سیستم رانش بی هوازی نیروگاه رانش بی هوازی

موتور استرلینگ، که اصل عملکرد آن از نظر کیفی با موتور احتراق داخلی معمولی متفاوت است، زمانی یک رقیب شایسته برای دومی بود. با این حال، برای مدتی او را فراموش کردند. نحوه استفاده از این موتور امروزه، اصل عملکرد آن چیست (در مقاله همچنین می توانید نقشه های موتور استرلینگ را بیابید که به وضوح عملکرد آن را نشان می دهد)، و چشم انداز استفاده در آینده چیست، در زیر بخوانید.

داستان

در سال 1816 در اسکاتلند، رابرت استرلینگ حق امتیازی را به ثبت رساند که امروزه به نام مخترع آن نامگذاری شده است. اولین موتورهای هوای گرم حتی قبل از او اختراع شد. اما استرلینگ یک تصفیه کننده به دستگاه اضافه کرد که در ادبیات فنی به آن احیا کننده یا مبدل حرارتی می گویند. به لطف آن، عملکرد موتور در عین گرم نگه داشتن واحد افزایش یافت.

این موتور به عنوان بادوام ترین موتور بخار موجود در آن زمان شناخته شد، زیرا هرگز منفجر نشد. قبل از این، این مشکل اغلب در موتورهای دیگر رخ می داد. علیرغم موفقیت سریع، توسعه آن در آغاز قرن بیستم رها شد، زیرا در مقایسه با سایر موتورهای احتراق داخلی و موتورهای الکتریکی که در آن زمان ظاهر شدند، مقرون به صرفه تر شد. با این حال، استرلینگ همچنان در برخی از صنایع مورد استفاده قرار می گرفت.

موتور احتراق خارجی

اصل کار همه موتورهای حرارتی این است که برای تولید گاز در حالت منبسط شده، نیروهای مکانیکی بیشتری نسبت به فشرده سازی یک موتور سرد مورد نیاز است. برای نشان دادن واضح این موضوع، می توانید آزمایشی را با دو تابه پر از آب سرد و گرم و همچنین یک بطری انجام دهید. دومی در آب سرد فرو می رود، با یک درپوش وصل می شود، سپس به آب گرم منتقل می شود. در این حالت، گاز موجود در بطری شروع به انجام کارهای مکانیکی و بیرون راندن چوب پنبه می کند. اولین موتور احتراق خارجی کاملاً بر اساس این فرآیند بود. با این حال، بعدها مخترع متوجه شد که بخشی از گرما را می توان برای گرمایش استفاده کرد. بنابراین بهره وری به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. اما حتی این نیز کمکی به فراگیر شدن موتور نکرد.

بعدها، اریکسون، مهندس سوئدی، طراحی را با پیشنهاد خنک کردن و گرم کردن گاز با فشار ثابت به جای حجم، بهبود بخشید. در نتیجه، بسیاری از نسخه ها برای کار در معادن، کشتی ها و چاپخانه ها شروع به استفاده کردند. اما معلوم شد که آنها برای خدمه بسیار سنگین هستند.

موتورهای احتراق خارجی فیلیپس

موتورهای مشابه از انواع زیر هستند:

• بخار؛
• توربین بخار؛
• استرلینگ.

نوع دوم به دلیل قابلیت اطمینان پایین و سایر شاخص‌های نه بالاترین عملکرد در مقایسه با انواع دیگر واحدهایی که ظاهر می‌شوند، توسعه نیافته است. با این حال، فیلیپس در سال 1938 فعالیت خود را از سر گرفت. موتورها شروع به استفاده از ژنراتورها در مناطق غیر برقی کردند. در سال 1945، مهندسان شرکت کاربرد معکوس را برای آنها پیدا کردند: اگر شفت توسط یک موتور الکتریکی بچرخد، خنک کننده سرسیلندر به منفی صد و نود درجه سانتیگراد می رسد. سپس تصمیم گرفته شد از موتور بهبود یافته استرلینگ در واحدهای تبرید استفاده شود.

اصل عملیات

موتور در چرخه های ترمودینامیکی کار می کند که در آن فشرده سازی و انبساط در دماهای مختلف اتفاق می افتد. در این حالت، تنظیم جریان سیال کار به دلیل تغییر حجم (یا فشار - بسته به مدل) تحقق می یابد. این اصل کار اکثر این ماشین ها است که ممکن است عملکردها و طراحی های متفاوتی داشته باشند. موتورها می توانند پیستونی یا چرخشی باشند. ماشین آلات با تاسیسات خود به عنوان پمپ حرارتی، یخچال، ژنراتور فشار و غیره کار می کنند.

علاوه بر این، موتورهای چرخه باز وجود دارند که کنترل جریان از طریق شیرها انجام می شود. آنها علاوه بر نام رایج استرلینگ، موتورهای اریکسون نامیده می شوند. در یک موتور احتراق داخلی، کار مفید پس از فشرده سازی اولیه هوا، تزریق سوخت، گرم کردن مخلوط حاصل مخلوط با احتراق و انبساط انجام می شود.

موتور استرلینگ بر اساس یک اصل عمل می کند: فشرده سازی در دماهای پایین و انبساط در دماهای بالا رخ می دهد. اما گرمایش متفاوت انجام می شود: گرما از طریق دیواره سیلندر از خارج تامین می شود. به همین دلیل نام موتور احتراق خارجی را به خود اختصاص داد. استرلینگ از تغییرات دوره ای دما با پیستون جابجایی استفاده کرد. دومی گاز را از یک حفره سیلندر به حفره دیگر منتقل می کند. از یک طرف، درجه حرارت به طور مداوم پایین است، و از سوی دیگر، بالا. هنگامی که پیستون به سمت بالا حرکت می کند، گاز از حفره گرم به حفره سرد حرکت می کند و به سمت پایین به حفره گرم باز می گردد. ابتدا گاز گرمای زیادی به یخچال می دهد و سپس از بخاری همان مقداری را که می دهد دریافت می کند. یک احیا کننده بین بخاری و یخچال قرار می گیرد - یک حفره پر از موادی که گاز به آن گرما می دهد. هنگامی که جریان معکوس می شود، بازسازی کننده آن را برمی گرداند.

