CC BY-NC
0
УДК 623.827(73) EDN: IYYWXK
В.В. Савенко, С.В. Попков
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
КОМПОНОВКА ВИБРОАКТИВНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА МНОГОЦЕЛЕВЫХ АТОМНЫХ ПОДВОДНЫХ ЛОДКАХ ВОЕННО-МОРСКИХ СИЛ США ТИПА «ВИРДЖИНИЯ»
Объект и цель научной работы. Рассмотрены основные особенности компоновки виброактивного оборудования в отсеках строящихся серийно многоцелевых атомных подводных лодок (АПЛ) ВМС США типа «Вирджиния».
Материалы и методы. Анализ доступных материалов по особенностям компоновки виброактивного оборудования атомных подводных лодок типа «Вирджиния», позволившей эффективно снизить его вклад в шумность АПЛ. Основные результаты. Подтверждено применение компьютерных методов при компоновке виброактивного оборудования, а также при акустическом совершенствовании фундаментных конструкций оборудования. Заключение. Установлено, что численное моделирование с использованием метода конечных элементов позволило минимизировать влияние резонансов фундаментных конструкций оборудования и обеспечить высокую эффективность средств снижения вибрации и шума, что способствовало достижению низких уровней излучаемого АПЛ шума, особенно на малых скоростях хода.
Ключевые слова: акустические характеристики, компоновка виброактивного оборудования, АПЛ типа «Вирджиния».
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
UDC 623.827(73) EDN: IYYWXK
V.V. Savenko, S.V. Popkov
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
COMPONENTS OF VIBROACTIVE EQUIPMENT ABOARD VIRGINIA-CLASS SSNS (US NAVY)
Object and purpose of research. This paper discusses main peculiarities of vibroactive equipment components in the compartments of Virginia-class SSNs under construction.
Materials and methods. The paper analyses available publications on peculiarities of vibroactive equipment components aboard Virginia-class SSNs that effectively reduced their contribution to overall noise signature of these submarines.
Main results. It was confirmed that computer-based simulation can be used to configure vibroactive equipment, as well as to improve acoustic performance of equipment foundations.
Conclusion. It has been established that FEM-based simulation effectively minimized the effect of equipment foundation resonances, ensuring high efficiency of noise and vibration damping tools, which resulted in low noise radiation of Virginia-class SSNs, especially at low speeds.
Keywords: acoustic performance, vibroactive equipment components, Virginia-class SSNs. The authors declare no conflicts of interest.
Для цитирования: Савенко В.В., Попков С.В. Компоновка виброактивного оборудования на многоцелевых атомных подводных лодках военно-морских сил США типа «Вирджиния». Труды Крыловского государственного научного центра. 2024; 3(409): 138-144.
For citations: Savenko V.V., Popkov S.V. Components of vibroactive equipment aboard Virginia-class SSNs (US Navy). Transactions of the Krylov State Research Centre. 2024; 3(409): 138-144 (in Russian).
Введение
Introduction
В США развернуто серийное строительство новейших многоцелевых атомных подводных лодок типа «Вирджиния». Головная АПЛ Virginia SSN 774 вошла в состав флота в октябре 2004 г., а в августе 2023 г. заложена четвертая в подсерии Block V многоцелевая АПЛ Tang SSN 805 [1]. По мере строительства отдельных подсерий не только совершенствуется вооружение и другие боевые средства, но и продолжаются работы по дальнейшему снижению шумности АПЛ.
При проектировании АПЛ типа «Вирджиния» применены расчетные (в т.ч. конечно-элементные) методы определения ее вибрационных и акустических характеристик, включающие моделирование компоновки и размещения виброактивного оборудования в отсеках. Это позволило уточнить особенности формирования виброакустических характеристик при работе оборудования, оценить в процессе проектирования ожидаемую эффективность средств акустической защиты и оптимизировать принятые в проекте новые технические решения.
Важными моментами акустического проектирования [2] АПЛ типа «Вирджиния» являлись рациональная компоновка и размещение виброактивного оборудования в отсеках, направленные на достижение минимальной шумности АПЛ. Как известно [3], шумность современных АПЛ на малых скоростях хода определяется работой главного и вспомогательного виброактивного оборудования. При выборе акустических средств вибро- или шу-моизоляции и поглощения большое значение имеет рациональная компоновка виброактивного и шумящего оборудования, направленная на уменьшение колебаний механизмов и конструкций [4].
