СУДОСТРОЕНИЕ 3'WV
военное КОРАБЛЕСТРОЕНИЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ДВИЖИТЕЛЯХ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК
В. Я. Вексляр (СПМБМ «Малахит») удк 629.12.037:669.017-419.8
Как известно, основное преимущество подводныхлодок(ПЛ)перед другими боевыми кораблями — их скрытность при значительном боевом потенциале. Наряду с возможностью длительного пребывания на большой глубине, особенно для атомных ПЛ (АПЛ), большой скоростью хода и пространственной маневренностью, скрытность ПЛ обеспечивается низким уровнем шумоизлуче-ния. Как сказал адмирал Бурда (ВМС США), выступая перед Комитетом по национальной безопасности Палаты представителей США 22 февраля 1995 г., «бесшумность — это все в лодочной войне». Это высказывание еще раз подчеркивает актуальность проблемы максимально возможного снижения шума ПЛ [1].
Шум, вызываемый работой движителя ПЛ, является определяющим почти во всей спектральной полосе частот шумности корабля в целом. Шумоизлучение гребного винта (ГВ) включает в себя шум обтекания лопастей (шум вращения и «пение» винтов), вибрацию лопастей и схло-пывание кавитационных пузырьков при вращении винта. Уровень этого шума зависит от нагрузки ГВ и геометрических характеристик лопасти. Для современных малошумных ГВ сложной геометрии, имеющих большую степень откидки лопасти (high-skew) для снижения уровня шу-моизлучения движителя при работе в неоднородном поле скоростей за корпусом ПЛ и небольшое дисковое отношение, задача дальнейшего снижения шума от работы ГВ является очень трудной.
При большой степени гидродинамической отработки формы современных движителей ПЛ, и ГВ в частности, с использованием всех известных методов, которые, практически, исчерпали себя, основным приоритетным направлением по еще большему снижению шумоизлуче-ния ГВ является поиск новых материалов и разработка специальных конструкций для изготовления лопастей и элементов движителя.
Известно, что снижению шумо-излучения ГВ способствует снижение весовых характеристик материала и повышение его вибродемпфи-рующих свойств. Эта задача может
быть решена при использовании для изготовления ГВ или его элементов композитных материалов (КМ), для которых характерны следующие особенности: состав и форма компонентов определены заранее; компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства материала; материал является однородным в макромасштабе и неоднородным в микромасштабе (компоненты различаются по своим свойствам, между ними существует граница раздела).
В большинстве случаев компоненты КМ различны по геометрическому признаку. Один из компонентов обладает непрерывностью по всему объему и является матрицей, а другой — прерывистый, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим, или армирующим. Последние могут быть волокнистыми (упрочненными волокнами или нитевидными кристаллами), дисперсно упрочненными (в виде дисперсных частиц) и слоистыми (полученными прокаткой или прессованием разнородных материалов). По прочности, жесткости и другим свойствам КМ превосходят обычные конструкционные материалы. В то же время их применение может дать выигрыш в массе.
Современные ГВ, применяемые на ПЛ, имеют сложную геометрическую форму (в первую очередь лопа-
Рис. 1. Гибкий композитный гребной винт,
разработанный фирмой Vicars Marine:
1 — жесткий корень лопасти из бронзы (основание лопасти); 2 — усиленная стекловолоконная композитная оболочка; 3 — высокоплотный эластичный пенистый наполнитель; 4 — гибкая композитная лопасть
стей) для обеспечения требуемых гидродинамических параметров работы движителя в неоднородном потоке агрессивной среды (морской воды) и передачи больших стационарных и переменных нагрузок на гребной вал. С другой стороны, при наличии больших нагрузок они должны иметь низкий уровень шумоиз-лучения при работе. В этом заключается сложность решения проблемы применения КМ для ГВ подводных лодок. Кроме того, следует учитывать размеры движителей современных АПЛ (диаметр ГВ может достигать 5 м и более), передаваемые ими мощности на гребной вал и степень достижения необходимой надежности работы движителя.
В то же время применение КМ для изготовления элементов конструкции ГВ, в первую очередь лопастей малошумных винтов ПЛ, представляется весьма заманчивым, поскольку КМ обладают рядом важных физических свойств: высокой виб-родемпфирующей способностью, в 10—20 раз превосходящей вибро-поглощающую способность бронзы или титана; низкой плотностью материала (углепластики — 1500 кг/м3, стеклопластики — 1900 кг/м3, титан ТЛ5 — 4500 кг/м3, бронза А9Ж4Н4 — 8900 кг/м3), позволяющей существенно (на 30—40%) повысить частоту собственных колебаний валопровода и снизить инерционные неуравновешенности нагрузки в системе гребной винт—вал—корпус, а следовательно, и уровень переизлучения корпуса ПЛ, вызванного работой ГВ. Последнее качество особенно важно для низкооборотных крупногабаритных ГВ перспективных АПЛ.
