В последние годы в ВМС ведут капиталистических стран стали широко применяться ядерные энергетические установки (ЯЭУ). Успехи в области ядерной энергетики позволили создать в этих странах ЯЭУ, пригодные по своим весовым и габаритным показателям для подводных лодок, что превратило их из «ныряющих» в подлинно подводные корабли. По сообщениям зарубежной печати, такие лодки проходят под водой огромные расстояния со скоростью хода 30 и более узлов, не всплывая по 60 - 70 суток.

Оснащение надводных кораблей ядерными энергетическими установками резко увеличило их боевую эффективность и коренным образом изменило взгляды на использование флота. По мнению зарубежных специалистов, надводные корабли с такими установками, кроме практически неограниченной дальности плавания на различных скоростях хода, имеют следующие преимущества: исключается прием обычного топлива (атомные авианосцы могут увеличить запасы авиационного топлива или принять топливо для кораблей охранения); облегчается герметизация корпуса и улучшается защита корабля от оружия массового поражения, поскольку для работы ЯЭУ не требуется воздух; упрощается расположение помещений и улучшается тепловая защита, поскольку нет дымовых труб и дымоходов; уменьшается коррозия антенн радиоэлектронных средств и фюзеляжей самолетов (на авианосцах) в связи с отсутствием дымовых газов.

Оснащение надводных кораблей ЯЭУ увеличивает степень их готовности и сокращает время перехода в район боевых действий. В результате боевая эффективность кораблей повышается приблизительно на 20 проц.

Ракетные подводные лотки и надводные корабли с ЯЭУ предназначены для осуществления агрессивных замыслов милитаристских кругов стран , направленных против СССР и стран социалистического содружества.

По сообщениям американской печати, первая ЯЭУ была установлена на атомной подводной лодке «Наутилус», введенной в состав флота в 1954 году. К 1961 году американский флот имел 13 подводных лодок, оснащенных ЯЭУ, а в настоящее время в составе ВМС США, Великобритании и Франции насчитывается 119 атомных ракетных и торпедных подводных лодок, а 13 атомных подводных кораблей находятся в постройке.

Как сообщает зарубежная печать, основным типом лодочных ЯЭУ является реактор S5W, которым оснащаются в основном как ракетные, так и торпедные подводные лодки (рис. 1). В состав его паропроизводяшего блока входят водо-водяной реактор под давлением с двумя автономными петлями первого контура, два парогенератора, семь циркуляционных насосов, включенных по три на каждый парогенератор (с одним резервным на оба борта), система компенсации объема, а также другие вспомогательные агрегаты и системы.

Этот реактор фирмы «Вестингауз электрик» относится к классу гетерогенных реакторов на тепловых нейтронах. В 1961 году после некоторого повышения мощности и увеличений кампании активной зоны ему был присвоен шифр S5W2. Тепловая мощность модифицированного реактора (диаметр 2,45 м., высота 5,5 м.) составляет около 70 МВт, давление в первом контуре 100 кг/см2, температура теплоносителя на выходе из реактора 280°С.

В активной зоне реактора S5W2 применяются пластинчатые тепловыделяющие элементы с 40-процентным обогащением. Кампания активной зоны составляет 5000 ч., что обеспечивает атомным подводным лодкам дальность плавания полным ходом 140000 миль, а экономическим ходом 400 000 миль. Календарный срок использования активной зоны 5 - 5,5 лет.
Главный турбозубчатый агрегат (мощность на валу 15 000 л. с.) состоит из двух турбин, которые работают через двухступенчатый зубчатый редуктор на один гребной вал с малошумным гребным винтом. Давление пара перед маневровым устройством достигает 23 кг/см2, а температура 240° С.

Два автономных синхронных турбогенератора мощностью по 1800 кВт являются основными источниками электроэнергии. Они вырабатывают переменный трехфазный ток (частота 60 Гц, напряжение 440 В). Аккумуляторная батарея емкостью 7000 А.ч (режим разрядки 5 ч.), состоящая из 126 свинцово-кислотных элементов, и дизель-генератор постоянного тока мощностью 500 кВт служат резервными источниками питания. В состав электрооборудования ЯЭУ входит также тихоходный электродвигатель постоянного тока, включенный в линию вала. В режиме движения подводной лодки с минимальным шумоизлучением гребной электродвигатель работает через обратимый преобразователь от турбогенератора, а в аварийных случаях - от дизель-генератора или аккумуляторной батареи. Кроме того, на американских атомных подводных лодках установлены два асинхронных электродвигателя погружного типа с трехлопастными гребными винтами в насадке, которые выдвигаются из легкого корпуса на баллерах и используются главным образом как подруливающие устройства.

Ядерной энергетической установкой оснащаются атомные подводные лодки подводным водоизмещением 3500 - 8230 т. (скорость хода до 30 узлов).

По сообщениям зарубежной печати, в ВМС США накоплен опыт эксплуатации ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем. Реактор S2G с жидким натрием в первом контуре для второй атомной подводной лодки ВМС США разрабатывался почти одновременно с водо-водяным реактором S2W. В реакторе S2G и его наземном прототипе SIG ядерным горючим служил высокообогащенный уран, а замедлителем - графит.

Опытная эксплуатация реактора S2G, как сообщалось в иностранной печати, выявила бесперспективность ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем. Командование ВМС США, считая, что возможность утечки радиоактивного жидкометаллического сплава представляет большую опасность для личного состава корабля, сделала свой выбор в пользу водо-водяного реактора. Реактор S2G на подводной лодке «Сивулф» (прошла 71611 миль) был заменен в течение 1959 года реактором S2W.

По данным зарубежной печати, ядерные энергетические установки, применяемые в настоящее время на подводных лодках ВМС Великобритании и Франции, по типу, основным параметрам и компоновочной схеме подобны американской установке S5W. Первая английская атомная подводная лодка «Дредноут» была оснащена ЯЭУ, спроектированной и изготовленной фирмой «Роллс-Ройс» при технической помощи американских специалистов, а реактор S5W поставила фирма «Вестннгауз электрик». Установка серийных атомных подводных лодок типа и разрабатывалась и изготовлялась уже целиком английской промышленностью без привлечения фирм США. Она включает реактор типа S5W и главный турбозубчатый агрегат (мощность на валу 15 000 л. с.), работающий на одну линию вала с шестилопастным гребным винтом. Для новой атомной торпедной подводной лодки типа была создана более мощная ЯЭУ, реактор которой имеет усовершенствованную активную зону с повышенным сроком службы.

На первой атомной ракетной подводной лодке ВМС Франции вначале предполагалось использовать реактор с тяжеловодным замедлителем. Однако в ходе проектирования корабля от этого замысла отказались, и на все лодки типа устанавливается стандартная одновальная ЯЭУ мощностью 15 000 л. с. (рис. 2). Французские реакторы в отличие от американских и английских работают на уране при 93,5-процентном обогащении.

В настоящее время в атомном центре Кадараш () создается ЯЭУ для атомных торпедных подводных лодок, строительство которых начнется в ближайшие годы.

