Анаеробна рухова установка. Анаеробна силова установка

Двигун Стірлінга, принцип роботи якого якісно відрізняється від звичного всім ДВС, колись становив останньому гідну конкуренцію. Проте на якийсь час про нього забули. Як цей мотор використовується сьогодні, в чому полягає принцип його дії (у статті можна знайти також креслення двигуна Стірлінга, які наочно демонструють його роботу), і які перспективи застосування в майбутньому читайте нижче.

Історія

У 1816 році в Шотландії Робертом Стірлінгом була запатентована названа сьогодні на честь свого винахідника. Перші двигуни гарячого повітря винайшли ще до нього. Але Стірлінг додав у пристрій очисник, який у технічній літературі називається регенератором, або теплообмінником. Завдяки йому продуктивність двигуна зростала при утримуванні агрегату в теплі.

Двигун визнали найбільш міцною паровою машиною з наявних на той момент, оскільки він ніколи не вибухав. До нього на інших двигунах така проблема виникала часто. Незважаючи на швидкий успіх, на початку двадцятого століття від його розвитку відмовилися, тому що він став менш економічним, в порівнянні з іншими двигунами внутрішнього згоряння і електродвигунами, що з'явилися тоді. Проте Стірлінг ще продовжував застосовуватись у деяких виробництвах.

Двигун зовнішнього згоряння

Принцип роботи всіх теплових моторів полягає в тому, що для отримання газу в розширеному стані потрібні більші механічні зусилля, ніж при стисканні холодного. Для наочної демонстрації цього можна провести досвід із двома каструлями, наповненими холодною та гарячою водою, а також пляшкою. Останню опускають у холодну воду, затикають пробкою, потім переносять у гарячу. При цьому газ у пляшці почне виконувати механічну роботу та виштовхне пробку. Перший двигун зовнішнього згоряння ґрунтувався на цьому повністю. Правда, пізніше винахідник зрозумів, що частину тепла можна використовувати для обігріву. Отже, продуктивність значно зросла. Але це не допомогло двигуну стати поширеним.

Пізніше Еріксон, інженер зі Швеції, удосконалив конструкцію, запропонувавши охолоджувати та нагрівати газ при постійному тиску замість обсягу. В результаті чимало екземплярів почали використовувати для роботи в шахтах, на судах та в друкарнях. Але для екіпажів вони виявилися надто важкими.

Двигуни зовнішнього згоряння від Philips

Подібні двигуни бувають наступних типів:

• паровий;
• паротурбінний;
• Стірлінга.

Останній вид не стали розвивати через невелику надійність і інших не найвищих показників у порівнянні з іншими типами агрегатів, що з'явилися. Проте 1938 року компанія Philips відновила роботу. Двигуни стали служити для приводів генераторів у неелектрофікованих районах. У 1945 році інженери компанії знайшли їм протилежне застосування: якщо вал розкручувати електромотором, то охолодження головки циліндрів сягає мінус ста дев'яносто градусів за Цельсієм. Тоді вирішено було застосовувати у холодильних установках удосконалений двигун Стірлінга.

Принцип роботи

Дія двигуна полягає в роботі по термодинамічних циклах, в яких при різній температурі відбувається стиснення та розширення. При цьому регулювання потоком робочого тіла реалізується за рахунок об'єму, що змінюється (або тиску - в залежності від моделі). Такий принцип роботи більшості подібних машин, які можуть мати різні функції та конструктивні схеми. Двигуни можуть бути поршневими чи роторними. Машини з їх установками працюють як теплові насоси, холодильники, генератори тиску і так далі.

Крім цього, є двигуни з відкритим циклом, де регулювання потоком реалізується за допомогою клапанів. Саме їх називають двигунами Еріксона, крім загальної назви імені Стірлінга. У ДВС корисна робота здійснюється після попереднього стиснення повітря, упорскування палива, нагрівання отриманої суміші впереміш зі згорянням та розширення.

Двигун Стірлінга принцип роботи має такий самий: при низькій температурі відбувається стиснення, а за високої - розширення. Але по-різному здійснюється нагрівання: тепло підводиться через стінку циліндра ззовні. Тому він і отримав назву двигуна зовнішнього згоряння. Стірлінг застосовував періодичну зміну температури з витіснювальним поршнем. Останній переміщує газ із однієї порожнини циліндра до іншої. З одного боку, температура постійно низька, з другого - висока. При пересуванні поршня вгору газ переміщається з гарячої в холодну порожнину, а вниз повертається в гарячу. Спочатку газ віддає багато тепла холодильнику, а потім від нагрівача отримує стільки ж, скільки віддав. Між нагрівачем та холодильником розміщується регенератор – порожнина, наповнена матеріалом, якому газ віддає тепло. При зворотному перебігу регенератор повертає його.

