무산소 추진 시스템. 혐기성 추진 플랜트
작동 원리가 일반적인 내연 기관과 질적으로 다른 스털링 엔진은 한때 후자의 가치있는 경쟁자였습니다. 그러나 한동안 그들은 그를 잊어버렸다. 오늘날 이 모터가 어떻게 사용되는지, 작동 원리는 무엇인지(기사에서 작동을 명확하게 보여주는 스털링 엔진의 도면도 찾을 수 있음), 향후 사용 가능성은 무엇인지 아래에서 읽어보세요.
이야기
1816년 스코틀랜드에서 로버트 스털링(Robert Stirling)은 오늘날 발명자의 이름을 따서 명명된 특허를 취득했습니다. 최초의 열풍 엔진은 그보다 먼저 발명되었습니다. 그러나 Stirling은 기술 문헌에서 재생기 또는 열 교환기라고 불리는 정화기를 장치에 추가했습니다. 덕분에 엔진 성능도 향상됐고, 유닛도 따뜻하게 유지됐다.
이 엔진은 결코 폭발하지 않았기 때문에 당시 사용 가능한 가장 내구성이 뛰어난 증기 엔진으로 인정받았습니다. 이전에는 다른 엔진에서도 이런 문제가 자주 발생했습니다. 빠른 성공에도 불구하고 당시 등장했던 다른 내연기관이나 전기모터에 비해 경제성이 떨어지면서 20세기 초 개발이 중단됐다. 그러나 스털링은 일부 산업에서는 계속해서 사용되었습니다.
외연기관
모든 열기관의 작동 원리는 팽창된 상태의 가스를 생성하려면 차가운 가스를 압축할 때보다 더 큰 기계적 힘이 필요하다는 것입니다. 이를 명확하게 보여주기 위해 찬물과 뜨거운 물이 채워진 두 개의 팬과 병을 사용하여 실험을 수행할 수 있습니다. 후자를 찬물에 담그고 마개로 막은 다음 뜨거운 물로 옮깁니다. 이 경우 병 안의 가스가 기계적인 작업을 수행하기 시작하고 코르크를 밀어냅니다. 최초의 외연기관은 전적으로 이 과정을 기반으로 했습니다. 그러나 나중에 발명가는 열의 일부가 가열에 사용될 수 있다는 것을 깨달았습니다. 따라서 생산성이 크게 향상되었습니다. 그러나 이것조차도 엔진이 널리 보급되는 데 도움이 되지 않았습니다.
나중에 스웨덴의 엔지니어인 Erickson은 부피가 아닌 일정한 압력으로 가스를 냉각하고 가열하는 방법을 제안하여 설계를 개선했습니다. 결과적으로 광산, 선박 및 인쇄소 작업에 많은 사본이 사용되기 시작했습니다. 그러나 그들은 승무원들에게는 너무 무거웠습니다.
Philips의 외연 엔진
유사한 모터의 유형은 다음과 같습니다.
- 증기;
- 증기 터빈;
- 스털링.
후자 유형은 등장한 다른 유형의 장치에 비해 낮은 신뢰성과 기타 최고 성능 지표가 아니기 때문에 개발되지 않았습니다. 그러나 필립스는 1938년에 사업을 재개했습니다. 엔진은 전기가 통하지 않는 지역에서 발전기를 구동하는 데 사용되기 시작했습니다. 1945년에 회사의 엔지니어들은 반대 용도를 발견했습니다. 샤프트가 전기 모터로 회전하면 실린더 헤드의 냉각 온도가 섭씨 영하 190도에 도달합니다. 그런 다음 냉동 장치에 향상된 스털링 엔진을 사용하기로 결정했습니다.
작동 원리
모터는 서로 다른 온도에서 압축과 팽창이 일어나는 열역학적 사이클로 작동합니다. 이 경우, 부피(또는 압력 - 모델에 따라 다름)의 변화로 인해 작동 유체의 흐름 조절이 실현됩니다. 이는 기능과 디자인 디자인이 다를 수 있는 대부분의 기계의 작동 원리입니다. 엔진은 피스톤 또는 로터리일 수 있습니다. 설치된 기계는 열 펌프, 냉장고, 압력 발생기 등으로 작동합니다.
또한 밸브를 통해 유량 제어가 구현되는 개방형 모터도 있습니다. 일반적인 이름인 스털링(Stirling) 외에 에릭슨(Erickson) 엔진이라고 합니다. 내연 기관에서는 공기의 예비 압축, 연료 분사, 연소와 혼합된 생성 혼합물의 가열 및 팽창 후에 유용한 작업이 수행됩니다.
스털링 엔진은 동일한 원리로 작동합니다. 즉, 압축은 낮은 온도에서 발생하고 팽창은 높은 온도에서 발생합니다. 그러나 가열은 다르게 수행됩니다. 열은 외부에서 실린더 벽을 통해 공급됩니다. 이것이 외연 기관이라는 이름을 얻은 이유입니다. 스털링은 변위 피스톤을 사용하여 주기적인 온도 변화를 사용했습니다. 후자는 가스를 실린더의 한 공동에서 다른 공동으로 이동시킵니다. 한편으로는 온도가 지속적으로 낮고 다른 한편으로는 높습니다. 피스톤이 위로 이동하면 가스는 뜨거운 공동에서 차가운 공동으로 이동하고 아래쪽으로 뜨거운 공동으로 돌아갑니다. 첫째, 가스는 냉장고에 많은 열을 주며, 그 다음에는 히터에서 준 것과 같은 양의 열을 받습니다. 히터와 냉장고 사이에 재생기가 배치됩니다. 이 공간은 가스가 열을 발산하는 물질로 채워져 있습니다. 흐름이 역전되면 재생기가 이를 반환합니다.
