Beztlenowy system napędowy. Elektrownia beztlenowa

Silnik Stirlinga, którego zasada działania różni się jakościowo od zwykłego dla wszystkich silników spalinowych, kiedyś był godnym konkurentem dla tego drugiego. Jednak na chwilę o tym zapomnieli. Jak ten silnik jest używany dzisiaj, jaka jest zasada jego działania (w artykule można znaleźć również rysunki silnika Stirlinga, które wyraźnie pokazują jego działanie) oraz jakie są perspektywy przyszłego wykorzystania, przeczytaj poniżej.

Fabuła

W 1816 roku w Szkocji Robert Stirling opatentował ten, nazwany dzisiaj na cześć jego wynalazcy. Pierwsze silniki na ogrzane powietrze zostały wynalezione przed nim. Ale Stirling dodał do urządzenia oczyszczacz, który w literaturze technicznej nazywany jest regeneratorem lub wymiennikiem ciepła. Dzięki niemu wydajność silnika wzrosła przy jednoczesnym utrzymaniu ciepła jednostki.

Silnik został uznany za najtrwalszy dostępny wówczas silnik parowy, ponieważ nigdy nie eksplodował. Przed nim na innych silnikach ten problem pojawiał się często. Pomimo szybkiego sukcesu, jego rozwój został porzucony na początku XX wieku, ponieważ stał się mniej ekonomiczny niż inne silniki spalinowe i silniki elektryczne, które się wtedy pojawiły. Jednak Stirling nadal był używany w niektórych branżach.

Silnik spalinowy

Zasada działania wszystkich silników cieplnych polega na tym, że uzyskanie gazu w stanie rozprężonym wymaga większych sił mechanicznych niż przy sprężaniu zimnego. Aby to zademonstrować, możesz przeprowadzić eksperyment z dwoma garnkami wypełnionymi zimną i gorącą wodą oraz butelką. Ten ostatni zanurza się w zimnej wodzie, zatyka korkiem, a następnie przenosi na gorąco. W takim przypadku gaz w butelce zacznie wykonywać pracę mechaniczną i wypchnie korek. Pierwszy silnik spalinowy został w całości oparty na tym procesie. To prawda, później wynalazca zdał sobie sprawę, że część ciepła można wykorzystać do ogrzewania. W ten sposób produktywność znacznie wzrosła. Ale nawet to nie pomogło silnikowi stać się powszechnym.

Później Erickson, inżynier ze Szwecji, udoskonalił projekt, sugerując, aby gaz był chłodzony i podgrzewany przy stałym ciśnieniu zamiast objętości. W rezultacie wiele egzemplarzy zaczęto wykorzystywać do pracy w kopalniach, na statkach iw drukarniach. Ale dla załóg były one zbyt ciężkie.

Silniki spalinowe firmy Philips

Takie silniki są następujących typów:

• para;
• turbina parowa;
• Stirlinga.

Ten ostatni typ nie został opracowany ze względu na niską niezawodność i inne nie najwyższe wskaźniki w porównaniu z innymi typami jednostek, które się pojawiły. Jednak firma Philips została ponownie otwarta w 1938 roku. Silniki zaczęły służyć do napędzania generatorów na obszarach niezelektryfikowanych. W 1945 roku inżynierowie firmy znaleźli dla nich przeciwne zastosowanie: jeśli wał jest obracany przez silnik elektryczny, to chłodzenie głowicy cylindrów osiąga minus sto dziewięćdziesiąt stopni Celsjusza. Wtedy zdecydowano się na zastosowanie ulepszonego silnika Stirlinga w agregatach chłodniczych.

Zasada działania

Działanie silnika polega na pracy na cyklach termodynamicznych, w których kompresja i rozprężanie zachodzą w różnych temperaturach. W tym przypadku regulacja przepływu płynu roboczego realizowana jest poprzez zmianę objętości (lub ciśnienia - w zależności od modelu). Taka jest zasada działania większości tych maszyn, które mogą mieć różne funkcje i konstrukcje. Silniki mogą być tłokowe lub obrotowe. Maszyny wraz z instalacjami pracują jako pompy ciepła, lodówki, generatory ciśnienia itp.

Ponadto istnieją silniki o cyklu otwartym, w których kontrola przepływu jest realizowana przez zawory. To oni nazywają się silnikami Erickson, oprócz potocznej nazwy Stirling. W silniku spalinowym użyteczną pracę wykonuje się po wstępnym sprężeniu powietrza, wtrysku paliwa, podgrzaniu powstałej mieszanki zmieszanej ze spalaniem i rozprężaniem.

Silnik Stirlinga ma tę samą zasadę działania: w niskich temperaturach dochodzi do kompresji, aw wysokich temperaturach do ekspansji. Ale ogrzewanie odbywa się na różne sposoby: ciepło jest dostarczane przez ścianę cylindra z zewnątrz. Dlatego otrzymał nazwę silnika spalinowego. Stirling zastosował okresową zmianę temperatury za pomocą tłoka wyporowego. Ten ostatni przenosi gaz z jednej wnęki cylindra do drugiej. Z jednej strony temperatura jest stale niska, az drugiej wysoka. Kiedy tłok porusza się w górę, gaz przemieszcza się z gorącej do zimnej wnęki, a gdy porusza się w dół, wraca do gorącej. Najpierw gaz oddaje dużo ciepła do lodówki, a następnie odbiera tyle ciepła z grzejnika, ile oddał. Pomiędzy nagrzewnicą a chłodnicą umieszczony jest regenerator – wnęka wypełniona materiałem, któremu gaz oddaje ciepło. W przepływie zwrotnym regenerator zwraca ją.

