嫌気性推進システム。 嫌気性推進プラント
スターリングエンジンは、その動作原理が通常の内燃機関とは質的に異なり、かつては後者に対する立派な競争相手でした。 しかし、しばらくの間、彼らは彼のことを忘れていました。 このモーターが現在どのように使用されているか、その動作原理は何であるか（記事には、その動作を明確に示しているスターリングエンジンの図面もあります）、将来の使用の見通しについては、以下をお読みください。
話
1816 年にスコットランドで、ロバート スターリングは、今日発明者の名前にちなんで名付けられたものの特許を取得しました。 最初の熱風エンジンは彼よりも先に発明されていました。 しかし、スターリングはこの装置に精製器を追加しました。これは技術文献では再生器または熱交換器と呼ばれています。 そのおかげで、ユニットを暖めながらエンジンのパフォーマンスが向上しました。
エンジンは最も耐久性があると認められました 蒸気機関爆発することはなかったので、当時入手可能なものの中で。 以前は、この問題は他のエンジンでも頻繁に発生していました。 急速な成功にもかかわらず、当時登場した他のエンジンに比べて経済的でなくなったため、20 世紀初頭に開発は中止されました。 内燃機関そして電気モーター。 しかし、スターリングは依然として一部の業界で使用され続けました。
外燃機関
すべての熱機関の動作原理は、膨張状態のガスを生成するには、冷たいものを圧縮する場合よりも大きな機械力が必要になるということです。 これを明確に示すために、冷たいものと冷たいものを満たした 2 つの鍋を使って実験を行うことができます。 お湯、ボトルだけでなく。 後者を冷水に浸し、栓をしてから熱湯に移します。 この場合、ボトル内のガスが機械的な仕事を開始し、コルクを押し出します。 最初の外燃機関は完全にこのプロセスに基づいていました。 しかし、発明者は後に、熱の一部を暖房に使用できることに気づきました。 したがって、生産性が大幅に向上しました。 しかし、これでもエンジンの普及にはつながりませんでした。
その後、スウェーデンのエンジニアであるエリクソンは、ガスを体積ではなく一定の圧力で冷却および加熱することを提案して設計を改良しました。 その結果、多くのコピーが鉱山、船上、印刷所での仕事に使用されるようになりました。 しかし、乗組員にとっては重すぎることが判明しました。
フィリップスの外燃エンジン
同様のモーターには次のタイプがあります。
- 蒸気;
- 蒸気タービン;
- スターリング。
最後のタイプは信頼性が低いため開発されず、残りはほとんど開発されませんでした。 ハイパフォーマンスこれまでに登場した他のタイプのユニットと比べて。 しかし、フィリップスは 1938 年に操業を再開しました。 このエンジンは、非電化地域で発電機を駆動するために使用され始めました。 1945 年、同社のエンジニアはその逆の用途を発見しました。シャフトが電気モーターで回転すると、シリンダー ヘッドの冷却は摂氏マイナス 190 度に達します。 そこで、改良されたスターリング エンジンを冷凍ユニットに使用することが決定されました。
動作原理
モーターは熱力学的サイクルで動作し、異なる温度で圧縮と膨張が発生します。 この場合、作動流体の流れの調整は、体積（モデルによっては圧力）の変化によって実現されます。 これはこれらの機械のほとんどの動作原理であり、機能や設計が異なる場合があります。 エンジンにはピストン式とロータリー式があります。 機械とその設置物は、ヒートポンプ、冷凍機、圧力発生器などとして機能します。
さらに、バルブを通じて流量制御が実現されるオープンサイクル モーターもあります。 これらは一般名スターリングに加えてエリクソンエンジンとも呼ばれます。 内燃機関において 役に立つ仕事空気の予備圧縮、燃料の噴射、燃焼および膨張と混合した混合物の加熱後に実行されます。
スターリング エンジンは、低温では圧縮が発生し、高温では膨張が発生するという同じ原理で動作します。 しかし、加熱は異なる方法で行われます。熱はシリンダー壁を通して外部から供給されます。 そのため、外燃機関という名前が付けられました。 スターリングでは、変位ピストンによる周期的な温度変化を使用しました。 後者はシリンダーの 1 つのキャビティから別のキャビティにガスを移動させます。 一方では気温は常に低く、他方では気温が高くなります。 ピストンが上昇すると、ガスは高温キャビティから低温キャビティに移動し、下降すると高温キャビティに戻ります。 まず、ガスは冷蔵庫に多量の熱を与え、次にヒーターから与えたのと同じ量を受け取ります。 蓄冷器はヒーターと冷蔵庫の間に配置されます。これは、ガスが熱を放出する物質で満たされた空洞です。 流れが逆になると、再生器がそれを戻します。