Система витіснювача з'єднана з робочим поршнем, що стискає газ у холоді і дозволяє розширюватися в теплі. За рахунок стиску в нижчій температурі відбувається корисна робота. Вся система проходить чотири цикли при переривчастих рухах. Кривошипно-шатунний механізм забезпечує безперервність. Тому різких меж між стадіями циклу немає, а Стірлінга не зменшується.

Враховуючи все сказане вище, напрошується висновок, що цей двигун є поршневою машиною із зовнішнім підведенням тепла, де робоче тіло не залишає замкнутий простір і не замінюється. Креслення двигуна Стірлінга добре ілюструють пристрій та принцип його дії.

Деталі роботи

Сонце, електрика, ядерна енергія або будь-яке інше джерело тепла може підводити енергію двигуна Стірлінга. Принцип роботи його тіла полягає у застосуванні гелію, водню чи повітря. Ідеальний цикл має термічним максимально можливим ККД, рівним від тридцяти до сорока відсотків. Але з ефективним регенератором він зможе працювати і з вищим ККД. Регенерацію, нагрівання та охолодження забезпечують вбудовані теплообмінники, що працюють без олій. Слід зазначити, що мастила двигуну потрібно дуже мало. Середній тиск у циліндрі становить зазвичай від 10 до 20 МПа. Тому тут потрібна відмінна система ущільнювача і можливість попадання масла в робочі порожнини.

Порівняльна характеристика

У більшості двигунів, що працюють сьогодні, подібного роду використовується рідке паливо. При цьому безперервний тиск легко контролюватиме, що сприяє зниженню рівня викидів. Відсутність клапанів забезпечує безшумну роботу. Потужність з масою можна порівняти моторам з турбонаддувом, а питома потужність, що отримується на виході, дорівнює показнику дизельного агрегату. Швидкість і момент, що крутить, не залежать один від одного.

Витрати виробництво двигуна набагато вище, ніж ДВС. Але під час експлуатації виходить зворотний показник.

Переваги

Будь-яка модель двигуна Стірлінга має багато плюсів:

• ККД при сучасному проектуванні може сягати сімдесяти відсотків.
• У двигуні немає системи високовольтного запалення, розподільчого валу та клапанів. Його не потрібно буде регулювати протягом усього терміну експлуатації.
• У Стірлінгах немає того вибуху, як у ДВС, який сильно навантажує колінвал, підшипники та шатуни.
• У них не буває того ефекту, коли кажуть, що двигун заглух.
• Завдяки простоті приладу його можна експлуатувати протягом багато часу.
• Він може працювати як на дровах, так і з ядерним та будь-яким іншим видом палива.
• Згоряння відбувається поза мотором.

Недоліки

Застосування

В даний час двигун Стірлінга з генератором використовують у багатьох областях. Це універсальне джерело електричної енергії в холодильниках, насосах, на підводних човнах та сонячних електричних станціях. Саме завдяки застосуванню різного виду палива є можливість широкого використання.

Відродження

Ці двигуни знову почали розвиватися завдяки компанії Philips. У середині ХХ століття з нею уклала договір General Motors. Вона вела розробки для застосування Стірлінгів у космічних та підводних пристроях, на судах та автомобілях. Слідом за ними інша компанія зі Швеції, United Stirling, почала займатися їх розвитком, включаючи і можливе використання на

Сьогодні лінійний двигун Стірлінга застосовується на установках підводних, космічних та сонячних апаратів. Великий інтерес до нього викликаний актуальністю питань погіршення екологічної обстановки, а також боротьби з шумом. У Канаді та США, Німеччині та Франції, а також Японії йдуть активні пошуки щодо розвитку та вдосконалення його використання.

Майбутнє

Явні переваги, які має поршневий і Стірлінг, що полягають у великому ресурсі роботи, застосуванні різного палива, безшумності та малої токсичності, роблять його дуже перспективним на тлі двигуна внутрішнього згоряння. Проте з огляду на те, що ДВС протягом усього часу вдосконалювали, він не може бути легко зміщений. Так чи інакше, саме такий двигун сьогодні займає лідируючі позиції, і здавати їх найближчим часом не збирається.

Федеральне державне унітарне підприємство (ФГУП) «Крилівський науковий центр» повідомило про те, що створення першої субмарини з анаеробною, тобто повітронезалежною, енергетичною установкою (ВНЕУ) призведе до значного технологічного прориву в кораблебудуванні.

Науково-технічний доробок з повітронезалежних установок створено. Пророблено установку з паровим реформінгом з електрохімічним генератором на твердотілих елементах. Створено її промисловий зразок. З важливих технологій у ній реалізовано отримання з дизельного палива водню, виробництво електрохімічного генератора, що витягує з водню електричний струм і видалення життєдіяльності відходів першого циклу. Тобто виходить під час реакції СО2. Ця проблема ще доопрацьовується, але за належного фінансування буде вирішена.

