Энергетические установки с дизелями, работающими по замкнутому циклу. Дизель-аккумуляторные энергетические установки

Идея создания такого двигателя не нова. В России еще в 1912 г. мичман Никольский предложил схему работы двигателя внутреннего сгорания по замкнутому циклу с обеспечением кислородного питания. Возможность осуществления этой схемы была подтверждена тогда же на стенде Балтийского завода. Практические работы над ПЛ с единым для надводного и подводного хода двигателем были развернуты у нас в стране в 1930-х гг. под руководством С.А. Базилевского, а сразу после Великой Отечественной войны была построена большая серия подводных лодок проекта 615 (рис. 10.20) [70].

Основные достоинства энергетической установки, работающей по замкнутому циклу, — отсутствие специальных требований к топливу, возможность больших изменений нагрузки, быстрота перехода от открытого к закрытому циклу работы дизеля. В то же время, недостаток установки заключается в большой шумности при работе, что препятствует ее применению на боевых подводных лодках, особенно решающих задачи противолодочной обороны. Специальные меры, применяемые для уменьшения шумности, существенно увеличивают массу и стоимость этих установок. Поэтому установки с дизелем, работающим по замкнутому циклу, могут успешно конкурировать с другими анаэробными установками только в тех случаях, когда акустическая скрытность не играет решающей роли, например, на подводных транспортных судах.

Дизель-аккумуляторные энергетические установки. В дизель-аккумуляторной энергетической установке ПЛ в качестве первичного двигателя для надводного хода применяется дизель, в котором энергия топлива преобразуется в механическую энергию. Основным источником электроэнергии в подводном положении является аккумуляторная батарея, что накладывает существенный отпечаток на системы электродвижения [112].

Принято различать энергетические установки неатомных ПЛ с полным и частичным электродвижением. В отличие от схемы частичного электродвижения, в системе с полным электродвижением первичные двигатели не имеют механической связи с гребными винтами.

В зависимости от требуемых техническим заданием основных характеристик ПЛ применялись и различные схемы энергетических установок (см. рис. 10.21):

— аккумуляторная батарея, прямоприводные дизели и гребные электродвигатели (1-2 поколения ДПЛ);

— аккумуляторная батарея, прямоприводные дизели, дизель-генератор и гребные электродвигатели (применялись редко);

— аккумуляторная батарея, дизель-генераторы и гребной электродвигатель (3-4 поколения неатомных ПЛ).

Достоинствами дизель-аккумуляторных установок являются простота конструкции, удобство и безопасность обслуживания, высокая надежность и малая стоимость.

К недостаткам этих установок можно отнести сравнительно малую мощность, ограничивающую скорость хода, и повышенные массогабаритные характеристики установки, особенно с учетом массы энергозапасов (топливо, масло и др.)

Однако, несмотря на эти недостатки, дизель-аккумуляторные установки до сих пор широко применяются на ПЛ всех флотов мира.

Основные характеристики энергетических установок российских неатомных подводных лодок приведены в табл. 10.1 [67], [68], [70].

Кроме главных двигателей, в состав дизель-аккумуляторной установки входит большое количество систем: топливная, система смазки, охлаждения, пускового воздуха, система подачи воздуха к дизелям и газоотвода (рис. 10.22).

Надежность постоянно действующих систем энергетической установки не должна уступать надежности главных двигателей, поскольку даже кратковременный перерыв в подаче топлива, смазки, охлаждающей жидкости и воздуха приведет к немедленной остановке двигателя и даже аварии. Для хранения топлива и масла необходимы цистерны, объем которых рассчитывается на заданную дальность плавания, а также трубопроводы с соответствующей арматурой, позволяющие перемещать жидкости. Таким образом, каждая из упомянутых выше систем представляет собой сложный комплекс, включающий большое количество элементов, связанных между собой трубопроводами, общая длина которых измеряется многими сотнями метров.

В состав любой энергетической установки входит валопровод, предназначенный для передачи крутящего момента от гребного двигателя к движителю и обеспечения гидродинамического упора движителя через главный упорный подшипник на корпус ПЛ (рис. 10.23).

Схема расположения, состав и размеры валопровода определяются при проектировании в зависимости от характеристик и расположения гребного двигателя и архитектуры ПЛ.

В настоящее время на неатомных ПЛ применяется одновальная установка. Однако, ранее на многих проектах 1 и 2 поколения ПЛ применялись двухвальные и трехвальные дизель-аккумуляторные установки с прямой передачей мощности на винт. В таких установках использовались малооборотные реверсивные дизели со встроенным в корпус двигателя или отдельно устанавливаемым упорным подшипником. Эти установки характеризовались низким расходом топлива благодаря высоким термодинамическим характеристикам малооборотных дизелей и незначительными затратами энергии на собственные нужды. Они были просты в обслуживании, а выбор оптимальных схем систем и характеристик входящего в них оборудования позволял существенно упростить установку и повысить ее надежность.