System wypornika jest połączony z tłokiem roboczym, który spręża gaz na zimno i pozwala mu rozszerzać się w cieple. Ze względu na kompresję w niższej temperaturze wykonywana jest użyteczna praca. Cały system przechodzi przez cztery cykle z przerywanymi ruchami. Mechanizm korbowy zapewnia jednocześnie ciągłość. Dlatego nie obserwuje się ostrych granic między etapami cyklu, a Stirling nie maleje.

Biorąc pod uwagę powyższe, nasuwa się wniosek, że silnik ten jest maszyną tłokową z zewnętrznym doprowadzeniem ciepła, w której płyn roboczy nie opuszcza zamkniętej przestrzeni i nie jest wymieniany. Rysunki silnika Stirlinga dobrze ilustrują urządzenie i zasadę jego działania.

Szczegóły pracy

Słońce, elektryczność, energia jądrowa lub jakiekolwiek inne źródło ciepła mogą zasilać silnik Stirlinga. Zasada działania jego ciała polega na wykorzystaniu helu, wodoru lub powietrza. Idealny cykl ma maksymalną możliwą sprawność cieplną od trzydziestu do czterdziestu procent. Ale z wydajnym regeneratorem będzie mógł pracować z wyższą wydajnością. Regenerację, ogrzewanie i chłodzenie zapewniają wbudowane bezolejowe wymienniki ciepła. Należy zauważyć, że silnik wymaga bardzo niewielkiej ilości smarowania. Średnie ciśnienie w cylindrze wynosi zwykle od 10 do 20 MPa. Dlatego wymagany jest tutaj doskonały system uszczelnień i możliwość przedostania się oleju do wnęk roboczych.

Charakterystyka porównawcza

Większość działających obecnie silników tego typu wykorzystuje paliwa płynne. Jednocześnie ciągłe ciśnienie jest łatwe do kontrolowania, co pomaga zredukować emisje. Brak zaworów zapewnia cichą pracę. Stosunek mocy do masy jest porównywalny z silnikami z turbodoładowaniem, a gęstość mocy wyjściowej dorównuje jednostce wysokoprężnej. Prędkość i moment obrotowy są od siebie niezależne.

Koszt wyprodukowania silnika jest znacznie wyższy niż koszt silnika spalinowego. Ale podczas pracy uzyskuje się coś przeciwnego.

Zalety

Każdy model silnika Stirlinga ma wiele zalet:

• Wydajność przy nowoczesnym wzornictwie może sięgać nawet siedemdziesięciu procent.
• Silnik nie posiada wysokonapięciowego układu zapłonowego, wałka rozrządu i zaworów. Nie będzie wymagał regulacji przez cały okres eksploatacji.
• W Stirlingsie nie dochodzi do eksplozji, jak w silniku spalinowym, który mocno obciąża wał korbowy, łożyska i korbowody.
• Nie mają takiego efektu, gdy mówią, że „silnik zgasł”.
• Ze względu na prostotę urządzenia może działać przez długi czas.
• Może pracować zarówno na drewnie, jak i na paliwie jądrowym i każdym innym rodzaju paliwa.
• Spalanie odbywa się poza silnikiem.

Wady

Aplikacja

Obecnie silnik Stirlinga z generatorem znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach. Jest uniwersalnym źródłem energii elektrycznej w lodówkach, pompach, łodziach podwodnych i elektrowniach słonecznych. To właśnie dzięki wykorzystaniu różnych rodzajów paliwa możliwe jest jego szerokie zastosowanie.

odrodzenie

Silniki te zostały ponownie opracowane dzięki firmie Philips. W połowie XX wieku General Motors zawarł z nią umowę. Prowadziła prace rozwojowe nad wykorzystaniem Stirlingów w urządzeniach kosmicznych i podwodnych, na statkach i samochodach. W ślad za nimi kolejna firma ze Szwecji, United Stirling, zaczęła je rozwijać, łącznie z ewentualnym zastosowaniem

Dziś liniowy silnik Stirlinga jest stosowany w instalacjach pojazdów podwodnych, kosmicznych i słonecznych. Duże zainteresowanie nią wynika z aktualności problematyki degradacji środowiska, a także walki z hałasem. W Kanadzie i USA, Niemczech i Francji, a także w Japonii trwają aktywne poszukiwania rozwoju i ulepszenia jego wykorzystania.

Przyszły

Oczywiste zalety tłoka i Stirlinga, polegające na długiej żywotności, stosowaniu różnych paliw, bezgłośności i niskiej toksyczności, czynią go bardzo obiecującym na tle silnika spalinowego. Jednak biorąc pod uwagę fakt, że silnik spalinowy został z czasem udoskonalony, nie da się go łatwo wyprzeć. Tak czy inaczej, to właśnie taki silnik zajmuje dziś wiodącą pozycję i nie zamierza rezygnować z nich w najbliższej przyszłości.

”, Federalne Państwowe Jednolite Przedsiębiorstwo (FSUE) „Centrum Naukowe Kryłowa” ogłosiło, że stworzenie pierwszej łodzi podwodnej z beztlenową, czyli niezależną od powietrza elektrownią (VNEU) doprowadzi do znaczącego przełomu technologicznego w przemyśle stoczniowym.

Stworzono podstawy naukowe i techniczne dla instalacji niezależnych od powietrza. Opracowano instalację do reformingu parowego z generatorem elektrochemicznym na bazie elementów stałych. Powstał jego wzór przemysłowy. Spośród podstawowych technologii wdraża produkcję wodoru z oleju napędowego, stworzenie generatora elektrochemicznego, który pobiera prąd elektryczny z wodoru oraz usuwanie produktów odpadowych pierwszego cyklu. To znaczy CO2 wytwarzany podczas reakcji. Problem ten jest jeszcze dopracowywany, ale przy odpowiednim finansowaniu zostanie rozwiązany.