– заявив виконавчий директор зазначеного підприємства Михайло Загородніков.

В першу чергу, ВНЕУ позбавляє корабель необхідності спливати на поверхню для підзарядки акумуляторів і поповнення запасу повітря, необхідного для роботи дизель-генераторів у підводному положенні.

Як зазначається, в даний час найбільшою мірою у розробці ВНЕУ просунулися німці, які створили . У 2014 році про свої успіхи в цьому напрямку повідомила французька DCNS, що оснастила субмарину типу «Scorpene», що розглядається установкою. Проектом більшої субмарини компанії, затребуваним ВМС Австралії, є SMX Ocean (він же Shortfin Barracuda). В Індії ВНЕУ розробляється стосовно човнів типу Kalvari (на базі Scorpene).

На відміну від зазначеного зарубіжного досвіду, російська ВНЕУ має на увазі зовсім інший метод функціонування: водень не перевозиться на борту, а виходить безпосередньо в установці за допомогою реформінгу дизельного палива.

Експерт у галузі військово-морських озброєнь Володимир Щербаков вважає, що субмарини з ВНЕУ дозволяють успішно діяти в акваторіях, які щільно контролюються ворогом.

Можливість не підспливати важлива там, де активно діють протичовнові сили противника. Досить, як легкою здобиччю для німців були наші човни на Балтиці під час Великої Вітчизняної. Аналогічна ситуація склалася і для німецьких підводників у Північній Атлантиці до кінця війни.

На його думку, човни цього типу мають високий експортний потенціал, особливо у країнах, які не мають атомного підводного флоту. Для Росії, як він вважає, на цьому етапі достатньо обмежитися парою човнів проекту «Лада» для відпрацювання технологій та підготовки фахівців.

Із захистом баз та узбережжя від ворожих атомних човнів зараз цілком справляються й добре освоєні серійні «Варшав'янки».

На даний момент "Адміралтейські верфі" в Санкт-Петербурзі будують: "Кронштадт" і "Великі Луки". Головна субмарина цього проекту – «Санкт-Петербург» – проходить дослідну експлуатацію на Північному флоті. Анаеробної енергетичної установки на ній поки що немає.

Рендер підводного човна проекту «Амур-950» з анаеробною енергетичною установкою

ЦКЛ МТ «Рубін»

Перспективна російська анаеробна енергетична установка, яку планується встановити на досвідчений підводний човен проекту 677 "Лада" та нову неатомну субмарину проекту "Калина", отримає батарею подвоєної потужності. Як пише Mil.Press FlotProm, електрична потужність удосконаленої батареї складе сто кіловат замість 50 у існуючого сьогодні зразка. Розробку та випробування нової батареї для анаеробних енергетичних установок підводних човнів планується завершити до 2020 року.

Сучасні дизель-електричні підводні човни мають кілька переваг перед більшими атомними підводними кораблями. Однією з головних таких переваг є практично повна безшумність ходу в підводному положенні, оскільки в цьому випадку за рух корабля відповідають лише тихі електромотори, що живляться від акумуляторних батарей. Перезаряджання цих батарей здійснюється від дизельних генераторів у надводному положенні або на глибині, з якої можна виставити шноркель, спеціальну трубу, по якій повітря може подаватися до генераторів.

До недоліків звичайних дизель-електричних підводних човнів належить невеликий час, який корабель може провести під водою. У кращому випадку воно може досягати трьох тижнів (для порівняння, у атомних підводних човнів цей показник становить 60-90 днів), після чого підводному човну доведеться спливти і запустити дизельні генератори. Анаеробна енергетична установка, для роботи якої не потрібне забортне повітря, дозволить неатомному підводному човну перебувати в підводному положенні суттєво довше. Наприклад, підводний човен проекту «Лада» з такою установкою може перебувати під водою 45 діб.

Перспективна російська анаеробна енергетична установка використовуватиме роботи водень високого ступеня очищення. Цей газ отримуватимуть на борту корабля з дизельного палива методом риформінгу, тобто перетворення палива на водневмісний газ та ароматичні вуглеводні, які потім проходитимуть через установку виділення водню. Потім водень подаватиметься у воднево-кисневі паливні елементи, де й вироблятиметься електрика для двигунів та бортових систем.

Батарея БТЕ-50К-Е на випробувальному стенді

Крилівський державний науковий центр

Батарея, інакше звана електрохімічним генератором, розробляється Центральним науково-дослідним інститутом суднової електротехніки та технології. Ця батарея, що виробляє електрику за рахунок реакції водню та кисню, отримала назву БТЕ-50К-Е. Її потужність складає 50 кіловат. Потужність удосконаленої батареї складе сто кіловат. Нова батарея входитиме до складу енергетичних модулів перспективних неатомних підводних човнів потужністю 250-450 кіловат.

