CC BY-NC
41
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-4-398-104-107 УДК 629.5.03:621.039
В.Г. Кирикова
АО СПМБМ «Малахит», Санкт-Петербург, Россия
КРАТКИЙ АНАЛИЗ СОЗДАНИЯ АТОМНЫХ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК И ОТРАСЛЕВЫХ СТАНДАРТОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Объект и цель научной работы. Широкое применение атомной энергетики, новых видов оружия, радиоэлектронного вооружения, систем и средств автоматики резко повысило боевые возможности Военно-Морского Флота и его основной составляющей - подводных сил.
Материалы и методы. Атомные подводные лодки составляют основу ВМФ и, обладая высокими боевыми качествами, способны решать как стратегические, так и оперативно-тактические, в т.ч. многоцелевые задачи. Основные результаты. В настоящей работе проведен краткий анализ создания атомных подводных лодок (ПЛ) и отраслевых стандартов, используемых при проектировании систем, обеспечивающих функционирование паропроиз-водящих установок (111 ГУ) и паротурбинных установок (ПТУ) атомных ПЛ.
Заключение. Произведена оценка актуальности использования отраслевых стандартов при создании систем ППУ и ПТУ перспективных атомных ПЛ и определен объем доработки отраслевых стандартов для их использования при проектировании с учетом современных требований к созданию атомных ПЛ.
Ключевые слова: отраслевой стандарт, проектирование, атомная подводная лодка, паропроизводящая установка, паротурбинная установка.
Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2021-4-398-104-107 UDC 629.5.03:621.039
V. Kirikova
"Malachite" Design Bureau, St. Petersburg, Russia
BRIEF ANALYSIS: DEVELOPMENT OF NUCLEAR SUBMARINES AND ELABORATION OF INDUSTRY STANDARDS FOR POWER PLANT SYSTEMS
Object and purpose of research. A wide application of nuclear technologies and new types of weapons, electronic sensors, automation systems and tools have increased combat capabilities of the Navy and its major component represented by submarine forces.
Materials and methods. Nuclear submarines are core weapons of the Naval Forces, which can efficiently perform strategic and tactical roles, including multiple tasks.
Main results. This paper briefly analyzes the steam-generation and steam-turbine plants development of submarines and elaboration of industry standards used for design of the systems supporting of nuclear submarines.
Conclusions. This paper assesses the relevancy of standards used in development of steam-generation and steam-turbine plants for advanced nuclear submarines and identifies the scope for their further improvement to take into account modern nuclear submarine requirements in the design.
Key words: industrial standard, design, nuclear submarine, steam-generation plant, steam-turbine plant. The author declares no conflicts of interest.
Энергетические ядерные реакторы практически сразу после создания были доработаны в целях создания ядерных энергетических установок (ЯЭУ) для атомного флота.
17 января 1954 г. в состав ВМС США вошла первая атомная ПЛ. Постановление Правительства СССР о начале создания и строительства первой атомной ПЛ было принято 21 декабря 1952 г.
Для цитирования: Кирикова В.Г. Краткий анализ создания атомных подводных лодок и отраслевых стандартов проектирования систем энергетических установок. Труды Крыловского государственного научного центра. 2021; 4(398): 104-107. For citations: Kirikova V. Brief analysis: development of nuclear submarines and elaboration of industry standards for power plant systems. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2021; 4(398): 104-107 (in Russian).
Научным руководителем разработок был назначен А.П. Александров, главным конструктором ядерного реактора - Н.А. Доллежаль. Для первой атомной ПЛ был выбран водо-водяной реактор, аналогов которому в стране не существовало, и работы над реактором такого типа для АЭС начались только в 1955 г.
Требовалось решить ряд новых инженерно-конструкторских задач. Прежде всего нужно было изготовить энергетический блок, что включало создание ядерного реактора, систем и механизмов, обеспечивающих его работу. В результате была создана малогабаритная и высоконапряженная ядерная энергетическая установка, удовлетворяющая требованиям ПЛ.
Первые американская и отечественная атомные ПЛ оснащались ядерным реактором водо-водяного типа.
Первая атомная ПЛ США USS Nautilus SSN-571 вышла в море 17 января 1955 г. и показала возможность размещения ядерной энергетической установки на дизельных ПЛ USS Tang в рамках программы GUPPY - модернизации дизель-электрических ПЛ (1948-1960 гг.).
