ПОДВОДНАЯ ЛОДКА КАШЕВАРОВА "ПЛК" Российский патент 1997 года по МПК B63G8/00 F02K11/00 

Изобретение относится к боевым военным кораблям, предназначенными для нанесения скрытных торпедных ударов по кораблям и транспортам противника.

Предлагаемая подводная лодка относится к малым подлодкам и предназначается, главным образом, для оборонительных операций по защите стратегических морских путей, участков побережья, портов и военных баз.

Аналогом подводной лодки ПЛК являются все виды подводных лодок, включая атомные подводные лодки. Основными недостатками атомных подводных лодок являются их огромная стоимость и опасность радиционного заражения мирового океана.

Прототипом предлагаемой подводной лодки является малая подводная лодка с дизельным двигателем в надводном положении и с электрическим двигателем в подводном, использующая в качестве движителя два гребных винта. Основными недостатками этих подводных лодок являются: малый суммарный КПД установки двигатель-движитель, составляющий 15-20% малая скорость в надводном положении (18-32 км/час) и подводном (15-18 км/час) положениях, демаскирующий шум винтов, обнаруживаемый гидроакустическими приборами противника, малая скорость и малый радиус действия торпед, состоящих на вооружении подлодки, сложность двигателя и малая надежность его работы.

Предлагаемая подводная лодка ПЛК исключает эти недостатки прототипа за счет применения нового прямоточного водно-газового реактивного двигателя и движителя в надводном и подводном положениях с использованием дизельного топлива со сжатым кислородом в подводном положении и с сжатым воздухом в надводном положении.

Актуальность создания предлагаемой подводной лодки определяется тем, что стратегия конфронтации с промышленно развитыми странами капиталистического мира заменена стратегией партнерства, изменившей военную доктрину, в которой теперь оборонительные виды вооружений получили приоритет перед наступательными. В соответствии с этим наибольший вес должны иметь малые подводные лодки, вооруженные торпедами, относящимися к оборонительной системе вооружений, по сравнению с большими (атомными) подводными лодками, вооруженными ракетами и относящимися к наступательным видам вооружений. К тому же предлагаемая подводная лодка дешевле атомных подводных лодок во многие десятки раз, что имеет существенное значение для весьма тощего бюджета России. В результате применения водно-газового реактивного двигателя и движителя КПД двигательной установки увеличивается в 3-4 раза, удельная мощность двигателей в несколько раз, скорость в 1,5-2 раза, радиус действия -в 3-4 раза, боевые характеристики торпедного вооружения повышаются в несколько раз и достигается скрытность движения подводной лодки и торпед благодаря отсутствию в них гребных винтов, работа которых обнаруживается гидроакустическими приборами разведки.

На фиг. 1 дан вид сверху подводной лодки; на фиг. 2 вид сбоку; фиг. 3 -сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 сечение А-А одного двигателя и движителя на фиг. 2 в увеличенном виде; на фиг. 6 -сечение Б-Б на фиг. 5; на фиг. 7 сечение Г-Г на фиг. 4.

Подводная лодка ПЛК имеет два прямоточных реактивных двигателя 1 и движителя 2, установленных по бортам ее корпуса 3, компрессор 4 для получения сжатого воздуха при надводном движении ПЛК, трубу 5 для забора воздуха, необходимого компрессору, баллоны 6 и 7 соответственно со сжатым воздухом и кислородом, баки 8 с дизельным топливом, торпедные аппараты 9 с торпедами, цистерну 10 с пресной водой, аккумуляторы 11, пневматический двигатель-редуктор 12 с электрогенератором, рули 13 и 14 соответственно глубины и курса с электродвигателями 15, перископ 16, радиоантены 17, балластную камеру 18, заполняемую морской водой, крышку люка 19.

