ПОДВОДНАЯ ЛОДКА И ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ
SUBMARINE AND SUBMARINE PROPULSION SYSTEM

Изобретение относится к судостроению, преимущественно подводному флоту.
Известна подводная лодка (атомная подводная лодка - АПЛ), содержащая прочный корпус, охватывающий его легкий корпус, цистерны между этими корпусами и спасательную камеру, пристыкованную к АПЛ с возможностью отделения от нее (см. Павлов А.С. Военные корабли России 1997-1998 гг. Справочник. Якутск: Литограф, 1997 - 151 с., с. 17, 18, 23, 24; Букалов В.М., Нарусбаев А.А. Проектирование атомных подводных лодок. Л., Судостроение, 1968, с.72-83).
Существующее расчленение среды обитания в прочном корпусе путем применения "прочных" межотсечных переборок подводной лодки носит иллюзорный характер, сохраняя взаимосвязь отсеков по проходящим через переборки многочисленным трубопроводам газов и жидкостей, воздуховодам вентиляции и кабельным трассам (силовым, управления, связи и др.), что зачастую приводит к невозможности локализации повреждений и пожаров на борту, потере управления отсеками и распространением повреждений в соседние отсеки. Такие ситуации неминуемо оканчиваются катастрофами, см. Букань С.П. По следам подводных катастроф. М.: Гильдия мастеров "Русь", 1992.
Эти результаты (обеспечение безопасности экипажа) достигаются тем, что в атомной подводной лодке, содержащей прочный корпус, охватывающий его легкий корпус, цистерны между этими корпусами и спасательную камеру, пристыкованную к атомной подводной лодке, прочный корпус выполнен из отдельных жестко связанных между собой капсул с разделением их на капсулы для обитания экипажа и капсулы с энергетическими и другими потенциально опасными установками и системами, причем капсулы прикреплены к общей силовой килевой ферме, а спасательная камера выполнена в виде самоходной и управляемой подводной лодки, в которой размещен главный пункт управления атомной подводной лодкой и которая используется для спасения всего экипажа при аварии атомной подводной лодки, при этом капсулы сообщены между собой переходными люками с герметичными закрытиями и через соединительный блок и разъемный шлюз для прохода в спасательную камеру.
Кроме того, на атомной подводной лодке установлены реакторы, имеющие ответвления первого контура на термоэлектрические генераторы с естественной циркуляцией теплоносителя. Кроме того, каждая капсула снабжена автономными системами пожаротушения и живучести, а обитаемые капсулы имеют еще и автономные системы жизнеобеспечения и связи.
Помимо повышения безопасности экипажа в капсулах, дистанционированных от капсул с энергетическими и другими опасными установками и системами, значительный функциональный эффект предлагаемой атомной подводной лодки (АПЛ) обеспечивается применением дополнительных термоэлектрических генераторов (ТЭГ), работающих со штатными реакторами ядерной энергетической установки (ЯЭУ) АПЛ (см. описание к патенту RU 2151083 С1). Это позволяет отказаться от аварийных дизель-генераторов и сократить емкость аккумуляторной батареи (резервной). Мощность ТЭГ ориентировочно на два порядка ниже, чем штатного турбогенератора, и выбирается из условий обеспечения бесшумного плавания АПЛ на малых ходах (3-7 узлов) в подводном рейсе с одновременным экономным снабжением электроэнергией основных бортовых систем управления, жизнеобеспечения, живучести и связи АПЛ, в том числе при ремонтах и/или авариях на борту без ограничения по времени пребывания в подводном положении.
Реальность предложения подтверждается достигнутыми в настоящее время показателями надежности и возможностями дистанционного управления сложных технических систем из удаленного центра с перенесением функций активной безопасности, саморегуляции и автоматического дублирования на локальные необслуживаемые компьютерные устройства уже давно успешно используемые, например, в наземной ядерной энергетике и в технике пилотируемых космических полетов, авиации (см., например, Отраслевой семинар Минатома "Современные методы и средства диагностики ЯЭУ. Обнинск, 2001 - 98 с., а также опытом создания и эксплуатации автоматизированной АПЛ проекта 705, разработанной СКБ-142, см. Ильин В.Е. Подводные лодки России. М.: Астраль, 2002 - 287 с, с. 62-71).