سیستم جابجایی به یک پیستون در حال کار متصل است، که گاز را در هنگام سرد فشرده می کند و به آن اجازه می دهد در هنگام گرم شدن منبسط شود. به دلیل فشرده سازی در دمای پایین تر، کار مفیدی رخ می دهد. کل سیستم چهار چرخه را با حرکات متناوب طی می کند. مکانیسم میل لنگ تداوم را تضمین می کند. بنابراین هیچ مرز مشخصی بین مراحل چرخه وجود ندارد و استرلینگ کاهش نمی یابد.

با در نظر گرفتن همه موارد فوق، نتیجه گیری خود نشان می دهد که این موتور یک ماشین پیستونی با منبع حرارت خارجی است که در آن سیال کار از فضای بسته خارج نمی شود و جایگزین نمی شود. نقشه های موتور استرلینگ به خوبی دستگاه و اصل عملکرد آن را نشان می دهد.

جزئیات کار

خورشید، الکتریسیته، انرژی هسته ای یا هر منبع گرمایی دیگر می تواند انرژی موتور استرلینگ را تامین کند. اصل عملکرد بدن او استفاده از هلیوم، هیدروژن یا هوا است. یک سیکل ایده آل دارای حداکثر بازده حرارتی سی تا چهل درصد است. اما با یک احیا کننده موثر، قادر خواهد بود با راندمان بالاتری کار کند. بازسازی، گرمایش و سرمایش توسط مبدل های حرارتی داخلی که بدون روغن کار می کنند انجام می شود. لازم به ذکر است که موتور به روغن کاری بسیار کمی نیاز دارد. فشار متوسط ​​در سیلندر معمولا از 10 تا 20 مگاپاسکال است. بنابراین، یک سیستم آب بندی عالی و توانایی ورود روغن به حفره های کاری مورد نیاز است.

ویژگی های مقایسه ای

اکثر موتورهایی از این نوع که امروزه کار می کنند از سوخت مایع استفاده می کنند. در عین حال، کنترل فشار مداوم آسان است که به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای کمک می کند. عدم وجود دریچه عملکرد بی صدا را تضمین می کند. قدرت و وزن با موتورهای توربوشارژ قابل مقایسه است و قدرت ویژه به دست آمده در خروجی برابر با یک واحد دیزل است. سرعت و گشتاور مستقل از یکدیگر هستند.

هزینه های تولید یک موتور بسیار بالاتر از یک موتور احتراق داخلی است. اما در حین عملیات برعکس است.

مزایای

هر مدل موتور استرلینگ مزایای زیادی دارد:

• کارایی با طراحی مدرن می تواند تا هفتاد درصد برسد.
• موتور فاقد سیستم جرقه زنی با ولتاژ بالا، میل بادامک یا سوپاپ است. در تمام طول عمر خود نیازی به تنظیم ندارد.
• استرلینگ ها مانند یک موتور احتراق داخلی که به شدت میل لنگ، یاتاقان ها و میله های اتصال را بارگذاری می کند، انفجار مشابهی ندارند.
• وقتی می گویند "موتور از کار افتاده است" تأثیر مشابهی ندارند.
• به دلیل سادگی دستگاه می توان برای مدت طولانی از آن استفاده کرد.
• این می تواند با چوب، هسته ای یا هر نوع سوخت دیگری کار کند.
• احتراق در خارج از موتور اتفاق می افتد.

ایرادات

کاربرد

در حال حاضر موتور استرلینگ با ژنراتور در بسیاری از زمینه ها استفاده می شود. این منبع جهانی انرژی الکتریکی در یخچال ها، پمپ ها، زیردریایی ها و نیروگاه های خورشیدی است. به لطف استفاده از انواع مختلف سوخت است که امکان استفاده گسترده از آن وجود دارد.

رنسانس

این موتورها به لطف فیلیپس دوباره شروع به توسعه کردند. در اواسط قرن بیستم، جنرال موتورز با آن قرارداد منعقد کرد. او پیشرفت هایی را برای استفاده از استرلینگ ها در فضا و دستگاه های زیر آب، در کشتی ها و اتومبیل ها رهبری کرد. به دنبال آنها، شرکت دیگری از سوئد، یونایتد استرلینگ، شروع به توسعه آنها کرد، از جمله استفاده احتمالی در

امروزه موتور خطی استرلینگ در تاسیسات وسایل نقلیه زیر آب، فضایی و خورشیدی استفاده می شود. به دلیل ارتباط با مسائل تخریب محیط زیست و همچنین مبارزه با سر و صدا، علاقه زیادی به آن وجود دارد. در کانادا و ایالات متحده آمریکا، آلمان و فرانسه، و همچنین ژاپن، جستجوهای فعالی برای توسعه و بهبود استفاده از آن در حال انجام است.

آینده

مزایای آشکاری که موتورهای پیستونی و استرلینگ دارند شامل عمر طولانی، استفاده از سوخت های مختلف، بی صدا بودن و سمیت کم آن را در مقایسه با موتور احتراق داخلی بسیار امیدوارکننده کرده است. با این حال، با توجه به اینکه موتور احتراق داخلی در طول زمان بهبود یافته است، نمی توان آن را به راحتی جابجا کرد. به هر حال، دقیقاً این موتور است که امروز موقعیت پیشرو را اشغال می کند و من قصد ندارم در آینده نزدیک آن را رها کنم.

"، شرکت فدرال واحد ایالتی (FSUE) "مرکز علمی کریلوف" گزارش داد که ایجاد اولین زیردریایی با نیروگاه بی هوازی، یعنی مستقل از هوا (VNEU) منجر به پیشرفت تکنولوژیکی قابل توجهی در کشتی سازی خواهد شد.

پایه علمی و فنی برای تاسیسات مستقل از هوا ایجاد شده است. یک واحد اصلاح کننده بخار با یک ژنراتور الکتروشیمیایی مبتنی بر عناصر جامد توسعه یافته است. طرح صنعتی آن ایجاد شده است. از جمله فناوری های اساسی، تولید هیدروژن از سوخت دیزل، ایجاد یک ژنراتور الکتروشیمیایی است که جریان الکتریکی را از هیدروژن استخراج می کند و حذف زباله از چرخه اول. یعنی CO2 حاصل در طی واکنش. این مشکل هنوز در حال نهایی شدن است اما با تامین اعتبار مناسب حل خواهد شد.