Крім самих електрохімічних елементів, інакше званих водневими паливними осередками, до складу таких модулів входитимуть конвертори вуглеводневого палива. Саме в них і проходитиме процес риформінгу дизельного палива. Як розповів виданню Mil.Press FlotProm один із розробників нової батареї, конвертор вуглеводневого палива зараз перебуває на стадії розробки. Раніше повідомлялося, що розробку анаеробної енергетичної установки для підводних човнів планується завершити до кінця 2018 року.

У лютому минулого року дослідники з Технологічного інституту Джорджії про розробку компактної чотиритактної поршневої установки для каталітичного риформінгу метану та отримання водню. Нові установки можуть бути об'єднані в ланцюг, тим самим підвищуючи вихід водню. Встановлення досить компактне і не вимагає сильного нагріву. Реактор працює за чотиритактним циклом. На першому такті метан, змішаний із парою, через клапани подається в циліндр. При цьому поршень у циліндрі плавно опускається. Після того, як поршень досягає нижньої точки, подача суміші перекривається.

На другому такті поршень піднімається, стискаючи суміш. Одночасно циліндр підігрівається до 400 градусів за Цельсієм. В умовах високого тиску та нагрівання відбувається процес риформінгу. У міру виділення водню він проходить через мембрану, яка зупиняє вуглекислий газ, що також утворюється під час риформінгу. Вуглекислий газ при цьому поглинається адсорбуючим матеріалом, змішаним із каталізатором.

На третьому такті поршень опускається в нижнє положення, різко знижуючи тиск у циліндрі. При цьому вуглекислий газ вивільняється з адсорбуючого матеріалу. Потім починається четвертий такт, у якому в циліндрі відкривається клапан, а поршень знову починає підніматися. Під час четвертого такту вуглекислий газ із циліндра видавлюється в атмосферу. Після четвертого такту цикл починається знову.

Василь Сичов

«Закордонний військовий огляд» № 6. 2004р. (Стор.59-63)

Капітан 1 рангу М. СЕРГІЄВ,

капітан 1 рангу І. ЯКОВЛЄВ,

капітан 3 рангу С. ІВАНОВ

Підводні човни з традиційною дизель-електричною енергетичною установкою (ЕУ) є досить ефективним засобом для вирішення визначених ним завдань та мають ряд переваг перед ПЛА, особливо при діях у прибережних та мілководних районах моря. До таких переваг відносяться низький рівень шумності, висока маневреність на малих швидкостях ходу і сумірна з ПЛА ударна потужність. Крім того, включення до складу ВМС неатомних підводних човнів багато в чому обумовлено невисокою вартістю їх створення та експлуатації. У той же час вони мають ряд недоліків, зокрема обмежений час перебування в підводному положенні через невеликий запас енергії в акумуляторній батареї (АБ). Для зарядки АБ ПЛ змушена спливати в надводне положення або використовувати режим роботи дизеля під водою (РДП), в результаті чого підвищується ймовірність виявлення радіолокаційними, інфрачервоними, оптико-електронними і акустичними засобами. Ставлення часу плавання під РДП, який буде необхідний зарядки акумуляторів, до періоду розрядження АБ називається «ступенем необережності».

Існує кілька напрямів збільшення дальності плавання під водою, основним з яких є науково-технічні та технологічні розробки з метою вдосконалення традиційної ЕУ неатомних підводних човнів та її складових елементів. Однак у сучасних умовах реалізація цього напряму не може повною мірою забезпечити вирішення головного завдання. Вихід із ситуації, на думку зарубіжних фахівців, полягає у використанні на підводному човні повітронезалежної енергетичної установки (ВНЕУ), яка може служити як допоміжна.

Успішні результати, отримані в ході робіт з даної тематики, уможливили обладнання допоміжними ВНЕУ новозбудованих і дообладнання дизель-електричних підводних човнів, що знаходяться в експлуатації. В останніх в міцний корпус врізається додатковий відсік, що містить саму енергоустановку, ємності для зберігання палива і окислювача, цистерни заміщення маси реагентів, що витрачаються, допоміжні механізми та обладнання, а також прилади контролю та управління. Надалі ВНЕУ планується використовувати на підводних човнах як основний.

В даний час існують чотири основні типи повітронезалежних енергетичних установок: дизельний двигун замкнутого циклу (ДЗЦ), двигун Стірлінга (ДС), паливні елементи або електрохімічний генератор (ЕХГ) та паротурбінне встановлення замкнутого циклу.

До основних вимог, що пред'являються до ВНЕУ, належать такі: низький рівень шумності, мале тепловиділення, прийнятні масогабаритні характеристики, простота і безпека експлуатації, великий ресурс і невисока вартість, можливість використовувати існуючу берегову інфраструктуру. Найбільшою мірою даним вимогам задовольняють допоміжні ЕУ з двигуном Стірлінга, ЕХГ та паротурбінною установкою замкнутого циклу. Тому у ВМС низки країн ведуться активні роботи з їхнього практичного застосування на неатомних підводних човнах.

