Soryu-tyyppinen diesel-sähköinen sukellusvene
Tämä artikkeli keskittyy sukellusveneisiin, joissa on anaerobisia tai ilmasta riippumattomia voimalaitoksia (VNEU). VNEU on erittäin laaja luokka erilaisia moottoreita, suunnitteluratkaisuja ja polttoainetyyppejä. Se erottaa sen kolmannen sukupolven sukellusveneiden propulsiojärjestelmistä on kyky pysyä upotettuna paljon pidempään, mikä lisää merkittävästi tällaisen sukellusveneen varkautta ja vaikeuttaa sukellusveneen havaitsemista. ilmailu. Edellisen sukupolven sukellusveneiden, esimerkiksi hankkeen 636 Varshavyanka diesel-sähkösukellusveneiden, on noustava pintaan 3-4 päivän välein, kytkettävä dieselmoottorit päälle ja ladattava akkuja. Nykyaikaiset sukellusveneet VNEU:lla voivat olla veden alla viikkoja.
Harkitse tärkeimpiä suunnitteluratkaisuja, joita käytetään tällaisten sukellusveneiden rakentamisessa
Stirlingin moottori
Stirling-moottori - lämpömoottori, jossa kaasun tai nesteen muodossa oleva käyttöneste liikkuu suljetussa tilavuudessa, eräänlainen ulkoinen polttomoottori. Se perustuu käyttönesteen jaksoittaiseen lämmitykseen ja jäähdyttämiseen, jolloin energiaa otetaan talteen tuloksena olevasta paineenmuutoksesta. Yleensä ilma toimii työnesteenä, mutta myös vetyä ja heliumia käytetään.
Haittoja.
1. Tilava ja materiaaliintensiivinen: Stirling-moottorin on jäähdytettävä käyttöneste, mikä johtaa voimalaitoksen painon ja koon merkittävään kasvuun laajentuneiden jäähdyttimien vuoksi.
2. Polttomoottoriin verrattavissa olevien ominaisuuksien saamiseksi on käytettävä korkeita paineita (yli 100 atm) ja erityisiä käyttönesteitä - vetyä, heliumia.
3. Lämpöä ei syötetä suoraan käyttönesteeseen, vaan vain lämmönvaihtimien seinien kautta. Seinillä on rajallinen lämmönjohtavuus, minkä vuoksi hyötysuhde on odotettua alhaisempi. Kuumalämmönvaihdin toimii erittäin rasittavissa lämmönsiirto-olosuhteissa ja erittäin korkeissa paineissa, mikä edellyttää korkealaatuisten ja kalliiden materiaalien käyttöä. Ristiriitaiset vaatimukset täyttävän lämmönvaihtimen luominen on erittäin ei-triviaali tehtävä. Mitä suurempi lämmönvaihtopinta-ala, sitä suurempi lämpöhäviö. Samalla lämmönvaihtimen koko ja työhön osallistumattoman käyttönesteen tilavuus kasvavat. Koska lämmönlähde sijaitsee ulkona, moottori reagoi hitaasti sylinteriin syötetyn lämpövuon muutoksiin, eikä se välttämättä tuota heti haluttua tehoa käynnistyksen yhteydessä.
4. Moottorin tehon nopeaan muutokseen käytetään polttomoottoreista poikkeavia menetelmiä: vaihtelevan tilavuuden puskurisäiliö, käyttönesteen keskipaineen muutos kammioissa, vaihekulman muutos työmännän ja syrjäyttäjän väliin. Jälkimmäisessä tapauksessa moottorin vaste kuljettajan ohjaustoimintoon on lähes välitön.
Ihmisarvoa.
1. Suunnittelun yksinkertaisuus - moottorin suunnittelu on hyvin yksinkertainen, se ei vaadi lisäjärjestelmiä, kuten kaasunjakelumekanismia. Se käynnistyy itsestään eikä vaadi käynnistintä. Sen ominaisuuksien avulla voit päästä eroon vaihteistosta.