디스플레이서 시스템은 작동 피스톤에 연결되어 차가울 때 가스를 압축하고 따뜻할 때 가스를 팽창시킵니다. 더 낮은 온도에서의 압축으로 인해 유용한 작업이 발생합니다. 전체 시스템은 간헐적인 움직임으로 4개의 주기를 거칩니다. 크랭크 메커니즘은 연속성을 보장합니다. 따라서 주기 단계 사이에는 뚜렷한 경계가 없으며 스털링은 감소하지 않습니다.
위의 모든 사항을 고려하면 이 엔진은 작동 유체가 밀폐된 공간을 떠나지 않고 교체되지 않는 외부 열 공급 장치가 있는 피스톤 기계라는 결론이 나옵니다. 스털링 엔진의 그림은 장치와 작동 원리를 잘 보여줍니다.
업무 내용
태양, 전기, 원자력 또는 기타 열원은 스털링 엔진에 에너지를 공급할 수 있습니다. 그의 몸의 작동 원리는 헬륨, 수소 또는 공기를 사용하는 것입니다. 이상적인 사이클은 가능한 최대 열 효율이 30~40%입니다. 그러나 효과적인 재생기를 사용하면 더 높은 효율로 작업할 수 있습니다. 재생, 가열 및 냉각은 오일 없이 작동하는 내장형 열교환기를 통해 제공됩니다. 엔진에는 윤활유가 거의 필요하지 않습니다. 실린더의 평균 압력은 일반적으로 10~20MPa입니다. 따라서 우수한 밀봉 시스템과 오일을 작업 공간으로 유입시키는 능력이 필요합니다.
비교 특성
오늘날 작동하는 이러한 유형의 엔진은 대부분 액체 연료를 사용합니다. 동시에 지속적인 압력은 제어가 용이하여 배출을 줄이는 데 도움이 됩니다. 밸브가 없기 때문에 조용한 작동이 보장됩니다. 출력과 무게는 터보차저 엔진과 비슷하며 출력에서 얻은 특정 출력은 디젤 장치의 출력과 동일합니다. 속도와 토크는 서로 독립적입니다.
엔진의 생산 비용은 내연 기관의 생산 비용보다 훨씬 높습니다. 그러나 작동 중에는 그 반대가 적용됩니다.
장점
모든 스털링 엔진 모델에는 다음과 같은 많은 장점이 있습니다.
- 현대적인 디자인의 효율성은 최대 70%에 달합니다.
- 엔진에는 고전압 점화 시스템, 캠축 또는 밸브가 없습니다. 전체 서비스 수명 동안 조정할 필요가 없습니다.
- 스털링은 크랭크 샤프트, 베어링 및 커넥팅로드에 과도한 부하를 가하는 내연 기관과 동일한 폭발을 일으키지 않습니다.
- “엔진이 멈췄다”고 말하면 같은 효과가 없습니다.
- 장치가 단순하기 때문에 오랫동안 사용할 수 있습니다.
- 목재, 핵 또는 기타 모든 유형의 연료를 사용할 수 있습니다.
- 연소는 엔진 외부에서 발생합니다.
결함
애플리케이션
현재 발전기를 갖춘 스털링 엔진은 다양한 분야에서 사용되고 있습니다. 이는 냉장고, 펌프, 잠수함 및 태양광 발전소의 보편적인 전기 에너지원입니다. 다양한 종류의 연료를 사용하기 때문에 폭넓게 사용할 수 있습니다.
르네상스
필립스 덕분에 이러한 엔진이 다시 개발되기 시작했습니다. 20세기 중반에 General Motors는 이 회사와 계약을 체결했습니다. 그녀는 우주 및 수중 장치, 선박 및 자동차에서 스털링을 사용하기 위한 개발을 주도했습니다. 그 뒤를 이어 스웨덴의 또 다른 회사인 United Stirling이 이를 개발하기 시작했습니다.
오늘날 선형 스털링 엔진은 수중, 우주 및 태양열 차량 설치에 사용됩니다. 환경 파괴 문제와 소음 퇴치 문제의 관련성으로 인해 큰 관심이 있습니다. 캐나다와 미국, 독일과 프랑스, 일본에서는 그 활용도를 개발하고 개선하기 위해 활발한 검색이 진행 중입니다.
미래
긴 서비스 수명, 다양한 연료 사용, 무소음 및 낮은 독성으로 구성된 피스톤 및 스털링 엔진의 명백한 장점은 내연 기관에 비해 매우 유망합니다. 하지만 내연기관은 시간이 지나면서 개선되어 왔기 때문에 쉽게 교체할 수는 없습니다. 어떤 식 으로든 오늘날 선두 자리를 차지하고있는 것은 바로이 엔진이며 가까운 시일 내에 포기할 생각이 없습니다.
", FSUE(Federal State Unitary Enterprise) "Krylov Scientific Center"는 혐기성, 즉 공기 불요 발전소(VNEU)를 갖춘 최초의 잠수함의 탄생이 조선 분야에서 중요한 기술 혁신으로 이어질 것이라고 보고했습니다.
