Внимание!
Предложения и заявки заказчиков

Размещение рекламных материалов

коммерческая реализация изобретений - ООО 'Адвансед Девелопмент Проджект' смотреть>>>

Требуются разработки по средствам контроля и ограничения по количеству дисковых операций производимых одним пользователемдля хостинг провайдера. смотреть>>>

Требуются разработки по использованию низкопотенциальной энергии смотреть >>>

Ледокольная перспектива России (фрагмент старой статьи).

   У стен балтийского судостроительного завода достраивается самый большой в мире атомный линейный ледокол "50 лет Победы" - флагман серии ледоколов класса "Арктика". Поражают как его линейные размеры (общая длина составляет 159 м), так и мощность ядерных реакторов (2х171 МВт). Россия, имеющая мощный ледокольный флот (одних только линейных, океанского класса ледоколов, насчитывается 8 единиц), в перспективе будет только наращивать свои силы в этом направлении, т.к. необходимо будет обеспечить проводку северных караванов с объёмом перевозки грузов по Северному морскому пути в 5-7 млн. т в год, а в более дальней перспективе - до 10-15 млн. т. С истощением мировых  запасов природных ископаемых станет вполне рентабельной разработка новых рудников и скважин за полярным кругом и в северной шельфовой зоне (а это ещё +50-70 млн. т в год). При этом следует учитывать, что, например, нефть придётся транспортировать исключительно танкерным флотом, т.к. перекачка его по трубопроводам на десятки тысяч км в условиях вечной мерзлоты и при температуре до -50 оС становится трудноразрешимой технологической задачей.

   Поэтому можно с уверенностью прогнозировать, что через 30-50 лет весь мир в той или иной степени будет кормиться Севером, Сибирью и Дальним Востоком, т.к. до полезных ископаемых этих территорий (из-за сложности их добычи) человек доберётся в самую последнюю очередь. Знакомясь с конструкцией современных судов-ледоколов, у меня сразу же возникло два желания: во-первых, улучшить уже существующие модели и, во-вторых, создать практически новый, идеальный тип линейного ледокола. Что же меня не удовлетворяет в классической конструкции ледокольных судов типа "Арктика"? Прежде всего - диаграмма энергопотерь. Смотрите сами. Изначально имеем на борту два ядерных реактора, каждый мощностью в 171 МВт. Причём, один из них является резервным. Работа сразу двух реакторов конструктивно невозможна и потому, что под такую мощность на борту просто нет соответствующих потребителей. Энергия ядерного реактора преобразуется через парогенератор в энергию пара и далее поступает на гигантские турбины, каждая из которых, в свою очередь состоит из трёх турбогенераторов. Суммарная мощность двух турбин составляет 75 тыс. л.с. После преобразования механической энергии в электрическую в генераторах электричество подаётся на три мощных электродвигателя постоянного тока, непосредственно вращающих гребные винты. Постоянный ток выбран потому, что на таких двигателях легче делать реверс - часто используемый при ломке прочных ледовых полей. Что мы имеем в конечном счёте? А имеем мы потенциальные 342 МВт энергии на борту. Из них непосредственно задействуем 171 МВт, которые преобразуются в механические 75 тыс. л.с. (кпд 34,2 %). Далее теряем минимум 10 % энергии на преобразование механической энергии в электрическую в электрогенераторах и ещё минимум 10% потерь - при обратном преобразовании уже электрической энергии в механическую в паршевых электродвигателях, приводящих в движение гребные винты. (Кстати, у электродвигателей постоянного тока заведомо более низкий кпд и ресурс, чем у асинхронников). Суммарный кпд гребных винтов, выполненных по трёхвальной схеме в лучшем случае составляет 35 % (в режиме буксира с высоким коэффициентом проскальзывания лопастей). Итого получаем, что тепловая энергия ядерного топлива после многочисленных преобразований превращается в реактивный импульс водяной струи, приводящий судно в движение, эквивалентной мощностью всего около 21,3 тыс. л.с. (кпд=9,4 % при одном реакторе и кпд=4,7 % с учётом двух реакторов). Скажем прямо, кпд сравнимыс с паровозом!