В то же время, как уже отмечалось, в энергетических установках с непосредственной передачей мощности на винт невозможно использовать высокооборотные дизели, трудно подобрать оптимальные гребные винты и др.

Благодаря отсутствию непосредственной связи между дизелями и электродвигателями переход к системам полного электродвижения на неатомных подводных лодках позволил:

— снизить частоту вращения гребного винта за счет применения низкооборотного главного гребного электродвигателя;

— повысить пропульсивный коэффициент винта из-за перехода к одновальной схеме установки и снижения частоты его вращения;

— использовать быстроходные дизель-генераторы, что обеспечило системе большую гибкость, надежность и живучесть в надводном положении и в режиме РДП;

— упростить конструкцию дизель-генераторов за счет исполнения нереверсивных дизелей и снизить их массогабаритные характеристики (рис. 10.24);

— повысить экономичность на частичных режимах работы.

В то же время, первые энергетические установки с полным электродвижением имели ряд недостатков. Наиболее важные из них — повышение массогабаритных показателей установки и более низкий КПД в номинальном режиме при работе дизель-генераторов. Однако в настоящее время для неатомных ПЛ электродвижению нет сколько-нибудь равноценной замены для обеспечения подводного хода. Речь может идти только о совершенствовании гребных установок в части:

— улучшения массогабаритных характеристик;

— внедрения автоматического управления.

— применения гребного электродвигателя экономического хода для обеспечения максимальной подводной автономности;

Дальнейшее развитие систем электродвижения может идти в двух направлениях:

1) совершенствование систем и устройств, входящих в существующий в настоящее время состав систем электродвижения;

2) развитие системы на полностью новых решениях, в частности, в отношении гребного электродвигателя.

Применяемая ныне на подводных лодках 3-го поколения система полного электродвижения включает в себя:

— две группы аккумуляторных батарей;

— два дизель-генератора;

— главный гребной электродвигатель, соединенный с валопроводом при помощи шинно-пневматической муфты;

— двигатель экономического хода, соединенный с валопроводом при помощи эластичной муфты;

— вспомогательное оборудование, обеспечивающее нормальную работу двигателей.

Главный гребной электродвигатель (ГГЭД) представляет собой реверсивную машину постоянного тока с независимым возбуждением. Двигатель имеет два подшипника: опорный и опорно-упорный, которые имеют принудительную смазку под давлением.

К вспомогательному оборудованию ГГЭД относится: электро-вентилятор, воздухоохладитель, электромашинный возбудитель, магнитная станция постоянного тока, пусковой резистор, щит с аппаратурой управления и защиты.

Вентиляция двигателя — принудительная, осуществляется по разомкнутому циклу двумя вентиляторами через сетчатые фильтры. Охлаждение ГГЭД — воздушное, через воздухоохладитель на морской воде. Вентиляторы управляются вручную по фактическому состоянию гребного электродвигателя.

Щит управления выполнен из двух панелей, разделенных между собой листами изоляционного материала. На лицевой стороне

щита на открывающихся панелях размещены контрольно-измерительные приборы, органы управления, сигнальные индикаторы и переключатели. В щите установлены водоохлаждаемые силовые контакты и автоматические выключатели. Вода, циркулирующая в системе водяного охлаждения щита, должна быть дистиллированной.

Аппаратура управления и защиты обеспечивает:

— пуск, работу, регулирование частоты вращения, реверс и отключение двигателя;

— защиту от токов короткого замыкания двигателя, осуществляемую автоматическими выключателями;

— защиту цепей управления, осуществляемую установочными автоматическими выключателями;

— защиту от снижения уровня масла в подшипниках, приводящую к отключению двигателя.

— блокировку пуска двигателя, если давление масла в подшипниках ниже нормы.

Для получения низких скоростей в режиме экономического хода с минимально возможным уровнем шума на ПЛ установлен гребной электродвигатель экономического хода, предназначенный для привода гребного винта в режимах малых частот вращения в диапазоне от 40 до 70 об./мин., который представляет собой нереверсивную двухколлекторную машину постоянного тока, с параллельным возбуждением.

По степени защиты двигатель имеет водозащищенное исполнение до нижней кромки вала и брызгозащищенное выше нее. Электродвигатель выполнен на двух подшипниках скольжения с самосмазкой. Охлаждение масла в подшипниках осуществляется с помощью маслоохладителей, в которые подается забортная вода.

К вспомогательному оборудованию ГЭД экономического хода относятся: щит с аппаратурой управления, магнитный пускатель, блок резисторов, электровентилятор, воздухоохладитель.

На панелях лицевой стороны щита размещены измерительные приборы, органы управления, сигнальные индикаторы, переключатели.

