Дизел-електрична подморница типа Сорју
Овај чланак ће се фокусирати на подморнице са анаеробним или ваздушно независним електранама (ВНЕУ). ВНЕУ је веома широка класа различитих мотора, дизајнерских решења и врста горива. Оно што је разликује од погонских система подморница 3. генерације је способност да остане под водом много дуже, што значајно повећава привидност такве подморнице и отежава откривање противподморнице авијација. Подморнице претходне генерације, на пример, дизел-електричне подморнице пројекта 636 Варшавјанка, морају да се подижу на површину свака 3-4 дана, укључују дизел моторе и пуне батерије. Модерне подморнице са ВНЕУ могу бити под водом недељама.
Размотрите главна дизајнерска решења која се користе у изградњи таквих подморница
Стирлингов мотор
Стирлингов мотор - топлотни мотор у коме се радни флуид у облику гаса или течности креће у затвореној запремини, нека врста мотора са спољним сагоревањем. Заснован је на периодичном загревању и хлађењу радног флуида, уз извлачење енергије из настале промене притиска. Обично ваздух делује као радни флуид, али се такође користе водоник и хелијум.
Недостаци.
1. Гломазан и интензиван материјал: Стирлингов мотор треба да охлади радну течност, а то доводи до значајног повећања тежине и величине електране због увећаних радијатора.
2. За добијање карактеристика упоредивих са моторима са унутрашњим сагоревањем потребно је применити високе притиске (преко 100 атм) и посебне врсте радног флуида - водоник, хелијум.
3. Топлота се не доводи директно до радног флуида, већ само кроз зидове измењивача топлоте. Зидови имају ограничену топлотну проводљивост, због чега је ефикасност нижа од очекиване. Топли размењивач топлоте ради у веома стресним условима преноса топлоте и на веома високим притисцима, што захтева употребу висококвалитетних и скупих материјала. Стварање измењивача топлоте који би задовољио конфликтне захтеве је веома нетривијалан задатак. Што је већа површина размене топлоте, већи је губитак топлоте. Истовремено се повећава величина измењивача топлоте и запремина радног флуида који није укључен у рад. Пошто се извор топлоте налази напољу, мотор споро реагује на промене у топлотном флуксу који се доводи у цилиндар и можда неће одмах произвести жељену снагу при покретању.
4. За брзу промену снаге мотора користе се методе које се разликују од оних које се користе у моторима са унутрашњим сагоревањем: пуфер резервоар променљиве запремине, промена просечног притиска радног флуида у коморама, промена фазног угла. између радног клипа и измењивача. У последњем случају, реакција мотора на управљачку акцију возача је скоро тренутна.
Предности.
1. Једноставност дизајна - дизајн мотора је веома једноставан, не захтева додатне системе као што је механизам за дистрибуцију гаса. Покреће се самостално и није му потребан стартер. Његове карактеристике вам омогућавају да се ослободите мењача.
2. Повећани ресурси – једноставност дизајна, одсуство многих „деликатних“ чворова омогућава „стирлингу“ да обезбеди нечувену маргину перформанси за друге моторе од десетина и стотина хиљада сати непрекидног рада.
3. Ефикасност – за искоришћавање одређених врста топлотне енергије, посебно са малом температурном разликом, „стирлинги” су често најефикаснији типови мотора.
4. Низак ниво буке - "стирлинг" нема издувни гас из цилиндара, што значи да је његов ниво буке много мањи него код клипних мотора са унутрашњим сагоревањем.
Дизел-електричне подморнице типа Готланд
Подморнице на Стирлингов погон користе стандардно дизел гориво и течни кисеоник као оксидатор. Пионири у стварању ВНЕУ са "стирлингсима" били су Швеђани. Њихове подморнице класе Готланд биле су прве масовно произведене подморнице са таквим моторима. Морам рећи да су Стирлингс инфериорнији у односу на модерне дизел моторе по снази, па се користе као додатак класичној дизел-електричној електрани. Међутим, овај „додатак“ омогућава подморници типа Готланд да остане под водом до 20 дана. Брзина стирлинга - 5 чворова. Поред шведских подморница, Стирлинг мотори се користе на јапанским подморницама типа Сорју.