Одной из главных задач в области атомного подводного кораблестроения американские специалисты считают создание ЯЭУ с низкими уровнями шумоизлучения. Уже в процессе разработки реактора S5W были приняты меры по обесшумливанию механизмов установки (главным образом за счет уменьшения напряженности их работы, повышения точности обработки деталей и монтажа). Однако эти меры не дали существенных результатов. Поиски принципиально нового подхода к решению этой важной проблемы привели к созданию энергетической установки с электродвижением, которая была испытана на атомной подводной лодке , построенной в 1960 году. ЯЭУ этого опытного корабля имеет небольшой реактор типа S2C, два турбогенератора и гребной электродвигатель мощностью 2500 л. с. Турбоэлектрическая передача мощности на гребной вал позволила значительно снизить шумность установки за счет исключения зубчатого редуктора и упростить систему ее управления, обеспечив возможность быстрого изменения направления и частоты вращения гребного винта. Но применение электродвижения ведет к увеличению веса и объема установки, а также к снижению ее экономичности.

Как сообщала американская печать, в начале 1966 года в США приступили к постройке опытной атомной подводной лодки с реактором S5G, имеющим повышенный уровень естественной циркуляции теплоносителя в первом контуре. Атомная подводная лодка «Нарвал» быта введена в состав ВМС США в 1969 году. Её водоизмещение 5350 т., мощность ЯЭУ 17 000 л. с., скорость хода 30 узлов. По мнению американских специалистов, исключение из состава оборудования первого контура больших циркуляционных насосов устраняет один из основных источников шума ЯЭУ, а также повышает надежность установки и упрощает ее обслуживание.

В настоящее время в США заканчивается строительство опытной атомной подводной лодки «Гленард П. Липскомб» На ней использован реактор с естественной циркуляцией теплоносителя S5WA (усовершенствованный S5G) и турбоэлектрическая силовая установка.

По данным зарубежной печати, надводные корабли с ЯЭУ строятся только в США. На них также используются водо-водяные реакторы под давлением, созданные фирмами «Вестингауз электрик» и «Дженерал электрик». Однако в отличие от атомных подводных лодок на этих кораблях не получила распространения унифицированная энергетическая установка. Для каждого типа корабля проектируется новая ЯЭУ при сохранении по возможности основного стандартного оборудования.

В американской печати сообщалось, что ударный авианосец (флагман атомного надводного флота США), вступивший в строй в конце 1961 года, оснащен четырехвальной ЯЭУ (общая мощности 28000 л. с.) с восемью реакторами тина A2W, расположенными в четыре эшелона. Пар, вырабатываемый в каждом паропроизводяшем блоке, скомпонованном по двухпетлевой схеме, поступает на одну главную турбину и два турбогенератора мощностью по 2500 кВт. В состав ЯЭУ атомного крейсера входят два реактора типа C1G, четыре главные турбины, работающие попарно через понижающие зубчатые редукторы на две линии вала, и шесть турбогенераторов. Суммарная мощность энергетической установки 160 000 л. с., скорость полного хода корабля 35 узлов. Двухвальная ЯЭУ фрегатов УРО «Тракстан» и «Бейнбридж» включает два реактора типа D2G, два главных турбозубчатых агрегата суммарной мощностью 60 000 л. с. и пять турбогенераторов мощностью по 2500 кВт.

На всех атомных надводных кораблях ВМС США предусмотрена вспомогательная котельная установка и запас топлива к ней.

В настоящее время для ВМС США строятся два атомных ударных авианосца типа и пять атомных фрегатов: два типа и три типа «Виргиния». Их энергетические установки будут иметь новые реакторы, более мощные главные турбозубчатые агрегаты и улучшенное электрооборудование.

Зарубежные военно-морские специалисты считают, что ЯЭУ надводных кораблей имеют слишком высокий удельный вес (45 - 55 кг/л.с.) по сравнению с паротурбинными установками той же мощности (12 - 18 кг/л.с. без учета запаса топлива). Это одна из причин, препятствующих внедрению ЯЭУ на корабли класса «эскадренный миноносец».

ЯЭУ непрерывно развиваются и совершенствуются. Большой размах научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы приобрели в США, где строятся экспериментальные и опытовые корабли для проверки новых технических решений, направленных на улучшение характеристик ЯЭУ.

Развитие корабельных ЯЭУ, по мнению американских военно-морских специалистов, идет в следующих основных направлениях: увеличение кампании активной зоны и глубины выгорания топлива, снижение уровней шумоизлучения, повышение надёжности.

Командование ВМС США с самого начала создания атомного флота уделяет внимание вопросам увеличения срока службы активной зоны, а также повышения надежности всей установки, поскольку эти характеристики влияют на оперативное использование атомных кораблей. Однако, первые активные зоны со значительно увеличенной кампанией были созданы лишь к 1961 году. Ударный авианосец «Энтерпрайз» после первой загрузки ядерным топливом прошел 207 000 миль, после втором - более чем 500 000 миль. Во время капитального ремонта в его реакторы была установлена активная зона новой конструкции с календарным сроком службы 10 - 13 лет.

По сообщениям зарубежном печати, в США, и Японии имеются, а в Великобритании, Франции, Италии и Нидерландах разрабатываются ЯЭУ также и для судов торгового флота, что позволит в процессе эксплуатации выявить их достоинства и недостатки, которые впоследствии можно будет учесть при проектировании ядерных реакторов для военных кораблей.

В последние годы наметился новый путь в развитии ЯЭУ. Для кораблей атомного флота США созданы и разрабатываются ядерные реакторы мощностью 100 тыс. л.с. и более. Например, два реактора ударного авианосца «Нимитц» обладают такой же мощностью, как и восемь реакторов ударного авианосца «Энтерпрайз». Большую мощность будут иметь реакторы скоростных лодок типа и лодок ракетной системы морского базирования .

При разработке новых ЯЭУ специалисты стремятся также сократить время, затрачиваемое на перегрузку активных зон реакторов, усовершенствовать конструкцию отдельных узлов энергетической установки и уменьшить её габариты.

По сообщениям зарубежной печати, в западных странах наряду с развитием ЯЭУ, имеющих водо-водяные реакторы под давлением, создаются энергетические установки с реакторами других типов, из которых наиболее перспективными считаются кипящие реакторы и реакторы с газовым охлаждением.

Разработки кипящих реакторов с водяным теплоносителем ведутся преимущественно в США. Попытки в создании ЯЭУ с высокотемпературными газовыми реакторами имеет , где недавно разработан проект одноконтурной ядерной газотурбинной установки для глубоководной ракетной подводной лодки стандартным водоизмещением 3600 т. Зарубежные военно-морские специалисты считают одной из особенностей предлагаемой установки применение турбогенераторов и гребного электродвигателя со сверхпроводящими обмотками, что позволит уменьшить габариты и вес установки на 80-85 проц. и повысить экономичность электропередачи. Предполагается, что при реализации проекта можно будет обеспечить к.п.д. установки около 30 проц., а в дальнейшем довести его до 42 проц. (к.п.д. ЯЭУ с водо-водяными реакторами меньше 28 проц.).

По сообщениям зарубежной печати, техническое осуществление всех проектов корабельных ядерных газотурбинных установок с газоохлаждаемымн реакторами встречает большие трудности.

Как утверждают зарубежные военно-морские специалисты, в капиталистических странах, ВМС которых действуют в акватории Мирового океана, ведется строительство только атомных подводных лодок. Надводные корабли с ЯЭУ строятся пока только в США. Высказывается мнение, что единственным типом корабельных ядерных реакторов в ближайшие годы останется водо-водяной реактор с принудительной и естественной циркуляцией теплоносителя в первом контуре.

