                                 

150

200

Вооружение:

носовые 533-мм ТА

боекомплект торпед

 

2

4

 

2

4

 

6

12

Экипаж, чел.                                                                 12

12

12

51

 

Поэтому в 1946г. в Ленинграде по трофейным документам восстановили проект германской подводной лодки XXVI серии с парогазовой турбиной (у нас он имел номер 616). Но не хватало материалов по самой турбине. По этой причине в 1947г. в Восточной Германии создается специальное конструкторское бюро по воссозданию парогазовой турбины.

 

Подводная лодка пр. 617

Подводная лодка пр. 617:

1 — цистерна замещения израсходованной перекиси водорода; 2 — главный дизель; 3 — вспомогательный дизель; 4 — гребной электродвигатель; 5 — пульт управления парогазовой турбиной; 6 — камера разложения; 7 — камера горения; 8 — турбина; 9 — трехкомпонентный насос; 10 — четырехкомпонентный регулятор; 11 — трехкомпонентный переключатель; 12 — электродвигатель экономичного хода; 13 — цистерна перекиси водорода

Подводная лодка пр. 617

 

Для этого бюро собирало в советской оккупационной зоне все и всех, что и кто имели какое-либо отношение к турбинам Вальтера и подлодкам с ними. Одновременно началось проектирование подводной лодки проекта 617 с парогазовой турбиной, собранной из механизмов, найденных в Германии. Летом 1952г. С-99, такое обозначение получила подлодка проекта 617, вышла на ходовые испытания. Однако завершили их только в 1955г., после чего началась опытная эксплуатация подлодки. В приемном акте особо отмечалось, что С-99 по скорости подводного хода и его дальности не имеет себе равных в отечественном флоте. Но, как ни странно, на первый взгляд результаты испытаний не привели в восторг представителей флота. Дело в том, что большая скорость хода под форсажной турбиной сочеталась с высокой шумностью. Это приводило к «ослеплению» ее гидроакустической станции. Просто тогда еще не знали, что точно с такой же проблемой столкнутся на атомных подводных лодках, а в то время С-99 просто забраковали. 17 мая 1959г. на ней произошла авария — взрыв в машинном отделении. Лодка чудом не погибла, восстанавливать ее не стали и сдали на металлолом.

Предыстория Подводной лодки

Первые двигатели для Подводных лодок

Первое оружие Подводных лодок

Почему Подводная Лодка не тонет

Первые работоспособные Подводные лодки

Тактико-технические элементы первых Подводных лодок

Первые двигатели сгорания на Подводных Лодках

Создание первых Торпед для подводных лодок

Жилое помещение на Подводной лодке

Подводные лодки на Войне

Позиционные Подводные лодки

Подводные минные заградители

Паросиловые установки на Подводной лодке

Погружение Подводной лодки

Перископ на Подводной лодке

Гидроакустика на Подводной лодке

Эхопеленгование на Подводной лодке

Радиолокация на Подводной лодке

Торпеда — главное оружие Подводной лодки

Подводные лодки Крейсера

Основные тактико-технические элементы подводных крейсеров

Подводные Авианосцы

Вентиляционные трубы Подводной лодки

Спасательный комплекс Подводной лодки

Анализ Подводных лодок после Второй мировой войны

Двигатели для Подводной лодки

Разработки двигателей для Подводной лодки

Схема электродвижения Подводной лодки

Первые Подводные лодки с ядерной энергетической установкой

Многоцелевые атомные Подводные лодки

Подводные лодки с баллистическими ракетами

Баллистические ракеты Подводных лодок

Подводные лодки с ядерной энергетической установкой

Минно-торпедное оружие Подводных лодок

Крылатые ракеты Подводных лодок

Спасательная камера Подводной лодки

Конструкция корпусов современных Подводных лодок

Центральный пост дизельной подводной лодки

Навигационное вооружение Подводных лодок

Летопись подводного флота

Основы теории корабля

Модель торпедного катера

Модель тральщика

Модель подводной лодки

Модель противолодочного корабля

Модель эскадренного миноносца

Модель крейсера

Двигатели для моделей кораблей

Гребной винт для модели корабля