Електрохемијски генератори
Друга врста ВНЕУ је ЕКГ. Електрохемијски генератор је заснован на горивим ћелијама. У ствари, ово је пуњива батерија са сталним пуњењем. Принцип рада електране са електрохемијским генератором је исти као пре 150 година, када је Енглез Вилијам Роберт Гроув случајно открио током електролизе да су две платинске траке, дуване - једна кисеоником, а друга водоником, смештене у водени раствор. раствор сумпорне киселине, дати струју . Као резултат реакције, осим електричне струје, настају топлота и вода. У овом случају, конверзија енергије се одвија тихо, а једини нуспроизвод реакције је дестилована вода, која се прилично лако може користити у подморници.
Према критеријумима ефикасности и безбедности, одлучено је да се водоник држи у везаном стању у облику метал-хидрида (посебна легура метала у комбинацији са водоником), а кисеоник у течном облику у посебним посудама између лаких и јаких. трупа подморнице. Између катоде водоника и кисеоника налазе се полимерне електролитне мембране размене протона, које делују као електролит.
дизел-електрична подморница тип 212
ВНЕУ са ЕКГ нашао је примену на немачким подморницама типа 212. Упркос очигледним предностима развијене инсталације горивих ћелија, она не обезбеђује потребне оперативне и тактичке карактеристике подморнице океанске класе, пре свега у погледу извођења маневара велике брзине при гоњењу. циљ или избегавање напада непријатеља. Због тога су подморнице опремљене комбинованим погонским системом, у коме се за кретање великом брзином под водом користе батерије или горивне ћелије, а за навигацију по површини користи се традиционални дизел генератор, који се користи и за пуњење батерија. Електрохемијски генератор, који се састоји од девет модула горивих ћелија, има укупан капацитет од 400 КС. Витх. и обезбеђује кретање чамца у потопљеном положају брзином од 3 чвора током 20 дана са нивоима буке испод нивоа природне буке мора.
У скорије време, Шпанци су постигли успех у стварању ВНЕУ на подморницама типа С-80. Такође су користили ЕЦХ као анаеробну помоћну биљку, али су одлучили да производе водоник из етанола као резултат његовог распадања. Кисеоник се складишти у течном облику у посебном резервоару. Трајање боравка подморнице под водом достиже 15 дана.
Анаеробна електрана парног генератора
Дизел-електрична подморница типа Шкорпион
Француски инжењери су створили анаеробну јединицу генератора паре МЕСМА (Модуле д'Енергие Соус-Марине Аутономе) - аутономни енергетски модул за подморнице. МЕСМА користи принцип Ранкиновог циклуса који се састоји од процеса загревања течности, њеног испаравања и прегревања паре, адијабатског ширења паре и њене кондензације. Инсталација је настала на бази парне турбине која ради у затвореном циклусу. Етанол се користи као гориво, течни кисеоник је оксидационо средство. Етанол улази у комору за сагоревање, која такође прима кисеоник већ у гасовитом стању. Температура сагоревања мешавине алкохола и кисеоника може да достигне више од 700 ° Ц. Производи сагоревања етанола су вода и угљен-диоксид, висок притисак ослобођеног угљен-диоксида (до 60 атмосфера) олакшава његово уклањање преко брода. без употребе компресора на дубинама до 600 м.
Радни век коморе за сагоревање је дефинисан као 30 година. Дакле, користи се током целог живота подморнице.
Измењивач топлоте коморе за сагоревање загрева генератор паре од легура никла. Загрејана пара покреће турбогенератор наизменичне струје са малом буком и великом брзином.