- powiedział dyrektor wykonawczy określonego przedsiębiorstwa Michaił Zagorodnikow.

Przede wszystkim VNEU zwalnia statek z konieczności wypływania na powierzchnię w celu naładowania akumulatorów i uzupełnienia zapasu powietrza niezbędnego do pracy generatorów diesla w pozycji zanurzonej.

Jak wskazano, obecnie Niemcy, którzy stworzyli tzw. W 2014 roku francuski DCNS ogłosił sukces w tym kierunku, wyposażając okręt podwodny klasy Scorpene w omawianą instalację. Większy projekt okrętu podwodnego firmy, poszukiwany przez australijską marynarkę wojenną, to SMX Ocean (aka Shortfin Barracuda). W Indiach rozwijany jest VNEU w odniesieniu do łodzi typu Kalvari (na bazie Scorpene).

W przeciwieństwie do wspomnianych doświadczeń zagranicznych, rosyjski VNEU zakłada zupełnie inny sposób działania: wodór nie jest transportowany na pokładzie, ale pozyskiwany bezpośrednio w zakładzie za pomocą reformingu oleju napędowego.

Władimir Szczerbakow, ekspert w dziedzinie uzbrojenia marynarki wojennej, uważa, że ​​okręty podwodne z VNEU umożliwiają skuteczne operowanie na wodach ściśle kontrolowanych przez wroga.

Zdolność do niewynurzenia się jest ważna tam, gdzie aktywnie działają wrogie siły przeciw okrętom podwodnym. Wystarczy przypomnieć, jak łatwym łupem dla Niemców były nasze łodzie na Bałtyku w czasie Wielkiej Wojny Ojczyźnianej. Podobna sytuacja rozwinęła się dla niemieckich okrętów podwodnych na północnym Atlantyku pod koniec wojny.

Jego zdaniem łodzie tego typu mają duży potencjał eksportowy, zwłaszcza do krajów, które nie dysponują flotą atomowych okrętów podwodnych. Rosji, jak uważa, wystarczy na tym etapie ograniczyć się do kilku łodzi projektu Łada do testowania technologii i szkolenia specjalistów.

Dobrze opanowane seryjne Warszawianki całkiem nieźle radzą sobie teraz z ochroną baz i wybrzeży przed atomowymi okrętami podwodnymi wroga.

W tej chwili w Petersburgu budowane są Stocznie Admiralicji: Kronsztad i Wielkie Łuki. Wiodący okręt podwodny tego projektu, Sankt Petersburg, przechodzi próbną operację we Flocie Północnej. Nie ma na nim jeszcze elektrowni beztlenowej.

Render łodzi podwodnej projektu Amur-950 z elektrownią beztlenową

Centralne Biuro Projektowe MT "Rubin"

Obiecująca rosyjska elektrownia beztlenowa, która ma zostać zainstalowana na eksperymentalnej łodzi podwodnej projektu 677 "Łada" i nowej niejądrowej łodzi podwodnej projektu Kalina, otrzyma baterię o podwójnej pojemności. Według Mil.Press FlotProm, moc elektryczna ulepszonego akumulatora wyniesie sto kilowatów zamiast 50 dla obecnej próbki. Opracowanie i przetestowanie nowej baterii dla elektrowni beztlenowych okrętów podwodnych ma zakończyć się do 2020 roku.

Nowoczesne okręty podwodne z silnikiem Diesla mają kilka zalet w porównaniu z większymi atomowymi okrętami podwodnymi. Jedną z głównych takich zalet jest niemal całkowita bezgłośność kursu w pozycji zanurzonej, ponieważ w tym przypadku za ruch statku odpowiadają tylko ciche silniki elektryczne zasilane z akumulatorów. Ładowanie tych akumulatorów odbywa się z generatorów diesla w pozycji na powierzchni lub na głębokości, z której można ustawić fajkę, specjalną rurę, przez którą powietrze może być dostarczane do generatorów.

Wady konwencjonalnych okrętów podwodnych z silnikiem Diesla obejmują stosunkowo krótki czas, jaki statek może spędzić pod wodą. W najlepszym przypadku może to potrwać trzy tygodnie (dla porównania liczba ta dla atomowych okrętów podwodnych wynosi 60-90 dni), po których okręt podwodny będzie musiał wynurzyć się i uruchomić generatory diesla. Beztlenowa elektrownia, która nie wymaga powietrza z zewnątrz, pozwoli niejądrowej łodzi podwodnej na znacznie dłuższe przebywanie w zanurzeniu. Na przykład łódź podwodna projektu Łada z taką instalacją może znajdować się pod wodą przez 45 dni.

Obiecująca rosyjska elektrownia beztlenowa będzie wykorzystywać do działania wysoko oczyszczony wodór. Gaz ten będzie pozyskiwany na pokładzie statku z oleju napędowego poprzez reforming, czyli konwersję paliwa na gaz zawierający wodór i węglowodory aromatyczne, które następnie przejdą przez instalację odzyskiwania wodoru. Wodór będzie następnie doprowadzany do wodorowo-tlenowych ogniw paliwowych, w których będzie generowana energia elektryczna dla silników i systemów pokładowych.

Bateria BTE-50K-E na stole probierczym

Państwowe Centrum Badawcze Kryłowa

Nad baterią, zwaną inaczej generatorem elektrochemicznym, pracuje Centralny Instytut Badawczy Elektrotechniki i Techniki Okrętowej. Ta bateria, która wytwarza energię elektryczną w reakcji wodoru i tlenu, została nazwana BTE-50K-E. Jego moc wynosi 50 kilowatów. Moc ulepszonej baterii wyniesie sto kilowatów. Nowa bateria wejdzie w skład modułów mocy obiecujących niejądrowych okrętów podwodnych o mocy 250-450 kilowatów.