ディスプレーサ システムは作動ピストンに接続されており、低温時にはガスを圧縮し、高温時にはガスを膨張させます。 より低い温度での圧縮により、有用な仕事が発生します。 システム全体は、断続的な動きで 4 つのサイクルを経ます。 クランク機構により連続性が保証されます。 したがって、サイクルの段階間に明確な境界はなく、スターリングは減少しません。
上記のすべてを考慮すると、このエンジンは外部熱供給を備えたピストン機械であり、作動流体が密閉空間から出ず、交換されないという結論が得られます。 スターリング エンジンの図は、装置とその動作原理をよく示しています。
仕事内容
太陽、電気、原子力、またはその他の熱源がスターリング エンジンにエネルギーを供給できます。 彼の体の動作原理は、ヘリウム、水素、または空気を使用することです。 理想的なサイクルの熱効率は 30 ～ 40% になります。 しかし、効果的な再生器があれば、より高い効率で動作できるようになります。 再生、加熱、冷却は、オイルを使用せずに動作する内蔵熱交換器によって行われます。 エンジンは潤滑をほとんど必要としないことに注意してください。 シリンダー内の平均圧力は通常10～20MPaです。 したがって、優れたシールシステムと作動キャビティにオイルを取り込む能力が必要です。
比較特性
現在稼働しているこのタイプのエンジンのほとんどは液体燃料を使用しています。 同時に、連続的な圧力の制御が容易になり、排出量の削減に役立ちます。 バルブがないため、静かな動作が保証されます。 出力と重量はターボエンジンに匹敵し、出力で得られる比出力はディーゼルユニットと同等です。 速度とトルクは互いに独立しています。
エンジンの製造コストは内燃機関のコストよりもはるかに高くなります。 しかし、動作中はその逆になります。
利点
どのスターリング エンジン モデルにも多くの利点があります。
- 最新の設計による効率は最大 70% に達します。
- エンジンには高電圧点火システム、カムシャフト、バルブがありません。 耐用年数全体にわたって調整する必要はありません。
- スターリングでは、クランクシャフト、ベアリング、コネクティングロッドに大きな負荷がかかる内燃エンジンのような爆発は起こりません。
- 「エンジンが止まった」と言っても同じ効果はありません。
- シンプルなので長くお使いいただけます。
- 木材、核燃料、またはその他の種類の燃料を使用できます。
- 燃焼はエンジンの外部で発生します。
欠陥
応用
現在、発電機付きスターリングエンジンは多くの分野で使用されています。 冷蔵庫、ポンプ、潜水艦、太陽光発電などの普遍的な電気エネルギー源です。 発電所。 ご利用いただいたおかげです さまざまな種類燃料は広く利用される可能性がある。
ルネサンス
これらのエンジンはフィリップスのおかげで再び開発が始まりました。 20世紀半ばに、ゼネラルモーターズは同社と契約を締結した。 彼女は、宇宙や水中装置、船や自動車でスターリングを使用するための開発を主導しました。 これらに続いて、スウェーデンの別の企業であるユナイテッド・スターリング社も、次の用途での使用を含めて開発を開始しました。
現在、リニア スターリング エンジンは、水中、宇宙、太陽電池の設置に使用されています。 騒音との戦いだけでなく、環境悪化の問題との関連性から、このことに大きな関心が寄せられています。 日本だけでなくカナダ、米国、ドイツ、フランスでも、その使用法を開発し改善するために積極的な調査が進行中です。
未来
ピストンエンジンとスターリングエンジンには、長寿命、さまざまな燃料の使用、騒音のなさ、毒性の低さなどの明らかな利点があり、内燃エンジンと比較して非常に有望です。 しかし、内燃機関は時代とともに改良されてきたため、簡単に置き換えることはできません。 いずれにしても、まさにこのエンジンが今日主導的な地位を占めており、近い将来にこのエンジンを手放すつもりはありません。
"、連邦国家統一企業 (FSUE) "クリロフスキー サイエンスセンター」は、嫌気性、つまり空気に依存しない発電所（VNEU）を備えた最初の潜水艦の建造が造船における重要な技術的進歩につながると報告しました。
空気に依存しない設置のための科学的および技術的基礎が確立されました。 固体要素に基づく電気化学発電機を備えた水蒸気改質ユニットが開発されました。 その工業デザインが生み出されました。 基礎技術としては、ディーゼル燃料からの水素の製造、水素から電流を取り出す電気化学発電機の作成、最初のサイクルからの廃棄物の除去が実装されています。 つまり、反応中に生じる CO2 です。 この問題はまだ最終決定の段階にありますが、適切な資金が提供されれば解決されるでしょう。