공기 독립형 설치를 위한 과학적, 기술적 기반이 마련되었습니다. 고체 원소를 기반으로 한 전기화학 발전기를 갖춘 증기 개질 장치가 개발되었습니다. 산업 디자인이 탄생했습니다. 핵심 기술로는 디젤 연료로부터 수소를 생산하는 기술, 수소에서 전류를 추출하는 전기화학 발전기를 만드는 기술, 1사이클부터 폐기물을 제거하는 기술 등을 구현한다. 즉, 반응 중에 생성되는 CO2입니다. 이 문제는 아직 마무리 단계에 있지만 적절한 자금이 지원된다면 해결될 것입니다.
-해당 기업의 전무 이사 Mikhail Zagorodnikov가 말했습니다.
우선, VNEU는 배터리를 재충전하고 수중 디젤 발전기를 작동하는 데 필요한 공기 공급을 보충하기 위해 선박이 표면으로 올라갈 필요가 없도록 해줍니다.
표시된 바와 같이 현재 독일은 VNEU 개발에서 가장 큰 진전을 이루었습니다. 2014년에 프랑스 DCNS는 문제의 설치물을 Scorpene급 잠수함에 장착하여 이 방향에서 성공을 거두었다고 보고했습니다. 호주 해군이 추구하는 이 회사의 대형 잠수함 설계는 SMX Ocean(일명 Shortfin Barracuda)입니다. 인도에서는 Kalvari 유형(Scorpene 기반) 보트용으로 VNEU가 개발되고 있습니다.
위에서 언급한 외국 경험과 달리 러시아 VNEU는 완전히 다른 운영 방법을 의미합니다. 즉, 수소는 선상으로 운송되지 않고 디젤 연료를 개질하여 시설에서 직접 얻습니다.
해군 무기 분야의 전문가인 Vladimir Shcherbakov는 VNEU를 탑재한 잠수함을 사용하면 적이 엄격하게 통제하는 수역에서 성공적으로 작전할 수 있다고 믿습니다.
적의 대잠수함 부대가 활발하게 작전을 펼치는 곳에서는 떠오르지 않는 능력이 중요합니다. 위대한 애국 전쟁 동안 발트해에서 우리 보트가 독일인들에게 얼마나 쉬운 먹이였는지 기억하는 것으로 충분합니다. 전쟁이 끝날 무렵 북대서양의 독일 잠수함에게도 비슷한 상황이 발생했습니다.
그의 의견으로는 이러한 유형의 보트는 특히 핵잠수함 함대가 없는 국가에서 높은 수출 잠재력을 가지고 있다고 생각합니다. 그는 러시아의 경우 이 단계에서는 기술을 테스트하고 전문가를 교육하기 위해 Lada 프로젝트의 보트 두 척으로 제한하는 것으로 충분하다고 믿습니다.
잘 개발된 직렬 Varshavyanka는 이제 적의 핵 보트로부터 기지와 해안을 보호할 수 있습니다.
현재 상트페테르부르크의 해군성 조선소에서는 Kronstadt와 Velikiye Luki를 건조하고 있습니다. 이 프로젝트의 주잠수함인 상트페테르부르크는 북부함대에서 시험운항 중이다. 아직 혐기성 발전소가 없습니다.
혐기성 발전소를 갖춘 Amur-950 프로젝트 잠수함의 렌더링
CDB MT "루빈"
Project 677 Lada의 실험용 잠수함과 Kalina 프로젝트의 새로운 비핵 잠수함에 설치될 예정인 유망한 러시아 혐기성 발전소에는 두 배 용량의 배터리가 장착됩니다. Mil.Press FlotProm이 쓴 것처럼 개선된 배터리의 전력은 현재 모델의 50kW가 아닌 100kW가 될 것입니다. 잠수함 혐기성 발전소용 신형 배터리 개발 및 시험은 2020년까지 완료할 계획이다.
현대의 디젤-전기 잠수함은 대형 핵잠수함에 비해 몇 가지 장점을 가지고 있습니다. 주요 장점 중 하나는 잠수 위치에서 거의 완전한 움직임이 없다는 것입니다. 이 경우 배터리로 구동되는 조용한 전기 모터만이 선박의 움직임을 담당하기 때문입니다. 이 배터리는 발전기에 공기를 공급할 수 있는 특수 파이프인 스노클을 설치할 수 있는 표면이나 깊이에서 디젤 발전기로 재충전됩니다.
기존 디젤-전기 잠수함의 단점은 선박이 수중에서 보낼 수 있는 시간이 상대적으로 짧다는 것입니다. 가장 좋은 경우에는 3주에 도달할 수 있으며(비교를 위해 핵 잠수함의 경우 이 수치는 60~90일임), 그 이후에는 잠수함이 수면에 올라 디젤 발전기를 가동해야 합니다. 작동하는 데 외부 공기가 필요하지 않은 혐기성 발전소를 사용하면 비핵 잠수함이 훨씬 더 오랫동안 잠수 상태를 유지할 수 있습니다. 예를 들어, 이러한 설치를 갖춘 Lada 프로젝트의 잠수함은 45일 동안 물속에 머물 수 있습니다.
유망한 러시아 혐기성 발전소는 고도로 정제된 수소를 사용하여 운영할 예정입니다. 이 가스는 개질, 즉 연료를 수소 함유 가스와 방향족 탄화수소로 변환하여 디젤 연료를 사용하여 선박에서 생산되며, 이후 수소 분리 장치를 통과합니다. 그런 다음 수소는 수소-산소 연료 전지에 공급되어 엔진과 온보드 시스템에 전기가 생성됩니다.