2. Lisääntynyt resurssi - suunnittelun yksinkertaisuus, monien "herkkien" solmujen puuttuminen mahdollistaa "stirlingin" tarjoamisen muille moottoreille ennennäkemättömän suorituskykymarginaalin, joka on kymmenien ja satojen tuhansien tuntien jatkuvaa käyttöä.
3. Tehokkuus - tietyntyyppisen lämpöenergian hyödyntämiseksi, erityisesti pienellä lämpötilaerolla, "stirlingit" ovat usein tehokkaimpia moottorityyppejä.
4. Alhainen melutaso - "stirlingissä" ei ole pakokaasua sylintereistä, mikä tarkoittaa, että sen melutaso on paljon pienempi kuin mäntäpolttomoottoreissa.
Gotlannin tyyppiset dieselsähköiset sukellusveneet
Stirling-moottorilla toimivat sukellusveneet käyttävät tavallista dieselpolttoainetta ja nestemäistä happea hapettimena. Pioneerit VNEU:n luomisessa "stirlingien" kanssa olivat ruotsalaiset. Heidän Gotland-luokan sukellusveneet olivat ensimmäiset massatuotetut sukellusveneet, joissa oli tällaisia moottoreita. Minun on sanottava, että Stirlingit ovat teholtaan huonompia kuin nykyaikaiset dieselmoottorit, joten niitä käytetään lisäyksenä klassiseen diesel-sähkövoimalaitokseen. Tämä "lisäosa" antaa kuitenkin Gotland-tyyppisen sukellusveneen pysyä veden alla jopa 20 päivää. Stirlingin nopeus - 5 solmua. Ruotsalaisten sukellusveneiden lisäksi Stirling-moottoreita käytetään japanilaisissa Soryu-tyyppisissä sukellusveneissä.
Sähkökemialliset generaattorit
Toinen VNEU-tyyppi on EKG. Sähkökemiallinen generaattori perustuu polttokennoihin. Itse asiassa tämä on ladattava akku, jota ladataan jatkuvasti. Sähkökemiallisella generaattorilla varustetun voimalaitoksen toimintaperiaate on sama kuin 150 vuotta sitten, jolloin englantilainen William Robert Grove havaitsi vahingossa elektrolyysin aikana, että kaksi platinanauhaa, jotka oli puhallettu - toinen hapella ja toinen vedyllä, asetettiin vesipohjaiseen rikkihapon liuos, anna virta . Reaktion seurauksena muodostui sähkövirran lisäksi lämpöä ja vettä. Tässä tapauksessa energian muuntaminen tapahtuu hiljaa, ja reaktion ainoa sivutuote on tislattu vesi, jota on melko helppo löytää sukellusveneessä.
Tehokkuus- ja turvallisuuskriteerien mukaan vety päätettiin pitää sidottuina metallihydridinä (erityinen metalliseos yhdessä vedyn kanssa) ja happi nesteytetyssä muodossa erityisissä säiliöissä kevyen ja vahvan välissä. sukellusveneen rungot. Vety- ja happikatodien välissä on protoninvaihdon polymeerielektrolyyttikalvoja, jotka toimivat elektrolyyttinä.
diesel-sähköinen sukellusvene tyyppi 212
VNEU ja ECG löytyi sovelluksesta saksalaisissa tyypin 212 sukellusveneissä. Kehitetyn polttokennoasennuksen ilmeisistä eduista huolimatta se ei tarjoa valtameriluokan sukellusveneen vaadittuja toiminnallisia ja taktisia ominaisuuksia ensisijaisesti nopeiden liikkeiden suorittamisen kannalta. kohde tai hyökkäysvihollisen kiertäminen. Siksi sukellusveneet on varustettu yhdistetyllä propulsiojärjestelmällä, jossa akkujen tai polttokennojen avulla liikkuu suurilla nopeuksilla veden alla ja perinteisellä dieselgeneraattorilla navigoidaan pinnalla, jota käytetään myös akkujen lataamiseen. Yhdeksästä polttokennomoduulista koostuvan sähkökemiallisen generaattorin kokonaisteho on 400 hv. Kanssa. ja varmistaa veneen liikkeen vedenalaisessa asennossa 3 solmun nopeudella 20 päivän ajan melutasolla luonnollisen merimelun tason alapuolella.