Oprócz samych elementów elektrochemicznych, inaczej zwanych wodorowymi ogniwami paliwowymi, takie moduły będą zawierały węglowodorowe konwertery paliwowe. To w nich nastąpi proces reformowania oleju napędowego. Jak powiedział Mil.Press FlotProm jeden z twórców nowego akumulatora, obecnie trwają prace nad konwerterem paliwa węglowodorowego. Wcześniej informowano, że budowa elektrowni beztlenowej dla okrętów podwodnych ma zakończyć się przed końcem 2018 roku.

W lutym ubiegłego roku naukowcy z Georgia Institute of Technology pracowali nad opracowaniem kompaktowej czterosuwowej jednostki tłokowej do katalitycznego reformingu metanu i produkcji wodoru. Nowe jednostki można łączyć ze sobą, zwiększając w ten sposób wydajność wodoru. Instalacja jest dość zwarta i nie wymaga mocnego ogrzewania. Reaktor pracuje w cyklu czterosuwowym. W pierwszym suwie metan zmieszany z parą jest podawany do cylindra przez zawory. W takim przypadku tłok w cylindrze płynnie się obniża. Po osiągnięciu przez tłok dolnego punktu dopływ mieszanki zostaje zablokowany.

Podczas drugiego suwu tłok podnosi się, sprężając mieszankę. W tym samym czasie cylinder jest podgrzewany do 400 stopni Celsjusza. W warunkach wysokiego ciśnienia i ogrzewania zachodzi proces reformingu. Uwolniony wodór przechodzi przez membranę, która zatrzymuje dwutlenek węgla, również wytwarzany podczas reformingu. Dwutlenek węgla jest absorbowany przez adsorbent zmieszany z katalizatorem.

Przy trzecim suwie tłok opada do najniższego położenia, gwałtownie zmniejszając ciśnienie w cylindrze. W tym przypadku dwutlenek węgla jest uwalniany z materiału adsorbującego. Następnie rozpoczyna się czwarty suw, w którym zawór otwiera się w cylindrze, a tłok ponownie zaczyna się podnosić. Podczas czwartego suwu dwutlenek węgla jest wyciskany z cylindra do atmosfery. Po czwartym takcie cykl zaczyna się od nowa.

Wasilij Syczew

„Przegląd Wojskowy Zagraniczny” nr 6. 2004. (str. 59-63)

Kapitan 1 stopnia N. SERGIEV,

kapitan 1 stopnia I. JAKOWLEW,

kapitan III stopnia S. IWANOW

Okręty podwodne z tradycyjną elektrownią spalinową (PP) są dość skutecznym narzędziem do rozwiązywania swoich zadań i mają szereg zalet w stosunku do okrętów podwodnych, zwłaszcza podczas operowania na przybrzeżnych i płytkich wodach morskich. Te zalety to niski poziom hałasu, duża zwrotność przy niskich prędkościach i siła uderzenia porównywalna z PLA. Ponadto włączenie niejądrowych okrętów podwodnych do Marynarki Wojennej wynika w dużej mierze z niskich kosztów ich powstania i eksploatacji. Jednocześnie mają szereg wad, w szczególności ograniczony czas przebywania w pozycji zanurzonej ze względu na małą ilość energii w akumulatorze (AB). Aby naładować AB, łódź podwodna jest zmuszona wypłynąć na powierzchnię lub użyć trybu silnika wysokoprężnego pod wodą (RDP), co zwiększa prawdopodobieństwo jego wykrycia za pomocą środków radarowych, podczerwonych, optoelektronicznych i akustycznych. Stosunek czasu żeglugi pod RPD, niezbędnego do naładowania akumulatorów, do czasu rozładowania akumulatora nazywany jest „stopień zaniedbania”.

Istnieje kilka sposobów na zwiększenie zasięgu przelotowego pod wodą, z których głównym jest rozwój naukowy, techniczny i technologiczny w celu ulepszenia tradycyjnej elektrowni niejądrowych okrętów podwodnych i jej komponentów. Jednak we współczesnych warunkach realizacja tego kierunku nie może w pełni zapewnić rozwiązania głównego problemu. Wyjściem z tej sytuacji, zdaniem zagranicznych ekspertów, jest zastosowanie na łodzi podwodnej niezależnej od powietrza elektrowni (VNEU), która może służyć jako pomocnicza.

Pomyślne wyniki uzyskane w trakcie prac nad tym tematem umożliwiły wyposażenie nowo budowanych pomocniczych VNEU i modernizację działających okrętów podwodnych z silnikiem Diesla. W tym ostatnim w solidną obudowę wbija się dodatkowy schowek, w którym znajduje się sama elektrownia, zbiorniki do przechowywania paliwa i utleniacza, zbiorniki do wymiany masy zużywalnych odczynników, mechanizmy i wyposażenie pomocnicze, a także urządzenia sterujące i zarządzające. W przyszłości planowane jest użycie VNEU na okrętach podwodnych jako głównego.

Obecnie istnieją cztery główne typy elektrowni niezależnych od powietrza: silnik wysokoprężny o obiegu zamkniętym (DZT), silnik Stirlinga (DS), ogniwa paliwowe lub generator elektrochemiczny (ECG) oraz turbina parowa o obiegu zamkniętym.

Główne wymagania stawiane VNEU to: niski poziom hałasu, niska emisja ciepła, dopuszczalna masa i gabaryty, prostota i bezpieczeństwo obsługi, długa żywotność i niski koszt, możliwość wykorzystania istniejącej infrastruktury nadbrzeżnej. W największym stopniu wymagania te spełniają elektrownie pomocnicze z silnikiem Stirlinga, EKG i turbiną parową o obiegu zamkniętym. Dlatego marynarki wojenne wielu krajów aktywnie pracują nad ich praktycznym zastosowaniem na niejądrowych okrętach podwodnych.