- مدیر اجرایی شرکت مذکور، میخائیل زاگورودنیکوف گفت.

اول از همه، VNEU نیاز به سطح کشتی برای شارژ مجدد باتری ها و تامین هوای مورد نیاز برای کارکردن دیزل ژنراتورها در زیر آب را از بین می برد.

همانطور که اشاره شد، در حال حاضر، آلمانی ها با ایجاد VNEU بیشترین پیشرفت را در توسعه VNEU داشته اند. در سال 2014، DCNS فرانسه با تجهیز یک زیردریایی کلاس Scorpene به تاسیسات مورد نظر، موفقیت های خود را در این راستا گزارش کرد. طرح زیردریایی بزرگتر این شرکت، که توسط نیروی دریایی استرالیا به دنبال آن است، SMX Ocean (معروف به Shortfin Barracuda) است. در هند، VNEU برای قایق های نوع Kalvari (بر اساس Scorpene) در حال توسعه است.

برخلاف تجربه خارجی فوق الذکر، VNEU روسیه متضمن روش کاملاً متفاوتی از عملکرد است: هیدروژن در کشتی حمل نمی شود، بلکه مستقیماً در نصب با اصلاح سوخت دیزل به دست می آید.

ولادیمیر شچرباکوف، متخصص در زمینه تسلیحات دریایی، معتقد است که زیردریایی‌های دارای VNEU امکان عملیات موفقیت‌آمیز در آب‌های تحت کنترل شدید دشمن را فراهم می‌کنند.

توانایی شناور نکردن در جایی که نیروهای ضد زیردریایی دشمن فعالانه عمل می کنند، مهم است. کافی است به یاد بیاوریم که قایق های ما در طول جنگ بزرگ میهنی چقدر طعمه آسانی برای آلمانی ها در دریای بالتیک بودند. وضعیت مشابهی برای زیردریایی های آلمانی در اقیانوس اطلس شمالی در اواخر جنگ به وجود آمد.

به نظر وی، قایق های این نوع به ویژه در کشورهایی که ناوگان زیردریایی هسته ای ندارند، پتانسیل صادرات بالایی دارند. او معتقد است برای روسیه در این مرحله کافی است خود را به چند قایق پروژه لادا محدود کند تا فناوری ها را آزمایش کند و متخصصان را آموزش دهد.

سریال Varshavyankas که به خوبی توسعه یافته است اکنون کاملاً قادر به محافظت از پایگاه ها و سواحل در برابر قایق های هسته ای دشمن هستند.

در حال حاضر، کشتی‌سازی‌های دریاسالاری در سن پترزبورگ در حال ساخت هستند: کرونشتات و ولیکیه لوکی. زیردریایی سرب این پروژه، سنت پترزبورگ، در حال انجام عملیات آزمایشی در ناوگان شمال است. هنوز نیروگاه بی هوازی ندارد.

رندر زیردریایی پروژه Amur-950 با نیروگاه بی هوازی

CDB MT "Rubin"

نیروگاه بی هوازی امیدوار کننده روسیه که قرار است روی زیردریایی آزمایشی پروژه 677 لادا و زیردریایی غیرهسته ای جدید پروژه کالینا نصب شود، باتری با ظرفیت دو برابر دریافت خواهد کرد. همانطور که Mil.Press FlotProm می نویسد، توان الکتریکی باتری بهبود یافته به جای 50 برای مدل فعلی، صد کیلووات خواهد بود. توسعه و آزمایش باتری جدید برای نیروگاه های بی هوازی زیردریایی ها قرار است تا سال 2020 تکمیل شود.

زیردریایی های دیزلی-الکتریکی مدرن چندین مزیت نسبت به زیردریایی های هسته ای بزرگتر دارند. یکی از مزیت های اصلی، سکوت تقریباً کامل حرکت در موقعیت غوطه ور است، زیرا در این حالت فقط موتورهای الکتریکی بی صدا که با باتری کار می کنند وظیفه حرکت کشتی را بر عهده دارند. این باتری ها از دیزل ژنراتورهای روی سطح یا در عمقی که امکان نصب اسنورکل وجود دارد، یک لوله مخصوص که از طریق آن می توان هوا را به ژنراتورها رساند، شارژ می شود.

معایب زیردریایی های دیزلی-الکتریکی معمولی شامل زمان نسبتاً کوتاهی است که کشتی می تواند در زیر آب بگذراند. در بهترین حالت، می تواند به سه هفته برسد (برای مقایسه، برای زیردریایی های هسته ای این رقم 60-90 روز است)، پس از آن زیردریایی باید به سطح بیاید و دیزل ژنراتورها را راه اندازی کند. یک نیروگاه بی هوازی که برای کارکردن به هوای بیرونی نیاز ندارد، به یک زیردریایی غیرهسته ای اجازه می دهد تا مدت بیشتری در زیر آب بماند. به عنوان مثال، یک زیردریایی پروژه لادا با چنین نصبی می تواند 45 روز زیر آب بماند.

یک نیروگاه بی هوازی امیدوارکننده روسی از هیدروژن بسیار خالص برای عملیات استفاده خواهد کرد. این گاز در کشتی از سوخت دیزل با اصلاح یعنی تبدیل سوخت به گاز هیدروژن دار و هیدروکربن های معطر تولید می شود که سپس از واحد جداسازی هیدروژن عبور می کند. سپس هیدروژن به پیل‌های سوختی هیدروژن-اکسیژن وارد می‌شود، جایی که الکتریسیته برای موتورها و سیستم‌های سواری تولید می‌شود.

باتری BTE-50K-E روی یک میز تست

مرکز علمی دولتی کریلوف

این باتری که در غیر این صورت ژنراتور الکتروشیمیایی نامیده می شود، توسط موسسه تحقیقات مرکزی مهندسی برق و فناوری کشتی در حال توسعه است. این باتری که از واکنش هیدروژن و اکسیژن الکتریسیته تولید می کند BTE-50K-E نام دارد. توان آن 50 کیلووات است. قدرت باتری بهبود یافته صد کیلووات خواهد بود. باتری جدید بخشی از ماژول های قدرت زیردریایی های غیرهسته ای امیدوار کننده با ظرفیت 250-450 کیلووات خواهد بود.