Двигатель 1 имеет оголовник 20 с камерой сгорания 21, кольцевой камерой 22 и куполообразной камерой 23 для сжатого воздуха при надводном движении лодки ПЛК, при подводном движении лодки ПЛК камера 23 предназначена для кислорода, а камера 22 для воды. Камера сгорания 21 сферической формы образована жаропрочным материалом 24, в центральной части которой установлен термоинерционный испаритель 25 на трех опорах 26. Между слоем жаропрочного материала 24 и корпусом оголовника 20 установлен теплоизолирующий слой 27, обозначенный на фиг. 5 крестообразной штриховкой. Камеры 22 и 23 соединены радиальными трубками 28 с камерой сгорания 21. Через форсунки 29 и 30 в камеру сгорания 21 впрыскивается соответственно дизельное топливо и вода. Через трубки 31 и 32 с клапанами 33 и 34 в камеры 22 и 23 поступают соответственно вода и кислород при подводном движении лодки и через трубки с клапанами 36 и 34 сжатый воздух при надводном движении лодки. Форсунки 29 и 30 имеют клапаны 37 и 38.

От камеры сгорания 21 отходит газовод 39 к кольцевому зазору 40 между патрубком 41 и трубой 42 движителя 2. Патрубок 41 установлен коаксиально в передней части трубы 42. Передний конец патрубка 41 расширяется до диаметра трубы 42. Поверхности трубы 42, патрубка 41 и газовода 39, соприкасающиеся с выхлопными газами, имеют теплоизолирующий слой 27, изображенный крестообразной штриховкой на фиг. 5. Патрубок 41 укреплен в кронштейне 43 корпуса 3 лодки.

В камере сгорания установлены электросвечи 44. В куполообразной камере 23 установлена форсунка 45, через которую впрыскивается вода, когда в камеру 23 подается кислород с целью уменьшения его окислительной способности и охлаждения камеры 23.

Вода в форсунки 30, 45 и камеру 22 подается насосом 46 из цистерны 10, разделенной эластичной перегородкой 47 на верхнюю часть, в которой находится пресная вода, и нижнюю часть, в которой находится морская вода. Перед выходом лодки ПЛК в рейс вся цистерна 10 заполняется пресной водой, при этом эластичная оболочка 47 продавливается до дна цистерны 10 пресной водой, а по мере ее расходования оболочка 47 прогибается вверх под давлением морской воды, которая поступает в цистерну 10 через ее донное отверстие с клапаном 48. Такой же клапан 48 обеспечивает поступление морской воды в балластную камеру 18.

В командном отсеке лодки 49 установлена вся аппаратура, необходимая для управления лодкой ПЛК и, в том числе, компьютер, определяющий режим работы двигателей в надводном и подводном положениях лодки.

Работа лодки ПЛК начинается с ее подготовки к рейсу и производится в следующем порядке. К вводам трубопроводов, идущим к баллонам 7 и 6, к бакам 8 и к цистерне 10, подключаются трубопроводы, по которым все емкости заполняются соответственно кислородом, сжатым воздухом, дизельным топливом и водой (пресной).

Производится зарядка торпедных аппаратов 9 торпедами с помощью специальных зарядных устройств, к которым лодка ПЛК причаливает в начале носом, а затем кормой. Посадка экипажа в лодку производится через воздухозаборную трубу 5.

Если выход лодки производится при надводном положении, то запускается двигатель 1 в режиме работы с использованием сжатого воздуха с предварительным запуском компрессора 4.

Если выход лодки предполагается при подводном положении, то опускается крышка люка 19, опускается труба 5, заполняются балластные камеры 18 морской водой до уровня, при котором лодка получает нулевую плавучесть, и запускается двигатель 1 в режиме работы с использованием кислорода, который поступает из баллонов 7.

