Безнасосная самопроточная система охлаждения ядерной энергетической установки подводного корабля

Авторы патента:

Предлагаемая полезная модель относится к самопроточной системе охлаждения энергетических установок (ЭУ) корабля и предназначена для отвода тепла в теплообменных аппаратах забортной водой, в частности, для охлаждения и конденсации пара в главных конденсаторах ядерных энергетических установок (ЯЭУ) подводных кораблей с водометным движителем. Сущность полезной модели заключается в том, что утилизированный, поток охлаждающей забортной воды поступающей из главного конденсатора, попадает в предкамеру и далее через перфорированную обшивку в проточный канал к диску рабочего колеса водометного движителя. Движение охлаждающей забортной воды на ходу корабля происходит из-за разности давлений во входном отверстии водо-заборника и зоной пониженного давления на выходе в проточный канал водометного движителя. При этом используется дополнительный напор, образующийся в приемном патрубке водозаборника, вызванный движением корабля. Данная самопроточная система охлаждения позволяет отказаться от использования специальных насосов для подачи охладителя, уменьшить количество работающих агрегатов, снизить потребление энергии и упростить конструкцию энергетической установки. Воздействие утилизированным потоком охлаждающей забортной воды и потоком забортной воды в проточном канале водометного движителя, позволяет значительно уменьшить окружную неравномерность поля скоростей текущей жидкости в насадке и тем самым снизить шумность водометного движителя, улучшить тактическую скрытность, существенно улучшить виброакустические и эксплуатационные характеристики водометного пропульсивного комплекса подводного корабля. Самопроточная система охлаждения может быть использована для охлаждения главных конденсаторов паротурбинных установок подводных кораблей и подводных аппаратов различного назначения с ЯЭУ.

В системах охлаждения корабельных энергетических установок отведение тепла от поверхностей теплообменных аппаратов обеспечивает поток забортной воды, в качестве охлаждающей среды подаваемый по трубопроводу. В традиционных системах охлаждения подачу охлаждающей среды обеспечивают циркуляционные насосы, создающие при работе акустические колебания, увеличивая тем самым шумность корабля. В безнасосной самопроточной системе охлаждения ЭУ циркуляция забортной воды обеспечивается за счет движущего усилия, создаваемого водометным движителем, а именно: за счет разности давлений в охлаждающем трубопроводе и зоной пониженного давления перед рабочим колесом водометного движителя. При этом также используется дополнительный напор, образующийся в приемном патрубке, вызванный движением корабля. Одним из основных преимуществ водометного движителя является меньший гидродинамический шум по сравнению с винтовыми движителями, что важно для подводной лодки. Использование самопроточной системы охлаждения позволяет значительно уменьшить шумность корабля за счет отсутствия циркуляционных насосов.

Известно устройство «Система охлаждения двигателя плавсредства с водометным движителем», использованная для охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС), содержащая водометный движитель; самопроточную

систему охлаждения, включающую трубопровод для подачи в теплообменник и отвода из него в забортное пространство охлаждающей забортной воды; теплообменники - радиатор и змеевиковую камеру, в которой по замкнутому циклу, образующему вторичную систему охлаждения, циркулирует охлаждающая ДВС пресная вода и систему воздушного охлаждения (Авторское свидетельство №369285, СССР; МКИ 1 F 01 P 3/18, B 63 J 2/12; дата подачи заявки - 12.05.1964 г., дата публикации - 08.11.1973 г).

Работает эта система следующим образом:

При отсутствии потока охлаждающей забортной воды, отвод тепла от нагретой, охлаждающей работающий ДВС воды замкнутого цикла осуществляется прокачкой ее насосом через радиатор, обдуваемый вентилятором. При движении плавсредства в водной среде воздухозаборные отверстия закрываются, интенсивность охлаждения воды замкнутого цикла в радиаторе снижается, с помощью термостата подключается дополнительный теплообменник -змеевиковая камера. Вода замкнутого цикла проходит по его камере, отдавая тепло стенкам канала, охлаждаемого набегающим потоком забортной воды, создаваемым работающим водометным движителем, скорость этого потока даже при малых скоростях движения машины всегда больше скорости омывающей борта ее забортной воды. Этим обеспечивается эффективное охлаждение двигателя в изменившихся эксплуатационных условиях.