Енергетична установка з двигуном Стірлінга. Її розробку в 1982 році розпочала шведська фірма «Кокумс марін АВ» на замовлення уряду. Фахівці спочатку розглядали ВНЕУ із двигуном Стірлінга як допоміжну, що працює спільно з традиційною дизель-електричною ЕУ (ДЕЕУ). Проведені ними дослідження показали, що нова установка, створювана як головна (без використання традиційної ДЕЕУ), буде надто дорогою у виробництві та технічні вимоги до енергоустановки підводного човна буде важко задовольнити.

Королівські ВМС Швеції обрали ВНЕУ з двигуном Стірлінга з кількох причин: висока питома потужність, низький рівень шумності, відпрацьованість технологій виробництва ДС, надійність та простота експлуатації.

Висока питома потужність ДС досягається за рахунок спалювання в камері згоряння дизельного палива у поєднанні з киснем. На підводному човні необхідний запас кисню зберігається в рідкому стані, що забезпечується сучасними кріогенними технологіями.

Двигун Стірлінга є двигуном зовнішнього згоряння. Принцип його роботи передбачає використання тепла, що виробляється зовнішнім джерелом, та його підведення до робочого тіла, що знаходиться у замкнутому контурі. ДС перетворює тепло, вироблене зовнішнім джерелом, на механічну енергію, яка потім перетворюється генератором на постійний струм. Регенератор, що входить до складу замкнутого робочого контуру двигуна, забирає від робочого тіла теплову енергію, що утворюється після його розширення, і повертає її назад у цикл, коли газ змінює напрямок.

У ДС застосовуються поршні подвійної дії. Простір над поршнем є порожниною розширення, а простір під поршнем – порожниною стискування. Порожнину стиснення кожного циліндра зовнішнім каналом через холодильник, регенератор і нагрівач пов'язані з порожниною розширення сусіднього циліндра. Необхідне поєднання фаз розширення та стиснення досягається за допомогою розподільчого механізму на основі кривошипів. Принципова схема двигуна Стірлінга наведена малюнку.

Теплова енергія, яка потрібна для роботи ДС, виробляється в камері згоряння високого тиску шляхом спалювання дизельного палива та рідкого кисню. Кисень і дизельне паливо в пропорції 4:1 надходять у камеру згоряння, де відбувається їх спалювання.

Для того, щоб підтримувати необхідну температуру робочого процесу та забезпечити достатню термостійкість матеріалів, у конструкції ДС застосовується спеціальна система рециркуляції газів (GRC). Ця система призначена

для розведення чистого кисню, що надходить камеру згоряння, газами, що утворюються в процесі горіння паливної суміші.

При роботі двигуна Стірлінга частина вихлопних газів видаляється за борт, що може призвести до утворення сліду з бульбашок. Це з тим, що процес згоряння в ДС йде з великим надлишком невикористаного кисню, який може бути виділено з вихлопних газів. Для зменшення кількості бульбашок, що утворюються при розчиненні газів, що відпрацювали в забортній воді, застосовується абсорбер, в якому відбувається змішування газів і води. При цьому вихлопні гази попередньо охолоджуються у спеціальному теплообміннику з 800 до 25 °С. Робочий тиск у камері згоряння дозволяє видаляти вихлопні гази на різних глибинах занурення підводного човна, аж до робочої, що не вимагає використання для цих цілей спеціального компресора, що володіє підвищеною шумністю.

Оскільки процес зовнішнього підведення тепла неминуче супроводжується додатковими тепловими втратами, ККД ДС менше, ніж у дизельного двигуна. Підвищена корозія не дозволяє використовувати ДС звичайне дизельне паливо. Потрібно паливо з низьким вмістом сірки.

Для шведської програми було прийнято ДС типу V4-275 фірми «Юнайтед Стерлінг». Він є чотирициліндровим двигуном (робочий об'єм кожного циліндра 275 см3). Циліндри розташовані V-образно з метою зниження шуму та вібрації. Робочий тиск у камері згоряння двигуна 2 МПа, завдяки чому забезпечується його використання на глибинах занурення підводного човна до 200 м. Для роботи двигуна на великих глибинах необхідна компресія вихлопних газів, що вимагатиме додаткової витрати потужності на видалення вихлопних газів і призведе до підвищення рівня шумності.

Першою енергоустановкою на базі ДС було обладнано підводний човен типу «Неккен», спущений на воду після модернізації у 1988 році. Двигун Стірлінга, цистерни для зберігання дизельного палива, рідкого кисню та допоміжне обладнання були розміщені в додатковій секції з нульовою плавучістю, врізаною в міцний корпус підводного човна. За рахунок цього довжина човна збільшилася на 10 відс., що незначно вплинуло на зміну її маневрених якостей.