Горение дизельного топлива в кислороде происходит при более высокой температуре, чем в воздухе, которая может привести к разрушению камеры сгорания, если учесть высокую химическую активность чистого кислорода. Для предотвращения этих отрицательных последствий в камеру 23 с кислородом впрыскивается вода через форсунку 45. Кроме того, в камеру сгорания 21 впрыскивается вода через форсунки 30 и поступает вода через трубки 28 из камеры 22, заполняемой водой через трубку 31 с клапаном 32. Суммарное количество воды, поступающее вместе с кислородом в камеру сгорания 21, в 5 раз превышает по массе количество кислорода, в результате чего горение дизельного топлива происходит в газовой среде из водяного пара и кислорода, содержание которого будет в процентном отношении к пару близким к его (О₂) содержанию в воздухе. Объем и давление выхлопных газов, выходящих из камеры сгорания 21 в газовод 39, будет таким же, как и при работе двигателя со сжатым воздухом вместо кислорода.

До разогрева термоинерционного испарителя 25 до температуры, при которой происходит самовоспламенение дизельного топлива, попадающего из форсунки 29 на испаритель 25, воспламенение газовой смеси из кислорода, водяного пара и паров дизельного топлива производится с помощью электросвечей 44. При этом в период запуска двигателя вода из форсунки 45 не подается до тех пор, пока испаритель 25 не разогреется до расчетной температуры.

Большой КПД двигателя 1 обусловлен тем, что оголовник 20 с камерой сгорания 21 почти не имеет тепловых потерь. Та тепловая энергия, которая, преодолевая теплоизоляцию 27, проходит до камер 22 и 23 и нагревает кислород и воду, возвращается в камеру сгорания 21 с подогретым кислородом и водой.

Выхлопные газы, содержащие почти на 80% водяной пар и на 20% углекислый газ при температуре 400-500^oC и при среднем давлении в 20-30 кг/см² (и более), попадают из газовода 39 в кольцевой зазор 40 и создают тягу, равную произведению давления этих газов на площадь кольцевого зазора 40. При соприкосновении паро-газовой струи, исходящей из зазора 40, с морской водой происходит дополнительное образование пара из морской воды, увеличивающего объем паро-газовой струи и ее давление на воду перед кольцевым зазором 40. В результате этого процесса увеличиваются тяга двигателя и его КПД. С целью сохранить высокую температуру паро-газовой струи стенки патрубка 41 и трубы 42 по всей длине поверхности, соприкасающейся с выхлопными газами (паро-газовой струи), покрыты теплоизолирующим материалом 27.

При прохождении пара и углекислого газа через воду в трубе 42 они растворяются в воде, и при движении лодки ПЛК на глубине более 10 м пузырьки пара и углекислого газа поверхности воды не достигнут и демаскирующего эффекта не создадут.

Камера сгорания 21 работает в виде колебательного процесса, период которого определяется промежутком времени между воспламенениями дизельного топлива, впрыскиваемого через форсунку 29 на термоинерционный испаритель 25.

В момент воспламенения дизельного топлива давление в камере 21 поднимается с 30-40 кг/см² до 150-200 кг/см², а температура до 1500^oС, через тысячные доли секунды после впрыска дизельного топлива и его воспламенения производится впрыск воды через форсунку 26, в результате чего температура уменьшается до 400-500^oС и паро-газовая смесь устремляется в газовод 39 и далее в зазор 40 между патрубком 41 и трубой 42. Давление в камере сгорания падает до 30-40 кг/см², а давление в камере 23 возрастает до 60 кг/см² в силу инерционности потока кислорода, поступающего в камеру 23 из баллона 7 через редуктор-двигатель 12, снижающий давление до 50 кг/см². Повышение давления в камере 21 выше 50 кг/см² содействует также проходу небольшой части продуктов сгорания дизельного топлива и пара через трубки 28 до камеры 23 под воздействием давления до 150-200 кг/см² в камере 21 в момент воспламенения дизельного топлива. Длина и диаметр трубочек 28 подбираются с расчетом, чтобы выхлопные газы не успели дойти до камеры 23 в результате того, что давление в камере 21 будет быстро падать до 30 кг/см², а в камере 23 -возрастать до 60 кг/см².

