Pruebas de las primeras centrales eléctricas anaeróbicas. "Kalina" es un submarino ruso de quinta generación con una planta de energía (anaeróbica) independiente del aire (vneu). Principio de funcionamiento de las centrales eléctricas de turbinas de gas.

Render del submarino del proyecto Amur-950 con planta de energía anaeróbica

CDB MT "Rubín"

La prometedora central anaeróbica rusa, que está previsto instalar en el submarino experimental del Proyecto 677 Lada y en el nuevo submarino no nuclear del proyecto Kalina, recibirá una batería de doble capacidad. Como escribe Mil.Press FlotProm, energía eléctrica La batería mejorada será de cien kilovatios en lugar de los 50 del modelo actual. Está previsto que el desarrollo y las pruebas de una nueva batería para centrales eléctricas anaeróbicas de submarinos concluyan en 2020.

Los submarinos diesel-eléctricos modernos tienen varias ventajas sobre los submarinos nucleares más grandes. Una de las principales ventajas es el silencio casi total del movimiento en posición sumergida, ya que en este caso sólo se utilizan motores eléctricos silenciosos accionados por baterias. Estas baterías se recargan mediante generadores diésel en la superficie o a una profundidad desde la que es posible instalar un snorkel, un tubo especial a través del cual se puede suministrar aire a los generadores.

Las desventajas de los submarinos diésel-eléctricos convencionales incluyen el tiempo relativamente corto que el barco puede pasar bajo el agua. En el mejor de los casos, puede llegar a las tres semanas (a modo de comparación, submarinos nucleares esta cifra es de 60 a 90 días), después de lo cual el submarino tendrá que salir a la superficie y lanzarse generadores diesel. Una planta de energía anaeróbica, que no requiere aire exterior para funcionar, permitirá que un submarino no nuclear permanezca sumergido por mucho más tiempo. Por ejemplo, un submarino del proyecto Lada con una instalación de este tipo puede permanecer bajo el agua durante 45 días.

Una prometedora central anaeróbica rusa utilizará hidrógeno para su funcionamiento alto grado limpieza. Este gas se obtendrá a bordo del barco desde gasóleo mediante reformado, es decir, convirtiendo el combustible en gas que contiene hidrógeno e hidrocarburos aromáticos, que luego pasarán por una unidad de recuperación de hidrógeno. Luego, el hidrógeno se suministrará al sistema de hidrógeno-oxígeno. pilas de combustible, donde se generará electricidad para motores y sistemas a bordo.

Batería BTE-50K-E en un banco de pruebas

Estado de Krylov centro de ciencias

La batería, también llamada generador electroquímico, está siendo desarrollada por el Instituto Central de Investigación de Ingeniería y Tecnología Eléctrica de Buques. Esta batería, que produce electricidad mediante la reacción de hidrógeno y oxígeno, se llama BTE-50K-E. Su potencia es de 50 kilovatios. La potencia de la batería mejorada será de cien kilovatios. Batería nueva formará parte de los módulos de potencia de submarinos no nucleares prometedores con una capacidad de 250 a 450 kilovatios.

Además de los propios elementos electroquímicos, también llamados pilas de combustible de hidrógeno, dichos módulos incluirán convertidores de combustible de hidrocarburos. Es en ellos donde tendrá lugar el proceso de reformado del combustible diésel. Como dijo a Mil.Press FlotProm uno de los desarrolladores de la nueva batería, el convertidor de combustible de hidrocarburos se encuentra actualmente en desarrollo. Anteriormente se informó que el desarrollo de una planta de energía anaeróbica para submarinos está previsto que finalice a finales de 2018.

En febrero pasado, investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia anunciaron el desarrollo de una unidad alternativa compacta de cuatro tiempos para el reformado catalítico de la producción de metano e hidrógeno. Las nuevas instalaciones se pueden combinar en cadena, aumentando así el rendimiento de hidrógeno. La instalación es bastante compacta y no requiere un calentamiento intenso. El reactor funciona en un ciclo de cuatro tiempos. Durante la primera carrera, el metano mezclado con vapor ingresa al cilindro a través de válvulas. Al mismo tiempo, el pistón del cilindro desciende suavemente. Una vez que el pistón alcanza el punto inferior, se corta el suministro de mezcla.

