Рис. 1. Необходимый для подводного хода запас энергии можно обеспечить за счет разложения воды на водород и кислород. 1 - баллон с водородом; 2 - электролизер; 3 - дизель; 4 - генератор постоянного тока; 5 - кислородный баллон.

А что, если оставить? Водород и кислород на этой лодке получались за счет электролиза воды. Эти газы сохранялись на борту лодки в баллонах под большим давлением. Однако плотность водорода очень мала, поэтому для него нужны очень большие и массивные баллоны. В итоге дальность подводного хода возрастала не так уж значительно, а хлопот с хранением газа, который просачивается через малейшую щель и даже сквозь сплошную стенку, было очень много. Система не прижилась.

Больше повезло двигателю немецкого инженера Вальтера. Пожалуй, главной его творческой находкой была перекись водорода - вещество, содержащее более 40% кислорода. Его делают на химических заводах. На рисунке 2 схема подводной лодки с двигателем Вальтера. Процесс начинается с подачи перекиси в каталитический реактор. Здесь она распадается, выделяя кислород и водяной пар с очень высокой температурой и давлением. Затем в эту смесь впрыскивают керосин, отчего она вспыхивает. Температура продуктов реакции легко может подскочить до 2000 градусов. Но ее можно охладить, впрыснув воду. В конечном итоге получается парогазовая смесь, на которой работает и обычная паровая турбина.

Рис. 2. Подводная лодка с двигателем Вальтера: 1 - бак с керосином; 2 - бак с концентрированной перекисью водорода; 3 - каталитический реактор для получения кислорода в сочетании с камерой сгорания; 4 - парогазовая турбина; 5 - редуктор.

Двигатель Вальтера чрезвычайно компактен и легок. Он применялся на ракетах, самолетах и торпедах. Подводные лодки, оснащенные им, развивали - под водой! - до 100 км/ч. Однако использовать его можно было лишь на коротких дистанциях, к примеру, для атаки. Лодку выдавал остающийся на поверхности яркий пенный след...

А теперь вернемся к технической идее Иванова, которая была высказана им еще в довоенные годы.

Начнем с того, что он предложил оснастить подводную лодку единственной паросиловой установкой. На перископной глубине, когда можно забирать воздух через трубу-шнорхель, она работает на обычном мазуте, а под водой... на алюминии.

Странный вид топлива, не правда ли? Но ведь при его сгорании образуется твердый окисел, который по объему занимает меньше места, чем само топливо. Это значит, выбрасывать за борт ничего не нужно. Нет и следа. С запасом жидкого кислорода на борту такая лодка может иметь дальность подводного хода не менее десяти тысяч километров.

На рисунке 3 схема подводной энергетической установки Иванова. Возможно, кое-кого она удивит, покажется слишком сложной. Поясняем, изобретатель решал не только задачу получения энергии. Он еще позаботился и о том, чтобы работа установки происходила бесшумно. Гребной вал вращает непосредственно соединенная с ним тихоходная паровая машина. Такой двигатель для винта - то, что надо, большие скорости ему не нужны. Если бы мы захотели применить для этой цели турбину, то скорость ее вращения пришлось бы уменьшать при помощи шестерен. Иванов это словно предвидел: шестерни паровых турбин наших первых атомных подводных лодок шумели безбожно!

Рис. 3. Силовая установка подводного корабля Иванова: 1 - бак с жидким кислородом; 2 - топливо - катушка с алюминиевой проволокой; 3 - горелка для сжигания алюминия в кислороде; 4 - парогенератор; 5 - электропароперегреватель; 6 - паровая машина; 7 - паровая турбина; 8 - электрогенератор; 9 - пароконденсатор.

ТУРБИНА ПРОФЕССОРА ВАЛЬТЕРА
Проблема движения под водой имеет многовековую историю. Конечно, первым субмаринам было далеко до современных атомных подлодок, но история их создания ознаменована целым рядом весьма интересных изобретений и открытий. Одно из таких изобретений — турбина профессора Вальтера — чуть было не изменило ход второй мировой войны.

Еще до начала войны немецкий ученый профессор Вальтер исследовал возможность применения перекиси водорода в качестве носителя энергии. В основу своих исследований он положил тот факт, что при разложении перекиси водорода выделяется теплота. Это убедило Вальтера в том, что запасы энергии в перекиси водорода весьма значительны. В ходе проведения опытов он установил, что при разложении одного килограмма 80%¬й перекиси водорода выделяется 2,3 МДж теплоты. За счет выделения такого количества тепла вся вода испарялась, а образующаяся при этом парокислородная смесь нагревалась до температуры 723 К.