- 同企業のエグゼクティブディレクター、ミハイル・ザゴロドニコフ氏は語った。
まず第一に、VNEU により、バッテリーを充電したり、水中でディーゼル発電機を動作させるために必要な空気を補充するために船が浮上する必要がなくなりました。
示されているように、現在、ドイツ人はVNEUの開発において最大の進歩を遂げており、創設しました。 2014年、フランスのDCNSは、スコルペヌ級潜水艦に問題の設備を装備し、この方向での成功を報告した。 オーストラリア海軍が求めている同社の大型潜水艦設計は、SMX オーシャン (別名ショートフィン バラクーダ) です。 インドでは、Kalvari タイプ (Scorpene に基づく) のボート用に VNEU が開発されています。
上述の外国での経験とは対照的に、ロシアの VNEU は全く異なる運用方法を暗示しています。水素は船上で輸送されず、施設内でディーゼル燃料を改質することによって直接得られます。
海軍兵器の分野の専門家であるウラジーミル・シチェルバコフ氏は、VNEUを搭載した潜水艦により、敵が厳しく管理する海域での作戦を成功させることが可能になると考えている。
敵の対潜部隊が活発に活動している場合、浮上しない能力は重要です。 大祖国戦争中、バルト海で私たちの船がドイツ軍にとっていかに簡単な餌食だったかを思い出すだけで十分です。 同様の状況は、戦争末期に北大西洋のドイツの潜水艦にも起こりました。
同氏の意見では、この種のボートは、特に原子力潜水艦艦隊を持たない国では高い輸出の可能性があるという。 ロシアにとって、現段階では技術をテストし専門家を訓練するためにラーダプロジェクトの数隻のボートに限定するだけで十分だと同氏は考えている。
基地と海岸を敵から守る 原子力船今、よくマスターされたシリアル「Varshavyankas」は非常にうまく対処できます。
現在、サンクトペテルブルクのアドミラルティ造船所では、クロンシュタット造船所とヴェリーキエ・ルキ造船所が建造されています。 このプロジェクトの主力潜水艦サンクトペテルブルクは北方艦隊で試験運用中である。 嫌気性発電所はまだありません。
嫌気性発電所を備えた Amur-950 プロジェクト潜水艦のレンダリング
CDB MT「ルビン」
ロシアの有望な嫌気性発電所は、プロジェクト677ラーダの実験潜水艦とカリナ計画の新型非原子力潜水艦に設置される予定で、2倍の容量のバッテリーを受け取ることになる。 Mil.Press FlotProm が書いているように、改良されたバッテリーの電力は現行モデルの 50 キロワットではなく 100 キロワットになります。 潜水艦の嫌気性発電所用の新しいバッテリーの開発とテストは、2020年までに完了する予定です。
最新のディーゼル電気潜水艦には、大型の原子力潜水艦に比べていくつかの利点があります。 主な利点の 1 つは、水没位置での動きがほぼ完全に静かであることです。この場合、バッテリーで駆動される静かな電気モーターのみが船の動きを担当するためです。 これらのバッテリーは、地表または発電機に空気を供給できる特別なパイプであるシュノーケルを設置できる深さにあるディーゼル発電機から充電されます。
従来のディーゼル電気潜水艦の欠点には、船が水中で過ごせる時間が比較的短いことが挙げられます。 最良の場合、潜水艦は 3 週間に達する可能性があり (比較のために、原子力潜水艦の場合、この数字は 60 ～ 90 日です)、その後、潜水艦は浮上してディーゼル発電機を起動する必要があります。 運転に外気を必要としない嫌気性発電所により、非原子力潜水艦は大幅に長く潜水できるようになる。 たとえば、このような設備を備えたラーダプロジェクトの潜水艦は、45日間水中に留まることができます。
有望なロシアの嫌気性発電所は運転に水素を使用する 高度なクリーニング。 このガスは船上でディーゼル燃料から改質、つまり燃料を水素含有ガスと芳香族炭化水素に変換し、水素分離装置を通過することによって生成されます。 その後、水素は水素酸素燃料電池に供給され、そこでエンジンや車載システム用の電気が生成されます。
テストベンチ上の BTE-50K-E バッテリー
クリロフ州立科学センター
このバッテリーは電気化学発電機とも呼ばれ、船舶電気工学中央研究所によって開発されています。 水素と酸素を反応させて電気を生み出すこの電池はBTE-50K-Eと呼ばれます。 その電力は50キロワットです。 改良されたバッテリーの出力は100キロワットとなる。 新しいバッテリーは、容量250～450キロワットの有望な非原子力潜水艦の電源モジュールの一部となる。