Таким образом, уже через 2-3 сотых секунды кислород вытеснит выхлопные газы из трубок 28 и начнет заполнять пространство вокруг форсунки 29. Одновременно произойдет впрыскивание в камеру 21 воды из форсунок 30 и дизельного топлива из форсунки 29 и новый цикл воспламенения дизельного топлива в паро-кислородной смеси, имеющей температуру, давление и химический состав, отвечающий условиям самовоспламенения дизельного топлива.

При всплытии лодки на поверхность работа двигателя переключается на режим, при котором вместо кислорода используется сжатый воздух, поставляемый в камеры 22 и 23 с помощью компрессора 4 через баллон 6, который играет роль накопителя и регулятора давления воздуха, поступающего в камеры оголовника 20. Компрессор получает воздух через воздухозаборную трубу 5, которая занимает положение, показанное на фиг. 4. В этом режиме работы расход воды уменьшается в 1,5-2 раза за счет того, что прекращается подача воды в форсунку 45 и в камеру 22. В остальном режим работы двигателя со сжатым воздухом будет аналогичен режиму работы с кислородом.

Изменение курса движения лодки производится поворотом рулей 14 с помощью электродвигателя 15 и секторной шестерни 50 вала 51 вращения рулей, находящейся в зацеплении с шестерней на валу электродвигателя. Для увеличения скорости изменения курса лодки двигатель 1, в сторону которого необходимо повернуть лодку, выключается на время изменения курса лодки.

Изменение глубины хода лодки производится с помощью носовых и кормовых рулей 13 при нулевой плавучести лодки.

В случае экстренного подъема лодки на поверхность в дополнение к действию рулей 13 производится вытеснение морской воды из цистерны 10 с помощью сжатого воздуха, который из баллона 6 поступает в верхнюю часть цистерны 10 при открытом клапане 48, в результате чего лодка получает положительное значение плавучести.

Пневматические двигатели-редукторы с электрогенераторами 12, работая за счет снижения давления кислорода, поступающего в камеру 23 из баллонов 7 до 50 кг/см², производят подзарядку аккумуляторов 11.

Для определения показателей эффективности применения лодки ПЛК произведем ориентировочный расчет основных характеристик водно-газового реактивного прямоточного двигателя 1 и движителя 2. Для расчета примем, что скорость хода лодки ПЛК равна 15 м/с (54 км/ч). Длина трубы 42 движителя 12,5 м, а ее диаметр 1 м, тогда масса воды в движителе будет равна 10 т.

При силе тяги, развиваемой одним двигателем в 7 т, вода в трубе движителя получит ускорение в сторону кормы, равное 6,8 м/с². Средняя скорость воды в трубе движителя относительно этой трубы будет равна 19,5 м/с, а время прохождения 10 т воды через трубу 4" будет равно
12,5 м 19,5 м/с 0,64 с.

Принимая среднее давление паро-газовой струи в зазоре 40 равным 30 кг/см², получим, что площадь кольца зазора 40 будет равна
7000 кг 30 кг/см² 234 см².

Так как окружность средней линии кольца зазора равна 310 см, то ширина кольца зазора 40 будет равна 0,75 см.

Мощность двух двигателей 1 будет равна

Масса водяного потока, выходящего из трубы 42 за 1 с, будет равна:
10 т0,64 с 15,6 т/с.

Мощность движителя, затраченная на сообщение воде, прошедшей через трубу 42, за 1 с, кинетической энергии, будет равна

Эта мощность затрачена бесполезно для движения лодки. К потерям мощности относится также мощность, затраченная на преодоление трения воды о внутренние стенки трубы 42, которую можно принять равной 32 кВт, тогда общие потери мощности в движителе будут равны
1 180 кВт 2060 кВт 0,91
Принимая КПД двигателя равным 0,7, получим общий КПД водно-газового реактивного прямоточного двигателя и движителя лодки ПЛК равным
0,7 х 0,91 0,64,
т. е. в 4 раза выше, чем у известных судовых двигателей с гребным винтом при скорости хода в 54 км/ч.