Применительно к двигателям это означает то, что используемая в них турбина будет иметь большую мощность. Именно это обстоятельство и было решено использовать для создания морского подводного двигателя, получившего название «турбина профессора Вальтера». Надвигалась война, и немцы хотели использовать этот двигатель, установив его на свои подводные лодки. Тем самым они рассчитывали обеспечить себе условия для завоевания господства на море. Ставка делалась на дополнительную скорость, которая позволила бы немецким субмаринам внезапно атаковать надводные корабли и, что особенно важно, иметь солидные преимущества при отрыве от преследования противолодочных сил.

Уже в 1940 г. немцами была построена и испытана первая экспериментальная подводная лодка водоизмещением 80 т. Она получила название «U-80». Эта субмарина не имела вооружения и энергетической установки надводного хода, поскольку была предназначена лишь для изучения работы турбины Вальтера при движении под водой на больших скоростях и при работе двигателя в форсажных режимах. Пробный вариант турбины имел мощность 2500 л. с.

Подводная энергетическая установка работала по «холодному» способу. Суть его заключалась в том, что из эластичных миполамовых резервуаров маловодородная перекись водорода под давлением забортной воды подавалась к насосу, от которого через специальный клапан поступала в камеру разложения. Таким образом, в камере образовывалась парогазовая смесь, имеющая температуру 450 °С. Давление при этом поднималось до 30 кг/см2. Затем смесь поступала в турбину, приводя ее в движение. После отработки использованная смесь выбрасывалась за борт.

Скорость, которая достигалась при этом, равнялась 28,1 узла (14,46 м/с; 1 узел — 1,852 км/час). Для того времени это была фантастическая подводная скорость: не всякий надводный корабль мог ее развить. По сути, это был прорыв в подводном кораблестроении.

Казалось бы, господство немцев в море было предопределено, но... Возникло одно непредвиденное обстоятельство. Кислород, присутствующий в отработанной парогазовой смеси, поднимался на поверхность воды. Образовавшийся «след» предательски демаскировал маршрут субмарины. Тем самым скорость, достигнутая за счет использования перекиси водорода, свела на нет одно из главных преимуществ субмарины — скрытность передвижения.

Однако техническая недоработка не смогла победить желание изобретателей достичь первенства по скорости. Соблазн был настолько велик, что уже в 1942–1943 годах судостроительная промышленность Германии начала постройку подводных лодок с двигателями, мощность которых составляла уже 5000 л. с. Это были малые подводные лодки серии ХVII c усовершенствованной энергетической установкой. Немецкие конструкторы планировали построить 11 таких субмарин — от «U-1405» до «U-1416». Но реально удалось построить только три из них — «U-1405», «U¬1406» и «U-1407». После окончания войны немцы, желая скрыть секрет своих подлодок, затопили их.

Позднее англичанам удалось поднять одну из них и при участии того же профессора Вальтера, который к тому времени уже работал на англичан, восстановить и модернизировать ее. Эта субмарина получила имя «Метеор» и до 1950 г. проходила различные испытания. Она имела неплохие для того времени тактико-технические характеристики: длина — 39,5 м, ширина (наибольшая) — 39,5 м, водоизмещение — 345 т, предельная глубина погружения — 100 м, наибольшая подводная скорость (под турбиной) — 25 узлов, дальность хода при подводной скорости 22 узла (11,32 м/с) — 125 миль (1 морская миля — 1852 м). Запас перекиси водорода составлял 55 т. Кроме турбины мощностью 2500 л. с., на подводной лодке был установлен дизель мощностью 210 л. с., а также электромотор мощностью 77,5 л. с. Вооружение субмарины составляли два носовых торпедных аппарата. По сравнению с «U-80», «Метеор» имел более совершенную энергетическую установку: турбина Вальтера была дополнена камерой сгорания. В основу двигателя было положено использование тепловой энергии, образующейся при сгорании жидкого топлива без доступа воздуха извне. Сжигание топлива происходило за счет кислорода, освобождавшегося при разложении перекиси водорода. Этот способ был назван «горячим». Для образования парогазовой смеси жидкая перекись водорода подавалась к трехкомпонентному насосу, к которому также были подведены трубопроводы от цистерн жидкого топлива и воды.

Оттуда через форсунки перекись попадала в камеру разложения, где при помощи катализатора распадалась на водяной пар и кислород. Далее все перечисленные компоненты поступали в камеру сгорания. Имеющая очень высокую температуру — 2000 °С, смесь грозила разорвать камеру. Конструкторам удалось решить проблему ее эксплуатационной надежности за счет водяного охлаждения, впрыскивания воды и использования предварительно подготовленной парокислородной смеси. Четырехкомпонентный регулятор автоматически подавал три компонента — перекись, воду и топливо — в строго определенных соотношениях.