Первые атомные ПЛ SSN-571 Nautilus и SSN-575 Seawolf имели схожую с SS-563 Tang и SS-564 Trigger архитектуру корпуса с штевневой носовой оконечностью и широкой палубой надстройки и подтвердили реальность увеличения возможности подводного хода (Greater Underwater Propulsion Power).
Энергетическая установка включала в себя один водо-водяной реактор типа S2W тепловой мощностью 50 МВт с двумя парогенераторами (ПГ) и с тремя циркуляционными насосами первого контура на каждый ПГ, два главных турбозубчатых агрегата с турбинами высокого и низкого давления суммарной эффективной мощностью 15 000 л.с., два главных конденсатора, два гребных вала с пя-тилопастными гребными винтами. Недостатками конструкции являлись проникающая радиация ядерного реактора, большие габаритные характеристики энергетической установки и проблемы парообразования.
Создание корабельной ядерной энергетической установки суммарной мощностью 9,86 МВт, обеспечивающей надводную скорость более 20 уз и дальность плавания 25 000 миль при расходе делящегося вещества U-235 450 г в месяц ознаменовало переход к боевым кораблям с ядерными энергетическими установками.
Последующие параллельные разработки привели к созданию первой серии из четырех атомных ПЛ типа Skate class, оснащенных одиночными реакторами S3W, S4W и S5W с двумя турбозубчатыми
агрегатами по 3500 л.с., а в 1960 г. был построен авианосец USS Enterprise SVN-65 с восемью ядерными реакторами и четырьмя турбозубчатыми агрегатами компании Westinghouse.
Примечательно, что ядерная энергетическая установка компании Westinghouse Electric Corporation оставалась в эксплуатации до 2012 г.
На второй ПЛ SSN-575 Seawolf был поставлен ядерный реактор с жидкометаллическим теплоносителем (ЖМТ), в качестве теплоносителя использовался жидкий Na. Рассматривались и другие технические и схемные решения, в т.ч. реактор «кипящего» типа, реактор с газовым теплоносителем, однако параметры ЖМТ оказались наиболее привлекательными.
«Ленинский комсомол» («К-3») - первая советская и третья в мире атомная ПЛ, головная в серии. Единственная лодка проекта 627, все последующие лодки серии строились по доработанному проекту 627А.
Работа началась согласно постановлению Совмина СССР «О проектировании и строительстве объекта 627» (главный конструктор В.Н. Перегудов). При этом в процессе проектирования с 1952 г. разрабатывались два варианта - с водо-водяным реактором и с реактором с жидкометаллическим теплоносителем. В «К-3» был воплощен вариант с водо-водяным реактором, альтернативный проект был создан позже под индексом «К-27» с реактором на промежуточных нейтронах с эвтектическим сплавом свинец-висмут в качестве теплоносителя (автор - ученик В.Н. Перегудова А.К. Назаров). Указанный подход к разработке силовой установки схож с путем, которым пошли американские разработчики, создавшие в 1954 г. атомную ПЛ Nautilus, а в 1955 г. - Seawolf.
С 1959 г. на отечественных атомных кораблях эксплуатировались различные типы ППУ, в т.ч. ОК-150, ОК-900, ОК-900А, КЛТ-40 и КЛТ-40М. Каждая из них состоит из отдельных блоков, в которых находятся реактор водо-водяного типа, четыре циркуляционных насоса, четыре парогенератора, компенсатор объема, ионообменный фильтр с теплообменником и другое оборудование.
Реактор, насосы и парогенераторы имеют отдельные корпуса и соединены друг с другом короткими патрубками типа «труба в трубе». Все оборудование расположено вертикально в кессонах бака железоводной защиты и закрыто малогабаритными блоками защиты, что обеспечивает доступность при проведении обслуживающих и ремонтных работ.
В реакторе водо-водяного типа вода является и замедлителем нейтронов, и охлаждающей, и теп-
лообменной средой. Активная зона содержит ядерное топливо в защитном покрытии (тепловыделяющие элементы - ТВЭЛ) и замедлитель. ТВЭЛ, имеющие вид тонких стержней, собраны в пучки и заключены в чехлы. Такие конструкции называются тепловыделяющими сборками (ТВС). Активная зона реактора представляет собой совокупность активных частей, состоящих из ТВЭЛ.
