Ядерные энергетические установки английских подводных лодок
Ядерные энергетические установки английских подводных лодок
Майор Г.Стасов
Командование английских ВМС в разработке и производстве атомных подводных лодок (ПЛА) довольно широко опирается на опыт США, где ядерная энергетика в подводном кораблестроении получила развитие еще в начале 50-х годов. Ядерные энергетические установки (ЯЭУ) обеспечили подводным лодкам практически неограниченную дальность плавания, большую автономность (зависит фактически лишь от морально-психологического состояния и физической выносливости личного состава) и высокую скорость подводного хода в течение длительного времени
Как свидетельствует иностранная печать, решение о строительстве первой английской ПЛА было принято в 1954 году. В качестве основного типа ядерного реактора был выбран американский водо-водяной реактор под давлением на обогащенном уране (рис. 1), Окончательно вид топлива определился в процессе дальнейших работ в 1957 году. Сообщается также, что командование ВМС Великобритании, чтобы завершить строительство ПЛА к 1963 году, в 1953-м закупило в США паропроизводящую установку (ППУ) с водо-водяным реактором под давлением (ВВРД) S5W (рис. 2), которая размещается на ПЛА типа "Скипджек".
При разработке ядерной энергетической установки за основу была взята двухконтурная тепловая схема ЯЭУ американских лодок (рис. 3). Принцип ее работы заключается в следующем.
В ВВРД вода (бидистиллят - дважды дистиллированная) используется как замедлитель нейтронов и как теплоноситель, что позволило создать компактные ЯР для подводных лодок. Вода в качестве замедлителя нейтронов снижает энергию нейтронов, излучаемых в активной зоне реактора, до уровня "тепловых". Будучи теплоносителем, та же вода охлаждает активную зону. Топливо - высокообогащенная смесь делящихся изотопов уран-235 и уран-238 - помещено в тепловыделяющие сборки с оболочками из циркониевого сплава. Цепная реакция деления ядерного горючего регулируется посредством системы управления и защиты, которая включает стержни и решетки, изготовленные из гафния, имеющего высокое сечение захвата тепловых нейтронов.
Поддержание равномерного давления в первом контуре обеспечивается компенсатором объема. Он на 60 проц. заполнен водой и на 40 проц. - паром. С помощью электроэнергии здесь осуществляются разогрев воды и ее испарение при пуске реактора. Пар, расширяясь, повышает давление в системе. Одновременно к компенсатору объема подводится вода первого контура. Поступление ее обеспечивает конденсацию пара, чем достигается снижение давления в системе первого контура.
Разогретый в ЯР теплоноситель поступает на парогенераторы (их два), где происходит передача тепла т теплоносителя первого контура ко второму, после чего вода возвращается через главные циркуляционные насосы первого контура в реактор. При движении на малошумной скорости хода используется режим естественной циркуляции теплоносителя в первом контуре. При этом градиент температуры между водой, отводимой от ЯР и возвращаемой в него, составляет около 15°С (соответственно около 280 и 265°С). Пар, образующийся в парогенераторах при давлении около 42 атм и температуре около 250°С, попадает на два турбогенератора и две главные турбины, затем - в конденсаторы турбогенераторов и главных турбин, а оттуда конденсат вновь направляется в парогенераторы.
Главные турбины с редуктором, составляя главный турбозубчатый агрегат (ГТЗА), работают через разобщительную муфту на гребной винт. В режиме малошумного хода электроэнергия, вырабатываемая турбогенераторами, через машинный преобразователь переменного тока в постоянный поступает на гребной электродвигатель. При этом ГТЗА разобщительной муфтой отключается от линии вала.
Для проведения различного рода испытаний ЯЭУ с целью ее усовершенствования в Даунри был создан ее наземный стенд-прототип, получивший наименование DSMР (рис, 4) До сих пор, по заявлению западной прессы, он является одним из основных звеньев программы создания ЯЭУ и позволяет испытывать не только новую технологию и разрабатывать перспективные образцы паропроизводящих установок, но и подготавливать экипажи для их обслуживания,
В 1960 году фирме "Виккерс - Армстронг" была заказана первая серийная многоцелевая ПЛА "Вэлиант". В ее ЯЭУ входил американский реактор S5W. Его прочный корпус изготовлен из низколегированной стали и внутри облицован нержавеющей сталью методом наплавления сваркой. Первый контур и основные элементы паропроизводящей установки были изготовлены из нержавеющей стали и смонтированы по американским правилам монтажа трубопроводов и корпусов высокого давления. При этом, по свидетельству зарубежной печати, нержавеющую сталь использовали из-за отсутствия эксплуатационных донных о надежной работе реактора при применении ферритных сталей. Второй контур достаточно прост благодаря меньшему количеству клапанов и соединений. Кроме того, в нем объединены циркуляционные трассы главного конденсатора и конденсатора турбогенераторов. Значительно снижено также количество дис танционно управляемых клапанов в реакторном отсеке.