水素燃料電池とも呼ばれる電気化学素子自体に加えて、このようなモジュールには炭化水素燃料コンバータが含まれます。 ディーゼル燃料の改質プロセスが行われるのはそれらの中でです。 新しいバッテリーの開発者の一人がMil.Press FlotPromに語ったところによると、炭化水素燃料コンバーターは現在開発中だという。 潜水艦用嫌気性発電所の開発は2018年末までに完了する予定であると以前に報じられている。
昨年2月、ジョージア工科大学の研究者らは、メタンの接触改質と水素製造のためのコンパクトな4ストローク往復動ユニットの開発を発表した。 新しい設備をチェーンに組み合わせることができるため、水素の収量が増加します。 設置は非常にコンパクトで、強力な加熱を必要としません。 反応器は 4 ストローク サイクルで動作します。 最初のストロークでは、蒸気と混合されたメタンがバルブを介してシリンダーに供給されます。 同時にシリンダー内のピストンもスムーズに下降します。 ピストンが底点に到達すると、混合物の供給が遮断されます。
2 回目のストロークでは、ピストンが上昇し、混合気を圧縮します。 同時にシリンダーは400℃まで加熱されます。 条件中 高圧加熱すると、改質プロセスが発生します。 水素が放出されると、水素は膜を通過し、改質中に生成される二酸化炭素も阻止します。 二酸化炭素は触媒と混合された吸着材に吸収されます。
3 回目のストロークでは、ピストンが最低位置まで下がり、シリンダー内の圧力が急激に減少します。 この場合、吸着材から二酸化炭素が放出されます。 次に、4 番目のストロークが始まり、その間にシリンダー内のバルブが開き、ピストンが再び上昇し始めます。 4 回目のストロークでは、二酸化炭素がシリンダーから大気中に絞り出されます。 4 拍目の後、サイクルが再び始まります。
ヴァシリー・シチェフ
"外国 軍事レビュー» No. 6. 2004 (pp.59-63)
1級N.セルギエフ大尉、
1等大尉I.ヤコブレフ、
船長 3級 S.イワノフ
従来のディーゼル発電所 (EP) を備えた潜水艦は、特定の課題を解決するためのかなり効果的な手段であり、特に沿岸および浅い海域で活動する場合、潜水艦に比べて多くの利点があります。 これらの利点には、低騒音レベル、低速での高い機動性、潜水艦に匹敵する攻撃力などが含まれます。 さらに、海軍に非原子力潜水艦が含まれるのは主に、その建造と運用のコストが低いためです。 同時に、これらには多くの欠点があり、特に、バッテリーに蓄えられるエネルギーが少ないため、水没した状態で過ごせる時間が限られます。 バッテリーを充電するために、潜水艦は強制的に浮上するか、水中ディーゼル動作モード (RDS) を使用する必要があり、これによりレーダー、赤外線、光電子および音響手段によって探知される可能性が高まります。 バッテリーの充電に必要なRDPに基づく航行時間とバッテリーの放電期間の比率を「過失度」といいます。
水中での航続距離を延ばすための方向性はいくつかありますが、その主な方向性は、非原子力潜水艦とそのコンポーネントの従来の出力を向上させるための科学的、技術的および技術的開発です。 ただし、 現代の状況この方向性を実装しても完全な解決策を提供することはできません 主な任務。 外国の専門家によれば、この状況を打開する方法は、潜水艦に補助的な役割を果たす大気独立型発電所（VNEU）を使用することだという。
このテーマに関する作業の過程で得られた成功した結果により、新しく建造された補助VNEUを装備し、運用中のディーゼル電気潜水艦を改造することが可能になりました。 後者には、耐久性のある本体に追加のコンパートメントが切り込まれており、発電所自体、燃料と酸化剤を保管するタンク、大量の消耗試薬を交換するタンク、補助機構と装置、および監視および制御装置が含まれています。 将来的には、VNEUは潜水艦で主に使用される予定です。
現在、空気に依存しない発電プラントには主に 4 つのタイプがあります。閉サイクル ディーゼル エンジン (CLD)、スターリング エンジン (DS)、燃料電池または電気化学発電機 (ECG)、および閉サイクル蒸気タービン プラントです。
VNEU の主な要件には、低騒音レベル、低発熱、許容可能な重量とサイズ特性、操作の簡単さと安全性、長い耐用年数と低コスト、既存の沿岸インフラの使用能力が含まれます。 これらの要件は、スターリング エンジン、ECG、およびクローズドサイクル蒸気タービン ユニットを備えた補助発電プラントによって最大限に満たされます。 このため、各国海軍は非原子力潜水艦の実用化に積極的に取り組んでいる。