테스트 벤치의 BTE-50K-E 배터리
크릴로프 주립 과학 센터
전기화학발전기라고도 불리는 이 배터리는 선박전기공학중앙연구소에서 개발 중이다. 수소와 산소의 반응을 통해 전기를 생산하는 이 배터리를 BTE-50K-E라고 합니다. 그 전력은 50 킬로와트입니다. 개선된 배터리의 전력은 100kW가 될 것입니다. 새로운 배터리는 250~450kW 용량의 유망 비핵 잠수함 전력 모듈의 일부가 될 것입니다.
전기화학적 요소 자체(수소 연료 전지라고도 함) 외에도 이러한 모듈에는 탄화수소 연료 변환기가 포함됩니다. 디젤 연료 개질 과정이 진행될 것입니다. 새 배터리 개발자 중 한 명이 Mil.Press FlotProm에 말했듯이 탄화수소 연료 변환기는 현재 개발 중입니다. 앞서 잠수함용 혐기성 발전소 개발이 2018년 말 완료될 예정인 것으로 알려졌다.
지난 2월, 조지아 공과대학(Georgia Institute of Technology) 연구원들은 메탄 및 수소 생산의 촉매 개질을 위한 소형 4행정 왕복 장치 개발을 발표했습니다. 새로운 설비를 체인으로 결합하여 수소 생산량을 높일 수 있습니다. 설치는 매우 컴팩트하며 강한 가열이 필요하지 않습니다. 반응기는 4행정 주기로 작동합니다. 첫 번째 행정 동안 증기와 혼합된 메탄이 밸브를 통해 실린더로 공급됩니다. 동시에 실린더 내부의 피스톤도 원활하게 하강합니다. 피스톤이 바닥점에 도달한 후 혼합물 공급이 차단됩니다.
두 번째 행정에서는 피스톤이 상승하여 혼합물을 압축합니다. 동시에 실린더는 섭씨 400도까지 가열됩니다. 고압 및 열 조건에서 개질 과정이 발생합니다. 수소가 방출되면서 개질 중에 생성되는 이산화탄소를 막는 막을 통과합니다. 이산화탄소는 촉매와 혼합된 흡착재에 의해 흡수됩니다.
세 번째 스트로크에서는 피스톤이 가장 낮은 위치로 떨어지며 실린더의 압력이 급격히 감소합니다. 이 경우, 흡착재로부터 이산화탄소가 방출됩니다. 그런 다음 네 번째 스트로크가 시작되고, 그 동안 실린더의 밸브가 열리고 피스톤이 다시 상승하기 시작합니다. 네 번째 행정 동안 이산화탄소는 실린더 밖으로 배출되어 대기 중으로 배출됩니다. 네 번째 박자 후에 사이클이 다시 시작됩니다.
바실리 시체프
“외국군사검토” 제6호, 2004. (pp.59-63)
1위 대위 N. SERGEEV,
대장 1위 I. YAKOVLEV,
대장 3위 S. IVANOV
전통적인 디젤 전기 발전소(EP)를 갖춘 잠수함은 특정 작업을 해결하는 상당히 효과적인 수단이며 특히 해안 및 얕은 해역에서 작전할 때 잠수함에 비해 여러 가지 장점이 있습니다. 이러한 장점에는 낮은 소음 수준, 저속에서의 높은 기동성 및 잠수함에 필적하는 공격력이 포함됩니다. 또한 해군에 비핵 잠수함을 포함시키는 이유는 주로 제작 및 운영 비용이 저렴하기 때문입니다. 동시에, 특히 배터리에 저장된 에너지의 양이 적기 때문에 수중 위치에서 보내는 시간이 제한된다는 등 여러 가지 단점이 있습니다. 배터리를 충전하기 위해 잠수함은 레이더, 적외선, 광학 전자 및 음향 수단에 의한 탐지 가능성을 높이는 수중 디젤 작동 모드(RDS)를 표면으로 올라가거나 사용해야 합니다. 배터리를 충전하는 데 필요한 RDP에 따른 항해 시간과 배터리 방전 기간의 비율을 "과실 정도"라고 합니다.
수중 순항 범위를 늘리는 데에는 여러 가지 방향이 있으며, 그 중 주요한 것은 비핵 잠수함과 그 구성 요소의 전통적인 전력을 향상시키기 위한 과학, 기술 및 기술 개발입니다. 그러나 현대 상황에서는 이러한 방향을 구현해도 주요 문제에 대한 해결책을 완전히 제공할 수 없습니다. 외국 전문가들에 따르면 이러한 상황에서 벗어나는 방법은 잠수함에 보조 발전소 역할을 할 수 있는 공기 불요 발전소(VNEU)를 사용하는 것이라고 합니다.
이 주제에 대한 작업 과정에서 얻은 성공적인 결과를 통해 새로 건조된 보조 VNEU를 장착하고 작동 중인 디젤 전기 잠수함을 개조할 수 있게 되었습니다. 후자에는 발전소 자체, 연료 및 산화제 저장용 탱크, 대량의 소모성 시약 교체용 탱크, 보조 메커니즘 및 장비, 모니터링 및 제어 장치가 포함된 내구성 있는 본체로 절단된 추가 구획이 있습니다. 앞으로 VNEU는 잠수함에 주력으로 사용될 예정이다.
현재 공기 불요 발전소에는 폐쇄 사이클 디젤 엔진(CLD), 스털링 엔진(DS), 연료 전지 또는 전기 화학 발전기(ECG) 및 폐쇄 사이클 증기 터빈 플랜트의 네 가지 주요 유형이 있습니다.