En la segunda carrera, el pistón sube, comprimiendo la mezcla. Al mismo tiempo, el cilindro se calienta a 400 grados centígrados. en condiciones presión alta y calentamiento, se produce el proceso de reformado. A medida que se libera hidrógeno, pasa a través de una membrana que detiene dióxido de carbono, también formado durante la reforma. El dióxido de carbono es absorbido por el material adsorbente mezclado con el catalizador.

En la tercera carrera, el pistón desciende a su posición más baja, lo que reduce drásticamente la presión en el cilindro. En este caso, se libera dióxido de carbono del material adsorbente. Luego comienza la cuarta carrera, durante la cual se abre la válvula del cilindro y el pistón comienza a subir nuevamente. Durante el cuarto golpe, el dióxido de carbono se expulsa del cilindro a la atmósfera. Después del cuarto tiempo el ciclo comienza de nuevo.

Vasili Sychev

Indistinguible en las profundidades del mar, prácticamente silencioso y, lo más importante, completamente autónomo. Así será exactamente el submarino no nuclear Lada. Esta capacidad será proporcionada al barco por la última planta de energía anaeróbica independiente del aire (VNEU). Esto evitará que el barco tenga que flotar constantemente hacia la superficie para recargar las baterías y reponer el suministro de aire necesario para operar los generadores diésel bajo el agua. Gracias a las nuevas unidades, el Lada podrá permanecer sumergido hasta varias semanas sin revelar su presencia.
Los submarinos no nucleares son propulsados ​​por motores que utilizan electricidad almacenada en baterías. Sin embargo, las baterías no duran mucho. El movimiento en una zona de patrulla de combate a una velocidad de 2 a 4 nudos en una posición sumergida puede durar un máximo de cuatro días; En este caso, las baterías se descargan en un 80%. Y se necesitan dos días para recargarlos. Al conducir con velocidad máxima, las baterías generalmente se descargan en cuestión de horas. Después, hay que recargarlos mediante un motor diésel, que necesita aire para funcionar. Es decir, el barco necesariamente debe flotar hacia la superficie para recargar las baterías, desenmascarándose así por completo.
Es por esta razón que durante la Segunda Guerra Mundial murieron más tripulantes de barcos que los destruidos por cargas de profundidad o minas bajo el agua. Los barcos que emergieron se convirtieron en blancos fáciles para los aviones enemigos que patrullaban sobre el mar. Y a menudo, al escapar de un ataque aéreo, la tripulación realizaba una inmersión de emergencia, sin siquiera tener tiempo de cerrar la escotilla del eje de mando.
Un motor anaeróbico o independiente del aire es un motor que no necesita aire atmosférico. Es posible que el barco no flote constantemente hacia la superficie para recargarse, lo que significa que pasará desapercibido para el enemigo.
Los alemanes son considerados pioneros en el desarrollo global del VNEU con el submarino del proyecto U-212/214. En 2014, la empresa de defensa francesa DCNS informó sobre el éxito en la creación de sistemas similares. La instalación que creó está destinada a submarinos clase Scorpene. La Marina Real Australiana ha seleccionado otro proyecto DCNS, un submarino más grande conocido como SMX Ocean y Shortfin Barracuda para su programa. Sin embargo, el barco sueco HSwMS Gotland es considerado el más exitoso y peligroso. Este barco se ha convertido en una auténtica leyenda. Y no la flota sueca, sino la estadounidense.
El barco está construido con acero de bajo magnetismo. A bordo hay 27 electroimanes de compensación, que excluyen por completo la detección del barco por detectores de anomalías magnéticas. Gracias al motor eléctrico multimodo y a la protección contra vibraciones de los mecanismos, Gotland es prácticamente indistinguible para los localizadores incluso en las inmediaciones de barcos americanos. El barco se funde con el calor natural y el ruido del océano. Pero lo más importante es que, armado con 18 torpedos, es posible que no salga a la superficie hasta dentro de 20 días.
Los submarinos no nucleares rusos más avanzados del Proyecto 636.3 “Varshavyanka” fueron llamados “agujero negro” por su bajo ruido y sigilo. Hoy están armados con los torpedos más avanzados y misiles de crucero"Calibre". Los primeros son capaces de hundir cualquier barco o incluso un portaaviones. El segundo es destruir un objetivo costero a una distancia de hasta 2,5 mil kilómetros. Pero, al igual que los barcos de la Segunda Guerra Mundial, el Varshavyanka se ve obligado a salir a la superficie con frecuencia para recargar sus baterías, lo que significa que en un enfrentamiento prolongado la tripulación de un barco de este tipo siempre será vulnerable.