Основным недостатком данного устройства является то, что область применения известного устройства из-за маломощности ограничивается его использованием на маломерных амфибийных транспортных средствах с ДВС и малоэффективно для подводного корабля с ядерной энергетической установкой.

От указанного недостатка свободно наиболее близкое к предлагаемой полезной модели известное устройство «Система охлаждения для судовых двигателей», использованная для охлаждения ДВС, содержащая водометный движитель; самопроточную систему охлаждения, включающую трубопровод для подачи в теплообменник и отвода из него в забортное пространство

охлаждающей забортной воды; теплообменник - полость охлаждения двигателя, в которой по замкнутому циклу, образующему вторичную систему охлаждения, циркулирует охлаждающая ДВС пресная вода (Патент №4133284, США; МКИ 2 В 63 Н 11/02; дата подачи заявки - 15.06.1977 г., дата публикации - 09.06.1979 г.).

Работает система охлаждения выбранного прототипа следующим образом:

Из зоны повышенного давления выходной струи водометного движителя по трубопроводу забортная вода через клапан поддержания давления поступает в полость охлаждения. Нагретая охлаждающая ДВС вода замкнутого цикла через терморегулирующий клапан выбрасывается по трубопроводам в выпускной коллектор двигателя. Циркуляция охлаждающей забортной воды происходит за счет повышенного давления на входе системы, созданного работающим водометным движителем.

Несмотря на очевидные преимущества второго аналога по сравнению с первым аналогом, основным недостатком данного устройства - прототипа является то, что часть напора водометного движителя, расходуется на подачу забортной воды в полость охлаждения ДВС, что в свою очередь ухудшает технические характеристика водометного движителя.

От указанного недостатка свободна предлагаемая полезная модель, технической задачей которой является отвод тепла в теплообменных аппаратах забортной водой, в частности охлаждение и конденсация пара в главном конденсаторе ядерной энергетической установки подводного корабля с водометным движителем.

Реализация указанной технической задачи предлагаемой полезной модели позволяет добиться следующего технического результата:

- самопроточная система охлаждения (ССО) предназначенна для конденсации пара в главном конденсаторе паротурбинной установки;

- использование ССО на подводных кораблях с ЯЭУ;

- создание наиболее простой принципиальной схемы системы охлаждения ЯЭУ;

- увеличение мощности системы охлаждения;

- уменьшение шумности подводного корабля.

Для достижения указанного технического результата предложена безнасосная самопроточная система охлаждения ЯЭУ корабля, содержащая водометный движитель; самопроточную систему охлаждения, включающую трубопровод для подачи в теплообменник и отвода из него в забортное пространство корабля охлаждающей забортной воды, теплообменным аппаратом является главный конденсатор паротурбинной установки. Входное отверстие водозабортника забортной воды расположено под днищем корабля и перпендикулярно набегающему потоку забортной воды при движении корабля. Водозаборник, соединенный с патрубком для подачи воды, помещен в обтекатель. Отливной патрубок охлаждающей забортной воды, присоединенный на выходе из главного конденсатора, соединен с проточным каналом водометного движителя через перфорированную обшивку предкамеры. Такое взаимное расположение вышеперечисленных элементов необходимо для использования движущей силы и создания самопротока забортной воды в патрубках с возможностью уменьшения существующей окружной неравномерности поля скоростей текущей жидкости в проточном канале насадки водометного движителя и как следствие для уменьшения шумности корабля.

