Устройство и принцип работы роторного двигателя

Устройство и принцип работы роторного двигателя

Не все знатоки автомобилестроения знают, что в разное время в разных странах мира, включая СССР, на авто ставились необычные роторные двигатели внутреннего сгорания. Этот уникальный агрегат имеет свою большую историю и, возможно, хорошие перспективы на применение в будущем.

1. Что представляет собой роторный двигатель Ванкеля
2. История создания роторного двигателя
3. Применение двигателя Ванкеля на Западе и в СССР
4. Устройство и принцип работы роторного двигателя
5. Преимущества и недостатки

Что представляет собой роторный двигатель Ванкеля

Это простой по техническому решению силовой агрегат. Вместо нескольких поршней с кольцами и шатунами, он имеет один треугольный ротор, посаженный на вал. При этом вал не коленчатый, а эксцентриковый. Камеры сгорания расположены равномерно поочередно по всему кругу вращения ротора.

Роторный двигатель

В роторном ДВС в 2 с лишним раза меньше деталей в сравнении с поршневым вариантом. Нет головки блока цилиндров с системой клапанов в её привычном виде и самой поршневой группы. Значительно меньше вес и габариты.

В настоящее время известно 5 разных типов роторных ДВС. Между собой они имеют существенные конструктивные отличия. Но главный принцип един для всех типов – ротор на эксцентриковом вале вместо поршней на кривошипно-шатунном механизме.

История создания роторного двигателя

Силовые агрегаты с ротором вместо поршневой группы получили устойчивое название «двигатель Ванкеля», по фамилии изобретателя. На самом деле в мире было разработано несколько типов роторных моторов, отличных от изобретения Ванкеля. Но первым в этой области еще в 1920-ых годах начал работать именно немецкий инженер Фридрих Ванкель.

Для двигателя требовались узлы и детали, производство которых возможно только с применением высоких технологий металлообработки, точнейшей подгонки, с чем в то время были определенные трудности. Поэтому быстро запустить изделие в серию сразу не получилось. К тому же началась Вторая мировая война, когда требовались не экспериментальные, а серийные проверенные изделия.

Работы над двигателем были завершены уже во Франции, куда попало оборудования из побежденной Германии, в 1957 году, в компании NSU под руководством инженера Вальтера Фройде.

Применение двигателя Ванкеля на Западе и в СССР

Первый роторный двигатель мощностью 57 л.с. был установлен в 1957 году на спорткар фирмы NSU «Спайдер». Спорткар развивал невероятные для того времени и такой мощности ДВС скорость – 150км/час.

Автомобиль NSU Spider

С 1963 года роторные двигатели стали использовать на серийных автомобилях для населения. Несколько лет их ставили на «Мерседесы», «Шевроле» и «Ситроены». Но двигатель показал ряд существенных недостатков. В результате производители вернулись к использованию классических, проверенных поршневых ДВС.

Настойчивее остальных оказались японские автопроизводители. Они использовали роторные ДВС на некоторых моделях «Мазда». Устранялись слабые места, увеличивался моторесурс до капремонта, снижалось потребление топлива. Однако по ряду причин и японцы вернулись к классическим ДВС . Последняя Мазда RX Spirit R с роторным двигателем сошла с конвейера в 2012 году.

В СССР первый роторный двигатель отечественного производства ставился в 1974 году на легендарную «копейку» – ВАЗ 2101.

Для его создания было организовано специальное конструкторское бюро. Прообразом служил двигатель Ванкеля. Было изготовлено около 50 опытных образцов с маркировкой ВАЗ 311. ВАЗы с ними не продавались населению, а поступили в распоряжение сотрудников ГАИ и КГБ в качестве служебных машин.

Поначалу «копейки» с этим силовым агрегатом вызывали восхищение своей мощью, динамикой разгона, низким шумом и плавностью хода. Но уже через год на ходу осталась только одна машина. Двигатели остальных вышли из строя. Основной причиной поломок стала ненадежность уплотнений, обеспечивающих герметизацию камер сгорания во время вспышки топлива.

Работы над отечественным роторным ДВС продолжались, и были созданы мощные двухсекционные ВАЗ 411 и 413 мощностью 120 и 140 л.с. “Жигули” с этими двигателями снова попали на службу в силовые структуры.

Данное достижение советского автопрома не афишировалось. В народе лишь ходили слухи о том, что сотрудники КГБ ездят на скоростных авто с невероятными секретными двигателями.