Elektrownia z silnikiem Stirlinga. W 1982 roku szwedzka firma Kokums Marine AV rozpoczęła swój rozwój na zlecenie rządu. Eksperci początkowo uważali VNEU z silnikiem Stirlinga za pomocniczy, współpracujący z tradycyjną elektrownią spalinowo-elektryczną (DEEU). Ich badania wykazały, że nowa instalacja, tworzona jako główna (bez użycia tradycyjnej elektrowni spalinowej), będzie zbyt kosztowna w produkcji, a wymagania techniczne dla elektrowni podwodnej będą trudne do spełnienia.

Królewska Szwedzka Marynarka Wojenna wybrała VNEU z silnikiem Stirlinga z kilku powodów: dużej gęstości mocy, niskiego poziomu hałasu, dobrze rozwiniętych technologii produkcji silników Diesla, niezawodności i łatwości obsługi.

Wysoką moc właściwą DS uzyskuje się poprzez spalanie oleju napędowego w połączeniu z tlenem w komorze spalania. Na łodzi podwodnej niezbędny zapas tlenu jest przechowywany w stanie ciekłym, co zapewniają nowoczesne technologie kriogeniczne.

Silnik Stirlinga jest silnikiem o spalaniu zewnętrznym. Zasada jego działania przewiduje wykorzystanie ciepła wytwarzanego przez zewnętrzne źródło i jego dostarczanie do płynu roboczego znajdującego się w obiegu zamkniętym. DS przetwarza ciepło wytwarzane przez zewnętrzne źródło na energię mechaniczną, która następnie jest przetwarzana przez generator na prąd stały. Regenerator, który jest częścią zamkniętego obwodu roboczego silnika, pobiera energię cieplną z płynu roboczego, który powstaje po jego rozprężeniu, i zwraca ją z powrotem do obiegu, gdy gaz zmienia kierunek.

DS wykorzystuje tłoki dwustronnego działania. Przestrzeń nad tłokiem to wnęka rozprężna, a przestrzeń pod tłokiem to wnęka sprężania. Wnęka sprężania każdego cylindra jest połączona zewnętrznym kanałem przez chłodnicę, regenerator i grzałkę z wnęką rozprężną sąsiedniego cylindra. Niezbędną kombinację faz rozszerzania i kurczenia uzyskuje się za pomocą korbowego mechanizmu dystrybucji. Schemat ideowy silnika Stirlinga pokazano na rysunku.

Energia cieplna niezbędna do działania DS jest generowana w wysokociśnieniowej komorze spalania poprzez spalanie oleju napędowego i ciekłego tlenu. Tlen i olej napędowy w stosunku 4:1 dostają się do komory spalania, gdzie ulegają spaleniu.

W celu utrzymania wymaganej temperatury procesu roboczego oraz zapewnienia odpowiedniej odporności cieplnej materiałów, w konstrukcji DS zastosowano specjalny system recyrkulacji gazów (GRC). Ten system jest zaprojektowany

do rozcieńczania czystego tlenu wchodzącego do komory spalania gazami powstającymi podczas spalania mieszanki paliwowej.

Podczas pracy silnika Stirlinga część spalin jest odprowadzana za burtę, co może prowadzić do powstawania smug pęcherzyków. Wynika to z faktu, że proces spalania w DS przebiega z dużym nadmiarem niewykorzystanego tlenu, którego nie można oddzielić od spalin. Aby zmniejszyć liczbę pęcherzyków powstających podczas rozpuszczania spalin w wodzie morskiej, stosuje się absorber, w którym mieszają się gazy i woda. W tym przypadku spaliny są wstępnie schładzane w specjalnym wymienniku ciepła z 800 do 25°C. Ciśnienie robocze w komorze spalania umożliwia usuwanie spalin na różnych głębokościach zanurzenia łodzi podwodnej, aż do roboczej, która nie wymaga użycia do tego celu specjalnej sprężarki, która ma zwiększony hałas.

Ponieważ procesowi zewnętrznego dostarczania ciepła nieuchronnie towarzyszą dodatkowe straty ciepła, sprawność silnika o zapłonie samoczynnym jest mniejsza niż silnika o zapłonie samoczynnym. Zwiększona korozja nie pozwala na stosowanie konwencjonalnego oleju napędowego w DS. Wymagane paliwo o niskiej zawartości siarki.

Do programu szwedzkiego przyjęto DS typu V4-275 firmy United Sterling. Jest to silnik czterocylindrowy (objętość robocza każdego cylindra to 275 cm3). Cylindry są ułożone w kształcie litery V, aby zredukować hałas i wibracje. Ciśnienie robocze w komorze spalania silnika wynosi 2 MPa, co zapewnia jego zastosowanie na głębokości zanurzenia łodzi podwodnej do 200 m. Do pracy silnika na dużych głębokościach wymagana jest kompresja spalin, co będzie wymagało dodatkowego zużycia energii w celu usunięcia spalin gazy i prowadzą do wzrostu poziomu hałasu.

Pierwszą elektrownię opartą na DS wyposażono w okręt podwodny typu Necken zwodowany po modernizacji w 1988 roku. Silnik Stirlinga, zbiorniki na olej napędowy, ciekły tlen i sprzęt pomocniczy umieszczono w dodatkowej sekcji o zerowej wyporności, osadzonej w mocnym kadłubie łodzi podwodnej. Dzięki temu długość łodzi wzrosła o 10 procent, co nieznacznie wpłynęło na zmianę jej zwrotności.