Предлагаемые капсулирование и дистанционное управление саморегулирующимися установками АПЛ из главного пункта управления (ГПУ), размещенного в спасательной камере, позволяют резко сократить численность экипажа АПЛ, оставляя за специалистами только контроль по основным служебным постам. При трехсменной вахте получается 15 человек на борту.
Ряд вспомогательных функций, таких как питание, уборка помещений, медицина, организация досуга и др., будет обеспечиваться подвахтенной сменой. Реальность такого расширения функций подтверждается практикой длительных (более 1 года!) космических пилотируемых полетов. С набором опыта плавания в подобных условиях можно ожидать дальнейшую интеграцию функций членов экипажа и снижение их численности.
Известна американская атомная подводная лодка "Тритон" (SSRN-586), имеющая кормовую оконечность (КО), содержащую прочный корпус, гребные валы с гребными винтами, а также главные упорные подшипники и дейдвуды в кормовом отсеке. (Быховский И.А. Атомные суда. Ленинград, 1961, с.121-128, 144, табл.13/3-я строка сверху).
Недостатком этой АПЛ является то, что ее КО не приспособлена для размещения в ней дополнительного оборудования контроля и защиты кормовой полусферы как из-за отсутствия необходимой площади для размещения, так и невозможности обеспечить условия для работы аппаратуры обнаружения.
Известна также российская дизельная ПЛ проекта 877 (Класс "Kilo" -"Варшавянка") (см. Справочник: Военные корабли СССР и России, Якутск, 1995, с.44), имеющая КО с кормовым отсеком, через которые насквозь проходит линия вала, а гребной винт расположен кормовее по отношению к кормовым рулям - прототип подводной лодки.
Недостатком КО данной ПЛ является конструктивная неприспособленность для размещения в ней дополнительных акустических и неакустических средств контроля за наиболее уязвимой кормовой полусферой пространства за ПЛ, систем подводной радиосвязи с выпускаемой антенной и средств активной и пассивной защиты от телеуправляемого и самонаводящегося оружия противника.
Подводная лодка (ПЛ) содержит прочный и легкий корпуса, гребной винт и вал, гребной электродвигатель, главный упорный и опорный подшипники, дейдвуд и кормовые рули с приводами, гребной винт подвижно насажен на прочный корпус, например в районе кормового отсека, и имеет ступицу большого диаметра, по контуру совпадающую с образующей линией легкого корпуса ПЛ в месте установки ГВ. При этом для размещения ГВ легкий корпус ПЛ имеет разрыв, а упор винта передается на корпусные конструкции прочного корпуса непосредственно от ГВ через кольцевые поверхности на ступице винта и прочном корпусе (находящиеся в плоскости шпангоута), снабженные антифрикционным покрытием, а смазка и охлаждение трущихся поверхностей обеспечивается самопротоком окружающей забортной воды.
Количество лопастей данного ГВ в связи с резким увеличением диаметра ступицы увеличивается в несколько раз по сравнению с ГВ традиционной конструкции, а их высота снижена из расчета создания требуемого упора ГВ при существенно сниженной частоте вращения до супернизких оборотов.
Привод ГВ осуществляется, например, несколькими радиально установленными электродвигателями, на выходном валу каждого из которых имеются шестерни, вступающие в зацепление с зубчатым колесом большого диаметра, являющимся частью конструкции ступицы ГВ.
Известен двигатель внешнего нагрева из сайта Интернет http://www.medem.kiev.ua/page/php (Приложение 1) с.3 нижняя фиг., содержащий цилиндр внутри которого установлены рабочий и вытеснительный поршни, кинематичечески связанные с валом и системы нагрева и охлаждения. Эта двигательная установка может быть применена на подводной лодке (прототип двигательной установки).