Затем были разработаны роторные двигатели ВАЗ 414 и 415. Это были более совершенные универсальные агрегаты. Их можно было ставить как на вазовские «восьмерки» и «девятки», так и на не менее популярные в то время «Москвичи» и «Волги».

Последняя разработка ВАЗ 415 так и не была использована. Ее предшественник, ВАЗ 414 с 1992 года ставился на популярной модели авто ВАЗ 2109 («Спутник», «Самара»).

«Девятки» с этими двигателями обладали необычными характеристиками. Разгон до 100 км/ч за 8 секунд, возможность длительной работы на предельно высоких оборотах. ВАЗ 414 потреблял меньше топлива (14-15 л на 100 км), чем предыдущие роторные ДВС (18-20 л на 100 км). Но все равно больше, чем поршневой мотор.

Однако и на ВАЗе роторные ДВС не смогли конкурировать с традиционными, и вскоре их использование было прекращено.

Работы над усовершенствованием роторных ДВС ведутся в мотоциклетной отрасли. В начале 1980-ых был создан мотоцикл Norton с двигателем Ванкеля, который показал невероятные результаты. Сегодня компания выпускает байки с таким двигателем объемом 588 куб.см. Ведутся работы над новым мотором с объемом 700 куб.см.

Автомобилей в такими двигателями сегодня не выпускают. Не исключено, что автопроизводители могут вести конструкторские работы в этом направлении без афиширования, втайне от конкурентов.

Устройство и принцип работы роторного двигателя

Принцип работы и устройство роторного ДВС одновременно схож с работой обычного поршневого двигателя и электродвигателя. Так же, как поршневой ДВС роторный вариант имеет камеры сгорания, системы впрыска топлива, выхлопа и зажигания. Сходство конструкции с электродвигателем в том, что ротор получает энергию при вращении внутри корпуса. (Кроме роторного ДВС с возвратно-поступательным движением вала).

Электродвигатель получает кинетическую энергию за счет перемещения электромагнитного поля. Роторный ДВС – за счет воспламенения топливно-воздушной смеси и резкого роста давления в камерах сгорания, так же, как и поршневые ДВС.

На сегодня известны 5 типов роторных моторов:

1. С возвратно-поступательным движением вала. В таких типах ДВС ротор и вал не делают полных оборотов вокруг оси.
2. Классический двигатель Ванкеля с планетарным вращением вала.
3. Двигатели, в которых камеры сгорания расположены по спирали.
4. Двигатели с равномерным вращением вала с камерами сгорания, расположенными по спирали без уплотнительных элементов.
5. Двигатели с пульсирующим вращением.

Как и поршневые ДВС, роторные варианты имеют 4 рабочих такта:

1. Впрыск топливно-воздушной смеси.
2. Сжатие смеси.
3. Воспламенение.
4. Выпуск.

Рабочие циклы роторного двигателя

В обычных поршневых двигателях впрыск топлива и герметичность камеры сгорания обеспечиваются работой системы клапанов и поршневыми кольцами. В разных типах роторных ДВС последовательность тактов обеспечивается по-разному. В одних уменьшается объем камеры сгорания и обеспечивается сжатие смеси за счет перекрытия камеры вершиной ротора. В других – за счет уплотнений с механическим приводом. Но принцип работы един для всех типов.

1. Воспламенение топливной смеси многократно повышает давление в камере сгорания.
2. Давление дает кинетический импульс плоскости ротора и поворачивает его.
3. Ротор передает крутящий момент через вал и зубчатую шестерню далее к механизмам авто. Плоскость ротора доходит до окна выхлопа, окно открывается и в него сбрасываются отработанные газы.
4. Цикл повторяется.

Преимущества и недостатки

Роторный двигатель имеет набор больших преимуществ перед традиционным поршневым.

Главное преимущество – простота конструкции. Из-за отсутствия поршневой и кривошипно-шатунной группы узлов роторный двигатель почти в два раза легче и компактнее обычного. Легкий вес позволяет равномерно распределить нагрузку по всей базе автомобиля. Это улучшает управляемость, повышает динамические показатели автомобиля.

• Компактность позволяет увеличить размер салона.
• Ротор вращается плавно, без вибраций от взрыва топливной смеси в каждом цилиндре, равномерно выдает мощность.
• При том же объеме камер сгорания роторный двигатель значительно мощнее.
• Простота конструкции и минимум деталей облегчают ремонт.