VNEU의 주요 요구 사항에는 낮은 소음 수준, 낮은 발열, 허용 가능한 무게 및 크기 특성, 작동의 단순성과 안전성, 긴 서비스 수명 및 저렴한 비용, 기존 해안 인프라를 사용할 수 있는 능력이 포함됩니다. 이러한 요구 사항은 스털링 엔진, ECG 및 폐쇄 사이클 증기 터빈 장치를 갖춘 보조 발전소에서 최대한 충족됩니다. 따라서 많은 국가의 해군은 비핵 잠수함에 대한 실제 적용을 위해 적극적으로 노력하고 있습니다.
스털링 엔진을 갖춘 발전소. 스웨덴 회사 Kokums Marine AB는 정부의 의뢰로 1982년에 개발을 시작했습니다. 전문가들은 처음에 스털링 엔진을 갖춘 VNEU를 전통적인 디젤 전력 발전소(DEPU)와 함께 작동하는 보조 엔진으로 간주했습니다. 그들의 연구에 따르면 (전통적인 DEPP를 사용하지 않고) 주요 설비로 만들어진 새로운 설비는 생산 비용이 너무 비싸고 해저 발전소에 대한 기술 요구 사항을 충족하기 어려울 것으로 나타났습니다.
스웨덴 왕립 해군은 높은 출력 밀도, 낮은 소음 수준, 정교한 디젤 엔진 생산 기술, 신뢰성 및 작동 용이성 등 여러 가지 이유로 스털링 엔진을 탑재한 VNEU를 선택했습니다.
디젤 엔진의 높은 비출력은 연소실에서 산소와 함께 디젤 연료를 연소함으로써 달성됩니다. 잠수함에서는 필요한 산소 공급이 액체 상태로 저장되며 이는 현대 극저온 기술을 통해 제공됩니다.
스털링 엔진은 외연기관이다. 작동 원리는 외부 소스에서 생성된 열의 사용과 폐쇄 루프에 있는 작동 유체에 대한 공급을 포함합니다. DC는 외부 소스에서 생성된 열을 기계적 에너지로 변환한 다음 발전기에서 이를 직류로 변환합니다. 엔진의 폐쇄 작동 회로의 일부인 재생기는 작동 유체에서 팽창 후 생성된 열 에너지를 가져와 가스 방향이 바뀔 때 이를 다시 사이클로 되돌립니다.
DS는 복동식 피스톤을 사용합니다. 피스톤 위의 공간은 팽창 공동이고, 피스톤 아래의 공간은 압축 공동입니다. 각 실린더의 압축 공동은 외부 채널을 통해 냉각기, 재생기 및 히터를 통해 인접한 실린더의 팽창 공동에 연결됩니다. 팽창 및 압축 단계의 필요한 조합은 크랭크 기반 분배 메커니즘을 사용하여 달성됩니다. 스털링 엔진의 개략도가 그림에 나와 있습니다.
디젤엔진의 작동에 필요한 열에너지는 디젤연료와 액체산소를 연소시켜 고압의 연소실에서 발생됩니다. 산소와 디젤 연료는 4:1 비율로 연소실로 들어가 연소됩니다.
작업 공정에 필요한 온도를 유지하고 재료의 충분한 내열성을 보장하기 위해 DS 설계에 특수 가스 재순환 시스템(GRC)이 사용됩니다. 이 시스템은 설계되었습니다
연료 혼합물의 연소 중에 형성된 가스로 연소실로 유입되는 순수한 산소를 희석합니다.
스털링 엔진이 작동하면 배기 가스 중 일부가 배 밖으로 배출되어 기포 흔적이 형성될 수 있습니다. 이는 디젤 엔진의 연소 과정이 배기 가스와 분리될 수 없는 과도한 사용되지 않은 산소로 발생하기 때문입니다. 배기가스가 해수에 용해될 때 발생하는 기포 수를 줄이기 위해 가스와 물이 혼합된 흡수 장치를 사용합니다. 이 경우 배기 가스는 특수 열 교환기에서 800°C에서 25°C로 사전 냉각됩니다. 연소실의 작동 압력을 통해 잠수함의 다양한 침수 깊이에서 작업 깊이까지 배기 가스를 제거할 수 있으므로 이러한 목적으로 소음이 증가된 특수 압축기를 사용할 필요가 없습니다.
외부 열 공급 과정에는 필연적으로 추가적인 열 손실이 수반되므로 디젤 엔진의 효율은 디젤 엔진에 비해 낮습니다. 부식이 증가하면 디젤 엔진에 기존 디젤 연료를 사용할 수 없습니다. 황 함량이 낮은 연료가 필요합니다.
스웨덴 프로그램의 경우 United Sterling의 DS 유형 V4-275가 채택되었습니다. 4기통 엔진입니다(각 실린더의 작동 부피는 275cm3입니다). 실린더를 V자형으로 배열하여 소음과 진동을 줄였습니다. 엔진 연소실의 작동 압력은 2 MPa로 최대 200m의 잠수함 침수 깊이에서 사용할 수 있습니다. 깊은 수심에서 엔진을 작동하려면 배기 가스 압축이 필요하므로 제거하기 위해 추가 전력 소비가 필요합니다. 배기 가스가 발생하고 소음 수준이 증가합니다.
DS를 기반으로 한 최초의 발전소에는 Näkken급 잠수함이 장착되어 1988년 현대화 이후 진수되었습니다. 스털링 엔진, 디젤 연료 저장 탱크, 액체 산소 및 보조 장비는 잠수함의 내구성 있는 선체에 내장된 부력이 없는 추가 섹션에 배치되었습니다. 이로 인해 보트의 길이가 10% 증가하여 기동성 변화에 약간의 영향을 미쳤습니다.