علاوه بر خود عناصر الکتروشیمیایی که در غیر این صورت سلول های سوختی هیدروژنی نامیده می شوند، چنین ماژول هایی شامل مبدل های سوخت هیدروکربنی نیز خواهند بود. در آنها است که فرآیند اصلاح سوخت دیزل انجام می شود. همانطور که یکی از توسعه دهندگان باتری جدید به Mil.Press FlotProm گفت، مبدل سوخت هیدروکربنی در حال حاضر در دست توسعه است. پیش از این گزارش شده بود که توسعه یک نیروگاه بی هوازی برای زیردریایی ها قرار است تا پایان سال 2018 به پایان برسد.

در فوریه گذشته، محققان موسسه فناوری جورجیا از توسعه یک واحد رفت و برگشتی فشرده چهار زمانه برای اصلاح کاتالیزوری تولید متان و هیدروژن خبر دادند. تاسیسات جدید را می توان در یک زنجیره ترکیب کرد و در نتیجه بازده هیدروژن را افزایش داد. نصب کاملا فشرده است و نیازی به گرمایش قوی ندارد. راکتور در یک سیکل چهار زمانه کار می کند. در اولین ضربه، متان مخلوط شده با بخار از طریق سوپاپ ها وارد سیلندر می شود. در همان زمان، پیستون در سیلندر به آرامی پایین می آید. پس از رسیدن پیستون به نقطه پایین، جریان مخلوط قطع می شود.

در ضربه دوم، پیستون بالا می رود و مخلوط را فشرده می کند. در همان زمان، سیلندر تا 400 درجه سانتیگراد گرم می شود. تحت شرایط فشار و حرارت بالا، فرآیند اصلاح اتفاق می افتد. هنگامی که هیدروژن آزاد می شود، از غشایی عبور می کند که دی اکسید کربن تولید شده در طی اصلاح را متوقف می کند. دی اکسید کربن توسط مواد جاذب مخلوط با کاتالیزور جذب می شود.

در ضربه سوم، پیستون به پایین ترین موقعیت خود می رسد و فشار در سیلندر را به شدت کاهش می دهد. در این حالت دی اکسید کربن از ماده جاذب آزاد می شود. سپس ضربه چهارم شروع می شود که طی آن سوپاپ سیلندر باز می شود و پیستون دوباره شروع به بالا رفتن می کند. در سکته چهارم، دی اکسید کربن از سیلندر به اتمسفر فشرده می شود. پس از ضربان چهارم چرخه دوباره شروع می شود.

واسیلی سیچف

"بررسی نظامی خارجی" شماره 6. 2004. (صص 59-63)

کاپیتان درجه 1 N. SERGEEV،

کاپیتان رتبه 1 I. YAKOVLEV،

کاپیتان رتبه 3 S. IVANOV

زیردریایی‌های دارای نیروگاه دیزلی-الکتریکی سنتی (EP) وسیله‌ای نسبتاً مؤثر برای حل وظایف خاص هستند و دارای تعدادی مزیت نسبت به زیردریایی‌ها هستند، به‌ویژه هنگامی که در مناطق ساحلی و کم عمق دریا کار می‌کنند. این مزایا شامل سطح سر و صدای کم، قدرت مانور بالا در سرعت های پایین و قدرت ضربه ای قابل مقایسه با زیردریایی ها است. علاوه بر این، گنجاندن زیردریایی های غیرهسته ای در نیروی دریایی تا حد زیادی به دلیل هزینه کم ایجاد و بهره برداری از آنها است. در عین حال، آنها دارای تعدادی معایب هستند، به ویژه، مدت زمان محدودی که در یک موقعیت غوطه ور سپری می شود به دلیل مقدار کمی انرژی ذخیره شده در باتری. برای شارژ باتری، زیردریایی مجبور می شود به سطح یا از حالت عملیات دیزل زیر آب (RDS) استفاده کند که احتمال شناسایی آن توسط رادار، مادون قرمز، نوری-الکترونیکی و آکوستیک را افزایش می دهد. نسبت زمان دریانوردی تحت RDP مورد نیاز برای شارژ باتری ها به دوره تخلیه باتری "درجه سهل انگاری" نامیده می شود.

چندین جهت برای افزایش برد کروز در زیر آب وجود دارد که مهمترین آنها پیشرفت های علمی، فنی و فناوری به منظور بهبود قدرت سنتی زیردریایی های غیر هسته ای و اجزای آن است. با این حال، در شرایط مدرن، اجرای این جهت نمی تواند به طور کامل راه حلی برای مشکل اصلی ارائه دهد. راه برون رفت از این وضعیت، به گفته کارشناسان خارجی، استفاده از نیروگاه مستقل از هوا (VNEU) روی زیردریایی است که می تواند به عنوان یک نیروگاه کمکی عمل کند.

نتایج موفقیت‌آمیز به‌دست‌آمده در جریان کار روی این موضوع، امکان تجهیز VNEUهای کمکی تازه‌ساخته و بهسازی زیردریایی‌های دیزلی-الکتریکی در حال کار را فراهم کرد. دومی دارای یک محفظه اضافی برش داده شده به یک بدنه بادوام است که شامل خود نیروگاه، مخازن برای ذخیره سوخت و اکسید کننده، مخازن برای جایگزینی توده معرف های مصرفی، مکانیسم ها و تجهیزات کمکی، و همچنین دستگاه های نظارت و کنترل است. در آینده برنامه ریزی شده است که VNEU به عنوان زیردریایی اصلی مورد استفاده قرار گیرد.

در حال حاضر، چهار نوع اصلی نیروگاه مستقل از هوا وجود دارد: موتور دیزل سیکل بسته (CLD)، موتور استرلینگ (DS)، سلول سوختی یا ژنراتور الکتروشیمیایی (ECG) و نیروگاه توربین بخار سیکل بسته.

الزامات اصلی VNEU شامل موارد زیر است: سطح سر و صدای کم، تولید حرارت کم، ویژگی های وزن و اندازه قابل قبول، سادگی و ایمنی عملیات، عمر طولانی و هزینه کم، توانایی استفاده از زیرساخت های ساحلی موجود. این الزامات تا حد زیادی توسط نیروگاه های کمکی با موتور استرلینگ، ECG و یک واحد توربین بخار سیکل بسته برآورده می شود. بنابراین، نیروی دریایی تعدادی از کشورها به طور فعال در حال کار بر روی کاربرد عملی خود در زیردریایی های غیر هسته ای هستند.

