Testy pierwszych elektrowni beztlenowych. „Kalina” to rosyjska łódź podwodna piątej generacji z niezależną od powietrza instalacją energetyczną (beztlenową) (VNEU). Zasada działania elektrowni z turbinami gazowymi

Render okrętu podwodnego 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 testowanie nowej baterii do elektrowni beztlenowych okrętów podwodnych ma zakończyć się do 2020 roku.

Nowoczesne okręty podwodne z silnikiem Diesla mają kilka zalet w porównaniu z większymi okrętami podwodnymi o napędzie atomowym. Jedną z głównych takich zalet jest prawie całkowita bezgłośność kursu w pozycji zanurzonej, gdyż w tym przypadku za ruch statku odpowiadają tylko ciche silniki elektryczne zasilane bateriami. Baterie te są ładowane z generatorów diesla w pozycji powierzchniowej lub na głębokości, z której można ustawić fajkę, specjalną rurkę, przez którą powietrze może być dostarczane do generatorów.

Wady konwencjonalnych okrętów podwodnych z silnikiem wysokoprężnym i elektrycznym obejmują stosunkowo krótki czas, jaki statek może spędzić pod wodą. W najlepszym razie może osiągnąć trzy tygodnie (dla porównania liczba ta dla atomowych okrętów podwodnych wynosi 60-90 dni), po czym okręt podwodny będzie musiał wynurzyć się i uruchomić generatory diesla. Elektrownia beztlenowa, która nie wymaga powietrza z zewnątrz, pozwoli okrętowi podwodnemu nienuklearnemu znacznie dłużej pozostawać 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 pracy wysoko oczyszczony wodór. Gaz ten będzie pozyskiwany na pokładzie statku z oleju napędowego poprzez reforming, czyli przekształcenie paliwa w gaz zawierający wodór i węglowodory aromatyczne, które następnie będą przechodzić przez instalację odzysku wodoru. Wodór zostanie następnie wprowadzony do ogniw paliwowych wodorowo-tlenowych, gdzie będzie wytwarzana energia elektryczna dla silników i systemów pokładowych.

Akumulator BTE-50K-E na stole probierczym

Państwowe Centrum Badawcze Kryłowa

Akumulator, zwany inaczej generatorem elektrochemicznym, jest rozwijany przez Centralny Instytut Elektrotechniki i Techniki Okrętowej. Ta bateria, która wytwarza energię elektryczną w reakcji wodoru i tlenu, została nazwana BTE-50K-E. Jego moc to 50 kilowatów. Moc ulepszonej baterii wyniesie sto kilowatów. Nowa bateria będzie częścią modułów mocy obiecujących niejądrowych okrętów podwodnych o mocy 250-450 kilowatów.

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

W lutym ubiegłego roku naukowcy z Georgia Institute of Technology opracowali kompaktową, czterosuwową jednostkę tłokową do katalitycznego reformingu metanu i produkcji wodoru. Nowe jednostki można łączyć ze sobą, zwiększając w ten sposób wydajność wodoru. Instalacja jest dość kompaktowa i nie wymaga mocnego ogrzewania. Reaktor pracuje w cyklu czterosuwowym. W pierwszym skoku metan zmieszany z parą jest podawany do cylindra przez zawory. W takim przypadku tłok w cylindrze płynnie obniża się. Gdy tłok osiągnie punkt dolny, dopływ mieszanki zostaje zablokowany.

Przy drugim skoku tłok unosi się, ściskając mieszankę. W tym samym czasie cylinder jest podgrzewany do 400 stopni Celsjusza. W warunkach wysokiego ciśnienia i ogrzewania zachodzi proces reformingu. Uwalniany wodór przechodzi przez membranę, która zatrzymuje dwutlenek węgla, również wytwarzany podczas reformingu. Dwutlenek węgla jest absorbowany przez adsorbent zmieszany z katalizatorem.