   Вместе с тем имеются некоторые возможности по более рациональному и оригинальному использованию тепловой энергии ядерного топлива. К тому же возить второй ядерный реактор как запасной и не использовать его в непосредственной работе было бы весьма расточительно и нерационально. Но сначала вспомним принцип работы классических ледокольных судов. Ледокол всей своей массой наваливается на ледовое покрытие, проламывает его сверху вниз и по возможности загоняет своим корпусом обломки льдин под воду, расчищая фарватер. Но т.к. цельное ледовое поле лежит на воде и тем самым опирается на него, то сделать это весьма сложно. Для облегчения процедуры ломки льда разумно было бы поменять вектор приложения сил - ломать лёд не сверху вниз, а снизу вверх. Не имея больше поддержки (плотность воздуха в 800 раз меньше плотности воды), лёд станет ломаться на порядок легче. Но об этом - чуть далее. Другой способ облегчения ломки льда - это создание вдоль будущего фарватера нескольких трещин, пропилов, щелей. Имея профилирующие концентраторы напряжения, ледяное поле уже не будет работать как единое целое, а будет ломаться вдоль сделанных пропилов. (Вспомните, как легко ломается при изгибании металлический пруток, если на нём предварительно сделан пропил). Но делать пропилы во льдах (и сособенно - в полях торосов) механически очень сложно и практически невозможно. Применение дисковых фрез возможно только в припортовых зонах и на небольших реках, где гладкость льда, степень ответственности, временной фактор и механические нагрузки гораздо ниже. Но как всё-таки сделать превентивные пропилы в мощных ледовых полях и торосах, тем самым многократно ослабив их?

   Для этого можно непосредственно использовать перегретый пар второго контура ядерного реактора с очень высокими выходными параметрами (температура в 300 оС и давление 2,9 МПа). Для этого выводим три теплоизолированных паропровода на нос и по бокам судна и через выходные сопла "вдуваем" пар в лёд. Сопла должны крепиться на плавающих кронштейнах и автоматически отслеживать дистанцию до льда (не более 100 мм). Сопла также должны располагаться под некоторым углом с тем, чтобы выдувать растаявшую воду и не снижать тем самым кпд всего процесса. Имея в ледовом поле три продольных реза (частичных либо сквозных) судно с гораздо большей эффективностью сможет ломать куски льда, которые лишатся поддержки основного массива ледяного поля (не будут защемлены). И если раньше цельное ледяное поле имело возможность несколько прогибаться под тяжестью ледокола, тем самым честично компенсируя его массу и механические усилия, то теперь обламывание двух П0образных "языков" будет происходить гораздо легче. Действуя по принципу "разделяй и властвуй", мы настолько облегчим процедуру разрушения льда, что станет практически ненужным реверс двигателей и возвратно-поступательное движение судна. К тому же, имея на борту мощный парогенератор (парорезак), не составит большого труда вызволить из ледового плена вмёрзшие в лёд суда, обработав паром их борта.