Примечательно, что четвертый компонент — морская вода — подавался регулятором в заместительные цистерны по мере расхода перекиси водорода. Это было необходимо для поддержания плавучести подводной лодки.

Из камеры сгорания парогазовая смесь поступала в турбину, а после отработки — на конденсатор.
В конденсаторе вода отделялась от углекислоты, которая специальным винтовым компрессором откачивалась за борт. Оставшаяся жидкость возвращалась в систему питательной воды. Это позволяло с увеличением глубины погружения сохранять скоростные характеристики. Сам же конденсат прокачивался через проточный холодильник с последующим использованием в работе энергетической установки. Для быстрого запуска турбины в ней требовались большие зазоры, поэтому была установлена активная турбина с одной регулирующей ступенью и пятью ступенями давления. На каждые 15 т высококонцентрированной перекиси водорода расходовалось 1,5 т дизельного топлива.

Турбинная установка Вальтера использовалась для кратковременного форсированного увеличения скорости подводного хода (до 12,86 м/с). Запасов перекиси водорода хватало на шесть часов такого хода. А как же с «пузырьковым следом»? Испытания субмарины показали, что при погружении лодки на глубину 20 м он еще хорошо заметен на поверхности, но при увеличении погружения до 30–40 м «пузырьковая дорожка» существенно мельчает и перестает быть демаскирующим фактором.

Великобритания построила еще две экспериментальные быстроходные подводные лодки — «Эксплорер» и «Экскалибер». Первая была построена и спущена на воду в марте 1954 г., вторая — в феврале 1955 г. Эти лодки предназначались для тренировки и обучения личного состава.
В Соединенных Штатах также была построена карликовая подводная лодка «Х-1», на которой устанавливалась подобная турбинная установка. Субмарина имела длину 12,2 м, подводное водоизмещение 36 т и скорость подводного хода 6,17 м/с.

Попытки создать аналогичные корабли, использующие установку Вальтера, были предприняты так же и в Швеции.

Среди выдающихся военных конструкторов Германии времен второй мировой войны профессор Вальтер может по праву разделить лавры с создателем ракет «ФАУ» Вернером фон Брауном.

Англичане, так же, как американцы, после войны активно привлекали немецких ученых для продолжения исследований в военных областях. При этом ставка делалась на использование достижений немецких ученых в области подводной скорости, ибо по тем временам это сулило «владычице морей» огромные преимущества. Тем не менее замечательному изобретению было суждено оказаться в конечном итоге одной из «мертвых ветвей» технического прогресса: использование атомной энергии в силовых установках подводных лодок положило конец турбине профессора Вальтера.

Ремарка 1 - эта статья, продолжение дискуссии относительно вопроса об удалении парафинов из дизельного топлива. С одной стороны - парафин затрудняет горение и нарушает работу топливных систем. С другой стороны - парафин остается топливом и удаление его из ДТ снижает общую калорийность топлива.

Логичный выход один - какая либо обработка дизельного топлива для улучшения сгорания парафина. Химическая (реагентная) или безреагентная. Активаторы для обработки дизельного топлива TRGA - возможное решение для безреагентной обработки дизельного топлива, с целью его экономии на транспортных средсвах. Пример испытаний - тут.

Ремарка 2 - я убежден, что находящиеся в тяжелом топливе твердые, в обычных условиях, плохосгораемые вечества, при определенной обработке - тоже могут сгорать вместе с топливом обеспечивая дополнительную экономию топлива. Как например асфальтены в мазуте, измельчение которых на гидродинамических активаторах могут дать дополнительно до 1% экономии топлива.

Интересная незавершенная работа немцев тут. Отлично показано, что

.. уменьшении тепловых потерь Q4 от уменьшения механической неполноты сгорания и приросте к. п. д. котла за счет дополнительного сжигания 719мг кокса на 1 м3 дымовых газов. Теплота сгорания кокса равна 34 МДж/кг. При сжигании 1 кг мазута образуется 12,406м дымовых газов. Следовательно, дополнительное количество теплоты Q4 = 34000 • 719 • 10 -6 • 12,406 = 303 кДж/кг. Прирост к. п. д. котла Dh1 = Q4/Qр = =303/40900=0,741%, где Qр — располагаемая теплота, введенная в топку.... а вот и иллюстрация

назад