Los submarinos Lada más nuevos están reemplazando al Varshavyanka. Hoy en la alineación Marina de guerra El primer submarino de este proyecto, el San Petersburgo, ya está en alerta de combate. El segundo, el Kronstadt, se entregará a la flota en 2018. El tercero es "Velikiye Luki", que todavía se encuentra en las gradas del astillero. Se supone que el barco que le sigue será botado con una central eléctrica anaeróbica doméstica. En cuanto a sus características, diferirá significativamente de los de los barcos occidentales. Hoy en día, dos oficinas de diseño, tradicionalmente involucradas en el diseño de submarinos, están trabajando en esto: la Oficina de Ingeniería Marina de San Petersburgo "Malachite" y la Oficina Central. oficina de diseño equipo marino "Rubin".
Los detalles del proyecto aún están en secreto. Se sabe que el desarrollo ruso se basa en el reformado con vapor con un generador electroquímico que utiliza elementos de estado sólido. Ya lo creé diseño industrial. Entre las tecnologías fundamentales, implementa la producción de hidrógeno a partir de combustible diesel, la creación de un generador electroquímico que extrae hidrógeno de corriente eléctrica y eliminación de productos residuales del primer ciclo. Es decir, el que se obtiene durante la reacción del CO2. Esto distingue fundamentalmente sistema ruso de análogos extranjeros, ya que no es necesario llevar un suministro de hidrógeno a bordo. Se obtiene directamente en la instalación reformando el combustible diesel. El profesor de la Academia de Ciencias Militares Vadim Kozyulin dice que la aparición de barcos independientes del aire aumentará considerablemente el potencial de combate de los submarinos diesel-eléctricos. El principal lugar de su aplicación son los mares interiores de poca profundidad. Se trata del Báltico, el Negro, el Caspio o el sur de China.

Pero la dirección más prometedora resultó ser la asociada a la conversión de energía química directamente en energía eléctrica, sin proceso de combustión ni movimiento mecánico, es decir, a la generación de energía eléctrica de forma silenciosa. se trata de sobre generadores electroquímicos. En la práctica, este método ha encontrado aplicación en el alemán moderno. submarino U-212. El diseño de la planta de energía anaeróbica se muestra en la Figura 12.

El generador electromecánico se basa en pilas de combustible. Básicamente se trata de una batería recargable que se recarga constantemente. La física de su funcionamiento se basa en el proceso inverso de la electrólisis del agua, cuando se libera electricidad al combinar hidrógeno y oxígeno. En este caso, la transformación de energía se produce de forma silenciosa y el único subproducto de la reacción es agua destilada, que es bastante fácil de encontrar uso en un submarino.

Según criterios de eficiencia y seguridad, el hidrógeno se almacena en estado ligado en forma de hidruro metálico (una aleación metálica combinada con hidrógeno) y el oxígeno se almacena en forma licuada en contenedores especiales entre los cascos ligeros y duraderos de los aviones. el submarino. Entre los cátodos de hidrógeno y oxígeno se encuentran membranas poliméricas de electrolitos de intercambio de protones, que realizan la función de un electrolito.

La potencia de un elemento alcanza los 34 kW y la eficiencia de la central eléctrica es de hasta el 70 por ciento. A pesar de las ventajas obvias de la instalación de pila de combustible desarrollada, no proporciona las características operativas y tácticas requeridas de un submarino de clase oceánica, principalmente en términos de realizar maniobras de alta velocidad al perseguir un objetivo o evadir un ataque de torpedo enemigo. Por lo tanto, los submarinos del Proyecto 212 están equipados con un sistema de propulsión combinado, en el que se utilizan baterías o pilas de combustible para moverse a altas velocidades bajo el agua, y para la navegación en la superficie: un generador diésel tradicional, que incluye un motor diésel de 16 cilindros en forma de V. Motor y generador síncrono de corriente alterna. Generadores diésel También se utilizan para recargar baterías, elemento tradicional de los submarinos no nucleares. El generador electroquímico, compuesto por nueve módulos de pilas de combustible, tiene una potencia total de 400 CV. Con. y asegura el movimiento del submarino en posición sumergida a una velocidad de 3 nudos durante 20 días con niveles de ruido inferiores al nivel natural del ruido del mar.