スターリングエンジンを搭載した発電所。 スウェーデンの会社 Kokums Marine AB は、政府の委託を受けて 1982 年に開発を開始しました。 専門家は当初、補助エンジンとしてスターリングエンジンを搭載し、従来のディーゼル発電所（DEPU）と連携して動作するVNEUを検討していました。 彼らの研究によると、 新規インストールは、（従来の DEPP を使用せずに）主要なものとして作成されますが、製造コストが高すぎるため、潜水艦の発電所の技術的要件を満たすことが困難になります。
スウェーデン海軍は、高出力密度、低騒音レベル、高度なディーゼル エンジン製造技術、信頼性と操作の容易さなどの理由から、スターリング エンジンを搭載した VNEU を選択しました。
ディーゼル エンジンの高い比出力は、燃焼室内でディーゼル燃料を酸素と組み合わせて燃焼させることによって達成されます。 潜水艦では、最新の極低温技術によって必要な酸素が液体の状態で貯蔵されます。
スターリングエンジンは外燃機関です。 その動作原理には、外部源によって生成された熱の使用と、閉ループ内にある作動流体への熱の供給が含まれます。 DC は、外部電源によって生成された熱を機械エネルギーに変換し、その後、発電機によって直流電流に変換されます。 エンジンの閉じた作動回路の一部である再生器は、作動流体からエネルギーを取り除きます。 熱エネルギー、膨張後に形成され、ガスの方向が変わるとサイクルに戻ります。
DSは複動ピストンを採用しています。 ピストンの上の空間は膨張キャビティ、ピストンの下の空間は圧縮キャビティです。 各シリンダーの圧縮キャビティは、外部チャネルによって冷凍機、再生器、ヒーターを介して隣接するシリンダーの膨張キャビティに接続されています。 膨張段階と圧縮段階の必要な組み合わせは、クランクベースの分配メカニズムを使用して実現されます。 スターリングエンジンの概略図を図に示します。
ディーゼル エンジンの動作に必要な熱エネルギーは、高圧燃焼室でディーゼル燃料と液体酸素を燃焼させることによって生成されます。 酸素とディーゼル燃料は 4:1 の比率で燃焼室に入り、そこで燃焼します。
サポートするために 必要な温度 DS の設計には特殊なガス再循環システム (GRC) が使用されています。 このシステムは設計されています
燃焼室に入る純粋な酸素を、燃料混合物の燃焼中に形成されるガスで希釈します。
スターリング エンジンが動作すると、排気ガスの一部が船外に排出され、気泡の跡が形成されることがあります。 これは、ディーゼル エンジンの燃焼プロセスで未使用の酸素が大量に発生し、排気ガスから分離できないという事実によるものです。 排ガスが海水に溶ける際に発生する気泡の数を減らすために、ガスと水を混合した吸収材が使用されます。 この場合、排気ガスは特別な熱交換器で 800 ～ 25 °C に予冷されます。 燃焼室内の作動圧力により、作業深度まで、潜水艦のさまざまな潜水深度で排気ガスを除去できます。この目的のために騒音が増大する特別なコンプレッサーを使用する必要はありません。
外部から熱を供給するプロセスでは追加の熱損失が必然的に伴うため、ディーゼル エンジンの効率はディーゼル エンジンよりも低くなります。 腐食が進むと、従来のディーゼル燃料をディーゼル エンジンで使用できなくなります。 硫黄分が少ない燃料が必要です。
スウェーデンのプログラムには、ユナイテッド スターリング社の DS タイプ V4-275 が採用されました。 4気筒エンジン（各シリンダーの作動容積は275cm3）です。 シリンダーをV字型に配置することで騒音や振動を軽減します。 エンジンの燃焼室内の作動圧力は 2 MPa で、水深 200 m までの使用が保証されています。 深いところ排気ガスの圧縮が必要となるため、排気ガスを除去するために追加の電力消費が必要となり、騒音レベルの増加につながります。
DSベースの初の発電所を搭載 潜水艦 1988年に近代化されて発売された「Nakken」型。 スターリング エンジン、ディーゼル燃料を貯蔵するタンク、液体酸素、および補助機器は、潜水艦の耐久性のある船体に埋め込まれた浮力ゼロの追加セクションに配置されました。 これにより、ボートの長さが 10% 増加し、操縦性の変化にわずかな影響を与えました。