Viime aikoina espanjalaiset ovat onnistuneet luomaan VNEU:n S-80-tyyppisille sukellusveneille. He käyttivät ECH:ta myös anaerobisena apulaitoksena, mutta päättivät tuottaa vetyä etanolista sen hajoamisen seurauksena. Happi varastoidaan nestemäisessä muodossa erityisessä säiliössä. Sukellusvene oleskelun kesto veden alla on 15 päivää.
Höyrygeneraattori anaerobinen voimalaitos
Scorpion-tyyppinen diesel-sähköinen sukellusvene
Ranskalaiset insinöörit ovat luoneet anaerobisen höyrynkehitinyksikön MESMA (Module d'Energie Sous-Marine Autonome) - autonomisen tehomoduulin sukellusveneille. MESMA käyttää Rankinen syklin periaatetta, joka koostuu nesteen kuumennusprosesseista, sen haihduttamisesta ja höyryn tulistusprosesseista, höyryn adiabaattisesta laajenemisesta ja sen kondensoitumisesta. Laitos luotiin suljetussa kierrossa toimivan höyryturbiinin pohjalta. Polttoaineena käytetään etanolia, nestemäinen happi hapettavana aineena. Etanoli tulee polttokammioon, joka myös vastaanottaa happea jo kaasumaisessa tilassa. Alkoholin ja hapen seoksen palamislämpötila voi nousta yli 700 °C:een. Etanolin palamistuotteita ovat vesi ja hiilidioksidi, vapautuvan hiilidioksidin korkea paine (jopa 60 ilmakehää) helpottaa sen poistamista laidan yli. ilman kompressoria jopa 600 metrin syvyydessä.
Polttokammion käyttöikä on määritelty 30 vuodeksi. Siten sitä käytetään koko sukellusveneen käyttöiän ajan.
Polttokammion lämmönvaihdin lämmittää nikkeliseoksesta valmistettua höyrynkehitintä. Kuumennettu höyry käyttää hiljaista, nopeaa vaihtovirtaturbogeneraattoria.
Poistohöyry tulee nikkeli-alumiini-pronssi lauhduttimeen, joka on myös toissijainen jäähdytin. Lauhdutin jäähdytetään juoksevalla merivedellä. Syntynyt lauhde palautetaan höyrystimeen. Veden kokonaismäärä "höyrygeneraattori-lauhdutin" -järjestelmässä on noin 500 litraa. Höyryturbiinin pyörimisnopeus jopa 10 tuhatta rpm. Generaattorin nimellislähtöteho on vähintään 200 kW.
MESMA-asennuksen teho mahdollistaa Scorpena-projektin sukellusveneiden kehittämisen 4 solmun vedenalaisen radan, jonka purjehdusaika on noin 250 tuntia. Suurempien nopeuksien saavuttamiseen käytetään perinteisiä akkuja.
Li-ion akut
Japanilaiset lanseerasivat 2020. maaliskuuta 11 Soryu-projektin XNUMX. sukellusveneen, mutta tällä sukellusveneellä on merkittävä ero muihin tämän tyyppisiin sukellusveneisiin - siinä on litiumioniakut.
Litiumioniakkujen käytön ansiosta japanilaiset pystyivät luopumaan sekä Stirling-moottoreiden että perinteisten lyijyakkujen käytöstä uudessa sukellusveneessä.