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

Wasilij Syczew

Nie do odróżnienia w morskich głębinach, niemal bezgłośny i co najważniejsze całkowicie autonomiczny. Taka będzie niejądrowa łódź podwodna Łada. Taką możliwość da łodzi najnowsza beztlenowo – niezależna od powietrza elektrownia (VNEU). Uchroni statek przed koniecznością ciągłego wynurzania się na powierzchnię w celu naładowania akumulatorów i uzupełnienia dopływu powietrza niezbędnego do pracy generatorów diesla w pozycji zanurzonej. Dzięki nowym jednostkom „Łada” będzie mogła być zanurzona nawet przez kilka tygodni, nie zdradzając swojej obecności.
Niejądrowe okręty podwodne są napędzane silnikami wykorzystującymi energię elektryczną zmagazynowaną w bateriach. Jednak ładowanie baterii nie trwa długo. Ruch w strefie patrolu bojowego z prędkością 2-4 węzłów w pozycji zanurzonej może trwać maksymalnie cztery dni; podczas gdy akumulatory są rozładowane o 80%. A ich naładowanie zajmuje dwa dni. Podczas jazdy z maksymalną prędkością akumulatory generalnie rozładowują się w ciągu kilku godzin. Następnie trzeba je doładować za pomocą silnika wysokoprężnego, który do pracy potrzebuje powietrza. Oznacza to, że łódź musi koniecznie wypłynąć na powierzchnię, aby naładować akumulatory, tym samym całkowicie się demaskując.
Z tego powodu w czasie II wojny światowej zginęło więcej załóg łodzi niż zostało zniszczonych przez bomby głębinowe lub miny w pozycji zanurzonej. Łodzie, które wypłynęły na powierzchnię, stały się łatwym celem dla wrogich samolotów włóczących się po morzu. I często, uciekając przed nalotem, załoga nurkowała awaryjnie, nie mając nawet czasu na zamknięcie włazu szybu tnącego.
Silnik beztlenowy lub niezależny od powietrza to silnik, który do działania nie potrzebuje powietrza atmosferycznego. Okręt może nie wynurzać się stale na powierzchnię w celu naładowania, co oznacza, że ​​pozostanie niezauważony przez wroga.
Pionierami w światowym rozwoju VNEU są Niemcy z okrętem podwodnym projektu U-212/214. W 2014 roku francuska firma zbrojeniowa DCNS ogłosiła sukces w tworzeniu podobnych systemów. Stworzona przez nią instalacja przeznaczona jest dla okrętów podwodnych typu Scorpene. Inny projekt DCNS, większy okręt podwodny znany pod nazwami „SMX Ocean” i „Shortfin Barracuda”, został wybrany przez marynarkę wojenną Australii do swojego programu. Jednak za najbardziej udaną i niebezpieczną uważana jest szwedzka łódź HSwMS Gotland. Ten statek stał się prawdziwą legendą. I nie szwedzka, ale amerykańska flota.
Statek zbudowany jest ze stali niskomagnetycznej. Na pokładzie znajduje się 27 elektromagnesów kompensacyjnych, które całkowicie wykluczają wykrycie statku przez detektory anomalii magnetycznych. Dzięki działającemu we wszystkich trybach silnikowi elektrycznemu i zabezpieczeniu mechanizmów przed drganiami, Gotlandia jest praktycznie nie do odróżnienia przez lokalizatorów nawet w bezpośrednim sąsiedztwie amerykańskich statków. Łódź wtapia się w naturalne ciepło i hałas tła oceanu. Ale najważniejsze jest to, że uzbrojony w 18 torped może nie wynurzyć się do 20 dni.
Najbardziej zaawansowane rosyjskie niejądrowe okręty podwodne projektu 636,3 „Warszawianka” zostały nazwane „czarną dziurą” ze względu na niski poziom hałasu i dyskrecję. Dziś są uzbrojone w najnowocześniejsze torpedy i pociski manewrujące Kalibr. Te pierwsze są w stanie zatopić dowolny statek, a nawet lotniskowiec. Drugi to zniszczenie celu przybrzeżnego w odległości do 2,5 tys. kilometrów. Ale, podobnie jak okręty II wojny światowej, „Warszawianka” często musi wynurzać się, aby naładować akumulatory, co oznacza, że ​​załoga takiego statku zawsze będzie bezbronna w długiej konfrontacji.

Najnowsze okręty podwodne Łada zastępują Warszawiankę. Dziś, jako część Marynarki Wojennej, pierwszy okręt podwodny tego projektu, St. Petersburg, jest już na wachcie bojowym. Drugi – „Kronsztad” zostanie przekazany do floty w 2018 roku. Trzecia – „Velikie Luki” wciąż znajduje się na zapasach stoczni. Zakłada się, że podążająca za nią łódź zostanie zwodowana już z krajową elektrownią beztlenową. Zgodnie z jego charakterystyką będzie się znacznie różnić od tych na statkach zachodnich. Obecnie pracują nad tym dwa biura projektowe tradycyjnie zajmujące się projektowaniem okrętów podwodnych: Biuro Inżynierii Morskiej „Malakhit” w Petersburgu i Centralne Biuro Projektowe Inżynierii Morskiej „Rubin”.
Szczegóły projektu wciąż pozostają w tajemnicy. Wiadomo, że rozwój Rosji opiera się na reformingu parowym z generatorem elektrochemicznym opartym na elementach półprzewodnikowych. Jego wzór przemysłowy został już stworzony. Z podstawowych technologii realizuje produkcję wodoru z oleju napędowego, stworzenie generatora elektrochemicznego, który pobiera prąd elektryczny z wodoru oraz usuwanie produktów odpadowych pierwszego cyklu. Czyli ten, który uzyskuje się podczas reakcji CO2. To zasadniczo odróżnia system rosyjski od zagranicznych odpowiedników, ponieważ nie ma konieczności przewożenia na pokładzie dostawy wodoru. Jest on wytwarzany bezpośrednio w zakładzie poprzez reformowanie oleju napędowego.Profesor Akademii Nauk Wojskowych Vadim Kozyulin mówi, że pojawienie się niezależnych od powietrza okrętów poważnie zwiększy potencjał bojowy okrętów podwodnych z napędem spalinowo-elektrycznym. Głównym miejscem ich zastosowania są morza śródlądowe o płytkich głębokościach. To są Chiny bałtyckie, czarne, kaspijskie lub południowe.