Тепловая схема ППУ атомного корабля состоит из четырех контуров. Через активную зону ядерного реактора (ЯР) прокачивается теплоноситель I контура (вода высокой степени очистки). Вода нагревается, но не превращается в пар, поскольку находится под давлением. Из ЯР теплоноситель I контура поступает в парогенераторы, благодаря чему вода, протекающая по его трубам, превращается в перегретый пар. Далее теплоноситель I контура циркуляционными насосами снова подается в ЯР. Из парогенераторов перегретый пар (теплоноситель II контура) поступает на главные турбины. Затем пар конденсируется, вода проходит систему ионообменной очистки и снова поступает в парогенераторы. III контур предназначен для охлаждения оборудования ЯЭУ, в качестве теплоносителя используется вода высокой чистоты. IV контур служит для охлаждения пара в системе II контура, пар превращается в воду в конденсаторах турбины. Для этого через конденсаторы прокачивают забортную воду. Контур, по которому циркулирует охлаждающая морская вода, называют циркуляционной трассой.
Энергия, которая выделяется при делении ядер урана, преобразуется в механическую энергию движения по следующей схеме: реактор вырабатывает тепло ^ вода I контура забирает тепло и передает его воде II контура ^ вода II контура превращается в пар ^ пар вращает вал турбины, которая является частью главного турбозубчатого агрегата ^ вал турбины передает вращение механизму редуктора (зубчатой передаче) ^ редуктор вращает гребной вал с винтом ^ винты приводят корабль в движение.
Конструктивно ПТУ выполняются в виде единого блока, состоящего из одной или двух турбин, параллельно работающих на одно- или двухступенчатый редуктор, понижающий обороты турбин до оптимальных для гребного винта. Для снижения передаваемых на корпус вибраций паротурбинный блок крепится к нему с помощью амортизаторов. С этой же целью т.н. неопорные связи блока с корпусом и другим оборудованием (линия вала, паровые, водяные, масляные трубопроводы) имеют относительно эластичные вставки, также препятствующие распространению вибрации от блока.
При проектировании систем ППУ и ПТУ атомной ПЛ используются отраслевые стандарты и другие нормативно-технические и организационные документы.
Эта документация составляет весьма объемный свод, однако, с учетом совершенствования технологий ядерных установок и сопутствующих систем ПТУ и ППУ, их использование в современном проектировании атомных ПЛ проблематично.
Следует отметить, что нормативно-технические и организационные документы по проектированию систем, обеспечивающих регламентацию работы ППУ И ПТУ, были разработаны в 1980-е гг. Основным документом, которым руководствовались при проектировании данных систем для обеспечения ядерной безопасности, был ОСТ В95.958-82 «Реакторы ядерные транспортные. Обеспечение ядерной безопасности».
В связи с разработкой ОПБ-К-98 и появлением на его основе «Правил ядерной безопасности корабельных ядерных установок» ПБЯ-В.08-88/05 были ужесточены требования к системам ядерной энергетической установки. Были определены важные для безопасности ЯЭУ условия.
Системы ЯЭУ подразделяются на системы нормальной эксплуатации и системы безопасности.
К системам нормальной эксплуатации относятся системы, предназначенные для осуществления нормальной эксплуатации ЯЭУ, отказы которых могут являться исходными событиями нарушения пределов и (или) условий безопасной эксплуатации ЯЭУ.
К системам безопасности относятся системы, предназначенные для предотвращения аварий и ограничения их последствий. Системы безопасности подразделяются на:
■ управляющие;
■ защитные;
■ локализующие;
■ обеспечивающие.
Защитные, локализующие и обеспечивающие системы безопасности должны выполнять свои функции при наличии единичного отказа в системе. Управляющие системы должны работать при любом событии, влияющем на развитие аварии. Так появилось резервирование систем и разделение их на две независимые ветки (два канала).
Для актуализации нормативных документов необходимо учитывать, что большинство ссылок на нормативные документы устарели. Появились новые системы, важные для безопасности ЯЭУ, такие как системы рециркуляции и аварийной проливки от гидроаккумуляторов (ГА). Большинство систем
практически полностью видоизменились в соответствии с современными требованиями.
Система рециркуляции предназначена для про-ливки активной зоны ЯР при авариях, связанных с разгерметизацией I контура, запасом воды цистерны рециркуляции, а также теплоносителем, вытекающим из системы I контура и поступающим в необитаемую выгородку.