Атомоход … Орфографический словарь-справочник

Атомоход - Атомоход. АТОМОХОД (атомное судно), общее название надводных и подводных судов с ядерной силовой установкой (ЯСУ). Первая ЯСУ для подводной лодки создана в США (1949), первый гражданский атомоход ледокол “Ленин” построен в СССР (1959). … Иллюстрированный энциклопедический словарь

АТОМОХОД - (атомное судно), общее название надводных и подводных судов с ядерной силовой установкой (ЯСУ). Первая ЯСУ для подводной лодки создана в США (1949), первый гражданский атомоход ледокол Ленин построен в СССР (1959) … Современная энциклопедия

АТОМОХОД - общее название судов (надводных и подводных) с ядерной силовой установкой. 1 й гражданский атомоход советский ледокол Ленин (1959, СССР) … Большой Энциклопедический словарь

АТОМОХОД - АТОМОХОД, а, муж. Судно с ядерной силовой установкой. | прил. атомоходный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

атомоход - сущ., кол во синонимов: 1 судно (401) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

Атомоход - (атомное судно) общее название судов с ядерной энергетической установкой. Различают атомоходы гражданские (ледоколы, транспортные суда) и военные (авианосцы, подводные лодки, крейсеры, фрегаты). EdwART. Толковый Военно морской Словарь, 2010 … Морской словарь

Атомоход - общее название судов с ядерной силовой установкой; существуют гражданские и военные атомоходы разного назначения: ледоколы, танкеры, подводные лодки, авианосцы и др. Термины атомной энергетики. Концерн Росэнергоатом, 2010 … Термины атомной энергетики

атомоход - Судно с ядерной силовой установкой. [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN nuclear powered vesselNPV … Справочник технического переводчика

АТОМОХОД - общее название атомных судов (надводных и подводных) с ядерной энергетической установкой … Большая политехническая энциклопедия

Книги

• Атомоход идет к полюсу , В. А. Спичкин, В. А. Шамонтьев В.. Мысль о плавании надводного судна к Северному полюсу давно волновала умы многих отважных мореплавателей и полярных исследователей. Это выдающееся событие в истории исследования полярных стран… Купить за 220 руб
• Атомоход Лаврентий Берия , Дэвид Холловей. Книга американского исследователя Д. Холловея посвящена истории атомного проекта в СССР. Интересно, что в своей антисоветской по духу книге автор все же признает необходимость осуществления…

Содержание статьи

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ДВИЖИТЕЛИ, устройства для обеспечения движения кораблей, катеров и других судов. К движителям относятся гребной винт и гребное колесо. В качестве судовых энергетических установок используются, как правило, паровые машины и турбины, газовые турбины и двигатели внутреннего сгорания, в основном дизельные. На крупных и мощных специализированных судах типа ледоколов и подводных лодок часто применяются атомные энергетические установки.

По-видимому, первым предложил использовать энергию пара для движения судов Леонардо да Винчи (1452–1519). В 1705 Т.Ньюкомен (Англия) запатентовал первую довольно эффективную паровую машину, но его попытки использовать возвратно-поступательное движение поршня для вращения гребного колеса оказались неудачными.

ТИПЫ СУДОВЫХ УСТАНОВОК

Пар – традиционный источник энергии для движения судов. Пар получают при сжигании топлива в водотрубных котлах. Чаще других применяются двухбарабанные водотрубные котлы. В этих котлах имеются топки с водоохлаждаемыми стенками, пароперегреватели, экономайзеры, а иногда и воздухоподогреватели. Их КПД достигает 88%.

Дизели впервые появились в качестве судовых двигателей в 1903. Расход топлива в судовых дизелях составляет 0,25–0,3 кг/кВтЧ ч, а паровые машины расходуют 0,3–0,5 кг/кВтЧ ч в зависимости от конструкции двигателя, привода и других конструктивных особенностей. Дизели, особенно в сочетании с электроприводом, очень удобны для применения на паромах и буксирах, поскольку обеспечивают высокую маневренность.

Поршневые паровые машины.

Времена поршневых машин, когда-то служивших самым разнообразным целям, прошли. По КПД они существенно уступают как паровым турбинам, так и дизелям. На тех судах, где еще стоят паровые машины, – это компаунд-машины: пар расширяется последовательно в трех или даже четырех цилиндрах. Поршни всех цилиндров работают на один вал.

Паровые турбины.

Судовые паровые турбины обычно состоят из двух каскадов: высокого и низкого давления, каждый из которых через понижающий редуктор вращает вал гребного винта. На военно-морских судах часто дополнительно ставят небольшие турбины для крейсерского режима, которые используют для повышения экономичности, а при максимальных скоростях включаются мощные турбины. Каскад высокого давления вращается со скоростью 5000 об/мин.

На современных паровых судах питательная вода из конденсаторов в подогреватели подается через несколько ступеней нагрева. Нагрев производится за счет тепла рабочего тела турбины и отходящих топочных газов, обтекающих экономайзер.

Почти все вспомогательное оборудование имеет электрический привод. Электрогенераторы с приводом от паровых турбин обычно вырабатывают постоянный ток напряжением 250 В. Используется и переменный ток.

Если передача мощности от турбины на винт осуществляется через редуктор, то для обеспечения заднего хода (обратное вращение винта) применяется дополнительная небольшая турбина. Мощность на валу при обратном вращении составляет 20–40% основной мощности.

Электропривод от турбины к гребному винту был очень популярен в 1930-е годы. В этом случае турбина вращает высокооборотный генератор, а выработанная электроэнергия передается на малооборотные электродвигатели, которые вращают гребной вал. КПД зубчатой передачи (редуктора) примерно 97,5%, электропривода – около 90%. В случае электропривода обратное вращение обеспечивается просто переключением полярности.

Газовые турбины.

Газовые турбины появились на судах значительно позже, чем в авиации, поскольку выигрыш в весе в судостроении не так важен, и этот выигрыш не перевешивал высокую стоимость и сложность монтажа и эксплуатации первых газовых турбин.

Газовые турбины используют на судах не только как главные двигатели; они нашли применение в качестве приводов для пожарных насосов и вспомогательных электрогенераторов, где выгодны их небольшой вес, компактность и быстрый запуск. В военно-морском флоте газовые турбины широко применяются на небольших скоростных судах: десантных катерах, минных тральщиках, судах на подводных крыльях; на больших кораблях их используют для получения максимальной мощности.

Современные газовые турбины обладают приемлемым уровнем надежности, стоимости эксплуатации и производства. Учитывая их малый вес, компактность и быстрый запуск, они во многих случаях становятся конкурентоспособными с дизелями и паровыми турбинами.

Дизельные двигатели.

Впервые дизель как судовой двигатель был установлен на «Вандале» в Санкт-Петербурге (1903). Это произошло всего через 6 лет после изобретения Дизелем своего двигателя. На «Вандале», ходившем по Волге, было два гребных винта; каждый винт устанавливался на одном валу с 75-кВт электродвигателем. Электроэнергия вырабатывалась двумя дизель-генераторами. Трехцилиндровые дизели мощностью по 90 кВт имели постоянную частоту вращения (240 об/мин). Мощность от них нельзя было передавать непосредственно на гребной вал, поскольку не было реверса.

Пробная эксплуатация «Вандала» опровергла общее мнение, что дизели нельзя применять на судах из-за опасности вибраций и высоких давлений. Более того, расход топлива составил только 20% от расхода топлива на пароходах того же водоизмещения.

Внедрение дизелей.

За десять лет, прошедших после установки первого дизеля на речное судно, эти двигатели подверглись значительному усовершенствованию. Увеличилась их мощность за счет повышения числа оборотов, увеличения диаметра цилиндра, удлинения хода поршня, а также разработки двухтактных двигателей.