   Теперь посчитаем, во сколько же обойдётся данное удовольствие? Пусть ледокольное судно движется с типичной для него крейсерской скоростью 5 км/ч. Следовательно, общая длина трёх пропилов составит 15.000 м/ч. Условно примем глубину пропила равной 2 м, а ширину - 0,02 м (диаметр сопла порядка 5 мм). Объём льда, который необходимо растопить за час, составит 600 м3, а его масса - примерно 550 т. Далее по формуле Q=lm, где l - удельная теплота плавления льда, равная 79,8 кал/г (3,34х105 Дж/кг), находим количество тепла, необходимое для растопления льда - 17,2х1010 Дж. Т.к. 1 Вт=3.600 Дж, то эквивалентная энергия равна (при условии достижения кпд процесса 50%) 100 МВт. Если же пропилы делать не сквозными, а частичными (на 1/3 или 2/3 глубины льда), то требуемое количество энергии значительно уменьшится. Здесь в каждом конкретном случае придётся подбирать баланс между глубиной пропила, хрупкостью льда, мощностью двигателя и т.д. получается, что при работе всего лишь одного ядерного реактора мы всю тепловую энергию разделяем на два потока: на прорезание щелей во льду и на механическое движение судна (которое потребует гораздо меньшей энергии). На первый взгляд равнозначный размен. Но будем учитывать, что использование перегретого пара непосредственно на прорезание щелей резко снижает механическую нагрузку на множество агрегатов и узлов судна и тем самым повышает их надёжность и ресурс. К тому же станет возможным уверенное прохождение паковых льдов без многокилопетровых огибаний мощных ледяных полей. Облегчённое разрушение льда позволит использовать всего лишь одну турбину и два винта из трёх, а в перспективе - и вовсе их удалить с судна либо использовать как резервные. Но самые большие перспективы открываются при обновременном использовании сразу двух ядерных реакторов (ведь все возможности для этого существуют!). При этом перегретый пар с одного реактора направляется для резки льда, а второй реактор традиционно используется для привода судна. По моим оценкам это позвоит увеличить среднюю скорость хода ледокола с 4-6 км/ч до 10-15 км/ч. Совокупное увеличение скорости движения каравана в два и более раза может иметь глобальное, решающее значение. При этом затраты на переоборудование и дооснащение базового ледокола незначительны (при общем уровне затрат). По факту вместо 8 имеющихся атомных ледоколов мы получаем целых 16 без строительства новых судов (только за счёт повышения их производительности).

   Но вершиной общей ледокольно-судостроительной прграммы должен стать проект принципиально нового ледокольного судна, лишённого стереотипов конструкторского мышления и над которым бы не довлели исторические традиции проектирования. Собственно, подобный тип ледокольного судна в том или ином варианте предлагался уже достаточно давно. Более того, был построен (ещё, кажется, в царское время) малоразмерный экспериментальный образец, который играючись вспарывал лёд на Неве реке (буксировался лошадьми). Вспомним также работы наших замечательных инженеров к.т.н. Кешеварова Ю. и Пикуля. Но почему-то до полноразмерных конструкций дело так и не дошло (консервативность мышления гос. чиновников?). А жаль, ведь потенциальные возможности просто ошеломляющие. Я имею ввиду проекты полупогружных подводных ледоколов, вспарывающих лёд из-под воды снизу вверх своеобразной наклонной пилой, выходящей на поверхность. (В России, в частности, рассматривается конструкция подводного ледокола на базе АПЛ "Тайфун"). При этом энергозатраты на ломку льда (ввиду отсутствия опоры льда на водную поверхность) снижаются многократно.

   Я считаю, что для уверенной проводки морских караванов в арктических льдах любой толщины (в т.ч. и через Северный полюс из Европы в Америку) необходимо создать серию сверхмощных подводных атомных ледоколов. При этом масса и удельная мощность судна имеют принципиальное, решающее значение, т.к. крушить паковый лёд толщиной до 3,5 м со скоростью в 25-30 км/ч способен будет только ледокол с поистине уникальными конструкцией, габаритами и мощностью. Полупогружное судно-ледокол, способное также к автономному подводному плаванию на глубине до 200 м, должно меть пропорции подводной лодки, но с широкой овальной кормой и зауженным острым носом круглого сечения. Прочный наружный корпус имеет дифференцированную толщину стенок: нижняя полусфера - порядка 100 мм, верхняя рабочая - 200 мм. Общая длина судна - 220 м, ширина по корме - 28 м. Клиновидная рубка управления расположенная в корме, может иметь толщину стенок корпуса до 500 мм. Такая мощная броня будет необходима при пробивании льда из подводного положения и всплытия в цельном ледяном поле. От носа ледокола и до самой рубки вдоль продольной оси устанавливается сменный рабочий зубчатый нож, который и несёт основную нагрузку по вспарыванию и разрушению льда. Высота зубчатого ножа переменная и составляет от 500 мм в подводной части носа до 5.000 мм в районе рубки. Помимо основного центрального ножа предусматриваются также несколько боковых вспомогательных ножей меньших размерностей которые начинаются с центральной части судна. Размещение ножей должно быть таким образом, чтобы непосредственно на сам корпус приходилось как можно меньшее механическое воздействие от льдин. Весь разрушенный лёд в кормовой части ледокола должен скатываться по круглым наклонным бокам корпуса на нетронутый лёд, тем самым оставляя фарватер практически чистым ото льда (своеобразный эффект лемеха плуга). И в этом - принципиальное отличие полупогружного ледокола от классического, который загонял обломки льда вод воду.