두 개의 DS 유형 V4-275R은 각각 75kW의 전력을 갖는 DC 발전기에서 작동합니다. 엔진은 2단계 충격 흡수 기능을 갖춘 진동 차단 구조의 소음 차단 모듈에 배치됩니다. 테스트 결과에 따르면 DS는 잠수함의 탑재 시스템에 전력을 공급하고 배터리 재충전을 보장하며 최대 4노트의 속도로 보트를 추진하는 데 필요한 충분한 양의 전기를 생성할 수 있습니다. 더 높은 속도를 달성하고 주 프로펠러 전기 모터에 전력을 공급하기 위해 엔진과 배터리를 함께 사용할 계획입니다.
복합발전소를 활용한 덕분에 수중 항해 시간은 3~5일에서 14일로 늘었고, 순찰 속도는 3노트에서 6노트로 늘어났다. 결과적으로 잠수함의 비밀이 높아졌습니다.
스웨덴 전문가에 따르면 스털링 엔진은 선박 조건에서 높은 신뢰성과 유지 관리성을 입증했습니다. 소음 방출은 추진 전기 모터의 소음을 초과하지 않으며 동급 디젤 엔진의 소음보다 20-25dB 낮습니다.
스웨덴 해군은 Gotland급 잠수함에 이 보조 VNEU를 장착하고 있습니다. 이 유형의 잠수함 3척 건조 계약은 1990년 3월 국가 정부와 Kokums 회사와 체결되었습니다. 이 시리즈의 첫 번째 잠수함인 "Gotland"는 1996년에 운용되었고, 다음 두 잠수함인 "Apland"와 "Halland"는 1997년에 운용되었습니다. 현대화 과정에서 Västergotland급 잠수함에 이러한 유형의 보조 발전소를 장착할 계획입니다.
외국 소식통에 따르면 DS를 탑재한 발전소를 갖춘 스웨덴 잠수함은 이미 실제로 좋은 결과를 보여주었다. 특히 이번 훈련에서는 전통적인 디젤-전기 발전소를 탑재한 스페인 해군 잠수함에 비해 홀란드 잠수함의 우월성이 입증됐고, 미국과 프랑스 해군의 핵잠수함과의 합동항해에서도 향상된 성능 특성이 입증됐다.
ECG가 있는 발전소. 전기화학발전기는 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치이다. ECG의 기본은 연료전지(FC)로, 연료와 산화제가 상호 작용하는 동안 전기를 생성하는 과정이 발생하며 연속적이고 개별적으로 FC에 공급됩니다. 원칙적으로 연료전지는 갈바니 전지의 일종이다. 후자와 달리 연료전지는 활성 성분(연료 및 산화제)이 지속적으로 공급되기 때문에 소모되지 않습니다.
연구 중에 다양한 유형의 연료와 산화제가 테스트되었습니다. 가장 좋은 결과는 전기 에너지와 물이 생성되는 상호 작용의 결과인 산소와 수소의 반응을 사용하여 달성되었습니다.
수소와 산소의 저온 연소를 통한 직류 생성은 오랫동안 알려져 왔으며 수중 차량에서 전기를 생성하는 데 성공적으로 사용되었습니다. 이러한 전기 생성 원리는 1980년대에만 잠수함에서 사용되었습니다. PA에서는 산소와 수소를 고압의 내구성 있는 탱크에 별도로 저장했습니다. 전기화학 발전기는 배터리보다 효율적이지만 기체 상태로 저장된 연료 시약의 공급으로 인해 스쿠버 다이빙에 필요한 시간이 허용되지 않아 잠수함에서의 사용이 복잡했습니다.
산소를 저장하는 가장 최적의 방법은 액체 상태(극저온 형태 - 180°C 온도), 수소 - 금속 수소화물 형태입니다.
1980년대 중반까지 IKL(Ingenieurkontor Lubeck), HDW(Howaldtswerke Deutsche Werft AG) 및 FS(Ferrostaal) 회사를 포함한 독일 컨소시엄 GSC(독일 잠수함 컨소시엄)는 연료 전지를 사용하여 실험적인 육상 ECG 설치를 개발하고 만들었습니다. Siemens는 연료 전지, 수소 및 산소 저장 시스템, 파이프라인, 제어 시스템, 기존 발전소와의 작업 상호 작용 등 구성 요소의 공동 작동을 확인합니다.
PL. ECG 프로토타입은 테스트 완료 후 수정 없이 작동 중인 잠수함에 설치할 수 있도록 구조적으로 설계되었습니다. 해안 테스트 결과, ECG를 갖춘 발전소가 잠수함에 효과적으로 사용될 수 있음이 나타났습니다.
1989년 독일 해군의 이익을 위해 HDW 조선소에서 ECG가 장착된 보조 VNEU를 갖춘 프로젝트 205의 U-1 잠수함에 대한 9개월 간의 일련의 해상 시험이 성공적으로 완료되었습니다. 결과적으로 이러한 유형의 항공기 관리팀은 디젤 전력 발전소만 갖춘 잠수함의 추가 건설을 포기하고 "하이브리드" 항공기(ECG가 있는 주 및 보조 발전소로 DEPP)를 사용하기로 결정했습니다. 추가 연구는 ECG를 주요 장치로 사용하여 이러한 장치를 개발하는 것을 목표로 합니다.
구조적으로 ECH는 고분자막(PEM)을 갖춘 전기화학 모듈입니다. 모든 모듈은 단일 프레임에 설치되며 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있습니다.