Два ДВ типу V4-275R працюють на генератори постійного струму потужністю по 75 кВт. Двигуни розміщені в шумоізоляційних модулях на віброізолюючих конструкціях із двокаскадною амортизацією. Як показали випробування, ДС здатний виробляти достатню кількість електроенергії, необхідну для живлення бортових систем підводного човна, забезпечення підзарядки АБ і руху човна зі швидкістю до 4 уз. Для досягнення вищих швидкостей ходу та живлення головного гребного електродвигуна передбачається використання двигуна спільно з АБ.

Завдяки застосуванню комбінованої енергоустановки час плавання у підводному положенні збільшився з 3-5 до 14 діб, а швидкість патрулювання – з 3 до 6 уз. В результаті цього підвищилася скритність підводного човна.

Як стверджують шведські фахівці, двигун Стірлінга в корабельних умовах продемонстрував високу надійність та ремонтопридатність. Його шумовипромінювання вбирається у шуму гребного електродвигуна і 20-25 дБ нижче, ніж в еквівалентного за потужністю дизельного двигуна.

ВМС Швеції оснащують даної допоміжної ВНЕУ підводного човна типу «Готланд». Контракт на будівництво трьох підводних човнів цього типу був підписаний урядом країни з фірмою «Кокумс» у березні 1990 року. Перший підводний човен цієї серії - "Готланд" - був прийнятий на озброєння в 1996 році, два наступні: "Апланд" і "Халланд" - в 1997-му. У ході модернізації планується обладнати допоміжними ЕУ даного типу також підводного човна типу «Вестерготланд».

Як повідомляють іноземні джерела, шведські підводні човни, оснащені ЕУ з ДС, вже практично показали хороші результати. Зокрема, під час навчань було доведено перевагу підводного човна «Халланд» над підводним човном ВМС Іспанії з традиційною дизель-електричною енергоустановкою, а також продемонстровано її покращені ТТХ у ході спільного плавання з атомними підводними човнами ВМС США та Франції.

Енергетична установка з ЕХГ. Електрохімічний генератор - це установка, в якій хімічна енергія палива безпосередньо перетворюється на електричну. Основою ЕХГ є паливні елементи (ТЕ), в яких і відбувається процес генерування електроенергії, що виникає при взаємодії палива та окислювача, що безперервно та окремо підводяться до ТЕ. У принципі паливний елемент – різновид гальванічного. На відміну від останнього ТЕ не витрачається, оскільки активні компоненти підводяться безперервно (паливо та окислювач).

У ході досліджень проводилися випробування різних типів палива та окислювачів. Найкращих результатів вдалося досягти при використанні реакції між киснем і воднем, внаслідок взаємодії яких виробляються електрична енергія та вода.

Генерування постійного струму за допомогою холодного згоряння водню та кисню було відомо давно та успішно використовувалося для отримання електроенергії на підводних апаратах. Цей принцип отримання електроенергії був використаний на підводному човні тільки в 1980-і роки. У ПА кисень та водень зберігалися окремо у міцних резервуарах під високим тиском. Хоча електрохімічні генератори більш ефективні, ніж акумуляторні батареї, їх застосування на підводному човні було утруднено тим, що запас паливних реагентів, що зберігаються в газоподібному стані, не дозволяв забезпечувати необхідну тривалість підводного плавання.

Найбільш оптимальний спосіб зберігання кисню – у рідкому стані (у кріогенній формі – при температурі 180 °С), водню – у формі металгідриду.

До середини 1980-х років німецький консорціум GSC (German Submarine Consortium), що включає фірми IKL (Ingenieurkontor Lubeck), HDW (Howaldtswerke Deutsche Werft AG) і FS (Ferrostaal), розробив і створив дослідну берегову установку ЕХГ для перевірки спільної роботи її компонентів - паливних елементів, систем зберігання водню та кисню, трубопроводів, системи управління, а також взаємодії роботи з традиційною ЕУ

підводний човен. Досвідчений зразок ЕХГ був конструктивно виконаний з таким розрахунком, щоб після завершення випробувань він міг бути встановлений на ПЛ, що діє, без доопрацювань. Результати берегових випробувань показали, що ЕУ з ЕХГ може бути ефективно використана на підводному човні.

У 1989 році на користь ВМС ФРН успішно закінчилася дев'ятимісячна серія морських випробувань підводного човна U-1 проекту 205, обладнаної допоміжною ВНЕУ з ЕХГ на верфі HDW. В результаті керівництво цього виду ЗС відмовилося від подальшого будівництва підводного човна тільки з дизель-електричної ЕУ і прийняло рішення використовувати «гібридні» (ДЕЕУ як основна та допоміжна ЕУ з ЕХГ). Подальші дослідження спрямовані на розробку таких установок з ЕХГ як головне.

Конструктивно ЕХГ є електрохімічними модулями з полімерними мембранами (РЕМ). Усі модулі встановлюються на єдиній рамі та можуть бути з'єднані як послідовно, так і паралельно.