Экспертные прогнозы показывают, что ПЛ, оборудованная гребным винтом из КМ, будет обладать более низким уровнем подводной шумности на скоростях, где этот уровень определяется работой ГВ (в звуковом диапазоне частот 0,5—5 кГц на 4—5 дБ, а в низкочастотном диапазоне — примерно до 3 дБ). Применение КМ для изготовления лопастей позволит снизить электрическое и магнитное поля, а также исключить коррозионные повреждения лопастей в процессе эксплуатации. Однако создание такого ГВ требует решения ряда сложных научно-технических проблем. Так, по отдельным механическим свойствам КМ не уступает бронзе и титану или превосходит их (например, разрушающее напряжение при растяжении волокон у КМ составляет 750— 950 МПа, у титана ТЛ5 — 635 МПа, у бронзы А9Ж4Н4 — 620 МПа), но
военное К0РАБЛ1СТР01НИ1
СУДОСТРОЕНИЕ 3'1WV
Рис. 2. Литосварная композитная лопасть
гребного винта составной конструкции:
1 — литая часть корня лопасти с частью элемента составной ступицы; 2 — верхний и нижний несущие элементы (металлические оболочки листового проката), определяющие профиль лопасти; 3 — внутренние ребра жесткости, установленные по выбранным сечениям; 4 — ячеистая сердцевина из композитного материала со стороны входящей кромки лопасти; 5 — металлическая оболочка ребра жесткости входящей кромки с приваренными литыми частями конструкции лопасти (корня и законцовки); 6 — внутренняя упрочняющая перемычка, проходящая по линии наибольших толщин сечений лопасти; 7 — литая часть законцовки лопасти; 8 — ячеистая сердцевина из композитного материала со стороны выходящей кромки лопасти; 9 — металлическое клиновое ребро жесткости выходящей кромки с приваренными литыми частями конструкции лопасти (корня и законцовки)
показатели прочности по отношению к сдвиговым нагрузкам и ударной вязкости у них более низкие (углепластик 60—80 кДж/м2, стекловолокно 380—430 кДж/м2, титан 490 кДж/м2, бронза более 400 кДж/м2).
Из-за этих особенностей КМ геометрическая форма лопастей, изготовленных из композитного материала, может отличаться от формы лопастей из титанового сплава или бронзы в сторону отступления от оптимальной гидродинамической формы профиля, что может повлечь за собой снижение акустических показателей работы гребного винта. Немалое значение имеет также проблема предотвращения эрозионных повреждений винтов на хвостовой части лопастей и вследствие кавитации на ихзаконцовках.
В то же время, вследствие особенностей, присущих изделиям из КМ, при создании гребных винтов необходимо рассмотрение вопросов ударостойкости при локальных ударных внешних воздействиях, противодействия изгибно-крутильным нагрузкам, проявления степени упру-
гости лопастей и т. д. Следует также обратить внимание на степень вредности технологии производства и т. п.
В комплексе исследований, в ходе которых может быть принято решение по составу КМ, оптимизации геометрии гребного винта из КМ (особенно по оформлению лопастей) в сочетании со структурой армирования конструкции и принципиальной технологии изготовления лопастей и винта в целом, следует учесть все указанные обстоятельства, а также особенности эксплуатации движителей ПЛ, их пропульсивные качества, характеристики шумоизлучения, а также принадлежность гребного винта ПЛ к особому классу винтов по ГОСТ 8054-81.
Работы по созданию гребных винтов из КМ достаточно интенсивно ведутся за рубежом. Например, шведская компания Berg Propulsion, входящая в группу Swed Fish, специализирующаяся на производстве высокотехнологичных гребных систем, в конце 80-х годов разработала и внедрила в производство гибкий гребной винт по изобретению бывшей компании Stro mberg. Первый заказ на гибкие ГВ был получен от ВМФ Швеции [2].
Эффективность использования гибких винтов, по предварительным подсчетам, на 6—8% выше по сравнению с твердыми винтами. На практике это означает, что для судна дедвейтом 30 тыс. т замена бронзовых винтов на пластмассовые даст экономию топлива на сумму 200 тыс. дол. в год и обеспечит снижение уровня шума и вибрации на 5—8%.
Слабостью конструкции шведского гибкого ГВ оказался узел крепления бронзового основания (ступицы) и лопасти, материал которого после ряда расчетов и экспериментов был заменен на пластмассу. Преимущество гибкого ГВ состоит и в том, что при посадке судна на мель (риф) гребной вал не будет погнут, а ГВ можно заменить в течение 48 ч.
Другой пример относится к разработке гребного винта из КМ, созданного группой перспективных программ фирмы Vikers Marine (Великобритания). В сравнении с обычным металлическим гребным винтом такой ГВ имеет преимущества в значительном снижении шумности, уменьшении кавитации, снижении массы и увеличении эффективности (КПД). Исследования были выполнены для ВМС Великобритании применительно к 5-лопастному гребному винту с саблевидными лопастями диаметром около 2,4 м (рис. 1).
Группа перспективных программ компании Vikers также разработа-
ла совместно с французской фирмой ТесЫат слоистые эластичные компоненты, которые в соединении с металлическими элементами могут использоваться для гибких вставок, соединений, муфт и уплотнений, в том числе гребного вала. Преимущества этих элементов — снижение массы, демпфирование
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.