Dwa DS typu V4-275R pracują na prądnicach prądu stałego o mocy 75 kW. Silniki są umieszczone w modułach dźwiękochłonnych na konstrukcjach wibroizolujących z dwustopniowym tłumieniem. Jak wykazały testy, DS jest w stanie wytworzyć wystarczającą ilość energii elektrycznej do zasilania systemów pokładowych łodzi podwodnej, zapewnienia ładowania baterii i poruszania łodzią z prędkością do 4 węzłów. W celu uzyskania wyższych prędkości jazdy i zasilania silnika napędu głównego planuje się zastosowanie tego silnika razem z AB.

Dzięki zastosowaniu zespołu napędowego czas żeglugi w pozycji zanurzonej wydłużył się z 3-5 do 14 dni, a prędkość patrolu z 3 do 6 węzłów. W rezultacie wzrosła niewidzialność okrętów podwodnych.

Według szwedzkich ekspertów silnik Stirlinga wykazał wysoką niezawodność i łatwość konserwacji w warunkach pokładowych. Jego emisja hałasu nie przekracza hałasu silnika napędowego i jest o 20-25 dB niższa niż silnika Diesla o równoważnej mocy.

Szwedzka Marynarka Wojenna wyposaża ten pomocniczy okręt podwodny VNEU typu Gotland. Kontrakt na budowę trzech okrętów podwodnych tego typu rząd kraju podpisał z firmą Kokums w marcu 1990 roku. Pierwszy okręt podwodny z tej serii – „Gotland” – został oddany do użytku w 1996 roku, kolejne dwa: „Apland” i „Halland” – w 1997 roku. Podczas modernizacji planowane jest wyposażenie okrętów podwodnych typu Västergotland w pomocnicze elektrownie tego typu.

Według źródeł zagranicznych szwedzkie okręty podwodne wyposażone w układy napędowe DS już wykazały się dobrymi wynikami w praktyce. W szczególności podczas ćwiczeń udowodniono wyższość okrętu podwodnego Halland nad okrętami podwodnymi Marynarki Wojennej Hiszpanii z tradycyjną elektrownią spalinowo-elektryczną, a jego ulepszone właściwości eksploatacyjne wykazano podczas wspólnej nawigacji z atomowymi okrętami podwodnymi marynarki wojennej USA i Francji.

Elektrownia z EKG. Generator elektrochemiczny to instalacja, w której energia chemiczna paliwa jest bezpośrednio przetwarzana na energię elektryczną. Podstawą EKG są ogniwa paliwowe (FC), w których zachodzi proces wytwarzania energii elektrycznej, wynikającej z interakcji paliwa i utleniacza, dostarczanych w sposób ciągły i oddzielny do ogniwa paliwowego. Zasadniczo ogniwo paliwowe jest rodzajem ogniwa galwanicznego. W przeciwieństwie do tych ostatnich, ogniwa paliwowe nie zużywają się, ponieważ składniki aktywne są dostarczane w sposób ciągły (paliwo i utleniacz).

W trakcie badań przetestowano różne rodzaje paliw i utleniaczy. Najlepsze wyniki osiągnięto stosując reakcję tlenu z wodorem, w wyniku której powstaje energia elektryczna i woda.

Wytwarzanie prądu stałego poprzez zimne spalanie wodoru i tlenu jest znane od dawna i jest z powodzeniem wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej w pojazdach podwodnych. Ta zasada wytwarzania energii elektrycznej była stosowana na okrętach podwodnych dopiero w latach 80. XX wieku. W PA tlen i wodór były przechowywane oddzielnie w wysokociśnieniowych, wytrzymałych zbiornikach. Chociaż generatory elektrochemiczne są wydajniejsze od akumulatorów, ich stosowanie na okrętach podwodnych utrudniał fakt, że zapas odczynników paliwowych przechowywanych w stanie gazowym nie pozwalał na wymagany czas nurkowania.

Najbardziej optymalnym sposobem przechowywania tlenu jest w stanie ciekłym (w postaci kriogenicznej – w temperaturze 180°C), wodór – w postaci wodorku metalu.

W połowie lat 80. niemieckie GSC (Konsorcjum Niemieckich Okrętów Podwodnych), w skład którego wchodzą firmy IKL (Ingenieurkontor Lubeck), HDW (Howaldtswerke Deutsche Werft AG) i FS (Ferrostaal), opracowało i zbudowało eksperymentalną lądową jednostkę EKG z ogniwami paliwowymi firmy Siemens do sprawdzić wspólne działanie jego elementów - ogniw paliwowych, systemów magazynowania wodoru i tlenu, rurociągów, układów sterowania, a także współdziałania pracy z tradycyjną elektrownią

PL. Prototyp ECG został zaprojektowany konstrukcyjnie w taki sposób, aby po zakończeniu testów mógł być zainstalowany na działającym okręcie podwodnym bez modyfikacji. Wyniki prób przybrzeżnych wykazały, że PU z EKG może być skutecznie stosowany na łodziach podwodnych.

W 1989 roku w interesie niemieckiej marynarki wojennej w stoczni HDW pomyślnie zakończono dziewięciomiesięczną serię prób morskich okrętu podwodnego U-1 projektu 205, wyposażonego w pomocniczy VNEU z EKG. W rezultacie kierownictwo tego typu samolotów zrezygnowało z dalszej budowy okrętów podwodnych tylko z elektrownią spalinową i zdecydowało się na zastosowanie „hybrydowych” (DEEU jako elektrownia główna i pomocnicza z EKG). Dalsze badania mają na celu opracowanie takich instalacji z ECH jako główną.

Strukturalnie EKG jest modułem elektrochemicznym z membranami polimerowymi (REM). Wszystkie moduły są instalowane na jednej ramie i mogą być łączone zarówno szeregowo, jak i równolegle.