Допоміжними в ЕУ з ЕХГ є система охолодження з використанням забортної води та система залишкових газів. Остання забезпечує допалювання залишкового водню в системі вентиляції АБ та використання залишкового кисню для бортових потреб. Система управління ЕУ інтегрована із системою контролю безпеки, монітори якої перебувають у центральному посту.

Перетворення енергії у паливних елементах відбувається безшумно. У складі ЕУ відсутні вузли, що здійснюють обертальні або коливальні рухи. Вона має мале тепловиділення, унаслідок чого не робить значного впливу формування фізичних полів. Єдина допоміжна система з частинами, що обертаються - система охолодження, але вона не настільки шумна, щоб сильно вплинути на рівень акустичного поля підводного човна.

Початкова активізація реакцій у паливних елементах не вимагає багато електроенергії, щоб метал-гідрид, що зберігається в балонах, розташованих у міжбортному просторі, став виділяти водень і почав випаровуватися кисень, що зберігається в рідкому стані в ударозахищених кріогенних цистернах, виконаних з маломагнітної сталі.

Цей тип ЕУ досить ефективний, він має високий ККД - до 70 відс., і за цим показником значно перевершує інші незалежні енергоустановки. Порівняльні дані залежності ККД різних типів ВНЕУ від відносного рівня вихідної потужності показані на графіку. Процес перетворення енергії відбувається за низької робочої температури (60-90 °З). Для підтримки спочатку ініційованого електрохімічного процесу потрібна невелика кількість тепла, яке виділяється системою в процесі роботи. Частина тепла, що виробляється ЕУ, може використовуватися для побутових потреб, таких як обігрів. Кількість тепла, яке необхідно відводити від установки, невелика, тому примусове охолодження ЕУ забортною водою не потребує тривалого часу (до доби її роботи). Воду, що виробляється в ході реакції після відповідної обробки можна використовувати для пиття.

Комбінація компактних паливних, послідовно з'єднаних елементів дозволяє отримати будь-яку потрібну напругу. Регулювання напруги досягається зміною числа пластин в агрегатах із паливними елементами. Найбільша потужність може бути досягнута за допомогою послідовного з'єднання цих елементів.

Робота ЕУ з ЕХГ не залежить від глибини занурення підводного човна. Електроенергія, що генерується такою енергоустановкою, надходить прямо на головний розподільний щит човна. 65 відс. її витрачається на рух та корабельні потреби, 30 відс. - на систему охолодження та систему залишкових газів ЕУ, 5 відс. - На додаткове обладнання ЕУ. Допоміжна ЕУ може працювати як паралельно з АБ, забезпечуючи електрорух підводного човна та харчування інших споживачів, так і для підзарядки АБ.

Планується оснастити допоміжною ЕУ з ЕХГ чотири та дві підводні човни типу 212А, що будуються для ВМС ФРН та Італії відповідно, а також експортний варіант човна типу 214 для ВМС Греції та Республіки Корея.

Дві підводні човни з першої підсерії човнів типу 212А для ВМС ФРН обладнані допоміжною ЕУ з ЕХГ номінальною потужністю близько 300 кВт з дев'ятьма паливними елементами по 34 кВт. Човни другої підсерії планується оснастити двома паливними елементами 120 кВт. Вони матимуть практично ті ж масогабаритні характеристики, що й паливні елементи потужністю 34 кВт, але при цьому їхня ефективність збільшиться в 4 рази. ПЛ типу 212А буде здатна перебувати в підводному положенні протягом приблизно двох тижнів. Номінальна потужність даної установки дозволить розвивати швидкість ходу до 8 уз без використання АБ.

Модульна конструкція ЕУ на основі паливних елементів не тільки полегшує їх установку на підводних підводних човнах, але й дозволяє обладнати ними раніше побудовані, навіть ті, які були побудовані за ліцензіями на верфях країн - імпортерів німецьких підводних човнів.

Крім того, така ЕУ, як стверджують німецькі фахівці, відрізняється високою ремонтопридатністю та тривалішим терміном служби.

Паротурбінне встановлення (ПТУ) замкнутого циклу. ПТУ MESMA (Module d'Energie Sous-Marin Autonome), що працює по замкнутому циклу Ренкіна, була розроблена управлінням кораблебудування ВМС Франції DCN для продажу на експорт. "Бертін", а також судноверф "Емпреса насьональ Базан" (Іспанія).

MESMA є двоконтурною установкою. У першому контурі в результаті згоряння етанолу в кисні утворюється теплоносій (парогаз), який проходить через тракт парогенератора та віддає тепло воді, що циркулює у другому контурі. Вода перетворюється на пару високого тиску, що обертає парову турбіну, з'єднану з генератором. Кисень зберігається на борту підводного човна в спеціальних ємностях в рідкому стані. Продуктами реакції горіння є вода та відпрацьовані гази, що відводяться за борт. Це може призвести до збільшення помітності підводного човна.