Следовательно, мощность двигательной установки лодки ПЛК эквивалентна мощности дизельных двигателей с гребным винтом равной
2060 кВт х 4 8200 кВт
Из сравнения с известными надводными кораблями, имеющими скорость хода в 50-55 км/ч, и с известными подводными лодками с пересчетом их скорости на скорость 54 км/ч получим, что при скорости 54 км/ч лодка ПЛК может иметь водоизмещение в подводном положении 1000 т. Исходя из водоизмещения в 1000 т габаритные размеры лодки ПЛК примем равными: длина -25 м, площадь поперечного сечения в средней части 60 м² и диаметр 4,4 м.

Для расчета радиуса действия лодки ПЛК примем, что на дизельное топливо и на кислород вместе с баллонами, в которых он содержится, представляется 50 т грузоподъемности лодки. Пресную воду, необходимую для работы двигателя, можно отнести за счет балластной воды, т.к. она не превосходит массу балластной воды, необходимой лодке для обеспечения ее нулевой плавучести, имеет максимальную массу в начале маршрута движения лодки, и по мере ее расходования она замещается в цистерне 10 под эластичной оболочкой 47 морской водой.

Для хранения кислорода под давлением в 200 кг/см² предусмотрены баллоны, изготовленные из многослойного стеклополотна.

Баллон, изготовленный из стеклополотна, имеет коэффициент эффективности тары, т.е. отношение объема газа к массе пустого баллона, равный 2,67 м³/кг. Так как 1 м³ кислорода при нормальных условиях имеет массу, равную 1,43 кг, то на 1 кг кислорода приходится 0,26 кг баллона.

Для полного сгорания 1 кг дизельного топлива необходимо затратить 3 кг кислорода (или 15 кг воздуха) и еще иметь тару для кислорода в 0,78 массы баллона. Округляя, примем, что 1 кг дизельного топлива требует еще 4 кг массы кислорода с баллоном. Следовательно, из 50 т на дизельное топливо будет приходиться 10 т и 40 т кислорода с баллонами (30 т кислорода и 10 т баллонов). При этом 30 т кислорода потребуют объем, равный
30000 кг (1,43 кг/м³ х 200) 105 м³
Принимая, что КПД двигателя равен 0,7, получим, что на 1 кВт/ч его работы потребуется затратить 0,1 кг дизельного топлива, а 10000 килограмм дизельного топлива обеспечат получение 100000 кВт/ч. Имея мощность двух двигателей, равную 2060 кВт, получим, что они смогут работать на этом топливе
100000 кВт/ч 2060 кВт 48 ч
За это время лодка ПЛК пройдет расстояние, равное
54 км/ч х 48 ч 2600 км в подводном положении.

Таким образом, лодка ПЛК не только в 3 раза превосходит известные подводные лодки по скорости подводного хода, но также превосходит их по радиусу действия. При этом, если принять скорость хода лодки ПЛК в подводном положении 27 км/ч, то тогда лодка ПЛК сможет пройти под водой более 5000 км.

Для обеспечения работы двигателя на кислороде и дизельном топливе потребуется на каждый кг кислорода затрачивать до 5 кг воды. Следовательно, цистерна должна иметь в начале маршрута 200 т пресной воды, выполняющей одновременно роль балластной воды, обеспечивающей нулевую плавучесть лодки ПЛК.

Большим преимуществом лодки ПЛК перед подводными лодками с дизельными двигателями является простота устройства ее двигателя 1, не имеющего движущихся деталей, имеющего в несколько раз меньшее число деталей, имеющего большую удельную мощность, меньшую стоимость изготовления и эксплуатации, больший срок службы, большую надежность работы, меньший обслуживающий персонал, больший КПД.

Использование сжатого кислорода в предлагаемых баллонах позволило отказаться от электродвигателей и электроаккумуляторов к ним как источника энергии. Очевидно, что по простоте устройства и обслуживания, по стоимости изготовления и сроку службы баллоны для сжатого кислорода имеют также большое преимущество перед электромотором с электроаккумуляторами.