Принципиальным отличием заявляемой полезной модели является то, что самопроток охлаждающей забортной воды в системе охлаждения обеспечивается за счет подключения отливного патрубка в зону пониженного давления внутри насадки водометного движителя. Прохождение забортной воды из отливного патрубка через перфорированную обшивку предкамеры уменьшает окружную неравномерность поля скоростей в насадке водометного движителя, в результате чего уменьшается дополнительная шумность корабля, создаваемая работой водометного движителя.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 показана

функциональная схема безнасосной самопроточной системы охлаждения ядерной энергетической установки подводного корабля с водометным движителем:

1 - паропровод;

2 - турбина;

3 - редуктор;

4 - валопровод;

5 - направляющий аппарат;

6 - предкамера;

7 - перфорированная обшивка;

8 - рабочее колесо;

9 - насадка;

10 - контрпропеллер;

11 - утилизированный поток воды;

12 - отливной патрубок главного конденсатора;

13 - главный конденсатор;

14 - трубопровод подачи воды-конденсата к ядерному реактору;

15 - обтекатель водозаборника;

16 - патрубок подачи воды в конденсатор;

17 - водозаборник;

18 - входное отверстие водозаборника;

Работа системы охлаждения происходит следующим образом:

Пар от ядерного реактора по паропроводу 1 поступает на рабочие лопатки турбины 2. Вращательный момент от турбины 2 через редуктор 3 и валопровод 4 передается на рабочее колесо 8 водометного движителя. Проточный канал водометного движителя состоит из насадки 9, направляющего аппарата 5 и контрпропеллера 10. Отработавший в турбине пар сбрасывается в главный конденсатор 13, где происходит его конденсация. Вода - конденсат от главного конденсатора 13 по трубопроводу 14 вновь подается к ядерному реактору, замыкая тем самым рабочий контур.

Охлаждающая забортная вода поступает из-за борта через водозаборник 16 в главный конденсатор 13, а затем по отливному патрубку 12 утилизированный поток охлаждающей забортной воды 11 попадает в предкамеру 6, и через перфорированную обшивку 7 попадает в проточный канал, к диску рабочего колеса 8 водометного движителя. Движение охлаждающей забортной воды на ходу корабля происходит из-за разности давлений во входном отверстии водозаборника и зоной пониженного давления на выходе в проточный канал водометного движителя. При этом используется дополнительный напор забортной воды, вызванный движением корабля, образующийся в приемном патрубке водозаборника 16.

Поток жидкости 11, сформированный отливным патрубком 12 и выбрасываемый самопроточной системой охлаждения, помимо своего основного назначения, имеет еще один важный положительный эффект. Слияние двух потоков, а именно: утилизированного потока охлаждающей забортной воды 11 и потока забортной воды в проточном канале водометного движителя, уменьшают первоначальную эпюру окружной неравномерности поля скоростей в полости диска рабочего колеса 8 водометного движителя типа насадки возникающую из-за обтекания профилей направляющего аппарата 5.

Перечисленная совокупность признаков обеспечивает заявленной самопроточной системе охлаждения следующие достоинства:

- самопроточная система охлаждения может быть использована для охлаждения главных конденсаторов паротурбинных установок подводных кораблей с ЯЭУ;

- отказ от специальных насосов, перекачивающих охлаждающую забортную воду через главный конденсатор, упрощает конструкцию энергетической установки, уменьшает количество работающих агрегатов, снижает потребление энергии, а также уменьшает шумность подводного корабля в целом;

- воздействие утилизированного потока охлаждающей забортной воды и потока забортной воды в проточном канале водометного движителя,

позволяет значительно уменьшить окружную неравномерность поля скоростей текущей жидкости в насадке и тем самым снизить шумность водометного движителя. Заявляемая полезная модель промышленно применима, так как при ее реализации используются широко распространенные компоненты и изделия судостроительной промышленности.

1. Безнасосная самопроточная система охлаждения ядерной энергетической установки подводного корабля с водометным движителем, содержащая главный конденсатор, трубопровод, образованный патрубками для подачи в главный конденсатор и отвода из него охлаждающей забортной воды, отличающаяся тем, что отливной патрубок, присоединенный на выходе из главного конденсатора, соединен через перфорированную обшивку предкамеры с проточным каналом водометного движителя с возможностью создания самопротока в трубопроводе и уменьшения существующей окружной неравномерности поля скоростей текущей жидкости в проточном канале насадки водометного движителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что патрубок для подачи забортной воды снабжен водозаборником, расположенным в днище корабля и помещенным в обтекатель.