نیروگاه با موتور استرلینگ. شرکت سوئدی Kokums Marine AB توسعه خود را در سال 1982 به سفارش دولت آغاز کرد. کارشناسان در ابتدا VNEU را با موتور استرلینگ به عنوان یک موتور کمکی در نظر گرفتند که در ارتباط با یک نیروگاه سنتی دیزل-الکتریک (DEPU) کار می کرد. مطالعات آنها نشان داد که یک تاسیسات جدید که به عنوان تاسیسات اصلی ایجاد شده است (بدون استفاده از DEPP سنتی)، برای تولید بسیار گران است و نیازهای فنی برای یک نیروگاه زیردریایی دشوار خواهد بود.

نیروی دریایی سلطنتی سوئد VNEU را با موتور استرلینگ به چند دلیل انتخاب کرد: چگالی توان بالا، سطح سر و صدای کم، فناوری های پیشرفته تولید موتور دیزل، قابلیت اطمینان و سهولت کار.

قدرت ویژه بالای موتور دیزل با سوزاندن سوخت دیزل در ترکیب با اکسیژن در محفظه احتراق به دست می آید. در زیردریایی، اکسیژن لازم در حالت مایع ذخیره می شود که توسط فناوری های مدرن برودتی فراهم می شود.

موتور استرلینگ یک موتور احتراق خارجی است. اصل عملکرد آن شامل استفاده از گرمای تولید شده توسط یک منبع خارجی و تامین آن به سیال کاری واقع در یک حلقه بسته است. DC گرمای تولید شده توسط یک منبع خارجی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند که سپس توسط ژنراتور به جریان مستقیم تبدیل می شود. احیاگر که بخشی از مدار عملکرد بسته موتور است، انرژی حرارتی تولید شده پس از انبساط آن را از سیال کار می گیرد و با تغییر جهت گاز آن را به چرخه باز می گرداند.

DS از پیستون های دو اثره استفاده می کند. فضای بالای پیستون حفره انبساط و فضای زیر پیستون حفره فشاری است. حفره تراکم هر سیلندر توسط یک کانال خارجی از طریق یک یخچال، احیا کننده و بخاری به حفره انبساط سیلندر مجاور متصل می شود. ترکیب مورد نیاز فازهای انبساط و فشرده سازی با استفاده از مکانیزم توزیع مبتنی بر میل لنگ به دست می آید. نمودار شماتیک موتور استرلینگ در شکل نشان داده شده است.

انرژی حرارتی مورد نیاز برای عملکرد موتور دیزل در یک محفظه احتراق با فشار بالا با سوزاندن سوخت دیزل و اکسیژن مایع تولید می شود. اکسیژن و سوخت دیزل با نسبت 4:1 وارد محفظه احتراق می شوند و در آنجا می سوزند.

به منظور حفظ دمای مورد نیاز فرآیند کار و اطمینان از مقاومت حرارتی کافی مواد، در طراحی DS از سیستم گردش مجدد گاز مخصوص (GRC) استفاده شده است. این سیستم طراحی شده است

برای رقیق کردن اکسیژن خالص وارد شده به محفظه احتراق با گازهای تشکیل شده در طی احتراق مخلوط سوخت.

هنگامی که یک موتور استرلینگ کار می کند، برخی از گازهای خروجی از اگزوز به خارج از دریا خارج می شود که می تواند منجر به تشکیل دنباله ای از حباب شود. این به این دلیل است که فرآیند احتراق در موتورهای دیزلی با مقدار زیادی اکسیژن استفاده نشده اتفاق می افتد که نمی توان آن را از گازهای خروجی جدا کرد. برای کاهش تعداد حباب هایی که هنگام حل شدن گازهای خروجی در آب دریا ایجاد می شود، از یک جاذب استفاده می شود که در آن گازها و آب مخلوط می شوند. در این حالت گازهای خروجی در یک مبدل حرارتی مخصوص از 800 تا 25 درجه سانتی گراد از قبل خنک می شوند. فشار عملیاتی در محفظه احتراق اجازه می دهد تا گازهای خروجی در اعماق غوطه ور شدن زیردریایی تا عمق کار حذف شوند که برای این اهداف نیازی به استفاده از کمپرسور ویژه با نویز افزایش یافته نیست.

از آنجایی که فرآیند تامین حرارت خارجی به ناچار با تلفات حرارتی اضافی همراه است، راندمان موتور دیزل کمتر از موتور دیزلی است. افزایش خوردگی اجازه استفاده از سوخت دیزل معمولی در موتورهای دیزل را نمی دهد. سوخت کم گوگرد مورد نیاز است.

برای برنامه سوئدی، یک DS نوع V4-275 از United Sterling به تصویب رسید. این موتور چهار سیلندر است (حجم کاری هر سیلندر 275 سانتی متر مکعب است). سیلندرها به شکل V چیده شده اند تا نویز و لرزش را کاهش دهند. فشار عملیاتی در محفظه احتراق موتور 2 مگاپاسکال است که استفاده از آن را در اعماق غوطه وری زیردریایی تا 200 متر تضمین می کند. برای کارکردن موتور در اعماق زیاد، فشرده سازی گاز خروجی لازم است که برای حذف نیاز به مصرف انرژی اضافی دارد. گازهای خروجی اگزوز و منجر به افزایش سطح سر و صدا خواهد شد.

اولین نیروگاه مبتنی بر DS مجهز به زیردریایی کلاس Näkken بود که پس از نوسازی در سال 1988 راه اندازی شد. موتور استرلینگ، مخازن برای ذخیره سوخت دیزل، اکسیژن مایع و تجهیزات کمکی در یک بخش اضافی با شناوری صفر قرار گرفتند که در بدنه بادوام زیردریایی تعبیه شده بود. به همین دلیل طول قایق 10 درصد افزایش یافت که کمی بر تغییر قدرت مانور آن تأثیر گذاشت.

دو نوع DS V4-275R بر روی ژنراتورهای DC با قدرت هر کدام 75 کیلو وات کار می کنند. موتورها در ماژول های عایق صدا بر روی سازه های عایق ارتعاش با جذب ضربه دو مرحله ای قرار می گیرند. همانطور که آزمایش‌ها نشان داده است، DS قادر است مقدار کافی برق لازم برای تامین انرژی سیستم‌های درونی زیردریایی، اطمینان از شارژ مجدد باتری و به حرکت درآوردن قایق با سرعت حداکثر 4 گره دریایی را تولید کند. برای دستیابی به سرعت های بالاتر و قدرت موتور الکتریکی ملخ اصلی، قرار است از موتور به همراه باتری استفاده شود.