Поэтому кажется, что весь мировой автопром давно и полностью должен был отказаться от поршневых двигателей в пользу роторных. Но этого не произошло. Следовательно, роторный вариант имеет ряд существенных недостатков, которые на сегодняшний день перевешивает все его плюсы. Недостатки в следующем:

• Роторный двигатель потребляет намного больше топлива. Это крупный минус в наше время, когда каждый автопроизводитель стремится сделать свое авто как можно более экономичным.
• Повышен расход масла – 0,5 литра на 1 тыс. км пробега. Долив масла требуется каждые 4-5 тыс. км. Отсутствие масла приводит к мгновенному выходу ДВС из строя.
• Производство ротора и криволинейных камер сгорания требуют высочайшей технологической точности на дорогом сверхточном оборудовании. Это повышает стоимость двигателя.
• Особенность линзовидных камер сгорания в том, что они поглощают больше тепла при работе. В итоге двигатель склонен к перегреву, закипанию охлаждающей жидкости в системе охлаждения, что мешает в эксплуатации авто и приводит к ускоренному выходу из строя деталей двигателя.
• Роторный двигатель имеет своё слабое место. Уплотнители, обеспечивающие герметичность камеры сгорания в момент воспламенения топливной смеси, не могут долго выдерживать нагрузки и выходят из строя. В итоге моторесурс самого совершенного роторного двигателя без ремонта не превышает 100 – 150 тыс. км пробега авто.

Кроме экономических и технических недостатков, роторный ДВС просто непривычен для водителей и механиков. Автомобиль с ним едет по-другому. Ввиду малой массы двигателя, у него нет запаса инерционной энергии. При малейшем сбросе педали газа машина быстро теряет скорость, что хорошо при торможении, но неудобно при движении. Приходится чаще переключать передачи. Таким двигателем нельзя тормозить, заглушенный двигатель даже на первой передаче легко проворачивается. Некоторым просто не нравится звук работающего роторного двигателя.

Возможно, у этого двигателя есть большое будущее. Поршневой мотор прошел долгий путь эволюции. Коленчатые валы и поршневые системы начали создаваться ещё на паровых двигателях.

У роторного варианта не было такой длительной эволюции и массовости производства, поэтому он имеет недоработки и слабые места. Важно то, что роторный двигатель может эффективно работать на газовом топливе, в том числе на водороде. Это может открыть ему большие перспективы в будущем.

Холловский двигатель

Холловский двигатель — один из видов электрического ракетного двигателя (иногда используется термин плазменный двигатель). Более эффективен по сравнению с исторически первым ионным двигателем, но уступает магнитоплазмодинамическому (МПД) двигателю. Таким образом, холловский двигатель занимает среднее положение среди семейства плазменных двигателей.

[править] История и описание

Принцип действия холловского двигателя был открыт в 1879 году Эдвином Холлом (Edwin H. Hall). Холл выяснил, что в расположенных в едином проводнике перпендикулярно друг другу электрическом и магнитном полях начинает действовать особый вид тока, названный впоследствии в его честь холловским (это явление получило название эффект Холла). В холловском двигателе есть внутренний положительный анод и внешний отрицательный катод. Между ними образуется электрическое поле, в которое поступает газ ксенон. Электрическое поле выбивает из нейтральных атомов газа отрицательные частицы (электроны), превращая тем самым их в положительные ионы. Эти частицы (отрицательные электроны и положительные ионы в виде плазмы) подхватывает холловский ток и направляет его в перпендикулярное магнитное поле, которое расположено по оси двигателя. Здесь холловский ток разгоняет частицы по оси магнитного поля и выбрасывает их из сопла.

И если в ионном двигателе ускоряются только положительные ионы, то в холловском двигателе задействовано всё рабочее тело (как положительные ионы, так и отрицательные электроны). Поэтому у холловского двигателя в отличие от ионного нет ограничений по объемному заряду, и он дает более высокую плотность тяги и — соответственно — большее ускорение. В СССР разработка холловских двигателей велась с начала 1960-х годов, а на Западе — с начала 1990-х.

В 1962 году создана первая теоретическая модель и описание холловского двигателя.

В 1972 году состоялось первое испытание холловского двигателя на практике на советском спутнике «Метеор».

Тактико-технические характеристики холловского двигателя:

• Состояние: применяется на практике
• Потребляемая мощность: 1,35 .10 кВт
• Скорость истечения: 10. .50 км/с
• Тяга: 40…600 мН
• КПД: 45…60 %
• Применение: управление ориентацией и положением на орбите искусственных спутников Земли; главный тяговый двигатель автоматической космической станции среднего размера

В настоящее время на орбитальных аппаратах функционирует больше 200 холловских двигателей. Холловский двигатель использовало Европейское космическое агентство для полета к Луне зонда SMART 1.