Centrales eléctricas combinadas

Recientemente, las centrales eléctricas combinadas se han vuelto populares. Inicialmente, las centrales eléctricas combinadas generaron el deseo de dotar simultáneamente a los buques de guerra de alta velocidad para el combate y un largo alcance de crucero para operaciones en zonas remotas del Océano Mundial. En particular, apareció una combinación de centrales eléctricas de turbina de caldera y diésel en los cruceros alemanes durante la Segunda Guerra Mundial. En los años 60 aparecieron en los barcos turbinas de gas que, debido a su eficiencia y características de funcionamiento, sólo podían utilizarse durante poco tiempo y a altas velocidades. Para compensar esta deficiencia, comenzaron a combinarse con una central eléctrica de caldera-turbina (COSAG) o diésel (CODAG). Algo más tarde aparecieron las llamadas turbinas de gas de propulsión, que requerían turbinas de postcombustión (COGAG). Solo la llegada de las turbinas de gas multimodo hizo posible pasar a una central eléctrica de turbinas de gas homogénea.

Incluso hay combinaciones únicas de centrales eléctricas CODEAG (turbina de gas diésel con propulsión totalmente eléctrica), que se encuentran en la fragata “ Duque» Marina Real de Gran Bretaña. Al crearlo, los diseñadores partieron de la necesidad de garantizar un nivel de ruido ultrabajo a bajas velocidades cuando se utiliza una antena de sistema hidroacústico remolcado, así como una transición rápida de velocidades bajas a altas. La instalación incluye dos turbinas de gas con una potencia total de 31.000 CV. s., dos motores de propulsión DC con una potencia de 2000 CV cada uno. s., integrado en las líneas de ejes de hélice y propulsado por cuatro generadores diésel con una potencia total de 8100 CV. Con. Esta central eléctrica principal funciona en cuatro modos: baja velocidad con un nivel mínimo de ruido con las cajas de cambios principales apagadas; alta velocidad cuando las turbinas de gas funcionan con hélices a través de cajas de cambios junto con motores eléctricos de propulsión; velocidad intermedia cuando se opera una turbina de gas en una hélice y un motor eléctrico de hélice en otra hélice con la caja de cambios apagada; maniobras cuando se utilizan únicamente motores diésel. Las hélices funcionan en reversa únicamente mediante motores eléctricos de propulsión.

es decir, a diferencia de un motor de combustión interna, un motor combustión interna, donde el fluido de trabajo es simultáneamente combustible quemado dentro del cilindro, en Stirling el combustible se quema afuera, calienta el fluido de trabajo (aire) dentro del cilindro y luego, como de costumbre, la manivela, etc.

En este artículo, no vi la característica principal posicionada, la anaerobicidad, es decir, así como un motor de combustión interna necesita oxígeno para la combustión, Stirling utiliza el mismo proceso de combustión, es decir, todavía se necesita oxígeno.
la combustión simplemente se transfiere del interior al exterior y eso es todo. Bueno, Stirling también arde continuamente, y no de manera explosiva y pulsada, como en un motor de combustión interna, de ahí su silencio, lo cual es útil para un submarino. Pero esas son todas las ventajas.

Pensé que en lugar de combustión se utilizarían otras reacciones químicas exotérmicas, por ejemplo, con la participación de agua en lugar de oxígeno, lo cual es lógico, en la tierra hay mucho oxígeno alrededor, bajo el agua hay propia agua.
No sé, echarlo dentro del cilindro o fuera de él, bueno al menos cal viva, sí, vierte agua, convierte el calor generado en rotación.
¿Por qué declarar un motor anaeróbico y seguir usando oxígeno?

Además, si desarrollamos la idea, el proyecto utiliza un motor eléctrico como motor de propulsión principal, y Stirling solo será necesario para recargar las baterías, entonces, ¿no sería más fácil centrarse en los medios para producir EMF directamente a través de reacciones químicas? sin mecanica?
Esto me recordó cómo en verano, en una casa de campo sin electricidad, conecté un inversor 220 a la batería de un automóvil, a la que conecté bombillas de bajo consumo con LED de bajo voltaje. Entonces me di cuenta de que era una estupidez aumentar primero el voltaje de 12 a 220, y luego en la bombilla vuelve a bajar, hice un LED de 12V casero y la batería empezó a durar el triple.

