АТОМНЫЙ ТУРБОРЕДУКТОРНЫЙ ЛЕДОКОЛ

Заявляемая полезная модель относится к области судостроения, преимущественно к судам с атомной энергетической установкой, эксплуатируемых на трассах Северного Морского пути.
Известны созданные в СССР, а также разрабатываемые и строящиеся в Российской Федерации уникальные ледоколы с атомными паропроизводящими установками [1], имеющие неоспоримые преимущества при плавании в тяжелых ледовых условиях арктических морей и Северного ледовитого океана.
Для атомных ледоколов имеют место специфические требования к мощностным характеристиками [2] главных двигателей ледоколов, приводящих во вращение гребные винты, а именно - необходимость реализации в главной двигательно-движительной установке ледокола режимов постоянства мощности при движении во льдах и получение существенных, но допустимых и контролируемых перегрузок по крутящему моменту в режимах «фрезерования» льда, когда нельзя допустить остановки гребного винта при движении ледокола в ледовом массиве.
На стадии становления энергетики для атомных ледоколов в качестве единственно возможного был принят вариант построения главной двигательной установки на принципе электродвижения, учитывая большой опыт создания общепромышленных тяговых электроприводов, в которых оценка значений мощностей и моментов на валах электрических машин осуществлялась путем измерения электрических параметров (токи, напряжения, частоты вращения) и пересчета электрических параметров в значения механических мощностей и моментов на валах гребных электродвигателей.
Упомянутая исторически сложившаяся идеология использования принципа электродвижения со временем стала, своего рода, традицией, которая ведет ко все большему усложнению и удорожанию ледокольных главных энергетических установок.
В мощных современных атомных ледоколах, гребные электрические установки, имеющие в своем составе первичные главные тепловые двигатели - паровые турбины с обязательным набором теплотехнического и механического оборудования, также включают сложнейшую электроэнергетическую систему, состоящую, из сочетания первичных двигателей, генераторов, преобразователей, гребных электродвигателей, аппаратуры управления, регулирования, защиты и блокировки, элементы которой, находясь во взаимодействии, обеспечивают генерирование, трансформацию, распределение и потребление электроэнергии. Промежуточное преобразование механической энергии в электрическую, а затем опять в механическую энергию вращения гребных винтов, неизбежно приводит к снижению КПД энергоустановки ледокола.
Следует отметить, что при маневрировании, связанном с торможением ледокола, а также при изменении направления движения ледокола необходимо поглотить энергию инерции ледокола. В связи с этим в ледокольных системах электродвижения, не имеющих возможности вернуть (рекуперировать) энергию торможения в турбогенератор, приходится существенно усложнять систему гашения энергии, используя перенаправление потоков рекуперируемой энергии либо на тормозные резисторы через звено постоянного тока, либо на соседние электродвигатели в многодвигательных гребных электрических установках существующих ледоколов [3].
Наиболее близким к заявляемому является атомный ледокол [4], главная энергетическая установка которого содержит атомную паропроизводящую установку и главный паротурбинный агрегат, соединенный паропроводом с паропроизводящей установкой, а выходным валом соединенный с электрогенератором, подключенным через электрические преобразователи к гребному электродвигателю, связанному валом с гребным винтом.
Целью заявляемого технического решения как полезной модели является упрощение, повышение экономичности и увеличение надежности энергоустановки ледокола и ледокола в целом.
Поставленная цель достигается тем, что в атомном ледоколе с движителем в виде гребного винта, содержащем атомную паропроизводящую установку и главный паротурбинный агрегат, соединенный паропроводом с паропроизводящей установкой, согласно заявляемому техническому решению, с целью упрощения, повышения экономичности и увеличения надежности энергоустановки ледокола и ледокола в целом главный паротурбинный агрегат выполнен в виде реверсивного турборедукторного агрегата, выходной вал которого соединен с гребным винтом.
Заявляемый атомный турборедукторный ледокол иллюстрируется на рисунке - фиг. 1.
Из рисунка фиг. 1 видно, что заявляемый атомный турборедукторный ледокол 1 с движителем в виде гребного винта 2 содержит атомную паропроизводящую установку 3, главный паротурбинный агрегат 4, соединенный паропроводом 5 с паропроизводящей установкой 3, выполненный, согласно заявляемому техническому решению, в виде реверсивного турборедукторного агрегата, содержащего реверсивную турбину 6, редуктор 7 и главный упорный подшипник 8, при этом выходной вал 9 главного паротурбинного агрегата 4 соединен с гребным винтом 2.