В настоящей работе рассмотрены основные особенности компоновки виброактивного обору-
дования в отсеках малошумных многоцелевых АПЛ типа «Вирджиния», а также конструктивного исполнения фундаментов оборудования, которые выявлены в результате анализа доступных материалов, опубликованных в многочисленных выпусках «Дайджеста» [1] и других источниках, например [5-7].
Основные особенности общей компоновки атомных подводных лодок типа «Вирджиния»
General arrangement of Virginia-class SSNs -Main peculiarities
Архитектурно-компоновочная схема современных многоцелевых АПЛ ВМС США сложилась в 1970-х гг. при создании АПЛ типа «Лос-Анджелес» (головная SSN 688 Los Angeles вступила в строй в 1976 г.). Подводное водоизмещение АПЛ составляло от 6927 т у головной АПЛ до 7177 т у последней (типа «Лос-Анджелес усовершенствованная» SSN 773), длина АПЛ - 109,7 м, диаметр корпуса -10,1 м. Эти однокорпусные АПЛ отличались предельно простой архитектурно-компоновочной схемой и имели только две водонепроницаемые переборки прочного корпуса, выделяющие средний отсек с атомным реактором (рис. 1).
Цистерны главного балласта располагались в носовой и кормовой оконечностях, полностью исключена свободно заполняемая водой надстройка, запас плавучести снижен примерно до 15 %. Главное энергетическое оборудование (ГТЗА, АТГ) и большая часть вспомогательного оборудования размещены в одном кормовом отсеке больших размеров. Снижение числа переборок и увеличение размеров отсеков позволило не только снизить вес корпуса, но и оптимизировать компоновку совместно работающего виброактивного и шумящего оборудования, обеспечить повышение эффективности средств виброизоляции
Рис. 1. Атомная подводная лодка «Толедо» (Toledo SSN 769) - типа «Лос-Анджелес усовершенствованная»
(Los Angeles Improved SSN 688I)
Fig. 1. Los-Angeles-class (688i) SSN-769 (Toledo)
и шумопоглощения, а также убрать переборочные узлы виброразвязки неопорных связей (трубопроводов и т.д.), соединяющих оборудование в разных отсеках.
Одной из проблем АПЛ типа «Лос-Анджелес» стала повышенная вибрация опорной рамы главного оборудования (имевшей большие размеры), особенно на собственных (резонансных) частотах рамы при их совпадении с частотами динамических усилий, действующих со стороны виброактивного оборудования. Это привело к наличию в спектре шу-моизлучения АПЛ дискретных составляющих, связанных с работой ряда главных и вспомогательных механизмов.
Аналогичная общая компоновка с тремя отсеками была сохранена и в двух построенных в США самых дорогих многоцелевых «АПЛ XXI века» типа «Сивулф» (головная 88М 21 8еауоЦ" вступила в строй в 1997 г.). Эти более скоростные (35-38 уз вместо 30-32 уз) АПЛ отличались от АПЛ типа «Лос-Анджелес» увеличенным подводным водоизмещением (9138 т) и возросшим (до 12,2 м) диамет-
кис. а. кормовой участок корпуса с виброизолированной платформой, на которой размещены редуктор и упорный подшипник атомной подводной лодки типа Virginia
Fig. 5. Aft part of Virginia-class SSN hull
with vibroisolated platform accommodating gearbox
and thrust bearing
ром корпуса при близкой длине (107,6 м). Совершенствование оборудования, средств акустической защиты и применение нового движителя водометного типа позволили существенно снизить шум-ность этих АПЛ в значительно расширенном диапазоне поисковых скоростей хода.
Длина строящихся серийных (спроектированных как более дешевые) многоцелевых АПЛ типа «Вирджиния» [5] увеличилась до 114,9 м, а диаметр наружного прочного корпуса составил 10,36 м, что привело к увеличению удлинения до 11,1. Это позволило ограничить осадку величиной 9,76 м в обеспечение действий в прибрежных районах, что является одной из главных задач новой АПЛ. Надводное водоизмещение «Вирджинии» 6,97 тыс. т, подводное - 7,84 тыс. т; в 5 цистерн главного балласта, расположенных в носовой и кормовой оконечностях, принимается около 900 т морской воды.
Архитектура корпуса, близкая к АПЛ предыдущих типов, сохранена, но количество переборок увеличено до четырех. Как обычно, реакторный отсек занимает центральное положение на АПЛ, главное энергетическое оборудование размещено в одном кормовом отсеке больших размеров, часть вспомогательного оборудования - во втором отсеке, расположенном в нос от реакторного отсека. Функциональные и супермодули АПЛ типа «Вирджиния», производимые на верфях-строителях, показаны на рис. 2 (см. вклейку).