Число оборотов существующих дизелей составляет от 100 до 2000 об/мин; высокооборотные дизели применяются на небольших быстроходных катерах и во вспомогательных дизель-генераторных системах. Их мощность варьируется в столь же широком диапазоне (10–20 000 кВт). В последние годы появились дизели с наддувом, что увеличивает их мощность примерно на 20%.

Сравнение дизельных двигателей с паровыми.

Дизели имеют преимущество над паровыми двигателями на небольших судах благодаря своей компактности; кроме того, они легче при одинаковой мощности. Дизели расходуют меньше топлива на единицу мощности; правда, дизельное топливо дороже топочного. Расход дизельного топлива можно уменьшить дожиганием отработанных газов. На выбор энергетической установки влияет и тип судна. Дизельные двигатели запускаются гораздо быстрее: их не надо предварительно разогревать. Это очень важное преимущество для портовых судов и вспомогательных или резервных силовых установок. Однако есть преимущества и у паротурбинных установок, которые надежнее в эксплуатации, способны длительное время работать без регламентного обслуживания, отличаются меньшим уровнем вибраций благодаря отсутствию возвратно-поступательного движения.

Судовые дизели.

Судовые дизели отличаются от прочих дизелей только вспомогательными элементами. Они непосредственно либо через редуктор вращают гребной вал и должны обеспечивать обратное вращение. В четырехтактных двигателях для этого служит дополнительная муфта обратного хода, которая входит в зацепление при необходимости обратного вращения. В двухтактных двигателях с обеспечением обратного вращения проще, поскольку последовательность работы клапанов определяется положением поршня в соответствующем цилиндре. В небольших двигателях обратное вращение получают с помощью муфты сцепления и зубчатой передачи. На некоторых сторожевых кораблях и амфибиях длиной менее 60 м ставят реверсивные гребные винты (см. ниже ). Для того чтобы число оборотов двигателя не превысило безопасный предел, все двигатели оборудованы ограничителями частоты вращения.

Электрическая тяга.

Термином «суда с электрической тягой» называют суда, у которых одним из элементов системы преобразования энергии топлива в механическую энергию вращения гребного вала является электрическая машина. Один или несколько электродвигателей соединяются с валом винта напрямую или через редуктор. Питание электродвигателей осуществляется от электрогенераторов, приводом которых служит паровая или газовая турбина либо дизель. На подводных лодках в подводном положении питание электродвигателей осуществляется от аккумуляторов, а в надводном – от дизель-генераторов. Электрические машины постоянного тока обычно устанавливаются на небольших и на высокоманевренных судах. Машины переменного тока используются на океанских лайнерах.

Турбоэлектроходы.

На рис. 1 представлена схема турбоэлектропривода с котельной установкой для получения пара. Пар вращает турбину, которая, в свою очередь, вращает электрогенератор. Выработанная электроэнергия подается на электродвигатели, которые связаны с гребным валом. Обычно каждый турбогенератор работает на один электродвигатель, который вращает свой винт. Однако такая схема позволяет легко подсоединить к одному турбогенератору несколько электродвигателей, а следовательно, несколько гребных винтов.

Судовые турбогенераторы переменного тока могут вырабатывать ток с частотой в пределах 25–100% максимальной, но не более 100 Гц. Генераторы переменного тока вырабатывают ток напряжением до 6000 В, постоянного – до ~900 В.

Дизельэлектроходы.

Дизельэлектрический привод по существу не отличается от турбоэлектрического, за исключением того, что котельная установка и паровая турбина заменены дизельным двигателем.

На небольших судах обычно на каждый винт работают один дизель-генератор и один электродвигатель, однако при необходимости можно отключить один дизель-генератор для экономии или включить дополнительный для увеличения мощности и скорости.

КПД . Электродвигатели постоянного тока на низких оборотах создают больший крутящий момент, чем турбины и дизели с механической передачей. Кроме того, у двигателей и постоянного и переменного тока крутящий момент одинаков как при прямом, так и при обратном вращении.

Полный КПД турбоэлектропривода (отношение мощности на гребном валу к энергии топлива, выделяющейся в единицу времени) ниже, чем КПД турбинного привода, хотя турбина и соединена с гребным валом через два понижающих редуктора. Турбоэлектропривод тяжелее и дороже механического турбинного привода. Полный КПД дизельэлектропривода примерно такой же, как у механического турбинного привода. Каждый тип привода имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому выбор типа двигательной установки определяется типом судна и условиями его эксплуатации.

Электроиндукционная муфта.

В этом случае передача мощности от двигателя к гребному винту производится электромагнитным полем. Принципиально такой привод подобен обычному асинхронному электродвигателю, за исключением того, что и статор и якорь электродвигателя в электромагнитном приводе сделаны вращающимися; один из них связан с валом двигателя, а другой – с гребным валом. Элемент, связанный с двигателем, представляет собой обмотку возбуждения, которая питается от внешнего источника постоянного тока и создает электромагнитное поле. Элемент, связанный с гребным валом, представляет собой короткозамкнутую обмотку без внешнего питания. Оба элемента разделены воздушным промежутком. Вращающееся магнитное поле возбуждает в обмотке второго элемента ток, что заставляет этот элемент вращаться, но всегда медленнее (со скольжением), чем первый элемент. Возникающий крутящий момент пропорционален разности частот вращения этих элементов. Выключение тока возбуждения в первичной обмотке «разъединяет» эти элементы. Частоту вращения второго элемента можно регулировать, меняя ток возбуждения. При одном дизельном двигателе на судне использование электромагнитного привода позволяет снизить вибрации благодаря отсутствию механической связи двигателя с гребным валом; при нескольких дизельных двигателях такой привод повышает маневренность судна за счет переключения гребных винтов, поскольку направление их вращения легко изменить.

Атомные энергетические установки.

На судах с атомными энергетическими установками главным источником энергии является ядерный реактор. Тепло, выделяющееся в процессе деления ядерного горючего, служит для генерации пара, поступающего затем в паровую турбину. См . АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА.

В реакторной установке, как и в обычном паровом котле, имеются насосы, теплообменники и другое вспомогательное оборудование. Особенностью ядерного реактора является его радиоактивное излучение, которое требует специальной защиты обслуживающего персонала.

Безопасность.

Вокруг реактора приходится ставить массивную биологическую защиту. Обычные защитные материалы от радиоактивного излучения – бетон, свинец, вода, пластмассы и сталь.

Существует проблема хранения жидких и газообразных радиоактивных отходов. Жидкие отходы хранятся в специальных емкостях, а газообразные поглощаются активированным древесным углем. Затем отходы переправляются на берег на предприятия по их переработке.

Судовые ядерные реакторы.

Основными элементами ядерного реактора являются стержни с делящимся веществом (ТВЭЛы), управляющие стержни, охладитель (теплоноситель), замедлитель и отражатель. Эти элементы заключены в герметичный корпус и расположены так, чтобы обеспечить управляемую ядерную реакцию и отвод выделяющегося тепла.

Горючим может быть уран-235, плутоний либо их смесь; эти элементы могут быть химически связаны с иными элементами, быть в жидкой или твердой фазе. Для охлаждения реактора используется тяжелая или легкая вода, жидкие металлы, органические соединения или газы. Теплоноситель может быть использован для передачи тепла другому рабочему телу и производства пара, а может использоваться непосредственно для вращения турбины. Замедлитель служит для уменьшения скорости образующихся нейтронов до значения, наиболее эффективного для реакции деления. Отражатель возвращает в активную зону нейтроны. Замедлителем и отражателем обычно служат тяжелая и легкая вода, жидкие металлы, графит и бериллий.