Pomocniczym w elektrowni z EKG jest układ chłodzenia z wykorzystaniem wody zaburtowej oraz układ gazu resztkowego. Ten ostatni zapewnia dopalanie resztkowego wodoru w systemie wentylacyjnym AB i wykorzystanie resztkowego tlenu na potrzeby pokładowe. System sterowania elektrownią jest zintegrowany z systemem kontroli bezpieczeństwa, którego monitory znajdują się na centralnym stanowisku.

Konwersja energii w ogniwach paliwowych jest cicha. W ramach elektrowni nie ma węzłów wykonujących ruchy obrotowe lub oscylacyjne. Charakteryzuje się niskim wydzielaniem ciepła, w wyniku czego nie ma istotnego wpływu na powstawanie pól fizycznych. Jedynym układem pomocniczym z obracającymi się częściami jest układ chłodzenia, ale nie jest on na tyle głośny, aby znacząco wpływać na poziom pola akustycznego łodzi podwodnej.

Początkowa aktywacja reakcji w ogniwach paliwowych nie wymaga dużej ilości energii elektrycznej, aby wodorek metalu przechowywany w cylindrach umieszczonych w przestrzeni dwubocznej zaczął uwalniać wodór i zaczął odparowywać tlen przechowywany w stanie ciekłym w wstrząsoodpornych zbiorniki kriogeniczne wykonane ze stali niskomagnetycznej.

Ten typ elektrowni jest dość wydajny, ma wysoką sprawność - do 70 proc., i tym wskaźnikiem znacznie przewyższa inne elektrownie niezależne od powietrza. Dane porównawcze dotyczące zależności sprawności różnych typów VNEU od względnego poziomu mocy wyjściowej przedstawiono na wykresie. Proces konwersji energii odbywa się w niskiej temperaturze roboczej (60-90°C). Niewielka ilość ciepła wytwarzanego przez układ podczas pracy jest wymagana do utrzymania zapoczątkowanego procesu elektrochemicznego. Część ciepła wytwarzanego przez ES można wykorzystać do celów domowych, takich jak ogrzewanie. Ilość ciepła, którą trzeba odprowadzić z instalacji jest niewielka, więc wymuszone schłodzenie elektrowni wodą zaburtową nie wymaga długiego czasu (nawet doby jej pracy). Powstała podczas reakcji woda, po odpowiednim uzdatnieniu, może być wykorzystana do picia.

Połączenie kompaktowego paliwa, szeregowo połączonych ogniw pozwala na uzyskanie dowolnego wymaganego napięcia. Regulacja napięcia odbywa się poprzez zmianę liczby płytek w zespołach ogniw paliwowych. Najwyższą moc można uzyskać łącząc te elementy szeregowo.

Praca SOR z EKG nie zależy od głębokości zanurzenia. Energia elektryczna generowana przez taką elektrownię trafia bezpośrednio do rozdzielnicy głównej łodzi. 65 procent jest wydawany na potrzeby ruchu i statków, 30 procent. - dla układu chłodzenia i układu gazów resztkowych elektrowni 5 proc. - na dodatkowe wyposażenie elektrowni. Pomocnicza elektrownia może pracować zarówno równolegle z baterią, zapewniając elektryczny napęd łodzi podwodnej i zasilając innych odbiorców, jak i do ładowania baterii.

Planowane jest wyposażenie czterech i dwóch okrętów podwodnych typu 212A budowanych odpowiednio dla marynarki wojennej Niemiec i Włoch oraz eksportowej wersji łodzi 214 dla marynarki wojennej Grecji i Republiki Korei w pomocnicze zasilanie roślina z EKG.

Dwa okręty podwodne z pierwszej podserii łodzi typu 212A dla Marynarki Wojennej Niemiec są wyposażone w pomocniczy zespół napędowy z EKG o mocy znamionowej około 300 kW z dziewięcioma ogniwami paliwowymi o mocy 34 kW. Łodzie drugiej podserii mają być wyposażone w dwa ogniwa paliwowe o mocy 120 kW. Będą miały praktycznie taką samą charakterystykę wagową i gabarytową jak ogniwa paliwowe o mocy 34 kW, ale jednocześnie ich wydajność wzrośnie 4-krotnie. Okręt podwodny typu 212A będzie mógł przebywać pod wodą przez około dwa tygodnie. Moc znamionowa tej instalacji pozwoli na rozwinięcie prędkości do 8 węzłów bez użycia AB.

Modułowa konstrukcja elektrowni opartych na ogniwach paliwowych nie tylko ułatwia ich instalację na budowanych okrętach podwodnych, ale także pozwala na ich wyposażenie w już zbudowane, nawet te, które powstały na licencji w stoczniach krajów importujących niemieckie okręty podwodne.

Ponadto taka elektrownia, zdaniem niemieckich ekspertów, jest łatwa w utrzymaniu i ma dłuższą żywotność.

Turbina parowa (STU) o obiegu zamkniętym. PTU MESMA (Module d „Energie Sous-Marin Autonome), działający w zamkniętym cyklu Rankine'a, został opracowany przez dział stoczniowy Marynarki Wojennej Francji DCN do sprzedaży eksportowej. W jego produkcji uczestniczą francuskie firmy Teknikatom, Thermodyne, Air Liquide, „Bertin”, a także stoczni „Empresa Nacional Bazan” (Hiszpania).

MESMA jest instalacją dwuobiegową. W obiegu pierwotnym w wyniku spalania etanolu w tlenie powstaje nośnik ciepła (gaz parowy), który przechodząc przez tor wytwornicy pary oddaje ciepło wodzie krążącej w obiegu drugim. Woda jest przekształcana w parę pod wysokim ciśnieniem, która napędza turbinę parową połączoną z generatorem. Tlen jest przechowywany na pokładzie łodzi podwodnej w specjalnych pojemnikach w stanie ciekłym. Produktami reakcji spalania są woda i spaliny wyrzucane za burtę. Może to prowadzić do zwiększenia widoczności okrętów podwodnych.