به لطف استفاده از نیروگاه ترکیبی، زمان سفر در موقعیت غوطه ور از 3 تا 5 روز به 14 روز و سرعت گشت زنی از 3 به 6 گره افزایش یافت. در نتیجه محرمانه بودن زیردریایی افزایش یافت.

به گفته کارشناسان سوئدی، موتور استرلینگ قابلیت اطمینان و نگهداری بالایی را در شرایط کشتی نشان داده است. انتشار نویز آن از صدای موتور الکتریکی پیشران تجاوز نمی کند و 20-25 دسی بل کمتر از یک موتور دیزلی معادل است.

نیروی دریایی سوئد زیردریایی کلاس Gotland را به این VNEU کمکی مجهز می کند. قرارداد ساخت سه زیردریایی از این نوع در اسفند ماه سال 90 توسط دولت کشور با شرکت کوکومس منعقد شد. اولین زیردریایی این سری - "Gotland" - در سال 1996 مورد استفاده قرار گرفت، دو زیردریایی بعدی: "Apland" و "Halland" - در سال 1997. در طول نوسازی، برنامه ریزی شده است که زیردریایی های کلاس Västergotland به نیروگاه های کمکی از این نوع مجهز شوند.

به گفته منابع خارجی، زیردریایی های سوئدی مجهز به نیروگاه های مجهز به DS پیش از این در عمل نتایج خوبی از خود نشان داده اند. به طور خاص، در طول تمرینات، برتری زیردریایی هالند بر زیردریایی نیروی دریایی اسپانیا با نیروگاه سنتی دیزل-الکتریکی ثابت شد و ویژگی های عملکردی بهبود یافته آن در سفر مشترک با زیردریایی های هسته ای نیروی دریایی ایالات متحده و فرانسه نشان داده شد.

نیروگاه با نوار قلب. ژنراتور الکتروشیمیایی وسیله ای است که در آن انرژی شیمیایی سوخت مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. اساس ECG سلول های سوختی (FC) هستند که در آن فرآیند تولید الکتریسیته در طی برهمکنش سوخت و اکسید کننده به طور مداوم و جداگانه به FC عرضه می شود. در اصل پیل سوختی نوعی پیل گالوانیکی است. برخلاف دومی، سلول های سوختی مصرف نمی شوند، زیرا اجزای فعال به طور مداوم (سوخت و اکسید کننده) عرضه می شوند.

در طول این تحقیق، انواع سوخت ها و اکسید کننده ها مورد آزمایش قرار گرفتند. بهترین نتایج با استفاده از واکنش بین اکسیژن و هیدروژن به دست آمد که در نتیجه برهمکنش آن انرژی الکتریکی و آب تولید می شود.

تولید جریان مستقیم از طریق احتراق سرد هیدروژن و اکسیژن برای مدت طولانی شناخته شده است و با موفقیت برای تولید برق در وسایل نقلیه زیر آب استفاده می شود. این اصل تولید برق تنها در دهه 1980 در زیردریایی ها مورد استفاده قرار گرفت. در PA، اکسیژن و هیدروژن به طور جداگانه در مخازن بادوام تحت فشار بالا ذخیره می شدند. اگرچه ژنراتورهای الکتروشیمیایی کارآمدتر از باتری ها هستند، اما استفاده از آنها در زیردریایی ها به دلیل این واقعیت پیچیده بود که عرضه معرف های سوخت ذخیره شده در حالت گازی مدت زمان مورد نیاز غواصی را امکان پذیر نمی کرد.

بهینه ترین راه برای ذخیره اکسیژن در حالت مایع (به شکل برودتی - در دمای 180 درجه سانتیگراد)، هیدروژن - به شکل یک هیدرید فلز است.

در اواسط دهه 1980، کنسرسیوم آلمانی GSC (کنسرسیوم زیردریایی آلمان)، از جمله IKL (Ingenieurkontor Lubeck)، HDW (Howaldtswerke Deutsche Werft AG) و FS (Ferrostaal)، یک نصب آزمایشی ECG در خشکی با سلول‌های سوختی زیمنس ایجاد و ایجاد کرد. عملکرد مشترک اجزای آن - سلول های سوختی، سیستم های ذخیره هیدروژن و اکسیژن، خطوط لوله، سیستم های کنترل و همچنین تعامل کار با یک نیروگاه سنتی را بررسی کنید.

PL. نمونه اولیه ECG از نظر ساختاری به گونه‌ای طراحی شده بود که پس از اتمام آزمایش‌ها می‌توان آن را بدون تغییر روی یک زیردریایی عملیاتی نصب کرد. نتایج آزمایشات ساحلی نشان داد که نیروگاه با ECG می تواند به طور موثر بر روی زیردریایی ها استفاده شود.

در سال 1989، به نفع نیروی دریایی آلمان، یک سری آزمایشات دریایی نه ماهه زیردریایی U-1 پروژه 205، مجهز به VNEU کمکی با ECG در کارخانه کشتی سازی HDW، با موفقیت به پایان رسید. در نتیجه، مدیریت این نوع هواپیما ساخت زیردریایی‌های تنها با نیروگاه‌های دیزلی-الکتریکی را رها کرد و تصمیم گرفت از نیروگاه‌های هیبریدی (DEPP به عنوان نیروگاه اصلی و کمکی با ECG) استفاده کند. تحقیقات بیشتر با هدف توسعه چنین تاسیساتی با ECG به عنوان اصلی است.

از نظر ساختاری، ECH ها ماژول های الکتروشیمیایی با غشاهای پلیمری (PEM) هستند. همه ماژول ها بر روی یک قاب نصب می شوند و می توانند به صورت سری یا موازی متصل شوند.

کمکی در یک نیروگاه با ECG یک سیستم خنک کننده با استفاده از آب دریا و یک سیستم گازهای باقیمانده است. دومی سوختن پس از سوختن هیدروژن باقیمانده در سیستم تهویه باتری و استفاده از اکسیژن باقیمانده برای نیازهای داخل هواپیما را تضمین می کند. سیستم کنترل نیروگاه با سیستم کنترل ایمنی که مانیتورهای آن در اتاق کنترل مرکزی قرار دارند یکپارچه شده است.