На всех военно-морских судах, на первом атомном ледоколе «Ленин», на первом грузо-пассажирском судне «Саванна» стоят энергетические установки, выполненные по двухконтурной схеме. В первичном контуре такого реактора вода находится под давлением до 13 МПа и поэтому не вскипает при температуре 270° С, обычной для тракта охлаждения реактора. Вода, нагретая в первичном контуре, служит теплоносителем для производства пара во вторичном контуре.

В первичном контуре могут использоваться и жидкие металлы. Такая схема применена на подводной лодке ВМС США «Си Вулф», где теплоносителем является смесь жидкого натрия с жидким калием. Давление в системе такой схемы сравнительно невелико. Это же преимущество можно реализовать, используя в качестве теплоносителя парафинообразные органические вещества – дифенилы и трифенилы. В первом случае недостатком является проблема коррозии, а во втором – образование смолистых отложений.

Существуют одноконтурные схемы, в которых рабочее тело, нагретое в реакторе, циркулирует между ним и главным двигателем. По одноконтурной схеме работают газоохлаждаемые реакторы. Рабочим телом служит газ, например, гелий, который нагревается в реакторе, а затем вращает газовую турбину.

Защита.

Ее главная функция – обеспечить защиту экипажа и оборудования от излучения, испускаемого реактором и другими элементами, имеющими контакт с радиоактивными веществами. Это излучение делится на две категории: нейтроны, выделяющиеся при делении ядер, и гамма-излучение, возникающее в активной зоне и в активированных материалах.

В общем случае на судах имеются две защитные оболочки. Первая расположена непосредственно вокруг корпуса реактора. Вторичная (биологическая) защита охватывает парогенераторное оборудование, систему очистки и емкости для отходов. Первичная защита поглощает большую часть нейтронов и гамма-излучение реактора. Это снижает радиоактивность вспомогательного оборудования реактора.

Первичная защита может представлять собой двухоболочечный герметичный резервуар с пространством между оболочками, заполненным водой, и наружным свинцовым экраном толщиной от 2 до 10 см. Вода поглощает большую часть нейтронов, а гамма-излучение частично поглощается стенками корпуса, водой и свинцом.

Основная функция вторичной защиты – снизить излучение радиоактивного изотопа азота 16 N, который образуется в теплоносителе, прошедшем через реактор. Для вторичной защиты используются емкости с водой, бетон, свинец и полиэтилен.

Экономичность судов с атомными энергетическими установками.

Для боевых кораблей стоимость постройки и эксплуатационные расходы имеют меньшее значение, чем преимущества почти неограниченной дальности плавания, большей энерговооруженности и скорости кораблей, компактности установки и сокращения обслуживающего персонала. Эти достоинства атомных энергетических установок обусловили их широкое применение на подводных лодках. Оправданно и применение энергии атома на ледоколах.

СУДОВЫЕ ДВИЖИТЕЛИ

Существует четыре основных вида судовых движителей: водометные движители, гребные колеса, гребные винты (в том числе с направляющей насадкой) и крыльчатый движитель.

Водометный движитель.

Водометный движитель – это, по существу, просто поршневой или центробежный насос, который засасывает воду через отверстие в носу или днище корабля и выбрасывает через сопла в кормовой его части. Создаваемый упор (сила тяги) определяется разностью количеств движения струи воды на выходе и входе в движитель. Водометный движитель был впервые предложен и запатентован Тугудом и Хейсом в Англии в 1661. Позднее разные варианты такого двигателя предлагали многие, но все конструкции были неудачными из-за низкого КПД. Водометный движитель применяется в некоторых случаях, когда низкий КПД компенсирутся преимуществами в других отношениях, например для плавания по мелководным или засоренным рекам.

Гребное колесо.

Гребное колесо в самом простом случае – это широкое колесо, у которого по периферии установлены лопасти. В более совершенных конструкциях лопасти могут поворачиваться относительно колеса так, чтобы они создавали нужную пропульсивную силу при минимальных потерях. Ось вращения колеса расположена выше уровня воды, и погружена лишь его небольшая часть, поэтому в каждый данный момент времени только несколько лопастей создают упор. КПД гребного колеса, вообще говоря, возрастает с увеличением его диаметра; не редкость значения диаметра 6 м и более. Частота вращения большого колеса получается низкой. Невысокое число оборотов соответствовало возможностям первых паровых машин; однако со временем машины совершенствовались, их скорости возросли, и малые обороты колеса стали серьезным препятствием. В итоге гребные колеса уступили место гребным винтам.

Гребные винты.

Еще древние египтяне использовали винт для подачи воды из Нила. Есть свидетельства, что в средневековом Китае для движения судов использовали винт с ручным приводом. В Европе винт в качестве судового движителя впервые предложил Р.Гук (1680).

Конструкция и характеристики.

Современный гребной винт обычно имеет несколько лопастей примерно эллиптической формы, равномерно расположенных на центральной втулке. Поверхность лопасти, обращенную вперед, в нос судна, называют засасывающей, обращенную назад – нагнетающей. Засасывающая поверхность лопасти выпуклая, нагнетающая – обычно почти плоская. На рис. 2 схематично показана типичная лопасть гребного винта. Осевое перемещение винтовой поверхности за один оборот называют шагом p ; произведение шага на число оборотов в секунду pn – осевая скорость лопасти винта нулевой толщины в недеформируемой среде. Разность (pn - v 0), где v 0 – истинная осевая скорость винта, характеризует меру деформируемости среды, называемую скольжением. Отношение (pn - v 0)/pn – относительное скольжение. Это отношение – один из основных параметров гребного винта.

Важнейшим параметром, определяющим рабочие характеристики гребного винта, является отношение шага винта к его диаметру. Следующие по значимости – количество лопастей, их ширина, толщина и форма, форма профиля и дисковое отношение (отношение суммарной площади лопастей к площади описывающего их круга) и отношение диаметра втулки к диаметру винта. Экспериментально определены диапазоны изменения этих параметров, обеспечивающие хорошие рабочие характеристики: шаговое отношение (отношение шага винта к его диаметру) 0,6–1,5, отношение максимальной ширины лопасти к диаметру винта 0,20–0,50, отношение максимальной толщины лопасти вблизи втулки к диаметру 0,04–0,05, отношение диаметра втулки к диаметру винта 0,18–0,22. Форма лопасти обычно яйцевидная, а форма профиля – плавно обтекаемая, очень похожая на профиль крыла самолета. Размеры современных гребных винтов варьируются от 20 см до 6 м и более. Мощность, развиваемая винтом, может составлять доли киловатта, а может превышать 40 000 кВт; соответственно, частота вращения лежит в диапазоне от 2000 об/мин для малых винтов до 60 для больших. КПД хороших винтов составляет 0,60–0,75 в зависимости от шагового отношения, числа лопастей и других параметров.

Применение.