DSタイプV4-275R 2台が発電機を稼働 直流 75kWの電力で。 エンジンは、2 段階の衝撃吸収を備えた防振構造上の遮音モジュール内に配置されています。 テストで示されたように、DS は潜水艦の搭載システムに電力を供給し、バッテリーを確実に充電し、最大 4 ノットの速度でボートを推進するのに必要な十分な量の電力を生成することができます。 より高速を達成し、メインプロペラ電気モーターに電力を供給するために、エンジンとバッテリーを併用することが計画されています。
複合発電所の使用により、水没位置での航続時間は 3 ～ 5 日から 14 日に延長され、哨戒速度は 3 ノットから 6 ノットに向上しました。 その結果、潜水艦の機密性が高まりました。
スウェーデンの専門家によると、スターリングエンジンは船舶の状況において高い信頼性と保守性を実証しています。 その騒音放射は推進電気モーターの騒音を超えることはなく、同等のディーゼル エンジンの騒音よりも 20 ～ 25 dB 低くなります。
スウェーデン海軍は、ゴットランド級潜水艦にこの補助 VNEU を装備しています。 このタイプの潜水艦 3 隻の建造に関する契約は、1990 年 3 月に同国政府とコクムス社によって締結されました。 このシリーズの最初の潜水艦である「ゴットランド」は 1996 年に就役し、次の 2 隻である「アプランド」と「ハーランド」は 1997 年に就役しました。 近代化の過程で、ヴェステルイェットランド級潜水艦にこのタイプの補助発電所を装備することが計画されています。
外国の情報源によると、DSを備えた発電所を備えたスウェーデンの潜水艦はすでに実践で良好な結果を示しています。 特に演習では、伝統的なディーゼル発電装置を搭載したスペイン海軍の潜水艦に対するハッランド潜水艦の優位性が証明され、米国海軍やフランス海軍の原子力潜水艦との共同航海でもその性能特性の向上が証明された。
ECGを備えた発電所。 電気化学発電機は、燃料の化学エネルギーが電気エネルギーに直接変換される装置です。 ECG の基礎は燃料電池 (FC) です。燃料電池 (FC) では、燃料と酸化剤の相互作用中に発電プロセスが発生し、連続的かつ個別に FC に供給されます。 原則として、燃料電池はガルバニ電池の一種です。 後者とは異なり、燃料電池は活性成分（燃料と酸化剤）が継続的に供給されるため、消費されません。
研究中、さまざまな種類の燃料と酸化剤がテストされました。 最良の結果は、酸素と水素の反応を使用して達成され、その相互作用の結果、電気エネルギーと水が生成されます。
水素と酸素の低温燃焼による直流の発生は古くから知られており、水中車両の発電に使用することに成功しています。 この発電原理が潜水艦で使用されたのは 1980 年代になってからです。 PA では、酸素と水素は高圧下で耐久性のあるタンクに別々に保管されていました。 電気化学発電機はバッテリーよりも効率的ですが、潜水艦での使用は、気体状態で保管された燃料試薬の供給ではスキューバダイビングに必要な期間が不可能であるという事実によって複雑でした。
酸素を貯蔵する最も最適な方法は、液体状態（極低温の形で - 180℃の温度）で、水素は金属水素化物の形で貯蔵することです。
1980 年代半ばまでに、IKL (Ingenieurkontor Lubeck)、HDW (Howaldtswerke Deutsche Werft AG)、FS (Ferrostaal) を含むドイツのコンソーシアム GSC (ドイツ潜水艦コンソーシアム) が、シーメンス燃料電池を使用した実験的な陸上 ECG 設備を開発、構築しました。燃料電池、水素および酸素貯蔵システム、パイプライン、制御システムなどのコンポーネントの共同動作、および従来の発電所との相互作用をチェックします。
PL。 ECG のプロトタイプは、テスト完了後、変更を加えずに運用中の潜水艦に設置できるように構造的に設計されました。 陸上試験の結果、心電図を備えた発電所が潜水艦で効果的に使用できることが示されました。
1989年、ドイツ海軍の意向により、HDW造船所でECG付きの補助VNEUを装備したプロジェクト205のU-1潜水艦の9か月にわたる一連の海上試験が無事完了した。 その結果、このタイプの航空機の管理者は、ディーゼル発電所のみを備えた潜水艦のさらなる建設を放棄し、「ハイブリッド」潜水艦（ECGを備えた主および補助発電所としてDEPP）を使用することを決定しました。 さらなる研究は、主なものとして ECG を使用したこのような設備の開発を目的としています。
構造的には、ECH は高分子膜 (PEM) を備えた電気化学モジュールです。 すべてのモジュールは単一のフレームに取り付けられており、直列または並列に接続できます。