В ноябре 2014 года в связи с появлением космического объекта 2014-28Е (так называемого российского «убийцы спутников»), высказывались предположения, что он может быть оснащён плазменным двигателем холловского типа. [1]

Двигатель Вальтера

Двигатель Вальтера — тип двигателя, разработанного немецким инженером-изобретателем Гельмутом Вальтером.

Содержание

«Цикл Вальтера». Принцип работы двигателей Вальтера

Новизной двигателей Вальтера было использование в качестве энергоносителя и одновременно окислителя концентрированной перекиси водорода, разлагаемого с помощью различных катализаторов, главным из которых был перманганат натрия, калия или кальция. В сложных реакторах двигателей Вальтера в качестве катализатора применялось и чистое пористое серебро.

При разложении перекиси водорода на катализаторе выделяется большое количество теплоты, причём образующаяся в результате реакции разложения перекиси водорода вода превращается в пар, а в смеси с одновременно выделяющимся во время реакции атомарным кислородом образует так называемый «парогаз». Температура парогаза, в зависимости от степени начальной концентрации перекиси водорода, может достигать 700 С°—800 С°.

Концентрированная примерно до 80-85 % перекись водорода в разных немецких документах носила название «оксилин», «топливо Т» (T-stoff), «аурол», «пергидроль». Раствор катализатора имел название Z-stoff.

Топливо для двигателей Вальтера, состоявшее из T-stoff и Z-stoff, называлось однокомпонентным, поскольку катализатор не является компонентом.

В других типах двигателей Вальтера использовалось двухкомпонентное топливо, состоящее из T-stoff и, например, С-stoff (смесь 30 % гидразина, 57 % метанола, 13 % воды). Например, на такой смеси работал двигатель Walter HWK RI-203 (см. ниже).

Температура в камере сгорания двигателей, использовавших T-stoff и С-stoff или иные жидкие горючие (например метанол, нефть, декалин,) была значительно более высокой, чем температура паро-кислородного парогаза и достигала температур камеры сгорания ЖРД, использующих в качестве окислителя азотную кислоту или тетраоксид азота. КПД двигателей Вальтера с использованием выделяющегося при реакции разложения перекиси водорода кислорода путём сжигания в нём жидких органических топлив был значительно выше, чем КПД простой реакции разложения T-stoff на катализаторе.

В ЖРД двигателях Вальтера парогаз T-stoff и Z-stoff, образующийся в реакторе, которым являлась часто сама камера сгорания (разложения), создавал реактивную тягу, так же как и газы горения T-stoff и С-stoff. В некоторых типах двигателя Вальтера T-stoff не соединялся непосредственно с С-stoff, а сначала разлагался с помощью Z-stoff, и только затем горячий окислительный парогаз окислял различные С-stoff-горючие в камере сгорания.

В двигателях Вальтера ПГТУ образующийся в реакторе парогаз T-stoff и Z-stoff или T-stoff и С-stoff направлялся на рабочие лопатки турбины, где происходило преобразование химической энергии топлива в механическую энергию вращающегося вала, позволяющего передавать энергию, например, на двигательные винты подводной лодки или торпеды.

Более сложный цикл, необходимый для бесследных ПГТУ подводных лодок или торпед, включал в себя сжигание в T-stoff солярового масла, образующийся газ сгорания совершал работу в турбине и затем направлялся в конденсатор, где конденсировался в водяной пар, а углекислый газ сжижался и выбрасывался из подводной лодки при помощи барботирования через мелкие отверстия специального выпускного устройства. Устремляясь к поверхности воды, мелкие пузырьки углекислого газа растворялись в воде, чем и достигалась практическая бесследность подводной лодки.

В некоторых циклах Вальтера турбина не вращала винты через механический редуктор, а приводила в действие электрогенератор, который уже приводил в действие ходовые электромоторы подводной лодки, а кроме того при необходимости и мог заряжать аккумуляторы ПЛ.

Жидкостные реактивные двигатели Вальтера

В 1936 г. Немецкий авиационный институт заключил с Вальтером контракт на создание Вальтером жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) тягой 45 кгс, который позволял бы проводить его испытания и приборные измерения характеристик непосредственно в полёте на летающей лаборатории (самолёте). Такой ЖРД был создан и успешно испытан даже для набора высоты на небольших самолётах, что дало возможность считать, что подобные двигатели могут быть использованы в качестве вспомогательных ускорителей для старта тяжёлых бомбардировщиков. Получив помощь Министерства авиации, Вальтер начал конструировать более мощный ЖРД тягой уже 400 кгс, получивший обозначение HWK R I 203. Фирма «Хейнкель» начинает проектировать под новый двигатель Вальтера, названный Walter HWK RI-203, одноместный самолёт «He 176».