На рис. 3 (см. вклейку) показана схема общего расположения АПЛ типа Virginia. Более крупно размещение главного энергетического оборудования показано на рис. 4 (см. вклейку). Расположенный в третьем отсеке вместе с парогенератором ядерный реактор (SG9) отделен от соседних отсеков переборками с биологической защитой, в отсеке по правому борту на второй палубе имеется переходной коридор. В большом кормовом отсеке установлено главное оборудование, включая турбогенераторы, главные турбины и редуктор, а также другое оборудование.
Кормовой участок корпуса с виброизолированной платформой, на которой размещены редуктор и упорный подшипник АПЛ типа Virginia, показан на рис. 5. Видно, что виброизолированная платформа установлена на продольные бортовые фундаменты, показанная схема конструкции которых содержит флоры, бракеты и балки. Неоднократно отмечалось, что применение виброизолированных платформ стало одним из новых технических решений для снижения шумности АПЛ типа Virginia.
Особенности компоновки и размещения виброактивного оборудования в отсеках атомной подводной лодки типа «Вирджиния» Peculiarities of vibroactive equipment components and arrangement in Virginia-class SSN compartments
Общее расположение отсеков и размещение оборудования в отсеках АПЛ прорабатывались с использованием метода конечных элементов и других возможностей компьютерного моделирования.
На рис. 6 (см. вклейку) показано компьютерное изображение общего размещения постов центрального пункта управления и носовой выгородки, расположенных на второй палубе первого отсека. Замена проникающих в корпус перископов телескопическими мачтами с оптронными датчиками позволила связать их стекловолоконными кабелями с центральным постом, а помещения центрального пункта управления разместить на более просторной второй палубе.
Видно также, что между первым и вторым отсеками размещена двойная переборка, в верхней части которой выполнена док-камера с выходным люком, предназначенная для выпуска и приема в подводном положении 9 бойцов сил специального назначения.
Смоделированное размещение жилых помещений и вспомогательного оборудования на второй палубе второго отсека АПЛ типа Virginia показано на рис. 7.
Фото (рис. 8) расположенной на этой палубе носовой вентиляционной выгородки одной из строящейся АПЛ (SSN-777) показывает, что выгородка выполнена в виде жесткой клетки длиной около 5,5 м, которая вписана в верхнюю четверть поперечного сечения корпуса АПЛ.
Клетка служит для крепления в ее ячейках звукоизолирующих матов, позволяющих уменьшить передачу воздушного шума от вентиляционного оборудования в прилегающие помещения отсека, а также на корпус АПЛ и далее в окружающую водную среду. Размеры ячеек отличаются как вдоль оси ПЛ (ориентировочно 30, 24, 22, 16, 26, 28, 24, 20, 32), так и по дуге окружности (10, 14, 20, 18, 24, 20, 22). Изменение размеров ячеек позволяет избежать нежелательных связанных резонансных явлений в элементах вентиляционной выгородки, которые могут уменьшить шумозаглушающую эффективность разработанной конструкции.
Компьютерное изображение размещения вспомогательного оборудования на третьей палубе второго отсека показано на рис. 9 (см. вклейку). Вдоль оси корпуса ближе к кормовой части расположен вспомогательный (аварийный) дизель-генератор.
На фото (рис. 10, см. вклейку) показана секция изолированной палубной конструкции (объемной опорной рамы оборудования) третьей палубы второго отсека. В центре видна фундаментная конструкция дизель-генератора, компьютерное изображение которой показано синим цветом на рис. 11 (см. вклейку).
Вид снизу секции изолированной палубной конструкции (объемной опорной рамы) оборудования третьей палубы второго отсека показан на
Обратимый Электро- Кубрик л/с Проход
преобразователь оборудование (24 койки) в 1-й отсек
Проход в машинное Носовая вентиляционная Кубрик л/с
отделение выгородка (23 койки) Душевые
Рис. 7. Компьютерная компоновка жилых помещений и вспомогательного оборудования на второй палубе второго отсека
Fig. 7. Computer-based image - Arrangement of living quarters and auxiliary equipment at Deck 2 of Compartment 2
Рис. 8. Выгородка вентиляции строящейся атомной подводной лодки типа Virginia SSN-777 Fig. 8. Ventilation enclosure of Virginia-class SSN-777 under construction
Рис. 12. Секция изолированной палубной конструкции (вид снизу)
Fig. 12. Part of isolated deck structure (bottom view)
Рис. 13. Компьютерное изображение процесса закатывания во второй отсек секции изолированной палубной конструкции с оборудованием
Fig. 13. Computer-based image - Part of isolated deck structure with equipment rolled into Compartment 2
рис. 12. Можно предположить, что объем (сегмент) в нижней части используется в качестве топливных или других цистерн, масса жидкости в которых повышает входное механическое сопротивление фундаментов и поглощает часть колебательной энергии.