Litiumioniakut tarjoavat tällaiselle sukellusveneelle vedenalaisen keston, joka on verrattavissa muihin VNEU:ihin, ja uusien akkujen suuri kapasiteetti mahdollistaa sukellusveneen 20 solmun vedenalaisen nopeuden.
VNEU Venäjän laivastossa
Projektin 750B sukellusveneen layout
Tietenkin tärkein asia meille on sukellusveneiden anaerobisten moottoreiden tilanne Venäjällä. Kuinka me voimme? Valitettavasti kehittäjämme eivät ole vielä onnistuneet luomaan VNEU:ta. Ensimmäisen kotimaisen dieselsähköisen VNEU-sukellusveneen piti olla projektin 677 "Lada" sukellusvene, mutta asiat eivät toimineet. Siitä huolimatta työ VNEU:n luomiseksi jatkuu ja vuonna 2019 avattiin uusi tutkimus- ja kehitystyö tälle aiheelle.
VNEU:n luomiseen osallistuvat Central Design Bureau Rubin, joka kehittää EKG:hen perustuvaa anaerobista laitosta, ja Design Bureau Malakhit, joka työskentelee suljetun kierron anaerobisen kaasuturbiinimoottorin luomisessa.
Malachite on yksi kaasuturbiinimoottori, jota voidaan käyttää sekä pinnalla että veden alla. Pinta-asennossa liikkumiseen käytetään ilmakehän ilmaa. Veden alla hapetin syötetään Dewar-astiasta, joka sisältää nestemäistä happea. Turbiinin päästämä kaasuseos puhdistetaan ja jäädytetään vapauttamatta mitään ulos. Näin ollen vedenalainen nopeus ilman akkua (vain VNEU:lta) ylittää 10 solmua. Malakiitti kehittää paitsi moottoria myös sukellusvenettä. Projektin koodi on P-750B. Suunniteltu sukellusvene uppouma on 1450 tonnia, miehistö 18-20 henkilöä, sukellussyvyys jopa 300 metriä ja suurin nopeus 18 solmua. Sukellusvene voidaan aseistaa torpedoilla, miinoilla ja jopa Caliber-risteilyohjuksilla.
Johtopäätös
Jää vielä vastata kysymykseen: miksi Venäjän laivasto tarvitsee sukellusveneitä VNEU:lla? Pohjimmiltaan nykyaikaisilla VNEU:lla on useita haittoja: pieni teho, mikä pakottaa niitä käyttämään yhdessä perinteisen diesel-sähkövoimalaitoksen kanssa, seurauksena - alhainen vedenalainen nopeus VNEU:lla (ei koske litiumia sisältäviä diesel-sähkösukellusveneitä -ioni-akut), korkeat kustannukset, tarvitsevat erityisen infrastruktuurin rakentamisen laivastotukikohtaan.
Ja silti edut ovat haittoja suuremmat. Tärkein niistä on korkea salassapito ja vaikeus havaita tällainen sukellusvene sukellusveneen vastaisilla lentokoneilla. Meille tämä on erittäin tärkeää, koska esimerkiksi Japanissa on noin sata modernia sukellusveneentorjuntalentokonetta. Toinen etu on erittäin alhainen melutaso, usein vähemmän kuin meren taustamelu. Ja lopuksi, riippumatta siitä, kuinka kallis sukellusvene VNEU:lla on, se on silti halvempi kuin ydin. Lisäksi sukellusveneitä, joissa on VNEU, käytetään aktiivisesti laivastoja mahdolliset vastustajamme: Saksa, Turkki, Japani. Konfliktin sattuessa sukellusveneemme joutuvat kohtaamaan kehittyneempiä sukellusveneitä. Ja jos nykyaikaisia VNEU-moottoreita ei kehitetä, niin nyt vallitsevasta teknologisesta aukosta tulee lopulta ylitsepääsemätön kuilu.