На судах ставят один, два или четыре гребных винта в зависимости от размеров судна и требуемой мощности. Одиночный винт обеспечивает более высокий КПД, поскольку отсутствует интерференция и часть энергии, затрачиваемой на движение судна, восстанавливается гребным винтом. Это восстановление выше, если гребной винт установлен в середине спутной струи сразу за ахтерштевнем. Некоторое увеличение пропульсивной силы может быть достигнуто с помощью разрезного руля, для чего верхнюю и нижнюю части руля немного отклоняют в противоположные стороны (соответственно вращению винта), с тем чтобы использовать поперечную составляющую скорости струи после винта для создания дополнительной составляющей силы в направлении движения судна. Применение нескольких винтов увеличивает маневренность судна и возможности поворота без использования рулей, когда винты создают упор в разных направлениях. Как правило, реверсирование упора (изменение направления действия пропульсивной силы на обратное) достигается реверсированием вращения гребных двигателей, но существуют и специальные реверсивные винты, которые позволяют реверсировать упор без изменения направления вращения валов; это достигается поворотом лопастей относительно втулки с помощью механизма, расположенного во втулке и приводимого в действие через полый вал. Гребные винты изготавливают из бронзы, отливают из стали или чугуна. Для работы в соленой воде предпочтительнее сплав бронзы, легированной марганцем, поскольку он хорошо поддается шлифованию и успешно противостоит кавитации и воздействию соленой воды. Спроектированы и созданы высокоскоростные суперкавитирующие винты, у которых вся засасывающая поверхность занята зоной кавитации. При малых скоростях такие винты обладают несколько меньшим КПД, однако они значительно эффективнее обычных при высоких скоростях.

Винт с направляющей насадкой.

Винт с насадкой – обычный винт, установленный в коротком сопле, – изобретен немецким инженером Л.Кортом. Насадка жестко соединена с корпусом судна или выполнена с ним как одно целое.

Принцип действия.

Был сделан ряд попыток установить винт в трубе для улучшения его рабочих характеристик. В 1925 Корт обобщил результаты этих исследований и существенно усовершенствовал конструкцию: он превратил трубу в короткое сопло, диаметр которого на входе был больше, а форма соответствовала аэродинамическому профилю. Корт установил, что такая конструкция обеспечивает значительно больший упор при заданной мощности по сравнению с обычными винтами, поскольку струя, ускоряемая винтом, при наличии насадки сужается в меньшей степени (рис. 3). При одинаковых расходах скорость за винтом с насадкой (v 0 + u u ). В связи с этим винты с насадкой чаще ставят на буксирах, траулерах и аналогичных судах, которые буксируют тяжелые грузы с малой скоростью. Для таких судов выигрыш на единицу мощности, создаваемый винтом с насадкой, может достигать 30–40%. На быстроходных судах винт с насадкой не имеет преимуществ, поскольку небольшой выигрыш в КПД теряется из-за увеличения сопротивления на насадке.

Крыльчатые движители.

Такой движитель представляет собой диск, на котором по периферии перпендикулярно плоскости диска размещены 6–8 лопатообразных лопастей. Диск установлен заподлицо с днищем корабля, а в поток опущены только лопасти движителя. Диск с лопастями вращается относительно своей оси, и, кроме того, лопасти совершают вращательное или колебательное движение относительно своей продольной оси. В результате вращательного и колебательного движений лопастей вода ускоряется в требуемом направлении, и создается упор для движения судна. Такой тип движителя имеет преимущество перед гребным винтом и гребным колесом, поскольку может создавать упор в любом желаемом направлении: вперед, назад и даже вбок без изменения направления вращения двигателя. Поэтому для управления судами с крыльчатым движителем не требуется рулей или других механизмов. Хотя крыльчатые движители не могут заменить гребные винты по универсальности применения, в некоторых специальных случаях они весьма эффективны.

Литература:

Акимов Р.Н. и др. Справочник судового механика . М., 1973–1974
Самсонов В.И. и др. Судовые двигатели внутреннего сгорания . М., 1981
Овсянников М.К., Петухов В.А. Судовые дизельные установки (спр.). Л., 1986
Артюшков Л.С. и др. Судовые движители . Л., 1988
Батырев А.Н. и др. Корабельные ядерные установки зарубежных стран . СПб., 1994

Ядерно-энергетические установки (ЯЭУ) позволяют придать морским судам качества, недостижимые при использовании судовых энергетических установок, работающих на ископаемом топливе. Прежде всего это неограниченный район плавания при работе на большой мощности, более высокая скорость и длительная автономность. Применение ЯЭУ повышает общую производительность грузовых судов всех типов за счет снижения полной массы энергетической установки, которая включает в себя массу самой энергетической установки и массу топлива для нее. Запасаемое на рейс топливо составляет 15% массы перевозимого груза, что равнозначно 10000 тонн для грузового судна с мощностью на винтах 40–60 МВт.

На морских судах принципиально могут быть применены ЯЭУ с реактором любого освоенного типа с использованием паротурбинного или газотурбинного цикла. Наибольшее распространение получили двухконтурные ЯЭУ с водо-водяными реакторами под давлением, поскольку они наиболее отработаны, компактны, просты в управлении, характеризуются устойчивостью к качке и дифферентам. Такими установками оборудованы атомные ледоколы России «Ленин», «Арктика», «Сибирь», «Ямал», «Россия», «50 лет Победы» и зарубежные транспортные суда «Саванна» (США), «Отто Ган» (Германия), «Муцу» (Япония). На кораблях военно-морского флота высокоразвитых стран мира чаще всего используют ядерные энергетические реакторы на быстрых или промежуточных нейтронах (с энергией в интервале 1–1000 эВ), активная зона которых охлаждается жидким натрием или жидким свинцом (или его сплавами). Эти реакторы при равной с другими типами реакторов мощности имеют наименьшие габариты, а высокая температура жидкометаллического теплоносителя (~ 600°С) обеспечивает эффективность ЯЭУ порядка 40%. По данным зарубежной печати в составе ВМФ США действуют около 130 атомных подводных лодок и свыше 10 атомных надводных кораблей (рис. 3.1).

Американский атомный авианосец «Рональд Рейган» был спущен на воду 4 марта 2001 года и вошел в боевой состав флота 12 июля 2003 года. Мощность его четырехвальной ядерной энергетической установки 205,8 МВт (280000 л.с.) – два водо-водяных реактора A4W/A1G. Авианосец имеет такие основные тактико-технические характеристики: полное водоизмещение 98000 т, длина 334 м, ширина 40,8 м, осадка 11,9 м, наибольшая ширина полетной палубы 78 м, скорость полного хода его составляет более 54,5 км/ч (30 узлов).

Разработка высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов (ВТГР) с температурой газа на выходе из активной зоны порядка 1000 К (по Кельвину) создает перспективы использования ядерно-энергетических установок, работающих по замкнутому или разомкнутому газотурбинному циклу. По сравнению с паротурбинными установками с ядерным реактором они обладают:

• более высоким к.п.д. преобразования тепловой энергии в механическую;
• меньшими массогабаритными параметрами;
• возможностью использования в одноконтурных установках в качестве рабочего тела различных газов;
• упрощенным регулированием мощности изменением давления в контуре с сохранением высокого к.п.д. в широком интервале нагрузок;
• незначительной потребностью в охлаждающей воде и отсутствием специальной водоподготовки;
• легкостью запуска турбоустановки при любой температуре и быстротой принятия нагрузки.

Таблица 3.1 Характеристики ядерного реактора МАРС-С

Наиболее экономичны в тепловом отношении и безусловно перспективны для использования в мощных транспортных ядерно-энергетических установках термодинамические циклы газотурбинных установок с регенерацией и промежуточным охлаждением газа. Одним из важных преимуществ некоторых типов высокотемпературных реакторов является возможность загрузки топлива на весь период эксплуатации судна, т.е. примерно на 25 лет. Ядерный реактор с теплоносителем из расплава солей и топливными элементами на основе микротвэлов МАРС-С (табл. 3.1) в комбинации с газотурбинной установкой (ГТУ), использующей в качестве рабочего тела атмосферный воздух, обеспечивает безопасную высокоэкономичную эксплуатацию ледоколов и судов ледового плавания.