Недостатками этой двигательной установки является то, что в случае применения открытого источника горения подводная лодка может кратковременно двигаться в подводном положении. В случае применения ядерного реактора стоимость изготовления такой подводной лодки чрезвычайно велика и она должна иметь огромные габариты, что снижает ее боевые качества: не может действовать на мелководье. Кроме того, подводные лодки меньших габаритов мало уязвимы и могут плавать на большей глубине.
Задачи создания группы изобретений - значительное повышение длительности движения подводной лодки, ее надежности и боевой живучести.
Решение указанных задач достигнуто в подводной лодке, содержащей прочный корпус, охватывающий его легкий корпус, цистерны между этими корпусами, прочную рубку и спасательную всплывающую камеру, установленную внутри прочного корпуса под прочной рубкой, кормовую оконечность с гребным винтов, со ступицей, установленной на гребном валу, соединенном с электродвигателем, соединенным электрическим кабелем с аккумулятором, электрогенератор, вал которого соединен с главным валом двигательной установки, тем, что согласно изобретению двигательная установка состоит из двигателя внешнего нагрева, турбонасосного агрегата и камеры сгорания, соединенных газоводами, при этом к легкому корпусу прикреплены три кольцевых коллектора обтекаемой формы для забора и сброса воды и сброса выхлопных газов, соединенные с двигателем внешнего нагрева. Внутри прочного корпуса установлены баки окислителя и горючего, соединенные трубопроводами турбонасосным агрегатом.
Решение указанных задач достигнуто в двигательной установке подводной лодки, содержащей поршневую машину и соединенный с ней источник тепловой энергии, тем, что согласно изобретению поршневая машина выполнена в виде двигателя внешнего нагрева, а источник тепловой энергии в виде турбонасосного агрегата и камеры сгорания, соединенных газоводами.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…8, где:
- на фиг.1 приведена схема подводной лодки,
- на фиг.2 приведен вид сверху,
- на фиг.3 приведена двигательная установка,
- на фиг.4 приведен двигатель внешнего нагрева,
- на фиг.5 приведена схема электрооборудовании для первого варианта,
- на фиг.6 приведена схема электрооборудования для второго варианта,
- на фиг.7 приведен разрез А-А кормовой части подводной лодки,
- на фиг.8 приведена схема кормовой части подводной лодки,
Подводная лодка (фиг.1...8) содержит прочный корпус 1, охватывающий его легкий корпус 2, цистерны 3 между этими корпусами 1 и 2, прочную рубку 4 и спасательную всплывающую камеру 5, установленную внутри прочного корпуса 1 под прочной рубкой 4, кормовую оконечность 6 с гребным винтом 7 со ступицей 8, установленной на гребном валу 8, соединенном с электродвигателем 10.
Электродвигатель 10 электрическим кабелем 11 соединен с коммутатором 12, к которому также электрическим кабелем 11 присоединены аккумуляторы 13.
Внутри прочного корпуса 1 установлена двигательная установка 14, к который валом 15 присоединен электрогенератор 16. Электрогенератор 16 также электрическим кабелем 11 соединен с коммутатором 12.
Подводная лодка содержит палубы 17, переборки 18, разделяющие внутреннюю полость прочного корпуса 1 на отсеки 19. В одном или двух отсеках 18 установлены торпеды 20.
Внутри прочного корпуса 1 установлены бак окислителя 21 и бак горючего 22.
На легком корпусе 2 установлены три кольцевых коллектора:
- коллектор забора воды 23,
- коллектор сбора воды 24,
- коллектор сброса выхлопных газов 25.
Бак окислителя 21 (фиг.5) трубопроводом 26, содержащим главный клапан 27, соединен с двигательной установкой 14, а бак горючего 22 трубопроводом 28, содержащим главный клапан 29, соединен с двигательной установкой 14.