Spalanie w komorze spalania zachodzi przy ciśnieniu 6 MPa, dzięki czemu jednostka może pracować na głębokościach do 600 m, dzięki czemu do usuwania produktów spalania za burtę nie jest wymagana sprężarka.

Sprawność elektrowni z MESMA STP wynosi 20 procent, co jest spowodowane dużymi stratami podczas wielu konwersji energii - spalania paliwa, wytwarzania pary przegrzanej, wytwarzania prądu trójfazowego i jego późniejszej konwersji na prąd stały.

Cała instalacja jako całość jest dość zwarta i jest zamontowana na odcinku kadłuba ciśnieniowego o długości 10 m i szerokości 7,8 m. Tlen jest magazynowany w stanie skroplonym w butlach zamontowanych na specjalnych amortyzatorach wewnątrz kadłuba ciśnieniowego łodzi podwodnej w pozycji pionowej.

We wrześniu 1998 roku zakończono próby laboratoryjne prototypowej elektrowni MESMA. W kwietniu 2000 roku w stoczni w Cherbourgu wyprodukowano pierwszą elektrownię okrętową, zlokalizowaną w części kadłuba ciśnieniowego. Po zakończeniu testów odbiorczych moduł z elektrownią miał trafić do Pakistanu na wyposażenie budowanego tam na francuskiej licencji okrętu podwodnego Ghazi typu Agosta 90V. Jest to pierwszy okręt podwodny tego typu, na którym w trakcie budowy zostanie zainstalowana pomocnicza elektrownia niezależna od powietrza. Dwa inne, zbudowane wcześniej okręty podwodne, mają zostać w nie później doposażone - w trakcie modernizacji i remontu.

Zastosowanie pomocniczych niezależnych od powietrza elektrowni na niejądrowych okrętach podwodnych umożliwiło poprawę ich parametrów użytkowych pod względem czasu nurkowania, co zwiększyło niewidzialność łodzi i rozszerzyło ich możliwości bojowe. Oprócz budowanych okrętów podwodnych pomocnicze VNEU mogą być wyposażone w istniejące okręty podwodne z silnikiem Diesla w trakcie ich modernizacji. Dalszy rozwój technologii i uzyskanie na tej podstawie jakościowo nowych cech VNEU najprawdopodobniej pozwoli niejądrowym okrętom podwodnym rozwiązać problemy związane z nuklearnymi.

Aby komentować, musisz zarejestrować się na stronie.

to znaczy, w przeciwieństwie do silnika spalinowego, silnik spalinowy, w którym płyn roboczy jest jednocześnie paliwem palnym wewnątrz cylindra, w Stirlingu paliwo spala się na zewnątrz, ogrzewa płyn roboczy (powietrze) wewnątrz cylindra, a następnie, jak zwykle, korba itp.

w tym artykule nie widziałem faktycznie ustawionego głównego chipa, beztlenowości, czyli tak jak silnik spalinowy potrzebuje tlenu do spalania, ten sam proces spalania jest stosowany w Stirlingu, czyli tlen jest nadal potrzebny
po prostu spalanie jest przenoszone z wnętrza na zewnątrz i to wszystko. Cóż, Stirling również pali się stale, a nie w impulsie wybuchowym, jak w silniku spalinowym, stąd jego bezgłośność, która jest przydatna dla łodzi podwodnej. Ale to wszystkie plusy

Pomyślałem, że zamiast spalania można by zastosować inne egzotermiczne reakcje chemiczne, np. z udziałem wody zamiast tlenu, co jest logiczne, na lądzie jest dużo tlenu, a samej wody pod wodą.
nie wiem, wlać do cylindra czy na zewnątrz, no przynajmniej wapno palone, ale zalać wodą, wygenerowane ciepło zamienić na rotację
po co żądać silnika beztlenowego i nadal używać tlenu

dalej, jeśli rozwiniemy pomysł - projekt wykorzystuje silnik elektryczny jako główny silnik marszowy, a Stirling będzie potrzebny tylko do ładowania akumulatorów, więc czy nie łatwiej wtedy skupić się na sposobach bezpośredniego uzyskiwania EMF poprzez chemię reakcje bez mechaniki?
Przypomniało mi się, jak latem w wiejskim domu bez światła podłączyłem falownik 220 do akumulatora samochodowego, do którego podłączyłem żarówki energooszczędne, na diodach LED, w których jest niskie napięcie. Wtedy dotarło do mnie, że głupotą było najpierw zwiększać napięcie z 12 do 220, a potem znowu spada w żarówce, zrobiłem domową diodę na 12v i bateria zaczęła działać trzy razy dłużej..

W czasach sowieckich w Podolsku produkowano suche akumulatory, na których płytach wytłoczono kompozycję odpowiadającą stanowi naładowania akumulatora ołowiowego. Taki akumulator można bardzo długo przechowywać w magazynie i naładować, po czym kupujący wlewa do niego elektrolit i od razu wkłada do auta. Załaduj np. suche płyty z elektrolitem na łódź podwodną, ​​które zużywają się podczas ruchu i są zastępowane świeżymi, a następnie nowy materiał jest ładowany do doku jako paliwo, a zużyty materiał jest rozładowywany i regenerowany w warunkach fabrycznych do nowy ładowany na sucho. Wszystko. Brak podwójnej konwersji z wydajnością lokomotywy parowej, brak tlenu, obieg prawdziwie beztlenowy.

Cóż, z akumulatorem kwasowo-ołowiowym to tylko odręczny pomysł, możesz wymyślić znacznie doskonalszy proces, na przykład na litie, to nadal jest minus waga i minus niebezpieczny kwas