Система аварийной проливки от гидроаккумулятора предназначена для подачи воды от ГА в активную зону ЯР при возникновении аварийных ситуаций, связанных с разгерметизацией I контура. Проливка активной зоны водой обеспечивается подачей сжатого воздуха в ГА от баллонов запаса воздуха.
Заключение
Conclusion
К отраслевым стандартам и отраслевым нормативам, обеспечивающим работу ППУ и ПТУ атомных ПЛ, относится комплекс взаимосвязанных документов. Однако с учетом совершенствования технологий проектирования ЯЭУ и систем, обеспечивающих работу ППУ и ПТУ, их эффективное использование в процессе современного проектирования атомных ПЛ возможно только при условии их актуализации, с учетом опыта проектирования последующих поколений ПЛ и дополнением новыми технологиями строительства и проектирования.
В статье определена актуальность использования отраслевых стандартов при новом проектировании ПЛ и необходимость их доработки для использования при проектировании современных атомных ПЛ.
Список использованной литературы
1. Вакс А.И., Мурадян В.А., Сагайдаков Ф.Р. Подводные лодки. Прошлое, настоящее, будущее. Санкт-Петербург: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2001. 125 c. URL: https://flot.com/publications/books/shelf/ submarines/ (дата обращения: 20.11.2020).
2. Бекман И.Н. Ядерная индустрия: курс лекций. Москва, 2005. Лекция 16: Ядерные двигатели для транспорта // Бекман Игорь Николаевич: [персон. сайт]. URL: http://profbeckman.narod.ru/NIL16.pdf (дата обращения: 20.11.2020).
3. Newtan S.U. Nuclear War I and other major nuclear disasters of the 20th century. Bloomington: AuthorHouse, 2007. VIII, 306 p.
4. Friedman N. U.S. Submarines through 1945: An Illustrated Design History. Annapolis: Naval Institute Press, 1995. XII, 379 p.
5. Общие положения обеспечения ядерной и радиационной безопасности корабельных ядерных энергетических установок (ОПБ-К-98/05): утв. решением Министерства обороны РФ [и др.] от 07 апреля 2006 г. № 253/6/1421. Москва: Курчатовский ин-т, 2005.
6. Правила ядерной безопасности корабельных ядерных энергетических установок (ПБЯ-В.08-88/05): утв. решением Министерства обороны РФ [и др.] от 07 апреля 2006 г. № 253/6/1422. Москва: Курчатовский ин-т, 2005.
References
1. A. Vaks, V. Muradyan, F. Sagaidakov. Submarines. Past, present, future. St. Petersburg. Krylov State Research Centre, 2001. 125 p. (in Russian). URL: https://flot.com/publications/books/shelf/submarines/ (accessed on 20.11.2020).
2. I. Bekman. Nuclear industry. Course of lectures. Moscow, 2015. Lecture 16. Nuclear engines for transport applications // Personal web site of Igor Bekman, http://profbeck-man.narod.ru/NIL16.pdf (accessed on 20.11.2020).
3. Newtan S.U. Nuclear War I and other major nuclear disasters of the 20th century. Bloomington: AuthorHouse, 2007. VIII. 306 p.
4. Friedman N. U.S. Submarines through 1945: An Illustrated Design History. Annapolis: Naval Institute Press, 1995. XII. 379 p.
5. General provisions for ensuring nuclear and radiation safety of marine nuclear power plants (0PB-K-98/05). Approved by Russian Ministry of Defence [et al.] directive No. 253/6/1421 dt. April 07. 2006. Moscow: Kurchatov Institute, 2005 (in Russian).
6. Nuclear safety rules for marine nuclear power plants (PBYa-V.08-88/05). Approved by Russian Ministry of Defence [et al.] directive No. 253/6/1422 dt. April 07, 2006. Moscow: Kurchatov Institute, 2005 (in Russian).
Сведения об авторе
Кирикова Валерия Геннадьевна, начальник сектора АО СПМБМ «Малахит». Адрес: 196135, Россия, Санкт-Петербург, ул. Фрунзе, д. 18. Тел.: +7 (921) 925-69-99. E-mail: Kvg2706@mai1.ru.
About the author
Valeria G. Kirikova, Head of Sector, Malachite Design Bureau. Address: 18, Frunze st., St. Petersburg, Russia, post code 196135. Tel.: +7 (921) 925-69-99. E-mail: Kvg2706@mail.ru.
Поступила / Received: 19.08.21 Принята в печать / Accepted: 25.10.21 © Кирикова В.Г., 2021