ECG を備えた発電所では、海水を使用した冷却システムと残留ガスのシステムが補助的に使用されます。 後者は、バッテリー換気システム内の残留水素のアフターバーニングと、車載のニーズに応じた残留酸素の使用を保証します。 発電所制御システムは安全制御システムと統合されており、そのモニターは中央制御室にあります。
燃料電池におけるエネルギー変換は静かに行われます。 発電所には、回転運動や振動運動を行うユニットは含まれていません。 発熱が少ないため、物理場の形成に大きな影響を与えません。 回転部品を備えた唯一の補助システムは冷却システムですが、潜水艦の音場のレベルに大きな影響を与えるほど騒音は大きくありません。
燃料電池の反応の初期活性化には多くの電力が必要ないため、両面空間にあるシリンダーに貯蔵された金属水素化物が、低温で作られた耐衝撃極低温タンク内に液体の状態で貯蔵されている水素と酸素を放出し始めます。 -磁性鋼が蒸発し始めます。
このタイプの発電所は非常に効率的で、最大70パーセントという高い効率を持ち、この指標では他の空気に依存しない発電所を大幅に上回っています。 効率依存性の比較データ 他の種類出力電力の相対レベルからの VNEU がグラフに表示されます。 エネルギー変換プロセスは、低い動作温度 (60 ～ 90 °C) で発生します。 最初に開始された電気化学プロセスを維持するには、動作中にシステムによって少量の熱が発生する必要があります。 ECで発生する熱の一部は暖房などの家庭用に利用できます。 設備から除去する必要がある熱の量は少ないため、発電所を海水で強制冷却するのに長い時間はかかりません（運転の最長 1 日）。 反応により生成した水は、適切に処理すれば飲料水として使用できます。
小型の燃料エレメントを直列に接続することで、必要な電圧を得ることができます。 電圧調整は、燃料電池ユニットのプレートの数を変更することで実現されます。 最大の力は、 シリアル接続これらの要素。
ECG ユニットの動作は潜水艦の潜水深さに依存しません。 このような発電所で生成された電気は、ボートの主配電盤に直接送られます。 65パーセント 30% は移動と船のニーズに費やされます。 - 発電所の冷却システムと残留ガスシステムの場合は 5 パーセント。 - の上 オプション装備欧州連合。 補助発電所はバッテリーと並行して動作し、潜水艦の電気推進と他の消費者への電力供給を提供したり、バッテリーを再充電したりすることができます。
212A型潜水艦4隻と2隻にECG付き補助発電所を装備する予定で、それぞれドイツ海軍とイタリア海軍向けに建造されているほか、ギリシャと韓国向けの214型潜水艦の輸出型も計画されている。海軍。
ドイツ海軍のタイプ 212A ボートの最初のサブシリーズの 2 隻の潜水艦には、それぞれ 34 kW の燃料電池 9 個を備えた公称出力約 300 kW の ECG を備えた補助発電所が装備されています。 2 番目のサブシリーズのボートには 2 つの 120 kW 燃料電池が装備される予定です。 重量とサイズ特性は 34 kW 燃料電池とほぼ同じですが、同時に効率は 4 倍向上します。 212A型潜水艦は約2週間潜水し続けることができる。 この設備の定格出力により、バッテリーを使用せずに最大 8 ノットの速度に達することができます。
燃料電池に基づく発電所のモジュール設計は、建造中の潜水艦への設置を容易にするだけでなく、ドイツの潜水艦を輸入している国の造船所でライセンスに基づいて建造されたものであっても、以前に建造された潜水艦に装備することを可能にします。
さらに、ドイツの専門家によると、このような発電所は高い保守性と長い耐用年数を特徴としています。
クローズドサイクル蒸気タービンユニット（STU）。 閉鎖ランキン サイクルで動作する PTU MESMA (Module d'Energie Sous-Marin Autonome) は、輸出販売のためにフランス海軍 DCN の造船部門によって開発されました。フランスの企業 Tecnicatom、Thermodyne、Air Liquid などが関与しています。その生産はベルティンおよびエンプレサ・ナシオナル・バザン造船所（スペイン）で行われます。
MESMA は 2 回路の設置です。 最初の回路では、酸素中でのエタノールの燃焼の結果、冷却剤 (蒸気ガス) が形成され、蒸気発生器の経路を通過して、第 2 回路内を循環する水に熱を放出します。 水は高圧蒸気に変換され、発電機に接続された蒸気タービンを回転させます。 酸素は潜水艦の特別な容器に液体の状態で貯蔵されています。 燃焼反応生成物は水と排気ガスであり、船外に排出されます。 これにより、潜水艦の視認性が向上する可能性があります。