Двух-трехкратным преимуществом обладает прямоточный реактивный движитель по своему КПД перед гребным винтом, особенно при больших скоростях движения лодки. Большое преимущество предлагаемый движитель перед гребным винтом имеет по уровню шума при работе. Это преимущество исключает возможность обнаружения лодки ПЛК с помощью гидроакустических приборов противника и тем самым позволяет проходить незамеченной вблизи кораблей противника.

Большое преимущество дает лодке скорость движения в подводном положении, позволяющая лодке уходить от надводных кораблей в случае, если она будет обнаружена. Решающее превосходство по боевой эффективности лодки ПЛК дают торпеды, имеющиеся в ее носовом и кормовом отсеках, которые обладают в несколько раз большим радиусом действия и большей скоростью движения, чем известные торпеды, находящиеся на вооружении известных подводных лодок. К тому же, торпеды ПЛК движутся бесшумно с помощью прямоточного движителя, работа которого не обнаруживается гидроакустическим приборами разведки противника.

Использование: для береговой обороны и ведения боевых действий на море. Техническая сущность изобретения: подводная лодка снабжена прямоточным водно-газовым реактивным двигателем и движителем для надводного и подводного хода лодки, а в качестве емкости для пресной и морской воды использована балластная цистерна, в которой пресная вода отделена от морской воды эластичной перегородкой. Эластичная перегородка в балластной цистерне установлена горизонтально и отделяет верхнюю часть цистерны с пресной водой от нижней ее части с балластной водой. При этом эластичная перегородка может прогибаться полностью вверх или вниз для заполнения всей цистерны пресной или морской водой. Двигатель снабжен сферической камерой сгорания, в центральной части которой установлен шаровидный термоинерционный испаритель. Камера сгорания окружена куполообразной и кольцевой камерами для подачи сжатого воздуха или воды через радиальные трубки в камеру сгорания. Камера сгорания снабжена также форсункой для впрыска дизельного топлива и электросвечами. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Подводная лодка, включающая двигатель и движитель, носовые и кормовые торпедные аппараты с торпедами, баллоны со сжатым воздухом и кислородом, емкости с пресной и морской водой, отличающаяся тем, что в качестве двигателя и движителя использованы прямоточный водно-газовый реактивный двигатель и движитель для надводного и подводного хода лодки, а в качестве емкости для пресной и морской воды использована балластная цистерна, в которой пресная вода отделена от морской эластичной перегородкой. 2. Лодка по п.1, отличающаяся тем, что двигатель имеет оголовник со сферической камерой сгорания, состоящей из жаропрочного термоинерционного корпуса и теплоизолирующего материала, проложенного между термоинерционным корпусом и корпусом оголовника, в центральной части камеры сгорания установлен шаровидный термоинерционный испаритель, в оголовнике размещены куполообразная и кольцевая камеры в виде концентрических участков сферы, окружающей камеру сгорания, которая соединена с куполообразной и кольцевой камерами радиальными трубками, к куполообразной камере подведена трубка с клапаном для подачи в нее сжатого воздуха или воды, причем вода также подается через форсунки в камеру сгорания и в куполообразную камеру, а камера сгорания снабжена форсункой для впрыска в нее дизельного топлива, электросвечами и соединена газоводом с кольцевым зазором, образованным между трубой движителя и патрубком, установленным коаксиально в ее передней части, при этом трубы движителя закреплены по бортам корпуса лодки в средней ее части и имеют длину, равную 1/2 1/3 длины лодки. 3. Лодка по п. 1, отличающаяся тем, что эластичная перегородка в балластной цистерне установлена горизонтально в средней ее части и отделяет верхнюю часть цистерны с пресной водой, предназначенной для работы двигателя, от нижней ее части с морской балластной водой, при этом эластичная перегородка может прогибаться вниз для заполнения всей цистерны пресной водой и вверх для заполнения всей цистерны морской водой.