ECG가 있는 발전소의 보조 장치는 해수와 잔류 가스 시스템을 사용하는 냉각 시스템입니다. 후자는 배터리 환기 시스템의 잔류 수소의 재연소와 온보드 요구에 따른 잔류 산소의 사용을 보장합니다. 발전소 제어 시스템은 안전 제어 시스템과 통합되어 있으며 모니터는 중앙 제어실에 있습니다.
연료전지의 에너지 변환은 자동으로 발생합니다. 발전소에는 회전 또는 진동 운동을 수행하는 장치가 없습니다. 발열이 적기 때문에 물리적 장 형성에 큰 영향을 미치지 않습니다. 회전 부품이 있는 유일한 보조 시스템은 냉각 시스템이지만 잠수함의 음장 수준에 큰 영향을 미칠 만큼 시끄럽지 않습니다.
연료전지에서 반응의 초기 활성화에는 많은 전기가 필요하지 않으므로 양면 공간에 위치한 실린더에 저장된 금속수소화물이 저질로 만들어진 충격방지 초저온 탱크에서 액체 상태로 저장된 수소와 산소를 방출하기 시작합니다. -자성 강철이 증발하기 시작합니다.
이러한 유형의 발전소는 매우 효율적이며 최대 70%의 높은 효율을 가지며 이 지표에서는 다른 공기 독립형 발전소를 훨씬 능가합니다. 출력 전력의 상대적 수준에 대한 다양한 유형의 VNEU 효율성 의존성에 대한 비교 데이터가 그래프에 표시됩니다. 에너지 변환 과정은 낮은 작동 온도(60~90°C)에서 발생합니다. 초기에 시작된 전기화학 프로세스를 유지하려면 작동 중에 시스템에서 생성되는 소량의 열이 필요합니다. EC에서 발생하는 열의 일부는 난방 등 가정용으로 사용될 수 있습니다. 설비에서 제거해야 하는 열의 양이 적기 때문에 발전소를 해수로 강제 냉각하는 데 오랜 시간이 걸리지 않습니다(최대 작동 하루). 반응으로 생성된 물은 적절한 처리를 거쳐 식수로 사용할 수 있습니다.
직렬로 연결된 소형 연료 요소의 조합을 통해 필요한 모든 전압을 얻을 수 있습니다. 전압 조절은 연료 전지 장치의 플레이트 수를 변경하여 이루어집니다. 이러한 요소를 직렬로 연결하면 가장 큰 전력을 얻을 수 있습니다.
ECG 장치의 작동은 잠수함의 잠수 깊이에 의존하지 않습니다. 이러한 발전소에서 생산된 전기는 보트의 주 배전반으로 직접 전달됩니다. 65% 이동 및 선박 요구 사항에 30%가 소요됩니다. - 발전소의 냉각 시스템 및 잔류 가스 시스템의 경우 5%. - 발전소의 추가 장비용. 보조 발전소는 배터리와 병렬로 작동하여 잠수함의 전기 추진력을 제공하고 다른 소비자에게 전원을 공급하며 배터리를 재충전할 수 있습니다.
4척과 2척의 212A형 잠수함에 ECG 보조 발전소를 장착할 계획이며, 이는 독일과 이탈리아 해군을 위해 각각 건조되고 있으며 그리스와 대한민국을 위한 214형 보트의 수출 버전도 준비되어 있습니다. 해군.
독일 해군용 212A 유형 보트의 첫 번째 하위 시리즈에 속하는 잠수함 2척에는 각각 34kW의 연료 전지 9개와 공칭 출력 약 300kW의 ECG를 갖춘 보조 발전소가 장착되어 있습니다. 두 번째 하위 시리즈의 보트에는 120kW 연료전지 2개가 장착될 예정입니다. 이는 34kW 연료전지와 거의 동일한 무게와 크기 특성을 가지지만 동시에 효율은 4배 증가합니다. Type 212A 잠수함은 약 2주 동안 잠수 상태를 유지할 수 있습니다. 이 설치의 정격 출력을 사용하면 배터리를 사용하지 않고도 최대 8노트의 속도에 도달할 수 있습니다.
연료전지를 기반으로 한 발전소의 모듈식 설계는 건설 중인 잠수함에 대한 설치를 용이하게 할 뿐만 아니라 이전에 건조된 발전소, 심지어 독일 잠수함을 수입하는 국가의 조선소에서 라이센스를 받아 건조된 발전소도 장착할 수 있게 해줍니다.
또한 독일 전문가에 따르면 이러한 발전소는 유지 관리 가능성이 높고 서비스 수명이 더 긴 것이 특징입니다.
폐쇄 사이클 증기 터빈 장치(STU). 폐쇄형 랭킨 사이클로 작동하는 PTU MESMA(Module d'Energie Sous-Marin Autonome)는 수출 판매를 위해 프랑스 해군 DCN의 조선 부서에서 개발되었으며, 프랑스 회사 Tecnicatom, Thermodyne, Air Liquid 등이 참여하고 있습니다. 생산 Bertin 및 Empresa Nacional Bazan 조선소 (스페인).
MESMA는 2회로 설치입니다. 첫 번째 회로에서는 산소에서 에탄올이 연소된 결과 냉각수(증기 가스)가 형성되고, 이는 증기 발생기 경로를 통과하여 두 번째 회로에서 순환하는 물에 열을 발산합니다. 물은 고압 증기로 변환되어 발전기에 연결된 증기 터빈을 회전시킵니다. 산소는 잠수함의 특수 용기에 액체 상태로 저장됩니다. 연소 반응 생성물은 물과 배 밖으로 배출되는 배기 가스입니다. 이는 잠수함의 가시성을 증가시킬 수 있습니다.