Серийно выпускались следующие двигатели Вальтера с управлением тягой, применявшиеся в немецкой военной технике совершенно различного назначения — от стартовых ускорителей до двигательных установок самолётов и «планирующих авиационных бомбо-ракет»:

Walter HWK 507 тяга 240—600 кгс. (двигатель первой в мире управляемой авиационной бомбы (УАБ) или противокорабельной ракеты «воздух-поверхность» Hs-293). По другим данным обозначение этого двигателя HWK 109-507, в соответствии с практикой германского Министерства авиации все секретные разработки ракетных двигателей начинались с индекса «109».

Walter HWK 507D тяга 1300 кгс. (двигатель первой в мире УАБ или управляемой противокорабельной ракеты «воздух-поверхность» Hs-294 для поражения корабля ниже ватерлинии). Двигатель управляемых противокорабельных ракет Hs-295 Hs-296 Hs-295D (телевизионное управление)

Walter HWK 573 тяга . кгс. (работающий под водой двигатель первой в мире управляемой противокорабельной ракеты «воздух-поверхность» GT 1200A для поражения корабля ниже ватерлинии.). Планирующая торпеда (УАБ) GT 1200A имела подводную скорость 230 км/ч, являясь прототипом высокоскоростной торпеды СССР «Шквал».

Walter HWK-109 тяга 400 кгс. (двигатель DFS-40 прототипа Ме-163 «Комета»)

Walter HWK RII-203B тяга 750 кгс.

Walter HWK RI-203 тяга 950кгс. (первый двигатель Вальтера, прототип двигателя был ТР-2)

Walter HWK RII-211 . кгс.

Walter HWK 501 тяга 1200 кгс.

Walter HWK 502 (RI-210b) тяга 1500 кгс. (двигатель управляемой авиационной бомбы Bv 143 «Gleittorpedo»)

Walter HWK-109-509A тяга 1700 кгс. (двигатель Ме-163А «Комета»)

Walter HWK-109-509С, двухкамерный, тяга с вспомогательной камерой 2000 кгс. (двигатель Ме-163С «Комета»)

Walter HWK-109-509С1, двухкамерный, тяга с вспомогательной камерой более 2000 кгс. (двигатель Ba-349 «Гадюка»)

Walter HWK-109-509А2 тяга 2000 кгс.

Walter HWK-109-509В тяга 2000 кгс. (двигатель для сверхзвукового перехватчика «DFS-346» («Sibel-346») с проектной скоростью 2,6 М. На основе «Sibel-346» в СССР в ОКБ-2 были продолжены работы по достижению скорости звука «проект 346».

Walter HWK 109—729 . кгс. (двигатель-дублёр BMW 109—559 на ракете ЗУР Hs-117 Schmetterling «Бабочка»)

Walter HWK 109—739 . кгс. (двигатель ракеты ЗУР «Enzian» E-1)

Подводные лодки и торпеды с турбинами Вальтера

С 1943 г по 1944 г было построено три малых лодки серии XVII (или Wa 201) U-793; U-793; U-794 с подводным водоизмещением 312 т, имеющие ПГТУ Вальтера. Скорость этих подлодок под водой достигала 25 узлов, запас хода на дополнительных дизелях 1800 миль. 2 торпедных аппарата.

• Серия XVIIB подводных лодок с подводным водоизмещением 412 т, включала в себя U-1405; U-1406; U-1407; U-1408. В мае 1945 г, часть подводных лодок с ПГТУ Вальтера была затоплена немцами, а часть попала в руки англо-американцев, которые сведениями о захвате новейших быстроходных лодок с СССР не поделились.
  Восстановленная после затопления самим Вальтером подлодка U-1407, впоследствии вошла в состав ВМС Великобритании под названием HMS «METEORITE». Немного позже были построены собственные лодки «Эксплорер» и «Экскалибур» с парогразовыми турбинами. Опытная эксплуатация этих кораблей, как впрочем и кратковременная служба немецких прототипов XXVI серии сопровождалась постоянными пожарами и взрывами. Оценивая опыт их эксплуатации, один из британских подводников заметил, что ..»Лучшее, что можно сделать с перекисью водорода — это заинтересовать ею потенциальных противников!» (Густон Б. Субмарины в цветах. 1976)

Кроме подлодок с ПГТУ Вальтера, строившихся серийно, существовали опытные подводные лодки с ПГТУ, или подлодки, не вышедшие из стадии проектирования.