Аппаратура управления обеспечивает:

— пуск, работу, регулирование частоты вращения и отключение электродвигателя;

— местное и дистанционное управление;

— защиту от токов короткого замыкания;

— необходимые блокировки;

— сигнализацию и контроль основных параметров установки. Вентиляция электродвигателя осуществляется по разомкнутому циклу электровентилятором. На выходе воздуха из двигателя установлены два воздухоохладителя и воздушные фильтры для очистки охлаждающего воздуха от щеточной пыли.

Дальнейшее развитие применяемой в настоящее время системы электродвижения подразумевает применение последних достижений в полупроводниковой технике и компьютерных технологиях управления и отказ от специального двигателя экономического хода. Такое решение позволяет значительно снизить объемы, занимаемые гребным оборудованием, а также уменьшить водоизмещение подводной лодки за счет не только экономии объемов на собственно снимаемом двигателе экономического хода и обслуживающего его вспомогательного оборудования, но и за счет сокращения длины валопровода. Ведь именно длина валопровода определяет длину энергетических отсеков. Но исключение одного из гребных двигателей решает задачу только частично, с одной стороны. Остается решить задачу повышения эффективности работы главного электродвигателя в режиме экономического хода.

Перспективным направлением по улучшению основных показателей гребного электрооборудования на подводных лодках является использование вентильных двигателей с системой возбуждения на постоянных магнитах (ПМ) (рис. 10.25) [80], [141].

Основные преимущества этих двигателей:

— коэффициент полезного действия практически не зависит от режима работы двигателя, и даже в режиме экономического хода достигает 90%;

— низкая частота вращения и возможность независимо от внешних условий получить любую частоту вращения во всем диапазоне ее изменения:

— улучшенные виброакустические характеристики;

— более высокие удельные характеристики;

— хорошие пусковые и регулировочные характеристики;

— высокая надежность.

Сравнение размеров всережимного двигателя с ПМ и двигателя 1 постоянного тока при одинаковых характеристиках дает следующие результаты: по длине двигатель с ПМ составляет примерно 65% от аналогичного двигателя постоянного тока; по массе — примерно 70% от двигателя постоянного тока.

Система электродвижения может быть условно разделена на следующие основные блоки и подсистемы: блок первичного питания; блок двигателя; блок датчиков и защит; блок охлаждения; блок управления.

Характеристики системы электродвижения во многом определяются параметрами первичного энергопитания, и, прежде всего, уровнем напряжения. Оптимальным уровнем напряжения можно считать такое максимально допустимое значение, при котором наиболее полно используются параметры полупроводниковых элементов блока преобразования.

Центральным звеном системы электродвижения является вентильный электродвигатель. Для обеспечения высокого значения КПД и улучшенных акустических характеристик он выполняется в виде многополюсной и многофазной машины.

Одна из важных характеристик современной системы электродвижения — низкий уровень как воздушного, так и структурного шумов. Это достигается не только снижением электрических, магнитных, механических и управляющих шумов, но также за счет низкой частоты вращения гребного вала.

Для охлаждения гребного электродвигателя применена водяная система охлаждения, которая эффективнее по термической способности более чем в четыре раза на единицу массы по сравнению с воздушным охлаждением. Например, для соизмеримого по мощности электродвигателя постоянного тока с разомкнутой системой охлаждения потребность в охлаждающей жидкости составляет примерно 70 м3/ч, в то время как у электродвигателя на ПМ — не более 30 м3/ч.

Один из важных вопросов надежности и живучести ПЛ — необходимость резервирования гребного вала. На флотах мира к данному вопросу подходят по-разному. Так, например, на неатомной ПЛ германского производства (проект 209) отсутствует какая-либо система, обеспечивающая резервирование гребного вала. На ЦЛ российского производства всегда предусматривается система, обеспечивающая движение при выходе из строя основной линии гребного вала. Такие системы имеют общее название: резервно-движительный комплекс (РДК). При этом, в соответствии с требованиями, РДК не должен зависеть от систем и устройств основной линии вала, в том числе, ему надлежит иметь надежную систему питания. РДК может быть расположен как внутри прочного корпуса, так и снаружи.

Проектирование РДК должно осуществляться с учетом 100%- ного резервирования линии вала как по механической, так и по электрической частям. Таким образом, при проектировании должны быть рассмотрены все возможные варианты выхода из строя основной линии вала, включая выход из строя промежуточных отсеков между ГЭД и источниками электроэнергии.

На рис. 10.26 представлен пример структурной схемы РДК одновальной неатомной ПЛ проекта 877.

Привод гребных винтов РДК обеспечивается с помощью электродвигателей резервного движения, получающих питание непосредственно от групп аккумуляторных батарей, расположенных в первом и третьем отсеках, через специальные щиты с автоматическими выключателями. Необходимо отметить, что РДК и обеспечивающие его системы размещены и подключены к источникам электроэнергии так, что при выходе из строя любого из отсеков обеспечивается возможность движения ПЛ.

Как отмечалось в главе 3 (том 1, см. рис. 3.6), могут быть применены и другие схемные решения РДК.