Функционирование предлагаемого атомного турборедукторного ледокола 1 осуществляется в соответствии с требованиями, предъявляемыми к судам данного класса, а именно - обеспечение проводки караванов судов в ледовых условиях. При этом энергия пара, генерируемого в паропроизводящей установке 3 и подаваемого по паропроводу 5 в главный паротурбинный агрегат 4, преобразуется реверсивной паровой турбиной 6 в механическую энергию, которая через редуктор - 7 и главный упорный подшипник 8, воспринимающий упор гребного винта 2, приводит через вал 9 во вращение гребной винт 2, обеспечивающий движение ледокола 1.
В предлагаемом атомном турборедукторном ледоколе, благодаря естественным моментным характеристикам паровой турбины, без дополнительных мероприятий выполняется требование реализации в главной двигательно-движительной установке ледокола режимов, близких к режимам постоянства мощности при движении во льдах, и получение существенных, но допустимых и контролируемых перегрузок по крутящему моменту в режимах «фрезерования» льда, когда нельзя допустить остановки гребного винта при движении ледокола в ледовом массиве.
Для пояснения обратимся к графикам характеристик турбины и гребного винта [5], представленным на фиг. 2:
- естественная механическая характеристика паровой турбины;
- номинальные значения момента и частоты вращения турбины;
- регуляторная механическая характеристика турбины;
- швартовная характеристика гребного винта;
- характеристика гребного винта при движении в ледовых условиях;
- характеристика гребного винта при движении в свободной воде;
- характеристика постоянства мощности.
Как видно из графиков на фиг. 2, механическая характеристика турбины  в диапазоне режимов, близких к номинальному  практически совпадает с характеристикой постоянства мощности  и имеет вид, аналогичный характеристике, искусственно получаемой в системах электродвижения [2]. В режимах с малой частотой вращения, но с максимальными крутящими моментами, их значения лежат в пределах до двойного номинального.
В предлагаемом атомном турборедукторном ледоколе процесс поглощения рекуперируемой энергии при торможениях и изменениях направления движения ледокола происходит за счет подачи пара на турбину противоположного направления вращения реверсивной паровой турбины 6.
Таким образом, заявляемое техническое решение «Атомный турборедукторный ледокол» достигает поставленную цель и существенно упрощает, повышает экономичность и надежность ледокольной энергоустановки, а также в целом ледокола с атомной паропроизводящей установкой.
1. М.М. Кашка, Н.В. Мантула, А.В. Пономаренко, ФГУП «Атомфлот». Издательский Дом "Гелион". Статья «Опыт и перспективы эксплуатации в Арктике атомного ледокольного флота России». Сайт: https://helion-ltd.ru/ekspluatacya-atomnogo-ledokolnogo-flota-rossii-v-arktike/.
2. Рукавишников С.Б. Автоматизированные гребные электрические установки / С.Б. Рукавишников. Стр. 87, рис. 3.2, §3.1 - Ленинград, «Судостроение», 1983 г.
3. Патент РФ 2630024, МПК В63Н 21/21 (2006.01), В63Н 21/17 (2006.01), В63Н 23/24 (2006.01), B60L 11/00 (2006.01), B60L 7/16 (2006.01), B60L 7/18 (2006.01) на изобретение «Способ управления торможением и реверсом гребных электродвигателей судна». Публикация патента: 05.09.17. Авторы: Калинин Игорь Михайлович (RU), Иванова Мария Константиновна (RU), Екушов Алексей Александрович (RU), Соловей Валерий Сергеевич (RU), Балабанов Борис Андреевич (RU), Нечаев Юрий Игоревич (RU), Улитовский Дмитрий Иванович (RU).
4. Патент РФ 2487815, МПК В63В 35/08 (2006.01), В63Н 21/18 (2006.01) на изобретение «Атомный ледокол». Публикация патента: 20.07.2013. Авторы: Воробьев Владимир Михайлович (RU), Трифоненко Владимир Ильич (RU), Рыжков Александр Вениаминович (RU), Бабич Евгений Михайлович (RU).
5. Шифрин, М.Ш.. Проектирование автоматических систем управления судовыми паротурбинными установками / М.Ш. Шифрин, В.Н. Новопашенный, Ю.М. Кадыров. Стр. 33, § II-2 - Л.: Судостроение, 1974.