Горіння камери згоряння відбувається під тиском 6 МПа, внаслідок чого установка може працювати на глибинах до 600 м, тому для видалення за борт продуктів горіння не треба задіяти компресор.

ККД енергоустановки з ПТУ MESMA становить 20 відс., що обумовлено великими втратами при багаторазовому перетворенні енергії - спалювання палива, отримання перегрітої пари, генерація трифазного струму та подальше його перетворення на постійний.

Вся установка в цілому відрізняється достатньою компактністю і монтується в секції міцного корпусу довжиною 10 м і шириною 7,8 м. Кисень зберігається в зрідженому стані в балонах, змонтованих на спеціальних кріпленнях амортизаційних всередині міцного корпусу підводного човна у вертикальному положенні.

У вересні 1998 року завершилися стендові випробування досвідченого зразка MESMA. У квітні 2000 року на судноверфі у м. Шербур було виготовлено першу корабельну енергоустановку, розміщену в секції міцного корпусу. Після завершення здавачових випробувань модуль з ЕУ повинен був бути відправлений до Пакистану для оснащення за французькою ліцензією підводного човна «Газі» типу «Агоста 90В». Це перша підводна човна даного типу, на якій допоміжна повітронезалежна ЕУ буде встановлена ​​в процесі будівництва. Дві інші підводні човни, побудовані раніше, планується дообладнати ними пізніше - у процесі модернізації та ремонту.

Застосування допоміжних повітронезалежних енергетичних установок на неатомних підводних човнах дозволило поліпшити їх ТТХ за тривалістю підводного плавання, що підвищило скритність човнів і розширило їх бойові можливості. Крім будуються підводними човнами допоміжними ВНЕУ можна обладнати наявні дизельні підводні човни в процесі їх модернізації. Подальший розвиток технологій та отримання на цій основі якісно нових характеристик ВНЕУ, найімовірніше, дозволить неатомним підводним човнам вирішувати завдання, властиві атомним.

Для коментування необхідно зареєструватись на сайті

тобто, на відміну від ДВС, двигуна внутрішнього згоряння, де робоче тіло це одночасно горюче паливо всередині циліндра, в стирлінг паливо горить зовні, гріє робоче тіло (повітря) всередині циліндра, а далі як зазвичай - кривошип, ітд

в цій статті я не побачив власне головної фішки, анаеробності, що позиціонується, тобто, як в ДВС потрібен кисень для горіння, так і в стирлінгу використовується той же процес горіння, тобто, кисень все одно потрібен
Легко горіння перенесено всередині назовні і все. Ну, і ще у стирлінгу горіння йде постійно, а не імпульсно вибухоподібно, як у ДВС, звідси його безшумність, корисна для підводного човна. Але на цьому й усі плюси

Я думав, замість горіння будуть використані якісь інші екзотермічні хімічні реакції, наприклад за участю води замість кисню, що логічно, на суші навколо повно кисню, під водою - собсна води.
я не знаю, сипте в циліндр або зовні його, ну хоч негашене вапно, та поливайте водою, тепло, що виділяється, перетворіть на обертання
навіщо заявляти анаеробний двигун і все одно використовувати кисень

далі, якщо розвивати думку - у проекті використовується електродвигун як основний маршовий, і стирлінг буде потрібен тільки для підзарядки батарей, то чи не простіше тоді зосередитися на засобах безпосереднього отримання ЕРС за допомогою хімічних реакцій без механіки?
Це мені нагадало, як я влітку на дачі без світла до автомобільного акумулятора підключав інвертор на 220, до якого підключав енергозберігаючі лампочки, на світлодіодах, у яких низьковольтна напруга. Потім до мене дійшло, що тупо спочатку підвищувати напругу з 12 до 220, а потім у лампочці воно знову знижується, зробив саморобний світлодіод на 12в і акуму стало вистачати втричі довше.

За радянських часів у подільську робили сухозаряджені акумулятори, на пластини яких пресували склад, що відповідає зарядженому стану свинцевого акумулятора. Такий акум може зберігатися на складі дуже довго і бути зарядженим, потім покупець наливає туди електроліт, і відразу ставить на автомобіль. Завантажуйте наприклад на підводний човен сухі пластини з електролітом, які в процесі руху витрачаються, і змінюються свіжими, а далі в доці вантажиться новий матеріал, як паливо, а відпрацьований вивантажується і в заводських умовах регенерується в новий сухозаряджений. Всі. Жодного подвійного перетворення з ККД паровоза, жодного кисню, справді анаеробна схема.

Ну зі свинцевокислотним акумом це просто думка навскідку, можна набагато досконаліше придумати процес наприклад на літії, це ще мінус вага і мінус небезпечна кислота