燃焼室内の燃焼は 6 MPa の圧力下で発生するため、この設備は最大 600 m の深さでも動作できるため、燃焼生成物を船外に除去するためにコンプレッサーを使用する必要がありません。
MESMA 蒸気タービンを備えた発電所の効率は 20% ですが、これは、燃料の燃焼、過熱蒸気の生成、三相電流の生成、その後の直流への変換など、複数のエネルギー変換中に大きな損失が生じるためです。
設備全体は非常にコンパクトで、長さ 10 m、幅 7.8 m の耐久性のあるハウジングの一部に取り付けられており、耐久性のある潜水艦ハウジング内の特殊な衝撃吸収マウントに取り付けられたシリンダーに酸素が液化状態で貯蔵されます。垂直位置。
1998 年 9 月に、MESMA 発電所のプロトタイプのベンチテストが完了しました。 2000 年 4 月に、耐圧船体セクションに位置する最初の船舶用発電プラントがシェルブールの造船所で製造されました。 受け入れ試験の完了後、発電所を備えたモジュールはパキスタンに送られ、フランスのライセンスに基づいて同国で建造中のアゴスタ90B型ガージ潜水艦に装備される予定だった。 これは、建造中に空気に依存しない補助発電所が設置されるこのタイプの潜水艦としては初めてです。 他の 2 隻の潜水艦は以前に建造され、近代化と修理の過程で後で装備される予定です。
非原子力潜水艦に空気に依存しない補助発電所を使用することにより、水中航行期間の観点から性能特性を向上させることが可能となり、潜水艦のステルス性が向上し、戦闘能力が拡大しました。 建造中の潜水艦に加えて、補助 VNEU には近代化改修中の既存のディーゼル潜水艦を装備することもできます。 技術をさらに発展させ、これに基づいて VNEU の定性的に新しい特性を獲得することで、非原子力潜水艦が原子力潜水艦に固有の問題を解決できる可能性が高くなります。
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つまり、内燃機関とは異なり、作動流体がシリンダー内で同時に燃料を燃焼させる内燃機関とは異なり、スターリングでは燃料が外部で燃焼し、シリンダー内の作動流体（空気）が加熱され、その後通常どおり、クランクなど
この記事では、主要な特徴である嫌気性について説明していませんでした。つまり、内燃機関が燃焼に酸素を必要とするのと同じように、スターリングも同じ燃焼プロセスを使用します。つまり、依然として酸素が必要です。
燃焼は内部から外部に伝達されるだけです。それだけです。 スターリングはまた、内燃機関のようにパルス状に爆発的に燃焼するのではなく、継続的に燃焼するため、騒音が少なく、潜水艦には役立ちます。 しかし、メリットはそれだけです
私は、燃焼の代わりに、他の発熱化学反応が使用されるのではないかと考えました。たとえば、酸素の代わりに水が関与するのですが、これは論理的です。陸上には周囲に酸素がたくさんあり、水中には水があります。
分からないけど、シリンダーの中に入れるか外に、まあせめて生石灰を入れて水をかけて、発生した熱を回転に変換する
なぜ嫌気性エンジンを宣言しながらも酸素を使用するのでしょうか?
さらにアイデアを発展させれば、このプロジェクトでは主推進モーターとして電気モーターが使用されており、スターリングはバッテリーを充電するためにのみ必要となるため、化学反応を通じてEMFを直接生成する手段に焦点を当てる方が簡単ではないでしょうか。メカニックなしで？
これを見て、夏に電気のないダーチャで220インバータを車のバッテリーに接続したことを思い出しました。 省エネ電球、低電圧の LED 上。 そこで、最初に電圧を12から220に上げるのは愚かであることに気づき、その後電球では再び電圧が下がり、自家製の12V LEDを作ったところ、バッテリーが3倍長持ちし始めました。
ソビエト時代には、乾式充電電池がポドリスクで製造され、そのプレートは鉛電池の充電状態に対応する組成でプレスされていました。 このようなバッテリーは倉庫に長期間保管して充電し、その後購入者が電解液を注入してすぐに車に取り付けることができます。 たとえば、電解質を含む乾板を潜水艦に積み込みます。移動中に消耗して新しいものと交換し、ドックで積み込みます。 新しい素材を燃料として使用し、使用済みのものは工場で降ろされて新しい乾式充電済みのものに再生されます。 全て。 蒸気機関車の効率で二重変換を行わず、酸素を使用しない、まさに無酸素回路です。
そうですね、鉛蓄電池の場合、それは思いつきにすぎません。たとえばリチウムの場合、重量と危険な酸を差し引いた、より完璧なプロセスを思いつくことができます。