   Двигательно-движительный комплекс подводного левиафана также весьма интересен. Он представляет собой продолно-осевой двухярусный двигатель Стирлинга, возвратно-поступательное движение поршней которого преобразуется через наклонную шайбу и крейцкопфы во вращательное движение вала. Наличие двух ярусов поршней (наружное и внутреннее кольцо) позволяет использовать на одной продольной оси сразу два вала с двумя наклонными шайбами и двумя кольцами крейцкопфов (двигатель в двигателе). Т.о. на наружный вал крепится первый (ближний) винт, а на внутренний - второй (дальний) винт. Два соосных винта большого диаметра (предположительно около 12 м), вращающихся в противофазе, создают относительно прямой, не закрученный спиралью, водный поток, что значительно повышает кпд движителя, который может достигать 50 % (или 70 % для чистой воды). Здесь следует учитывать, что движение ледокольного судна в режиме прокладывания фарватера очень специфично и несколько напоминает работу портового буксира. А это значит, что предпочтительно иметь как можно меньшее количество винтов при как можно большем их жиаметре. И в этом смысле подводный полупогружной ледокол меет неоспоримые преимущества перед классическими судами-ледоколами, т.к. разместить на последних винты диаметром в 12 м практически невозможно.

   Предложенная комбинация типа судна и двигательно-движительного комплекса в целом, на мой взгляд, является идеальной для любого грузового судна, а не только для ледокола. Двигательно-движительный комплекс, состоящий из соосного малооборотного двигателя Стирлинга вкупе с ЯЭУ и двух соосных винтов сверхбольшого диаметра, взаимоинтегрирован настолько, что его использование возможно исключительно для судоходства. Но в этой ипостаси он уникален, неповторим и наиболее оптимален. Теплоносителем для двигателя Стирлинга служит расплавленный втористый натрий или фтористый литий, которые забирают тепло у ТВЭЛов при протекании ядерной реакции. Рабочим телом выступает гелий, сжатый до 200 атм. Размещение ядерного реактора (либо нескольких спаренных реакторов) в оголовке двигателя позволяет оптимизировать компоновку, сделать её очень компактной. Параметры двигателя Стирлинга с внешним подводом тепла как нельзя лучше подходят для ледокольного судна, т.к. он обладает большим крутящим моментом на малых оборотах (нет необходимости в преобразовании частоты вращения вала различными редукторами), имеет очень высокий практический кпд (порядка 42 %), легко осуществляет реверс, имеет очень высокий моторесурс и общую техническую надёжность, идеально компонуется с ЯЭУ. Так, если применить один ядерный реактор с "Арктики" вкупе с двигателем Стирлинга, то конечная эквивалентная энергия импульса воды составит уже не 21,3 тыс. л.с., а все 27 тыс. л.с., что на четверть выше только за счёт более высокого кпд двигательно-движительного комплекса. Если же учесть и более низкие энергозатраты на разрушение льда, то совокупный прирост можности может достигнуть 40-50 тыс. л.с. (по сравнению с "Арктикой"). Вообще же для нового типа ледокольного судна вполне можно было бы использовать 2-3 стандартных ядерных реактора по 171 МВт каждый без разработки новых, более мощных. Это позволило бы получить суммарную эквивалентную мощность на валу в 100-150 тыс. л.с., что более чем достаточно. Вообще же двигательно-движительный комплекс, выполненный на базе ЯЭУ и двигателя Стирлинга и лишённый кривошипно-шатунного механизма, различных многоступенчатых преобразователей энергии и разнесённых многовинтовых приводов обещает быть относительно компактным, малообслуживаемым, выполненным в едином блоке. Это, в свою очередь, позволяет создать единый универсальный двигательно-движительный комплекс в модульном исполнении, который можно будет легко извлекать из судна и заменять его целиком на новый вне пределов судоремонтных заводов, а также использовать его в для различных других типов судов (как грузовых, так и пассажирских).

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Комментарии