Компьютерное изображение процесса закатывания во второй отсек секции изолированной палубной конструкции с оборудованием показано на рис. 13. Фото процесса закатывания во второй отсек секции изолированной палубной конструкции с оборудованием приведено на рис. 14.
Анализ приведенных компьютерных изображений размещения и компоновки оборудования в сравнении с фотографиями реальных конструкций позволяет подтвердить информацию о широком применении компьютерных методов проектирования АПЛ типа Virginia в обеспечение достижения низких уровней шума, излучаемого при работе оборудования. Применение численного моделирования, в т.ч. с использованием метода конечных элементов, позволило не только осуществить оптимальную компоновку оборудования в плане минимизации шумности, но также снизить нежелательное влияние резонансов в опорных и фундаментных конструкциях и обеспечить максимальную эффективность средств снижения вибрации и шума.
В результате созданы наименее шумные в настоящее время [5-8] универсальные многоцелевые АПЛ, способные выполнять широкий круг задач, в т.ч. в прибрежных водах (рис. 15). Реактор
Рис.14. Функционально-технологический модуль
(секция изолированной палубной конструкции
с оборудованием) третьей палубы второго отсека
закатывается в отсек
Fig. 14. Functional & technological module
(part of isolated deck structure with equipment) at Deck 3
of Compartment 2 rolled into the compartment
S9G (29,4 МВт) с естественной циркуляцией теплоносителя позволяет при минимальной шумности развивать мощность пропульсивной установки «на валу» до 25 тыс. л.с., что обеспечивает максимальную скорость хода более 25 уз.
Именно акустическая скрытность ставилась в ряд первоочередных задач в процессе проектирования АПЛ Virginia, которая имеет сравнительно небольшую максимальную скорость - около 28 уз [8], зато отличается малошумностью как на малых, так и на повышенных скоростях хода. Отличительной особенностью новых многоцелевых АПЛ США типа Virginia является способность обнаружить цель на достаточно больших расстояниях при повышенных поисковых скоростях хода (более 20 уз).
Заключение
Conclusion
Выполненный анализ особенностей компоновки и размещения виброактивного оборудования в отсеках строящихся серийно малошумных многоцелевых АПЛ США типа «Вирджиния» показал широкое применение компьютерных методов при проектировании АПЛ и компоновке ее виброактивного оборудования, а также при совершенствовании опорных и фундаментных конструкций.
Применение численного моделирования с использованием метода конечных элементов позволило минимизировать влияние нежелательных ре-зонансов в опорных и фундаментных конструкциях оборудования и обеспечить максимальную эффективность средств снижения вибрации и шума. Это обеспечило весьма низкие уровни излучаемого шума и помех работе гидроакустического комплекса, особенно на малых скоростях хода.
Список использованной литературы
1. Подводные лодки // Дайджест зарубежной прессы. ВМС и кораблестроение. 2023. Вып. 106. С. 14-25.
2. Савенко В.В. Совершенствование методов акустического проектирования кораблей // Труды Крыловского государственного научного центра. 2018. Вып. 3(385). С. 131-144. DOI: 10.24937/2542-23242018-3-385-131-144.
3. Савенко В.В. Акустические технологии на многоцелевых атомных подводных лодках // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2010. Вып. 52(336). С. 29-46.
4. Попков В.И., Попков С.В. Колебания механизмов и конструкций. Санкт-Петербург : Сударыня, 2009. 490 с.
Рис. 15. Атомная подводная лодка SSN784 North
Dakota типа Virginia в море
Fig. 15. Virginia-class SSN-784 North Dakota at sea
5. Polmar N., Burgess R. The Naval Institute Guide to the Ships and Aircraft of the U.S. Fleet. 19th ed. Annapolis : Naval Institute press, 2013. X, 676 p.
6. Polmar N., Moore K.J. Cold War submarines : the design and construction of U.S. and Soviet submarines. Washington : Brassey's, 2004. XXIII, 407 p.
7. Jane's Fighting Ships, 2013-2014 / Ed. S. Saunders. London : IHS Global Limited, 2013. 1030 p.
8. Ильин В. «Вирджиния». Первые серийные атомоходы XXI века // Арсенал. Военно-промышленное обозрение. 2008. № 4. С. 176-184.