Контур циркуляции расплавно-солевого теплоносителя включает активную зону реактора, боковой кольцевой и нижний торцевой отражатели, насосы, теплообменники соль–воздух. Материалом отражателя является циркулирующий расплавно-солевой теплоноситель (LiF–BeF2 ). Активная зона реактора состоит из графитовых тепловыделяющих сборок (ТВС) гексагональной формы размером под ключ 36 см. В ТВС в гексагональной решетке с шагом 3,5 см размещены 60 каналов диаметром 1,7 см для топлива и 31 канал диаметром 4 см для теплоносителя. В каналах для топлива располагаются топливные компакты-микротвэлы в графитовой матрице, объемная доля микротвэлов в топливном компакте составляет 33%.

Энергетическая установка ледокола (рис. 3.2) состоит из двух реакторов типа МАРС-С, двух газотурбинных двигателей с генераторами мощностью по 45 МВт. Мощность двух ГТУ при температуре 50°С и –50°С составляет 72,90 и 108 МВт, к.п.д. при этом равен 24, 30 и 36%. Для повышения эффективности применен предварительный подогрев воздуха с помощью двух регенераторов, по одному на каждую ГТУ. Атмосферный воздух поступает на вход компрессора 6 газовой турбины, затем из компрессора в регенератор 7 , где происходит его предварительный нагрев, и далее из регенератора в теплообменник соль–воздух 3 реактора. Расплав соли температурой ~750°С циркулирует с помощью насоса 8 . В теплообменниках воздух нагревается до ~ 700°С. Нагретый воздух поступает на вход газовой турбины 5 , которая приводит во вращение электрогенератор 4 . С выхода газовой турбины горячий воздух температурой 550°С поступает в регенератор 7 , где нагревает поступающий от компрессора 5 воздух, и затем с более низкой температурой выбрасывается в атмосферу.

В ходовом режиме основным потребителем электроэнергии является гребная электрическая установка, в состав которой входят три гребных двухобмоточных трехфазных электродвигателя синхронного типа мощностью по 32 МВт с напряжением 10,5 кВ. Такие мощные ядерно-энергетические установки с газовыми турбинами находят применение не только на ледоколах и военных судах, но и на пассажирских лайнерах.

Тепловые схемы действующих и проектируемых судовых ЯЭУ подчинены главным образом условиям обеспечения различных режимов работы для маневрирования, необходимых ходовых качеств, надежности и безопасности работы.

В качестве главных судовых двигателей ЯЭУ используются многоступенчатые турбины. К судовым турбинам предъявляются жесткие требования по массогабаритным соотношениям. Они работают в более широком диапазоне возможного изменения нагрузок. Судовые турбины работают на электрический генератор, а далее привод винтовой группы осуществляется от электродвигателей; возможна передача вращения турбины через редуктор непосредственно на движитель – гребные винты. В первом случае, по существу, речь идет об электростанции и условия работы отличаются от стационарных частыми и значительными изменениями нагрузки. При механической передаче в системе турбина–редуктор–движитель один из элементов должен быть реверсивным для обеспечения заднего хода судна. На транспортных судах, находящихся в длительных рейсах, главная турбина с гребной установкой связана обычно механической передачей. На ледоколах и атомных подводных лодках в связи с большими динамическими нагрузками применяется электрическая передача. Например, на ледоколе «Арктика» переменный ток, вырабатываемый шестью генераторами, преобразуется кремниевыми выпрямителями в постоянный ток, который поступает на три гребных двигателя постоянного тока каждый мощностью 16000 кВт (22000 л.с.).

На всех построенных надводных судах в ЯЭУ применяется среднее (по корпусу судна) расположение судовой энергетической установки. Это приводит к лучшей устойчивости судна и меньшей уязвимости ЯЭУ при авариях. Кормовое расположение судовых энергетических установок встречается в проектах танкеров, рудовозов и т.д.

Для крупнотоннажных судов с большим радиусом действия перспективны энергетические установки, работающие на ядерном топливе. Создание и широкое использование таких судов радикально изменит всю организацию и экономику морских перевозок.

Этот атомный ледокол заложен 4 октября 1989 года под названием «Урал», а в 1995-м, уже спущенный на воду, он получил имя «50 лет Победы». После успешного проведения государственных ходовых испытаний атомоход был введен в эксплуатацию и 23 марта 2007 года на нем подняли российский флаг. Атомоход «50 лет Победы» стал уникальным кораблем не только российского, но и мирового ледокольного флота. Длина – 159 метров, ширина – 30, водоизмещение – 25 тысяч тонн, скорость – 32,7 км/ч (18 узлов). Наибольшая толщина ледяных полей, которую он может одолеть, – 2,8 метра (это высота современной квартиры от пола до потолка). Ледокол оснащен двумя атомными энергетическими установками, имеет систему защиты «Антитеррор», снабжен экологическим отсеком с новейшим оборудованием для сбора и утилизации отходов, образующихся при работе судна. Мощность трех валов – 75000 л. с. (55,2 МВт).

Принцип действия и устройство энергетических реакторов сводой под давлением.

Атомные энергетические установки (АЭУ). В настоящее время вопрос о широком применении ядерного горю­чего в судовых энергетических установках становится все более актуальным. Интерес к судам с АЭУ особенно возрос в 1973- 1974 гг., когда вследствие мирового энергетического кризиса резко повысились цены на органическое топливо. Основным преимуществом судов с АЭУ является практически неограничен­ная дальность плавания, что очень важно для ледоколов, судов арктического плавания, научно-исследовательских, гидрографи­ческих и пр.

Суточный расход ядерного горючего не превышает нескольких десятков граммов, а тепловыделяющие элементы в реакторе можно менять один раз в два-четыре года. АЭУ на транспортных судах, особенно на тех, которые совершают дальние рейсы с большой скоростью, позволяет значительно повы­сить грузоподъемность судна за счет практически полного отсут­ствия запаса топлива (это дает больший выигрыш, чем потери из-за значительной массы АЭУ). Кроме того, АЭУ может работать без доступа воздуха, что очень важно дляподводных судов. Однако пока потребляемое АЭУ топ­ливо еще очень дорого. Кроме того, на судах с АЭУ приходится пред­усматривать специальную биологи­ческую защиту от радиоактивного излучения, которая утяжеляет уста­новку. Надо полагать, что успехи в развитии атомной техники и в созда­нии новых конструкций и материалов позволят постепенно устранить эти недостатки судовых АЭУ.

Все современные судовые АЭУ используют тепло, выделяющееся при делении ядерного горючего для образования пара, или нагрева газов, поступающих затем в паровую или газовую турбины. Основное звено атомной паропроизводящей установки АППУ реактор, в котором происходит ядерная реакция. В качестве ядерного горючего используют различные расщепляющиеся вещества, у которых процесс деления ядер сопровождается выделением большого количества энергии. К таким веществам относятся изотопы урана, плутония и тория.

Рис. 6.1. Схема ядерного ре­актора.

1- активная зона; 2 -- урановые стержни; 3 - замедлитель; 4 -отражатель; 5 - теплоноситель; 6 - биологическая защита; 7 - тепловой экран; 8 - система ре­гулирования

Наиболее важными элемен­тами судовых реакторов являются (рис 6.2) активная зона, в которой размещены урановые стержни и замедли­тель, необходимый для поглощения энергии выделяющихся при распаде ядер частиц нейтронов; отражатель нейтронов, возвращающий в активную зону часть вылетевших за ее пределы нейтронов; теплоноситель для отбора из активной зоны тепла, выделяющегося при делении урана, и передачи этого тепла дру­гому рабочему телу в теплообменнике; экран биологической за­щиты, препятствующий распространению вредных излучений реактора; система управления и защиты, регулирующая течение реакции в реакторе и прекращающая ее в случае аварийного роста мощности.