• Тип XVIII. Океанская версия, водоизмещение 1600 т, скорость под водой 24 узла. Проект одобрен лично Гитлером на совещании его с Дёницем и доктором Вальтером в сентябре 1942 г. Была начата постройка двух подводных лодок.

• Тип XXVI. Проект. Длина 58,8 м, водоизмещение 950 т, скорость под водой 22,5 узла, 12 торпедных аппаратов. 2 спаренных зенитных автомата калибра 30 мм.

• Тип XXVIВ. Проект. Длина 63 м, водоизмещение 1050 т, запас хода 8 тыс. миль на 10 узлах и 160 миль под водой на 4 узлах, или 130 миль под водой на 21,5 узле. 12 торпедных аппаратов. 2 спаренных зенитных автомата калибра 30 мм.

• Тип XXXVI. Проект. Длина 61,2 м, водоизмещение 1000 т, запас хода 7 тыс. миль на 10 узлах и 110 миль под водой на 22 узлах, 10 торпедных аппаратов.

Силовые установки Вальтера с парогазовой турбиной использовались также для приведения в движение морских торпед. С 1939 г по 1945 г, фирма Вальтера выпустила несколько типов опытных или мелкосерийных торпед общего индекса G7ut на перекиси водорода:

Торпеда Stein Barsh (Каменный окунь), калибр 533 мм, вес 1730 кг, вес БЧ 280 кг, мощность турбины 500 л.с., скорость 45 узлов, дальность хода 8 км, практически бесследная, серия в 100 шт.

Торпеда Stein Butte (Каменная камбала), серия в 100 шт.

Торпеда Stein Wal (Каменный кит) калибр 533 мм, вес 1801 кг, вес БЧ 300 кг, мощность турбины 500 л.с. скорость 45 узлов, дальность хода 22 км, практически бесследная, серия в 100 шт.

Торпеды с двигателями Вальтера были построены и в СССР.

Двигатели Вальтера в СССР

После войны на СССР выразил желание работать один из заместителей Гельмута Вальтера некий Франц Статецки. Статецки и группа «технической разведки» по вывозу из Германии военных технологий под руководством адмирала Л. А. Коршунова, нашли в Германии фирму «Брюнер-Канис-Рейдер», которая была смежником в изготовлении турбинных установок Вальтера.

Для копирования немецкой подводной лодки с силовой установкой Вальтера сначала в Германии, а затем в СССР под руководством А. А. Антипина было создано «бюро Антипина», организация, из которой стараниями главного конструктора подводных лодок (капитана I ранга) А. А. Антипина образовались ЛПМБ «Рубин» и СПМБ «Малахит».

Задачей бюро было копирование достижений немцев по новым подводным лодкам (дизельным, электрическим, парогазотурбинным), но основной задачей было повторение скоростей немецких подводных лодок с циклом Вальтера.

В результате проведённых работ удалось полностью восстановить документацию, изготовить (частично из немецких, частично из вновь изготовленных узлов) и испытать парогазотурбинную установку немецких лодок серии XXVI.

После этого было решено строить советскую подлодку с двигателем Вальтера. Тема разработки подлодок с ПГТУ Вальтера получила название проект 617.

Александр Тыклин, описывая биографию Антипина, писал:

…Это была первая подводная лодка СССР, перешагнувшая 18-узловую величину подводной скорости: в течение 6 часов её подводная скорость составляла более 20 узлов! Корпус обеспечивал увеличение глубины погружения вдвое, то есть до глубины 200 метров. Но главным достоинством новой подводной лодки была её энергетическая установка, явившаяся удивительным по тем временам новшеством. И не случайно было посещение этой лодки академиками И. В. Курчатовым и А. П. Александровым — готовясь к созданию атомных подводных лодок, они не могли не познакомиться с первой в СССР подводной лодкой, имевшей турбинную установку. Впоследствии, многие конструктивные решения были заимствованы при разработке атомных энергетических установок…

В 1951 году лодка проекта 617, названная С-99, была заложена в Ленинграде на заводе № 196. 21 апреля 1955 года, лодку вывели на государственные испытания, законченные 20 марта 1956 года. В результатах испытания указано: …На подводной лодке достигнута впервые скорость подводного хода в 20 узлов в течение 6 часов….