En la época soviética, en Podolsk se fabricaban baterías cargadas en seco, cuyas placas se prensaban con una composición correspondiente al estado de carga. batería de plomo. Una batería de este tipo puede almacenarse en un almacén durante mucho tiempo y cargarse, luego el comprador vierte electrolito en ella e inmediatamente la coloca en el automóvil. Por ejemplo, cargar placas secas con electrolito en un submarino, que se consumen durante el movimiento y se reemplazan por otras nuevas, y luego se cargan en el muelle. nuevo material, como combustible, y el gastado se descarga y se regenera en fábrica para convertirlo en uno nuevo cargado en seco. Todo. Sin doble conversión con la eficiencia de una locomotora de vapor, sin oxígeno, circuito verdaderamente anaeróbico.

Bueno, con una batería de plomo-ácido es solo un pensamiento fuera de mi cabeza, puedes idear un proceso mucho más perfecto, por ejemplo usando litio, esto es menos el peso y menos el ácido peligroso.

Los desarrolladores rusos han comenzado a probar una planta de energía anaeróbica para submarinos diésel-eléctricos prometedores; Se están probando prototipos terrestres. Como informa RIA Novosti, así lo afirmó el presidente de United Shipbuilding Corporation, Alexey Rakhmanov. Según sus palabras, en un futuro próximo los desarrolladores, la oficina central de diseño de equipos marinos "Rubin", la oficina de ingeniería marina "Malachite" y el Centro Científico Estatal de Krylov, también planean crear un prototipo marino de una planta anaeróbica.

Los submarinos diesel-eléctricos modernos tienen varias ventajas sobre los submarinos nucleares más grandes. Una de las principales ventajas es el silencio casi total del movimiento en posición sumergida, ya que en este caso sólo los silenciosos motores eléctricos alimentados por baterías son responsables del movimiento del barco. Estas baterías se recargan mediante generadores diésel en la superficie o a una profundidad desde la que es posible instalar un snorkel, un tubo especial a través del cual se puede suministrar aire a los generadores.

Las desventajas de los submarinos diésel-eléctricos convencionales incluyen el tiempo relativamente corto que el barco puede pasar bajo el agua. En el mejor de los casos, puede llegar a las tres semanas, pero no suele superar los 7-10 días. Después de esto, el submarino necesita salir a la superficie y poner en marcha los generadores diésel. Una planta de energía anaeróbica, que no requiere aire exterior para funcionar, permitirá que un submarino no nuclear permanezca sumergido por mucho más tiempo.

Está previsto que las pruebas de la central rusa anaeróbica para submarinos concluyan antes de finales de 2021. Paralelamente a su desarrollo y pruebas, los especialistas están evaluando el componente económico del proyecto: cuánto costará la instalación en producción en masa, cuánto costará su operación y mantenimiento, entre muchos otros aspectos. “Cualquier obra debe tener un significado económico. Tan pronto como lo veamos lo implementaremos”, respondió Rajmánov.

Una prometedora central anaeróbica rusa utilizará hidrógeno altamente purificado para su funcionamiento. Está previsto obtener este gas a bordo del barco a partir del combustible diésel mediante reformado, es decir, convirtiendo el combustible en gas que contiene hidrógeno e hidrocarburos aromáticos, que luego pasará por una unidad de separación de hidrógeno. Luego, el hidrógeno se introducirá en pilas de combustible de hidrógeno y oxígeno, donde se generará electricidad para los motores y los sistemas a bordo.

Las pilas de combustible están siendo desarrolladas por el Instituto Central de Investigación de Ingeniería y Tecnología Eléctrica Marina. Las baterías de hidrógeno que generan electricidad mediante la reacción de hidrógeno y oxígeno se denominan BTE-50K-E. La potencia de uno de esos elementos es de 50 kilovatios. La potencia de la batería mejorada será de 100 kilovatios. La nueva batería formará parte de los módulos de potencia de prometedores submarinos no nucleares con una capacidad de 250 a 450 kilovatios.

Además de los propios elementos electroquímicos, dichos módulos incluirán convertidores de combustible de hidrocarburos. Es en ellos donde tendrá lugar el proceso de reformado del combustible diésel. El convertidor de combustible de hidrocarburos aún está en desarrollo.

A finales de septiembre, el astillero Admiralty Shipyards botó el submarino diésel-eléctrico Kronstadt, el primer barco de producción del Proyecto 677 Lada. Se espera que el submarino estará completo serie de pruebas y será transferido flota rusa hasta finales de 2019. El proyecto 677 prevé en el futuro la instalación de centrales eléctricas anaeróbicas en submarinos. Además, está previsto utilizar estas centrales eléctricas en los prometedores submarinos diésel-eléctricos de quinta generación del proyecto Kalina.