Возможен второй вариант исполнения электрической схемы соединения агрегатов подводной лодки (фиг.6). В этом случае на горячей поверхности двигательной установки 14 установлен термоэлетронный элемент 30 (например, блок горячих термопар) который электрическим кабелем 11 соединен с коммутатором 12 и позволяет получить дополнительную энергию.
Двигательная установка подводной лодки (фиг.3) содержит закрепленные в одном из отсеков 14 прочного корпуса 1 турбонасосный агрегат 31, камеру сгорания 32, газогенератор 33 и двигатель внешнего нагрева (Стерлинга) 34.
Газогенератор 33 подстыкован к турбонасосному агрегату 31. Турбонасосный агрегат 31 посредством газовода 35 соединен с камерой сгорания 32.
Турбонасосный агрегат 31 содержит в свою очередь турбину 36, насос окислителя 37, насос горючего 38. Турбонасосный агрегат 31 может содержать дополнительный насос горючего 39.
Выход из насоса горючего 38 соединен трубопроводом горючего 40 с входом в дополнительный насос горючего 39 (при его наличии).
Камера сгорания 32 (фиг.3) содержит головку 41, цилиндрическую часть 42, к которой прикреплен трубопровод 43, другой конец которой соединен с двигателем внешнего нагрева 34. Двигатель внешнего нагрева 34 имеет конический обтекатель 44 для направления продуктов сгорания.
Камера сгорания 32 и турбонасосный агрегат 31 закреплены на силовых шпангоутах 45 при помощи шарниров 46 и тяг 47.
Возможная пневмогидравлическая схема двигательной установки приведена на фиг.3 и содержит трубопровод горючего 48, подсоединенный одним концом к выходу насоса горючего 38 через пускоотсечной клапан горючего 49, выход этого трубопровода соединен с главным коллектором 50, расположенным на камере сгорания 32 или трубопроводе 43, если он выполнен охлаждаемым. Выход из насоса окислителя 37 трубопроводом окислителя 51, содержащим пускоотсечной клапан окислителя 52 соединен с газогенератором 33. Также выход из дополнительного насоса горючего 39 трубопроводом горючего 53, содержащим пускоотсечной клапан горючего 54 соединен с газогенератором 33. На газогенераторе 33 и на камере сгорания 32 установлены, по меньшей мере, по одному запальному устройству 55.
Двигательная установка 14 оборудована блоком управления 56, который электрическими связями 57 соединен с запальными устройствами 55 и с пускоотсечными клапанами 49, 52 и 54.
В электрической схеме управления применены четыре датчика температуры:
- первый датчик температуры нагревающей среды 58,
- второй датчик температуры нагревающей среды 59,
- первый датчик температуры охлаждающей среды 60,
- второй датчик температуры охлаждающей среды 61.
Датчики температуры 58...61 позволяют определять КПД двигателя внешнего нагрева в режиме реального времени.
Двигатель внешнего нагрева 34 (фиг.1…3) содержит: цилиндр 62, внутри которого расположены рабочий поршень 63 и вытеснительный поршень 64. Двигатель внешнего нагрева 34 имеет датчик частоты вращения 65 главного вала 11. В свою очередь цилиндр 62 выполнен их двух частей: нагревательной части 66 и охлаждающей части 67. Для этого цилиндр 62 выполнен пустотелым и содержит торцовую стенку 68 и боковую стенку 69. Боковая стенка 69 выполнена пустотелой и содержит внутреннюю стенку 70 и внешнюю стенку 71 с полостью нагрева 72, полостью охлаждения 73 между ними. На торцовой стенке 68 цилиндра 62 также может быть выполнена дополнительная полость нагрева 72.
Рабочий поршень 63 установлен на штоке 74, а вытеснительный поршень 64 - на внешнем штоке 75, выполненном в виде втулки коаксиально штоку 74.
К штокам 74 и 75 присоединен механизм преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное 76.