Издувна пара улази у кондензатор никл-алуминијум-бронзе, који је уједно и секундарни хладњак. Кондензатор се хлади текућом морском водом. Добијени кондензат се враћа у генератор паре. Укупна количина воде у систему „парогенератор-кондензатор” је око 500 литара. Брзина ротације парне турбине до 10 хиљада о/мин. Називна излазна снага генератора није мања од 200 кВ.
Снага МЕСМА инсталације омогућава подморницама пројекта Сцорпена да развију подводни ток од 4 чвора, са временом пловидбе од око 250 сати. За постизање већих брзина користе се традиционалне батерије.
Ли-јонске батерије
Јапанци су 2020. марта 11. године поринули XNUMX. подморницу пројекта Сорју, али ова подморница има значајну разлику од других подморница овог типа – има литијум-јонске батерије.
Коришћењем литијум-јонских батерија, Јапанци су успели да напусте употребу Стирлингових мотора и традиционалних оловно-киселинских батерија на новој подморници.
Литијум-јонске батерије обезбеђују таквој подморници подводно трајање упоредиво са другим ВНЕУ, а велики капацитет нових батерија омогућава подморници да достигне подводну брзину од 20 чворова.
ВНЕУ у руској морнарици
Изглед подморнице пројекта 750Б
Наравно, главно питање за нас је ситуација са анаеробним моторима за подморнице у Русији. Како нам иде? Нажалост, наши програмери још нису постигли успех у стварању ВНЕУ. Прва домаћа дизел-електрична подморница са ВНЕУ требало је да буде подморница пројекта 677 „Лада“, али ствари нису ишле. Ипак, рад на стварању ВНЕУ се наставља и 2019. године је отворено ново истраживање и развој на ову тему.
У стварању ВНЕУ учествују Централни конструкторски биро Рубин, који развија анаеробно постројење на основу ЕКГ-а, и конструкторски биро Малакхит, који ради на стварању анаеробног гаснотурбинског мотора затвореног циклуса.
Развој Малахита је један гаснотурбински мотор који се може користити и на површини и под водом. У приземном положају за кретање се користи атмосферски ваздух. Под водом, оксидант се напаја из Девар посуде, која садржи течни кисеоник. Смеша гаса коју емитује турбина се чисти и замрзава без испуштања било чега напоље. Дакле, подводна брзина без употребе батерије (само од ВНЕУ) прелази 10 чворова. Малахит развија не само мотор, већ и подморницу. Пројекат има шифру П-750Б. Пројектована подморница има 1450 тона површинског депласмана, посаду од 18-20 људи, дубину роњења до 300 м, максималну брзину од 18 чворова. Подморница може бити наоружана торпедима, минама, па чак и крстарећим ракетама Калибар.
Закључак
Остаје да одговоримо на питање: зашто су руској морнарици потребне подморнице са ВНЕУ? У суштини, савремени ВНЕУ имају низ недостатака: мала снага, што их приморава да се користе заједно са традиционалном дизел-електричном електраном, као резултат - ниска подводна брзина на ВНЕУ (не односи се на дизел-електричне подморнице са литијумом -јонске батерије), висока цена, потребна је изградња посебне инфраструктуре у поморској бази.
Па ипак, предности су веће од мана. Главна је висока тајност и тешкоћа откривања такве подморнице противподморничким авионима. За нас је то веома важно, јер, на пример, Јапан има око стотину савремених противподморничких авиона. Још једна предност је веома низак ниво буке, често мањи од позадинске буке мора. И коначно, колико год да је скупа подморница са ВНЕУ, она је ипак јефтинија од нуклеарне. Поред тога, подморнице са ВНЕУ се активно користе у флоте наши потенцијални противници: Немачка, Турска, Јапан. У случају сукоба, наши подморници ће морати да се супротставе напреднијим подморницама. А ако се не развију модерни мотори са ВНЕУ, онда ће технолошки јаз који се сада дешава на крају постати непремостив понор.