연소실의 연소는 6MPa의 압력에서 발생하므로 최대 600m 깊이에서도 설치가 작동할 수 있으므로 연소 생성물을 선외로 제거하기 위해 압축기를 사용할 필요가 없습니다.
MESMA 증기 터빈을 갖춘 발전소의 효율은 20%인데, 이는 연료 연소, 과열 증기 생산, 3상 전류 생성 및 그에 따른 직류로의 변환 등 다중 에너지 변환 중에 큰 손실이 발생하기 때문입니다.
전체 설치는 전체적으로 매우 콤팩트하며 길이 10m, 너비 7.8m의 내구성 있는 하우징 섹션에 장착됩니다. 산소는 내구성 있는 잠수함 하우징 내부의 특수 충격 흡수 마운트에 장착된 실린더에 액화 상태로 저장됩니다. 수직 위치.
1998년 9월 MESMA 발전소 프로토타입의 벤치 테스트가 완료되었습니다. 2000년 4월, 압력 선체 구역에 위치한 최초의 선박 발전소가 셰르부르 조선소에서 제조되었습니다. 승인 테스트가 완료된 후, 발전소가 포함된 모듈은 파키스탄으로 보내져 프랑스 라이센스에 따라 건조 중인 Agosta 90B 유형의 Ghazi 잠수함에 장착할 예정이었습니다. 이는 건설 중에 보조 공기 불요 발전소가 설치되는 최초의 잠수함입니다. 이전에 건조된 나머지 두 척의 잠수함은 나중에 현대화 및 수리 과정에서 장착될 예정입니다.
비핵 잠수함에 보조 공기 독립 발전소를 사용하면 수중 항해 기간 측면에서 성능 특성이 향상되어 보트의 스텔스가 향상되고 전투 능력이 확장되었습니다. 건설 중인 잠수함 외에도 보조 VNEU에는 현대화 과정에서 기존 디젤 잠수함을 장착할 수 있습니다. 기술의 추가 개발과 이를 기반으로 VNEU의 질적으로 새로운 특성을 획득하면 비핵 잠수함이 핵 잠수함에 내재된 문제를 해결할 수 있을 가능성이 높습니다.
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즉, 내연기관과 달리 작동유체가 실린더 내부에서 연료를 동시에 연소시키는 내연기관은 스털링에서는 연료가 외부에서 연소되어 실린더 내부의 작동유체(공기)를 가열한 후 평소와 같이, 크랭크 등등
이 기사에서는 실제 주요 위치 특성인 혐기성을 보지 못했습니다. 즉, 내연 기관이 연소를 위해 산소가 필요한 것처럼 스털링에서도 동일한 연소 과정이 사용됩니다. 즉, 산소가 여전히 필요합니다.
연소는 단순히 내부에서 외부로 전달되며 그게 전부입니다. 글쎄, 스털링은 또한 내연 기관에서와 같이 펄스, 폭발 방식이 아닌 지속적으로 연소되므로 소음이 없어 잠수함에 유용합니다. 하지만 그게 장점의 전부야
나는 연소 대신에 다른 발열 화학 반응이 사용될 것이라고 생각했습니다. 예를 들어 산소 대신 물이 참여하는 것은 논리적이며 육지에는 주변에 많은 산소가 있고 물 아래에는 자체 물이 있습니다.
모르겠어요 원통 안이나 바깥쪽에 붓고, 음, 적어도 생석회를 붓고 그 위에 물을 부어 발생하는 열을 회전으로 변환합니다
왜 혐기성 엔진을 선언하고 여전히 산소를 사용합니까?
또한 아이디어를 개발하면 프로젝트는 전기 모터를 주 추진 모터로 사용하고 스털링은 배터리를 재충전하는 데만 필요하므로 화학 반응을 통해 EMF를 직접 생성하는 수단에 집중하는 것이 더 쉽지 않을까요? 기계 없이?
이것은 여름에 전기가 없는 다차에서 220 인버터를 자동차 배터리에 연결하고 저전압 LED가 있는 에너지 절약 전구를 연결했던 방법을 생각나게 했습니다. 그러다가 처음에 전압을 12에서 220으로 올렸다가 다시 낮추는 것이 어리석은 일이라는 생각이 들었습니다. 집에서 12V LED를 만들었고 배터리가 3 배나 오래 지속되기 시작했습니다..
소비에트 시대에는 포돌스크에서 건식 충전 배터리가 만들어졌으며, 그 플레이트는 납 배터리의 충전 상태에 해당하는 구성으로 압축되었습니다. 이러한 배터리는 창고에 오랫동안 보관하고 충전할 수 있으며, 구매자는 전해질을 배터리에 붓고 즉시 자동차에 장착합니다. 예를 들어, 전해질이 담긴 건조판을 잠수함에 적재하면 이동 중에 소모되어 새 것으로 교체된 다음 연료와 같은 새로운 재료가 부두에 적재되고 사용한 것은 공장에서 하역되어 재생됩니다. 새로운 건식 충전 장치. 모두. 증기 기관차의 효율성으로 이중 변환이 없고 산소가 없으며 진정한 무산소 회로입니다.
글쎄, 납산 배터리를 사용하면 그냥 생각만 하면 훨씬 더 완벽한 프로세스를 생각해낼 수 있습니다. 예를 들어 리튬의 경우 무게와 위험한 산을 뺀 것입니다.