Далее описана конструкция этого механизма (фиг.4). К штоку 74 шарниром 77 присоединен шатун 78, другой конец которого через шарнир 79 соединен с рычагом 80, жестко закрепленным на главном валу 15.
Вытеснительный поршень 64 установлен на внешнем штоке 75.
К штоку 75 шарниром 81 присоединен шатун 82, другой конец которого через шарнир 83 соединен с рычагом 84, жестко закрепленным на главном валу 15. С главным валом 15 соединен датчик частоты вращения 65.
На главном валу 15 также может быть закреплен маховик 85.
Цилиндр 62 имеет открытый торец 86, имеющий отверстия 87 для сообщения полости 88 с атмосферой. На нагревательной части 66 цилиндра 62 может быть выполнена тепловая изоляция 89. Кроме того, между торцом 68 и рабочим поршнем 63 выполнена «горячая» полость 90, а между рабочим поршнем 63 и вытеснительным поршнем 64 - «холодная» полость 91 (фиг.4). Кроме того, двигатель внешнего нагрева 14 имеет системы нагрева 92 и охлаждения 93.
Система нагрева 92 содержит (фиг.4) кроме камеры сгорания 32 и трубопровода 43 полость нагрева 72 цилиндра 62, к выходу которой присоединен трубопровод сброса выхлопных газов 94 с обратным клапаном 95, присоединенный к коллектору сброса выхлопных газов 25.
Система охлаждения 93 содержит коллектор забора воды 23, к которому присоединен трубопровод отбора 96, содержащий отсечной кран 97, насос 98, имеющий привод 99, выход которого присоединен к полости охлаждения 73 цилиндра 62, с другой стороны полости охлаждения присоединен трубопровод сброса воды 100 с запорным клапаном 101, который соединен с коллектором сброса воды 24.
Насос 98 выполнены с переменной регулируемой производительностью, что достигнуто соединением их с приводом 99, это позволяет настраивать наиболее оптимальный по экономичности режим работы двигательной установки 14. Главный вал 15 через редуктор 102 (или мультипликатор) валом 103 соединен с электрогенератором 16.
Работа агрегатов двигательной установки и электрооборудования подводной лодки
Подводная лодка первого варианта исполнения работает следующим образом (фиг.1…8). Открывают главные клапаны 26 и 27 и окислитель с горючим из баков 24 и 25 по трубопроводам 26 и 28 (фиг.5) поступают в двигательную установку 14, где воспламеняются при помощи запальных устройств 53. Выхлопные газы по трубопроводу 99 поступают в полость нагрева 99 двигателя внешнего нагрева. Одновременно вода из заборного патрубка 99 по трубопроводу 99 подается в полость охлаждения 99 двигателя внешнего нагрева 99. Рабочий и вытеснительный поршни 62 и 63 совершают возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное посредством устройства преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное 76. Главный вал 15 приводит в действие электрогенератор 16.
Электрогенератор 16 вырабатывает электрический ток, который по электрическому кабелю 11 через коммутатор 12 подается в аккумулятор 13 и в электродвигатель 10. Электродвигатель 10 через гребной вал 9 приводит во вращение ступицу 8 с гребными винтами 7. Подводная лодка движется в подводном положении. При необходимости подзарядки аккумуляторов 13 электродвигатель 10 отключается коммутатором 12.
В варианте 2 (фиг.6) термоэлектрический генератор 30 дополнительно вырабатывает электрическую энергию, например, при отказе двигательной установки 14 или в течение нескольких часов после выключения двигательной установки 14 за счет остаточного тепла.
Это повышает надежность и боевую живучесть подводной лодки.
Применение группы изобретений позволило следующее.
1. Обеспечить значительное увеличение длительности пребывания подводной лодки в подводном положении.
2. Повысить надежность двигательной установки и подводной лодки.
3. Снизить стоимость двигательной установки и подводной лодки.
4. Значительно повысить надежность работы системы управления за счет применения блока управления и четырех датчиков температуры нагревающей и охлаждающей среды (забортной воды).