Рис. 1. Схема водо-водяного реактора под давлением на американской пидводнои лодке: 1 - тепловыделяющие сборки; 2 - выходной патрубок теплоносителя первого контура; 3 - входной патрубок теплоносителя первого контура; 4 - вводы измерительных датчиков; 5 - приводы управляющих стержней; 6 - управляющие стержни; 7 - корпус реактора
Рис. 2. Принципиальная схема атомной паропроизводящей установки с водо-водяным реактором под давлением; 1 - пар: 2 - компенсатор объема; 3 - парогенератор; 4 - питательная вода от главного конденсатора; 5 - реактор; 6 - система водоподготовни первого контура; 7 - главный циркуляционный насос первого контура
В 1964 году были выделены ассигнования на работы по созданию ПЛА второго поколения (типа "Свифтшур"). В ходе их предполагалось учитывать опыт создания ЯЭУ ПЛА типа "Вэлиант". Необходимо было обеспечить дальнейшее снижение шумности работы механизмов и повысить неуязвимость корабля в целом. ЯЭУ должна была стать дальнейшим развитием существующей, обеспечить более рациональное размещение оборудования, улучшить условия его эксплуатации и повысить надежность. К этому времени, отмечается в иностранной печати, уже выявился ряд недостатков, присущих ЯЭУ ПЛА типа "Вэлиант".
Во-первых, большая сложность ППУ, особенно паротурбинной установки (ПТУ). Наличие конденсаторов в турбогенераторах для обеспечения электродвижения с помощью вспомогательного гребного электродвигателя при неработающем ГТЗА потребовало дополнительных конденсатных и циркуляционных насосов, трубопроводов системы охлаждения забортной водой и контрольной аппаратуры.
Во-вторых, сложность вспомогательной системы охлаждения забортной водой. Это увеличило вероятность аварии при нахождении ПЛА а подводном положении, что могло привести к ее гибели. Кроме того, отливки корпусов клапанов из никелево-алюминиевых бронз, подверженные давлению забортной воды, не обладали должной плотностью. Эта задача, судя по материалам западной прессы, не решена до сих пор.
В-третьих, повышенная шумность ПЛА на малых скоростях хода, которую создают в основном работающие механизмы ЯЭУ. Причиной распространения шума вплоть до носовой антенны ГАС явились недостатки проектирования и монтажа.
Английские специалисты подчеркивают, что с целью устранения перечисленных и других недостатков в проекте ПЛА типа "Свифтшур" каждый турбогенератор и ГТЗА должен иметь общий двухпроточный конденсатор, что упрощает циркуляционную систему и сокращает длину трубопроводов системы охлаждения забортной водой в прочном корпусе. Кроме того, длину циркуляционных трасс можно уменьшить за счет размещения циркуляционного насоса в водяной камере конденсатора между трубными пучками. Основным мероприятием по сокращению количества вспомогательного оборудования, находящегося под давлением забортной воды, стало введение промежуточного контура охлаждения пресной водой под небольшим давлением. Отвод тепла из этого контура должен осуществляться в теплообменниках, охлаждаемых забортной водой. Насосы, как и в главных конденсаторах, необходимо размещать в водяных камерах теплообменников. Однако фактически (по техническим причинам) на лодках использованы насосы обычного типа, расположенные вне водяных камер.
Шумность на ПЛА типа "Свифтшур" удалось снизить за счет применения эффективных систем амортизации, исключения возможности возникновения "акустических мостиков". Механизмы энергетической установки - ГТЗА, турбогенераторы и главные конденсаторы - были смонтированы на одной общей платформе, система амортизации которой обеспечивала заданное снижение шумности при развитии полной мощности и компенсацию крутящего момента вала при малых ходах подводной лодки.
Рис. 3. Схема ядерной энергетической установки атомных подводных лодок (для упрощения приведено по одному парогенератору, турбогенератору и главной турбине): 1 - приводы управляющих стержней; 2 - компенсатор объема; 3 - парогенератор; 4 - турбогенератор; 5 - главный паровой клапан; 6 - главная турбина; 7 - главный редуктор: В - ядерный реактор; 9 - разобщительная муфта; 10 - гребной электродвигатель; 11 - главный упорный подшипник; 12 - аккумуляторная батарея; 13 - главный конденсатор; 14 - машинный преобразователь переменного тонка; 15 - конденсатор турбогенератора; 16 - защитная переборка между реакторным и турбинным отсеками; 17 - главный циркуляционный насос первого контура
Рис 4 Схема размещения оборудования ЯЭУ ПЛА "Вэлиант" на стенде DSMP: 1 - главный паропровод; 2 - парогенератор; 3 - электродвигатель системы управления и защиты; 4 - ядерный реактор; 5 - главный запорный клапан первого контура; 6 - цистерна биологической защиты; 7 - теплообменник вспомогательного контура; 8 - компенсатор объема; 9 - главный циркуляционный насос первого контура; 10 - теплый ящик; 11 - турбогенератор; 12 - циркуляционный насос конденсатора турбогенератора; 13 - конденсатор турбогенератора; 14 - трубопровод циркуляционной трассы турбогенератора; 15 - главный циркуляционный трубопровод; 16 - главный циркуляционный насос конденсатора ПТУ; 17 - главный конденсатор ПТУ; 18 - водоотливной насос; 19 - установка поглощения СО,; 20 - упорный подшипник; 21 - гребной электродвигатель; 22 - разобщительная муфта; 23 - установка кондиционирования воздуха; 24 - редуктор; 25 - главная турбина; 26 - вспомогательный пульт управления; 27 - главный пульт управления ЯЭУ; 28 - дизель-генератор; 29 - переключатели; 30 - смотровое окно: 31 - холодильник аварийного расхолаживания реактора
Проект ПЛА "Свифтшур" предусматривал упрощение ЯЭУ с резервированием отдельных систем для ликвидации последствий возможных аварий, повышение надежности и ремонтопригодности оборудования с всесторонними испытаниями как наземного прототипа, так и корабельных образцов ЯЭУ, получение надежных гарантий по контролю качества в процессе производства оборудования и при его монтаже на кораблях.