References
1. Submarines // Navy and Shipbuilding Nowadays. Digest of foreign press. 2023. Vol. 106. P. 14-25 (in Russian).
2. Savenko V.V. Refinement of acoustic design methods for ships // Transactions of Krylov State Research Centre, 2018. Vol. 3(385). P. 131-144. DOI: 10.24937/25422324-2018-3-385-131-144 (in Russian).
3. Savenko V.V. Acoustic technologies on nuclear-powered attack submarines // Transactions of Krylov Central Research Institute, 2010. Vol. 52(336). P. 29-46 (in Russian).
4. Popkov V.I.,PopkovS.V. Vibrations of machinery and structures. St. Petersburg : Sudarynya, 2009. 490 p. (in Russian).
5. Polmar N., Burgess R. The Naval Institute Guide to the Ships and Aircraft of the U.S. Fleet. 19th ed. Annapolis : Naval Institute press, 2013. X, 676 p.
6. Polmar N., Moore K.J. Cold War submarines : the design and construction of U.S. and Soviet submarines. Washington : Brassey's, 2004. XXIII, 407 p.
7. Jane's Fighting Ships, 2013-2014 / Ed. S. Saunders. London : IHS Global Limited, 2013. 1030 p.
8. Ilyin V. Virginia-class SSNs: first serially constructed nuclear submarines of the 21st century // Arsenal. Voenno-promyshlennoe obozrenie (Arsenal. Military Industry Review). 2008. No. 4. P. 176-184 (in Russian).
Сведения об авторах
Савенко Валентин Викторович, к.т.н., ведущий научный сотрудник, заместитель начальника лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-49-85. E-mail: ta.mah@yandex.ru. Попков Сергей Владимирович, д.т.н., старший научный сотрудник, заслуженный конструктор РФ, заместитель начальника отделения - начальник лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-45-72. E-mail: popkov.sv@gmail.com.
About the authors
Valentin V. Savenko, Cand. Sci. (Eng.), Lead Researcher, Deputy Head of Laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-49-85. E-mail: ta.mah@yandex.ru.
Sergey V. Popkov, Dr. Sci. (Eng.), Senior Researcher, Honoured Designer of the Russian Federation, Deputy Head of Division - Head of Laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-45-72. E-mail: popkov. sv@gmail. com.
Поступила / Received: 25.04.24 Принята в печать / Accepted: 27.08.24 © Савенко В.В., Попков С.В., 2024
Рис. 2. Функциональные и супермодули атомной подводной лодки типа Virginia Fig. 2. Functional modules and supermodules of Virginia-class SSN
T-, IV UUilJtlCl
Главная турбина reH^paTopa Выходной люк
Буксируемая антенна
Ш1ШЛ\
Парогенератор и реактор
Вид справа
Рис. 4. Схема размещения главного энергетического оборудования атомной подводной лодки типа Virginia Fig. 4. Arrangement of main power equipment aboard Virginia-class SSN
Отсек 5
Вид сверху Отсек 4 Отсек 3
Отсек 2
Отсек 1
Вид спереди
Вид сзади
Рис. 3. Схема общего расположения атомной подводной лодки типа Virginia
Fig. 3. General Arrangement of Virginia-class SSN
Выгородка аппаратуры ГАК и оружия
Корабельная канцелярия
Рубка связи
Посты управления РЭВ
Посты РЭВ
Главный пульт управления ПЛ
Командирские каюты
Рабочие станции Главный „
ГАТг ~ Пост вахтенного
1АК дисплеи ,
офицера
Рис. 6. Компьютерное изображение общего размещения постов центрального пункта управления и носовой выгородки, расположенных на второй палубе первого отсека
Fig. 6. Computer-based image of general arrangement for central station and forward enclosure at Deck 2 of Compartment 1
Каюты
Электролизная Компрессор Фильтр Печь дожита оф. состава, Интендантская установка НД С02 водорода кают-компания и др.
Дизель- Главные Станция Насос системы Уравнительная Каюты л/с (19 коек), генератор осушительные гидравлики стабилизации цистерна душевые
насосы глубины без хода
Рис. 9. Компоновка оборудования на третьей палубе втор( Fig. 9. Arrangement of equipment at Deck 3 of Compartment 2
Рис. 10. Секция изолированной палубной конструкции (объемной опорной рамы оборудования) третьей палубы второго отсека
Fig. 10. Part of isolated deck structure (large bearing frame of equipment) at Deck 3 of Compartment 2
отсека
Рис. 11. Участок объемной рамы третьей палубы второго отсека с фундаментами оборудования
Fig. 11. Part of large frame Deck 3 of Compartment 2 with equipment foundations