تبدیل انرژی در پیل های سوختی به صورت بی صدا انجام می شود. نیروگاه دارای هیچ واحدی نیست که حرکات چرخشی یا نوسانی را انجام دهد. تولید گرمای کمی دارد که در نتیجه تأثیر قابل توجهی در تشکیل میدان های فیزیکی ندارد. تنها سیستم کمکی با قطعات چرخان، سیستم خنک کننده است، اما آنقدر پر سر و صدا نیست که بر سطح میدان صوتی زیردریایی تأثیر زیادی بگذارد.

فعال‌سازی اولیه واکنش‌ها در پیل‌های سوختی نیازی به الکتریسیته زیادی ندارد، به طوری که هیدرید فلز ذخیره شده در سیلندرهای واقع در فضای دو طرفه شروع به آزاد کردن هیدروژن و اکسیژن ذخیره‌شده در حالت مایع در مخازن برودتی مقاوم در برابر ضربه می‌کند. -فولاد مغناطیسی شروع به تبخیر می کند.

این نوع نیروگاه بسیار کارآمد است، راندمان بالایی دارد - تا 70 درصد، و در این شاخص به طور قابل توجهی از سایر نیروگاه های مستقل از هوا فراتر می رود. داده های مقایسه ای در مورد وابستگی بازده انواع مختلف VNEU به سطح نسبی توان خروجی در نمودار نشان داده شده است. فرآیند تبدیل انرژی در دمای عملیاتی پایین (60-90 درجه سانتیگراد) اتفاق می افتد. برای حفظ فرآیند الکتروشیمیایی اولیه آغاز شده، مقدار کمی گرما مورد نیاز است که در طول عملیات توسط سیستم تولید شود. بخشی از گرمای تولید شده توسط EC می تواند برای مصارف خانگی مانند گرمایش استفاده شود. مقدار حرارتی که باید از تاسیسات خارج شود کم است، بنابراین خنک کردن اجباری نیروگاه با آب دریا به زمان طولانی (تا یک روز از کارکرد آن) نیاز ندارد. آب تولید شده توسط واکنش را می توان پس از تصفیه مناسب برای آشامیدن استفاده کرد.

ترکیبی از عناصر سوخت فشرده متصل به صورت سری به شما امکان می دهد هر ولتاژ مورد نیاز را بدست آورید. تنظیم ولتاژ با تغییر تعداد صفحات در واحدهای پیل سوختی به دست می آید. بیشترین قدرت را می توان با اتصال این عناصر به صورت سری به دست آورد.

عملکرد واحد ECG به عمق غوطه ور شدن زیردریایی بستگی ندارد. برق تولید شده توسط چنین نیروگاهی مستقیماً به تابلوی توزیع اصلی قایق می رود. 65 درصد 30 درصد صرف حرکت و نیاز کشتی می شود. - برای سیستم خنک کننده و سیستم گاز باقیمانده نیروگاه 5 درصد. - برای تجهیزات اضافی نیروگاه. نیروگاه کمکی می تواند هم به صورت موازی با باتری کار کند و هم نیروی محرکه الکتریکی زیردریایی و منبع تغذیه دیگر مصرف کنندگان را تامین کند و هم برای شارژ مجدد باتری.

تجهیز چهار و دو زیردریایی نوع 212A به نیروگاه کمکی با ECG که به ترتیب برای نیروی دریایی آلمان و ایتالیا در حال ساخت است و همچنین نسخه صادراتی قایق نوع 214 برای یونان و جمهوری کره تجهیز شود. نیروی دریایی

دو زیردریایی از سری اول قایق های نوع 212A برای نیروی دریایی آلمان مجهز به نیروگاه کمکی با ECG با توان اسمی حدود 300 کیلووات با 9 پیل سوختی هر کدام 34 کیلووات هستند. قایق های سری دوم قرار است به دو پیل سوختی 120 کیلوواتی مجهز شوند. آنها تقریباً دارای مشخصات وزن و اندازه مشابه با پیل های سوختی 34 کیلوواتی هستند، اما در عین حال کارایی آنها 4 برابر افزایش می یابد. زیردریایی Type 212A می تواند تقریباً دو هفته در زیر آب بماند. قدرت نامی این نصب به شما این امکان را می دهد که بدون استفاده از باتری به سرعت تا 8 گره برسید.

طراحی مدولار نیروگاه های مبتنی بر سلول های سوختی نه تنها نصب آنها را بر روی زیردریایی های در حال ساخت تسهیل می کند، بلکه به آنها اجازه می دهد تا به زیردریایی های ساخته شده قبلی مجهز شوند، حتی آنهایی که تحت مجوز در کارخانه های کشتی سازی کشورهای وارد کننده زیردریایی های آلمانی ساخته شده اند.

علاوه بر این، به گفته کارشناسان آلمانی، چنین نیروگاهی با قابلیت نگهداری بالا و عمر طولانی تر مشخص می شود.

واحد توربین بخار سیکل بسته (STU). PTU MESMA (Module d'Energie Sous-Marin Autonome)، که بر روی یک چرخه بسته Rankine کار می کند، توسط بخش کشتی سازی نیروی دریایی فرانسه DCN برای فروش صادراتی توسعه داده شد. شرکت های فرانسوی Tecnicatom، Thermodyne، Air Liquid و دیگران در این زمینه مشارکت دارند. برتین و همچنین کارخانه کشتی سازی Empresa Nacional Bazan (اسپانیا).

MESMA یک نصب دو مداره است. در مدار اول در اثر احتراق اتانول در اکسیژن، خنک کننده (گاز بخار) تشکیل می شود که از مسیر مولد بخار عبور کرده و به آب در حال گردش در مدار دوم گرما می دهد. آب به بخار پرفشار تبدیل می شود که توربین بخار متصل به ژنراتور را می چرخاند. اکسیژن در زیردریایی در ظروف مخصوص در حالت مایع ذخیره می شود. محصولات واکنش احتراق آب و گازهای خروجی خروجی از سطح دریا هستند. این می تواند منجر به افزایش دید زیردریایی ها شود.