В 1967 году фирма "Виккерс - Армстронг" получила заказ на строительство ПЛА "Свифтшур".В том же году первая активная зона нового типа В была установлена на стенде DSMP, где к августу 1968 года достигла критичности. Прежде чем приступить к производству серийных активных зон, реактор с ней должен был в течение двух лет испытываться на полной мощности до значительного выгорания ядерного горючего и подтверждения надежности ее конструкции.
В январе 1971 года ПЛА "Свифтшур" была спущена на воду и в марте 1973-го вошла в состав ВМС Великобритании. Опыт ее эксплуатации, подчеркивается в зарубежной печати, подтвердил правильность внесенных в ее ЯЭУ изменений по сравнению с ЯЭУ "Вэлиант".
Надежность ПЛА была повышена за счет упрощения механизмов и более высокого качества проектирования, изготовления и монтажа оборудования. Шумность снижена благодаря тщательной доводке механизмов и агрегатов после выявления их недостатков на начальных стадиях акустических испытаний ПЛА.
Дальнейшее развитие ЯЭУ в Великобритании связано со строительством ПЛА третьего поколения (типа "Трафальгар"). Особое внимание при проектировании энергетической установки было обращено на дальнейшее увеличение кампании ЯР и значительное снижение шумности работы установки.
В 1968 году приступили к созданию паро-произзодящих установок для этих лодок. К 1971 году была спроектирована активная зона типа Z и качалось изготовление экспериментального образца, испытания которого были проведены в Даунри.
Судя по сообщениям иностранной прессы, в новой ЯЭУ улучшено оборудование первого конт/ра, усовершенствованы клапаны и соединения малого диаметра, устранена вибрация главного циркуляционного насоса первого контура.
Совершенствование главного циркуляционного насоса велось в двух направлениях: снижение уровня излучаемого шума и повышение надежности работы путем улучшения качества сборки. Снижение шумоизлучения было достигнуто за счет некоторого уменьшения скорости вращения и мощности насосов, улучшения балансировки и соосности, стабилизации и уменьшения динамических сил в подшипниках. Качество сборки повысилось за счет как ужесточения стандартов на сварку корпусов электродвигателей, так и усиления качества контроля за сварными соединениями.
Создание и отработка ЯЭУ для ПЛА "Трафальгар", по свидетельству западной печати, показали, что практически полностью исчерпаны возможности в части дальнейшего увеличения мощности и продолжительности кампании ЯР данного типа, снижения шумности механизмов.
Поэтому во второй половине 70-х годов в Великобритании приступили к разработке нового ВВРД раздельной конструкции для оснащения перспективных ПЛАРБ с ракетами "Трайдент".
Проект нового реактора, получившего обозначение PWR-2 предусматривает существенные изменения в конструкции основных узлов ядерного реактора и их перекомпоновку. Он должен разрабатываться на базе ЯЭУ лодок типов "Свифтшур" и "Трафальгар" с максимально возможным использованием достижений новейшей технологии и отличаться повышенной мощностью, меньшими массогабаритными характеристиками, увеличенным межремонтным периодом, улучшенной ремонтопригодностью и надежностью, сниженным шумоизлучением, более низкой стоимостью и т.д.
Как сообщает иностранная пресса, в настоящее время в Великобритании завершается проектирование ядерного реактора PWR-2, для которого разрабатывается паротурбинная установка. После изготовления она будет испытываться в течение двух лет. Затем ЯЭУ будет поставлена на атомную ракетную подводную лодку "Вэнгард" - головную ПЛАРБ из четырех единиц в серии. В сентябре 1986 года состоялась ее закладка, ввод в строй намечен на середину 90-х годов.
Результатом интенсивных работ, проведенных в Великобритании за истекшие четверть века в области атомного кораблестроения, явилось создание второго по величине в капиталистическом мире атомного подводного флота в составе 19 кораблей. Он является важным орудием в руках английских правящих кругов, стремящихся совместно с США и другими партнерами по НАТО добиться военного превосходства над СССР и другими странами социалистического содружества.