Замедлителем в ядерных реакторах служит графит, тяжелая и обычная вода, а теплоносителем - жидкие металлы с низкой температурой плавления (натрий, калий, висмут), газы (гелий, азот, углекислый газ, воздух) или вода.

В судовых АЭУ получили распространение реакторы, у кото­рых и замедлителем и теплоносителем является дистиллированная вода, откуда и произошло их название водо-водяные реакторы. Эти реакторы проще по устройству, компактнее, надежнее в ра­боте, чем другие типы, и дешевле. В зависимости от способа передачи тепловой энергии от реак­тора исполнительному механизму (турбине) различают однокон­турную, двухконтурную и трехконтурную схемы АЭУ.

По одноконтурной схеме (рис. 6.2, а) рабочее вещество - пар - образуется в реакторе, откуда Поступает непосредственно в турбину и из нее через конденсатор с помощью циркуляционного насоса возвращается в реактор.

По двухконтурной схеме (рис. 6.2, б) циркулирующий в реак­торе теплоноситель отдает свое тепло в теплообменнике - паро­генераторе - воде, образующей пар, который поступает в тур­бину. При этом теплоноситель пропускают через реактор и паро­генератор циркуляционным насосом или воздуходувкой, а обра­зующийся в конденсаторе турбины конденсат прокачивают конденсатным насосом через систему подогрева, фильтрации и подпитки и питательным насосом снова подают в парогенератор.

Трехконтурная схема (рис. 6.2, в) представляет собой двух­контурную схему с включенным между первым и вторым конту­рами дополнительным промежуточным контуром.

Одноконтурная схема требует биологической защиты вокруг всего контура, включая и турбину, что усложняет обслуживание и управление и повышает опасность для экипажа. Безопаснее двухконтурная схема, так как здесь второй контур уже не опасен для экипажа. Поэтому на атомных судах почти всегда применяют двухконтурные схемы. Трехконтурные схемы используют в том случае, если теплоноситель в реакторе сильно активируется и его необходимо тщательно отделить от рабочего вещества, для чего и предназначен промежуточный контур.

Рис. 6.2. Тепловые схемы ядерных энергетических установок:

а - одноконтурная; б - двухконтурная; в - трехконтурная.

1 -реактор; 2 - турбина; 3 - конденсатор; 4 - циркуляционный насос; 5 -парогенератор; 6 - конденсатный насос; 7 - система по­догрева фильтрации и подпитки; 8 - питательный насос; 9 - тепло­обменник; 10 - биологическая защита

Принцип действия и устройство энергетических реакторов. На судах с атомными энергетическими установками главным источником энергии является ядерный реактор. Тепло, выделяющееся в процессе деления ядерного горючего, служит для генерации пара, поступающего затем в паровую турбину.

В реакторной установке, как и в обычном паровом котле, имеются насосы, теплообменники и другое вспомогательное оборудование. Особенностью ядерного реактора является его радиоактивное излучение, которое требует специальной защиты обслуживающего персонала.

Безопасность. Вокруг реактора приходится ставить массивную биологическую защиту. Обычные защитные материалы от радиоактивного излучения – бетон, свинец, вода, пластмассы и сталь.

Существует проблема хранения жидких и газообразных радиоактивных отходов. Жидкие отходы хранятся в специальных емкостях, а газообразные поглощаются активированным древесным углем. Затем отходы переправляются на берег на предприятия по их переработке.

Судовые ядерные реакторы. Основными элементами ядерного реактора являются стержни с делящимся веществом (ТВЭЛы), управляющие стержни, охладитель (теплоноситель), замедлитель и отражатель. Эти элементы заключены в герметичный корпус и расположены так, чтобы обеспечить управляемую ядерную реакцию и отвод выделяющегося тепла.

Горючим может быть уран-235, плутоний либо их смесь; эти элементы могут быть химически связаны с иными элементами, быть в жидкой или твердой фазе. Для охлаждения реактора используется тяжелая или легкая вода, жидкие металлы, органические соединения или газы. Теплоноситель может быть использован для передачи тепла другому рабочему телу и производства пара, а может использоваться непосредственно для вращения турбины. Замедлитель служит для уменьшения скорости образующихся нейтронов до значения, наиболее эффективного для реакции деления. Отражатель возвращает в активную зону нейтроны. Замедлителем и отражателем обычно служат тяжелая и легкая вода, жидкие металлы, графит и бериллий.

На всех военно-морских судах, на первом атомном ледоколе «Ленин», на первом грузо-пассажирском судне «Саванна» стоят энергетические установки, выполненные по двухконтурной схеме. В первичном контуре такого реактора вода находится под давлением до 13 МПа и поэтому не вскипает при температуре 270 0 С, обычной для тракта охлаждения реактора. Вода, нагретая в первичном контуре, служит теплоносителем для производства пара во вторичном контуре.

В первичном контуре могут использоваться и жидкие металлы. Такая схема применена на подводной лодке ВМС США «Си Вулф», где теплоносителем является смесь жидкого натрия с жидким калием. Давление в системе такой схемы сравнительно невелико.

Это же преимущество можно реализовать, используя в качестве теплоносителя парафинообразные органические вещества – дифенилы и трифенилы. В первом случае недостатком является проблема коррозии, а во втором – образование смолистых отложений.

Существуют одноконтурные схемы, в которых рабочее тело, нагретое в реакторе, циркулирует между ним и главным двигателем. По одноконтурной схеме работают газоохлаждаемые реакторы. Рабочим телом служит газ, например, гелий, который нагревается в реакторе, а затем вращает газовую турбину.

Защита. Ее главная функция – обеспечить защиту экипажа и оборудования от излучения, испускаемого реактором и другими элементами, имеющими контакт с радиоактивными веществами. Это излучение делится на две категории: нейтроны, выделяющиеся при делении ядер, и гамма-излучение, возникающее в активной зоне и в активированных материалах.

В общем случае на судах имеются две защитные оболочки. Первая расположена непосредственно вокруг корпуса реактора. Вторичная (биологическая) защита охватывает парогенераторное оборудование, систему очистки и емкости для отходов. Первичная защита поглощает большую часть нейтронов и гамма-излучение реактора. Это снижает радиоактивность вспомогательного оборудования реактора.

Первичная защита может представлять собой двухоболочечный герметичный резервуар с пространством между оболочками, заполненным водой, и наружным свинцовым экраном толщиной от 2 до 10 см. Вода поглощает большую часть нейтронов, а гамма-излучение частично поглощается стенками корпуса, водой и свинцом.

Основная функция вторичной защиты – снизить излучение радиоактивного изотопа азота 16N, который образуется в теплоносителе, прошедшем через реактор. Для вторичной защиты используются емкости с водой, бетон, свинец и полиэтилен.

Экономичность судов с атомными энергетическими установками. Для боевых кораблей стоимость постройки и эксплуатационные расходы имеют меньшее значение, чем преимущества почти неограниченной дальности плавания, большей энерговооруженности и скорости кораблей, компактности установки и сокращения обслуживающего персонала. Эти достоинства атомных энергетических установок обусловили их широкое применение на подводных лодках. Оправданно и применение энергии атома на ледоколах.

Вопросы для самопроверки:

Что является источником энергии для АЭУ?

Что собой представляет двухоболочечный герметичный резервуар?