Главная > Развитие подводных лодок

Реабилитация водометного движителя!

Хотя атомные подводные лодки намного перекрыли скорость дизель-электрических предшественниц, за рубежом считают, что этого недостаточно. При этом называют 60, а в более отдаленной перспективе 100 уз и более. Но в таких традиционных направлениях совершенствования ходовых качеств подводных лодок, как увеличение энерговооруженности и улучшение формы корпуса, резервы в значительной степени исчерпаны. В создавшемся положении конструкторы вынуждены обращаться к новым идеям.

Одним из основных препятствий на пути увеличения скорости подводных лодок является кавитация гребных винтов. С этим явлением кораблестроители впервые столкнулись в конце 19 в. Винт начинает кавитировать, когда с увеличением числа его оборотов скорость воды на засасывающей стороне лопастей настолько возрастает, что давление снижается до величины, при которой вода даже при обычной температуре вскипает и. превращается в пар. Пар, занимая определенный объем, вытесняет воду, и в ней образуются пузырьки, наполненные паром, воздухом и газами, выделившимися из воды. Каждый пузырек переносится потоком от места своего образования в область с меньшим разрежением. При этом пар в пузырьке мгновенно конденсируется, превращаясь в воду. Вода, как известно, занимает меньший объем, чем пар, а потому в образующуюся пустоту со всех сторон устремляются окружающие пузырек частицы воды, которые с огромной силой ударяются о поверхность лопасти, постепенно разрушая се. Это первая стадия кавитации.

По мере дальнейшего увеличения числа оборотов винта площадь засасывающей стороны лопастей, охваченная кавитацией, расширяется, зона разрежения увеличивается, давление в ней падает. Конденсация пара происходит за пределами лопастей. При этом кавитационное разрушение металла винта прекращается, но винт как бы теряет упор и проскальзывает в "воздушном мешке". Наступает вторая стадия кавитации, которая не разрушает винт, но снижает его КПД.

В начале 40-х годов академик В. Л. Поздюнин предложил на первый взгляд парадоксальное решение: бороться с кавитацией путем ее интенсификации, применяя для быстроходных кораблей гребные винты, специально приспособленные для работы в условиях сильно развитой кавитации. Открытое Поздюниным явление получило название суперкавитации, а предложенные им гребные винты - суперкавитирующих. По сравнению с обычными гребными винтами суперкавитирующие винты быстроходных кораблей имеют на 15-20 % больший КПД, а число оборотов может достигать 3000 в минуту, что позволяет в отдельных случаях применять безредукторные двигатели, тем самым облегчая и упрощая энергетическую установку. По мнению зарубежных специалистов, порог эффективности суперкавитирующих винтов находится в диапазоне 40-80 уз. А какой движитель сможет обеспечить более высокие скорости?

Читатель помнит о попытках создать водометные корабли (19 в.) и чем они закончились. Большой вклад в теорию водометного движителя внес замечательный русский ученый Николай Егорович Жуковский, работы которого были использованы отечественными исследователями и конструкторами А. А. Брандтом, Ф. А. Бриксом, А. М. Потемкиным и другими. На опыте предшественников учились исследователи последующих поколений, и уже в наше время трудами советских ученых А. М. Басина, И. М. Коновалова, С. В. Куликова, А. П. Кужмы и других, а также зарубежных специалистов создана стройная теория водометного движителя. Уже сегодня им оснащаются быстроходные корабли на подводных крыльях и на воздушной подушке, развивающие скорость 60 и более узлов.

Чтобы понять, почему изобретатели прошлого терпели неудачу, обратимся к формуле КПД идеального водометного движителя n=2/(1+Uвых/U), где Uвых - скорость реактивной струи на выходе из отливного патрубка; U - скорость корабля. Из формулы видно, что n возрастает с уменьшением скорости струи, а следовательно, и с увеличением количества прокачиваемой воды, что влечет за собой возрастание площади сечения водоводов. С ростом производительности насоса и площади сечения водоводов резко возрастает масса движительного комплекса и бортового запаса топлива, а значит, и водоизмещение корабля. В этом основная причина того, что в прошлом за водометным движителем упрочилась репутация малоэффективного с низким КПД, не превышающим 25- 30 %. Могла ли идти речь о конкуренции с гребным винтом!

Вернемся к формуле, а вернее к другому входящему в нее показателю - U. Именно в нем содержится ответ на вопрос, что можно ожидать от водометного движителя. Оказывается, на очень быстроходном корабле водометный движитель по эффективности может не только сравняться с гребным винтом, но и превзойти его. Речь идет о скоростях, которые еще в недавнем прошлом казались фантастическими, - 80 уз и более. А при скорости 100 уз и выше с водометным по эффективности не может конкурировать ни один из известных сегодня корабельных движителей.

Водометный движитель имеет и такое первостепенное преимущество, как передача очень большой мощности упора, недоступной гребному винту из-за чрезмерного возрастания его массы и габаритов. Кроме того, водометный движитель, смонтированный внутри корпуса подводной лодки, благодаря применению средств звукоизоляции и звукопоглощения позволит снизить шумность. Размещение рабочего колеса насоса в цилиндрической трубе уменьшит неравномерность потока, что, в свою очередь, приведет к снижению степени его гидродинамической неуравновешенности - одной из главных причин вибрации корпуса подводной лодки, оснащенной гребным винтом.

Конечно, применение водометного движителя связано с немалыми трудностями. Так, на величину пропульсивного коэффициента подводной лодки с водометным движителем окажет отрицательное влияние гидравлическое сопротивление в водоводах, которое может достигать 80 % полного сопротивления лодки, а также потери, обусловленные вихреобразованием и взаимодействием струи с внешним потоком. А от качества формирования струи зависит эффективность всего водометного движительного комплекса, его КПД и тяга. Большая скорость лодки практически неизбежно вызовет кавитацию на стенках водоводов и лопастях насоса. При чрезмерно развитой кавитации возможен срыв работы насоса. Правда, здесь, как и в случае кавитации гребного винта, существует возможность применения насосов с суперкавитирующими лопастями рабочих колес.

Для скоростей, развиваемых современными подводными лодками, гребной винт не является тормозом. Но с учетом роста водоизмещения и перспективы достижения подводными лодками гораздо больших скоростей не исключается возможность их оснащения в будущем водометными движителями. Напрашивается аналогия с авиацией. Пока скорости самолетов не превышали 600-700 км/ч, в качестве движителя на них монопольно применялся воздушный винт, дальнейшим ростом скоростей винт был вытеснен реактивным двигателем.