احتراق در محفظه احتراق تحت فشار 6 مگاپاسکال رخ می دهد، در نتیجه نصب می تواند تا عمق 600 متر کار کند، بنابراین نیازی به استفاده از کمپرسور برای حذف محصولات احتراق از روی دریا نیست.

راندمان نیروگاه با توربین بخار MESMA 20 درصد است که به دلیل تلفات زیاد در هنگام تبدیل چندگانه انرژی - احتراق سوخت، تولید بخار فوق گرم، تولید جریان سه فاز و متعاقب آن تبدیل آن به جریان مستقیم است.

کل نصب به طور کلی کاملا فشرده است و در قسمتی از یک محفظه بادوام به طول 10 متر و عرض 7.8 متر نصب شده است. اکسیژن در حالت مایع در سیلندرهای نصب شده بر روی پایه های مخصوص ضربه گیر در داخل محفظه بادوام زیردریایی ذخیره می شود. موقعیت عمودی

در سپتامبر 1998، آزمایشات روی یک نمونه اولیه از نیروگاه MESMA تکمیل شد. در آوریل 2000، اولین نیروگاه کشتی، واقع در بخش بدنه تحت فشار، در کارخانه کشتی سازی در شربورگ ساخته شد. پس از تکمیل آزمایشات پذیرش، قرار بود ماژول با نیروگاه به پاکستان ارسال شود تا زیردریایی غازی از نوع آگوستا 90B را که تحت مجوز فرانسه در آنجا ساخته می شود، تجهیز کند. این اولین زیردریایی از این نوع است که در حین ساخت نیروگاه کمکی مستقل از هوا بر روی آن نصب خواهد شد. دو زیردریایی دیگر که قبلاً ساخته شده بودند، برنامه ریزی شده است که بعداً به آنها مجهز شوند - در مرحله نوسازی و تعمیر.

استفاده از نیروگاه های کمکی مستقل از هوا در زیردریایی های غیر هسته ای امکان بهبود ویژگی های عملکرد آنها را از نظر مدت زمان ناوبری زیر آب فراهم کرد که باعث افزایش پنهان کاری قایق ها و گسترش قابلیت های رزمی آنها شد. علاوه بر زیردریایی‌های در حال ساخت، VNEUهای کمکی می‌توانند به زیردریایی‌های دیزلی موجود در فرآیند نوسازی مجهز شوند. توسعه بیشتر فناوری ها و به دست آوردن ویژگی های کیفی جدید VNEU بر این اساس به احتمال زیاد به زیردریایی های غیر هسته ای اجازه می دهد تا مشکلات ذاتی زیردریایی های هسته ای را حل کنند.

برای نظر دادن باید در سایت ثبت نام کنید.

یعنی بر خلاف موتور احتراق داخلی، موتور احتراق داخلی، که در آن سیال کار به طور همزمان در داخل سیلندر سوخت می شود، در استرلینگ سوخت در خارج می سوزد، سیال کار (هوا) داخل سیلندر را گرم می کند و سپس طبق معمول، میل لنگ و غیره

در این مقاله، من ویژگی موقعیت اصلی، بی هوازی بودن را ندیدم، یعنی همانطور که یک موتور احتراق داخلی برای احتراق به اکسیژن نیاز دارد، استرلینگ نیز از همان فرآیند احتراق استفاده می کند، یعنی هنوز اکسیژن مورد نیاز است.
احتراق به سادگی از داخل به خارج منتقل می شود و بس. خوب، استرلینگ نیز به طور مداوم می سوزد، و نه به صورت ضربانی و انفجاری، مانند موتورهای احتراق داخلی، از این رو بی صدا بودن آن، که برای یک زیردریایی مفید است. اما این همه مزیت است

من فکر می کردم به جای احتراق، از برخی واکنش های شیمیایی گرمازا دیگر استفاده می شود، مثلاً با مشارکت آب به جای اکسیژن، که منطقی است، در خشکی اطراف اکسیژن زیاد است، زیر آب، آب خود وجود دارد.
نمی دونم بریز تو سیلندر یا بیرونش خب حداقل آهک زنده و آب بریز و گرمای تولید شده رو تبدیل به چرخش کن
چرا باید یک موتور بی هوازی اعلام کرد و همچنان از اکسیژن استفاده کرد؟

علاوه بر این، اگر این ایده را توسعه دهیم - این پروژه از یک موتور الکتریکی به عنوان موتور اصلی پیشران استفاده می کند، و استرلینگ تنها برای شارژ باتری ها مورد نیاز است، بنابراین آیا تمرکز بر ابزار تولید مستقیم EMF از طریق واکنش های شیمیایی آسان تر نخواهد بود. بدون مکانیک؟
این به من یادآوری کرد که چگونه در تابستان، در خانه بدون برق، یک اینورتر 220 را به باتری ماشین وصل کردم، که لامپ های کم مصرف را با LED های کم ولتاژ به آن وصل کردم. بعد متوجه شدم که احمقانه است که اول ولتاژ را از 12 به 220 برسانم و بعد در لامپ دوباره کاهش یابد، یک LED 12 ولت خانگی ساختم و باتری شروع به دوام سه برابر کرد.

در زمان اتحاد جماهیر شوروی، باتری های با شارژ خشک در Podolsk ساخته می شدند که صفحات آن با ترکیبی مطابق با حالت شارژ باتری سرب فشرده می شد. چنین باتری را می توان برای مدت طولانی در یک انبار نگهداری کرد و شارژ شود، سپس خریدار الکترولیت را درون آن ریخته و بلافاصله آن را روی ماشین قرار داد. به عنوان مثال، صفحات خشک را با الکترولیت بر روی یک زیردریایی بارگذاری کنید که در حین حرکت مصرف می شود و با نمونه های تازه جایگزین می شود و سپس مواد جدید مانند سوخت در اسکله بارگیری می شود و مورد استفاده شده تخلیه و در کارخانه بازسازی می شود. یک شارژ خشک جدید همه. بدون تبدیل مضاعف با راندمان لوکوموتیو بخار، بدون اکسیژن، مدار واقعا بی هوازی.

خوب، با یک باتری سرب اسیدی این فقط یک فکر غیرمعمول است، شما می توانید به فرآیند بسیار عالی تری دست پیدا کنید، به عنوان مثال در مورد لیتیوم، این منهای وزن و منهای اسید خطرناک است.