В 1956—1958 годах были спроектированы большие лодки проект 643 с надводным водоизмещением в 1865 т и уже с двумя ПГТУ Вальтера. Однако в связи с созданием эскизного проекта первых советских подлодок с атомными силовыми установками проект был закрыт. Но исследования ПГТУ лодки С-99 не прекратились, а были переведены в русло рассмотрения возможности применения двигателя Вальтера в разрабатываемой гигантской торпеде Т-15 с атомным зарядом, предложенной Сахаровым для уничтожения военно-морских баз и портов США. Т-15 должна была иметь длину в 24 м, дальность подводного хода до 40-50 миль, и нести термоядерную боеголовку, способную вызывать искусственное цунами для уничтожения прибрежных городов США.

После войны в СССР были доставлены торпеды с двигателями Вальтера, и НИИ-400 приступило к разработке отечественной дальноходной бесследной скоростной торпеды. В 1957 году были завершены государственные испытания торпед ДБТ. Торпеда ДБТ принята на вооружение в декабре 1957 года, под шифром 53-57. Торпеда 53-57 калибром 533 мм, имела вес около 2000 кг, скорость 45 узлов при дальности хода до 18 км. Боеголовка торпеды весила 306 кг.

Энергетические установки воздухонезависимых подводных аппаратов

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 18.05.2016 2016-05-18

Статья просмотрена: 497 раз

Библиографическое описание:

Довыдовский, В. А. Энергетические установки воздухонезависимых подводных аппаратов / В. А. Довыдовский, Р. В. Рюмин, А. Г. Чукарев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 10 (114). — С. 183-187. — URL: https://moluch.ru/archive/114/29436/ (дата обращения: 28.08.2021).

В 1923 году Гельмут Вальтер обратил внимание на факт воспламенения топлива в присутствии перекиси водорода. Вальтер разработал энергетическую установку для подводного аппарата на основе парогазотурбинного двигателя, работающий на высококонцентрированой перекиси водорода. Такие установки работали по так называемому «холодному» принципу (Рис.1).

Рис. 1. Схема ВНЭУ работающий на перекиси водорода, по «холодному» принципу: 1 — эластичные мешки, 2 — насос, 3 — камера разложения перекиси, 4 — парогазовая турбина, 5 — редуктор, 6 — разобщительная муфта, 7 — гребной электродвигатель, 8 — главный упорный подшипник, 9 — гребной винт, 10 — прочный корпус ПА

Перекись хранилась в эластичных мешках вне прочного корпуса подводного аппарата. Насос подавал перекись в камеру разложения, из которой продукты поступали на турбину с температурой 454 град.С. и давлением 3 МПа. Турбина соединялась с редуктором и вращала гребной вал, который подходил к гребному электродвигателю. Смесь после турбины выбрасывалась за борт судна, что приводило к большому выбросу кислорода и появлению пузырьков на поверхности.

В дальнейшем Вальтер стал применять двигатель работающий по «горячему» принципу. В камеру сгорания подавалась перекись водорода и углеводородное топливо. В качестве топлива использовали дизельное топливо, которое хранилось в цистерне. (Рис.2)

Рис. 2. Принципиальная схема ВНЭУ работающая по «горячему» принципу: 1 — дизель генератор, 2 — камера разложения, 3 — камера сгорания, 4 — сепаратор, 5 — дозирующее устройство, 6 — трехкомпонентный питательный насос, 7 — бустерные насосы, 8 — цистерна ПВ, 9 — цистерна жидкого топлива, 10 — цистерна пресной воды, 11 — насос отвода избыточной воды, 12 — отвод избытка охлаждающей воды за борт, 13 — конденсатный насос, 14 — конденсатор, 15 — электродвигатель, 16 — главная турбина, 17 — разобщительные муфты, 18 — центробежный компрессор выхлопных газов, 19 — поршневой компрессор выхлопных газов, 20 — отвод выхлопных газов за борт, 21 — редуктор, 22 — главный гребной электродвигатель, 23 — приводной ремень, 24 — гребной электродвигатель экономического хода, 25 — упорный подшипник.

Также различали и другие воздухонезависимые установки на основе тепловых двигателей. Установки без кислорода РЕДО (регенеративный единый двигатель особого назначения) (Рис.3); ЕД-ВВД (единый двигатель с выхлопом в воду дизельный) (Рис.4); ЕД-ХПИ (единый двигатель с химическим поглотителем известковым).

Рис. 3. Принципиальная схема ЭУ с РЕДУ: 1-тепловой двигатель, 2-сепаратор, 3-конденсатор углекислого газа, 4-компрессор, 5-конечный сепаратор, 6-испаритель кислорода

Рис. 4. Принципиальная схема установки ЕД-ВВД: 1 — тепловой двигатель, 2 — двухходовая захлопка, 3 — главный холодильник, 4 — захлопка байпаса, 5 — главный фильтр, 6 — фильтр байпаса, 7 — смеситель, 8 — холодильник газаотбора, 9 — регулятор газоотбора, 10 — фильтр газоотбора, 11 — компрессор.

Установка ИВР (установка на искусственном воздухе с растворением углекислого газа в забортной воде) (рисунок 5). Принцип работы заключается в следующем. Весь поток отработавших газов после холодильника-глушителя и сепаратора поступал в абсорбционную колонку, куда через распыляющие сопла подавалась забортная вода. Происходило интенсивное промывание газа и в результате — растворение углекислоты. Образовавшийся раствор откачивается за борт. Не растворившаяся часть, обычно азот, сепарировалась, затем в нее добавляется кислород и все это подавалось в цилиндры ДВС.

Рис. 5. Принципиальная схема установки ИВР: 1 — тепловой двигатель, 2 — главный холодильник, 3,4, 6 — сепараторы, 5 — абсорбционная колонка, 7- смеситель, 8 — газоподогреватель.

Данные типы установок имеют следующие минусы: сложность конструкции, опасность пожара, увеличение выходной мощности ведет к увеличению установки. Так как данные установки способны работать под водой и находиться автономии, это обеспечивает им место в подводном деле.

Еще одним видом ВНЭУ является двигатель Стирлинга. Данный тепловой двигатель был изобретен Робертом Стирлингом в 1816 году. Газ, используемый в качестве рабочего тела нагревается не в результате сжигания топлива, а в результате нагревания стенок, поэтому после одного цикла рабочее тело не заменяется как в ДВС, а используется повторно. Двигатель Стирлинга является двигателем с внешним подводом теплоты (ДВПТ), что показано в (рис.6).

Рис. 6. Идеальный цикл ДВПТ

Идеальный цикл ДВПТ состоит из двух изотерм и двух изохор. В этом цикле теплота отводимая от рабочего тела в изохорном процессе при его охлаждении, не уходит из цикла, а передается рабочему телу в процессе изохорного нагревания, т. е. теплота подводится в цикле только при изотермическом расширении. А отводится только при изотермическом сжатии. Устройство двигателя Стирлинга представлено на (рис.7).

Рис. 7. Принципиальная схема двигателя Стирлинга

На рисунке принципиальная схема двигателя Стирлинга поршень 4 посредством штока 6 соединен с траверсой 7. Один из концов траверсы крепится через шатун 9 крепится к кривошипу 10, а другой через шатун 15 — к кривошипу 14.

Вытеснитель 2 по средствам штока 5 соединяется траверсой 12, которая крепится к кривошипам 10 и 14 через шатуны 11 и 13. При одинаковой длине шатунов 9, 11, 13, 15 образуется ромбическая фигура, у которой при движении изменяются только величины углов. В этом случае симметричные колеса обеспечивают симметричную систему приводов. Сальники 17 и 19 способствуют образованием под поршнем 4 замкнутой цилиндрической полости 18, которую называют буферной полостью. 3 холодная полость, 1 горячая полость. Движение поршня-вытяснителя 2 сопровождается перетечкой газа либо из горячей полости 1 по каналам нагревателя 22 через регенератор 22, каналы охладителя 20 в холодную полость, либо в обратном направлении. На подводных аппаратах используют различные схемы работы двигателя на (рис.8) представлена одна из них.

Рис. 8. Схема систем двигателя Стирлинга для подводного аппарата

На рисунке представлена одна из возможных функциональных схем систем модуля с ДВПТ применительно к подводному аппарату. ДВПТ приводит в движение ротор электрогенератора, ток поступает на гребной электродвигатель (на схеме не показан). Данный тип установки имеет следующие минусы: так как двигатель Стирлинга- двигатель поверхностного типа, возникают проблемы с поверхностным теплообменом и площадью теплообмена, очень важный минус — это сложность изготовления двигателя, для примера сложности- требуется хорошая отшлифовка камеры для поршня. Однако имеет плюсы: двигатель не привередлив к топливу, отсутствует детонация топлива, что облегчает вес и сложность конструкции, так же это снижает шумность двигателя, что важно для подводных аппаратов.