Jednak najbardziej obiecujący był kierunek związany z przemianą energii chemicznej bezpośrednio w energię elektryczną, bez procesu spalania czy ruchu mechanicznego, czyli z wytwarzaniem energii elektrycznej w sposób cichy. Mówimy o generatorach elektrochemicznych. W praktyce metoda ta znalazła zastosowanie we współczesnym języku niemieckim okręt podwodny U-212. Układ elektrowni beztlenowej pokazano na rysunku 12.

Generator elektromechaniczny oparty jest na ogniwach paliwowych. W rzeczywistości jest to akumulator z ciągłym ładowaniem. Fizyka jego pracy opiera się na procesie, który jest odwrotnością elektrolizy wody, kiedy elektryczność jest uwalniana, gdy wodór łączy się z tlenem. W tym przypadku konwersja energii zachodzi bezgłośnie, a jedynym produktem ubocznym reakcji jest woda destylowana, którą dość łatwo znaleźć w łodzi podwodnej.

Zgodnie z kryteriami wydajności i bezpieczeństwa wodór jest przechowywany w stanie związanym w postaci wodorku metalu (stop metalu w połączeniu z wodorem), a tlen w postaci skroplonej w specjalnych pojemnikach pomiędzy lekką i wytrzymałą łodzią podwodną kadłuby. Pomiędzy katodami wodorowymi i tlenowymi znajdują się polimerowe membrany elektrolityczne wymiany protonów, które działają jak elektrolit.

Moc jednego elementu sięga 34 kW, a sprawność elektrowni sięga 70 proc. Pomimo oczywistych zalet opracowanej instalacji ogniw paliwowych, nie zapewnia ona wymaganych cech operacyjnych i taktycznych okrętu podwodnego klasy ocean, przede wszystkim w zakresie wykonywania manewrów z dużą prędkością podczas ścigania celu lub unikania ataku torpedowego wroga. Dlatego okręty podwodne Project 212 są wyposażone w kombinowany układ napędowy, w którym baterie lub ogniwa paliwowe są wykorzystywane do poruszania się z dużą prędkością pod wodą, oraz w tradycyjny generator diesla, który obejmuje 16-cylindrowy silnik wysokoprężny w kształcie litery V i alternator synchroniczny. Generatory diesla służą również do ładowania baterii - tradycyjnego elementu niejądrowych okrętów podwodnych. Generator elektrochemiczny, składający się z dziewięciu modułów ogniw paliwowych, ma łączną moc 400 KM. Z. i zapewnia ruch łodzi podwodnej w pozycji zanurzonej z prędkością 3 węzłów przez 20 dni przy poziomach hałasu poniżej poziomu naturalnego hałasu morskiego.

Elektrownie kombinowane

Ostatnio popularne stały się elektrownie kombinowane. Początkowo elektrownie kombinowane rodziły chęć zapewnienia okrętom wojennym jednocześnie dużej prędkości bojowej i dużego zasięgu rejsowego do operacji w odległych rejonach oceanów. W szczególności na niemieckich krążownikach II wojny światowej pojawiła się kombinacja kotłowni-turbiny i elektrowni diesla. W latach 60. na statkach pojawiły się turbiny gazowe, które ze względu na swoją sprawność i właściwości eksploatacyjne mogły być eksploatowane tylko przez krótki czas i przy dużych prędkościach. Aby zrekompensować to niedociągnięcie, zaczęto je łączyć z elektrownią kotłowo-turbinową (COSAG) lub wysokoprężną (CODAG). Nieco później pojawiły się tzw. marszowe turbiny gazowe, które wymagały turbin dopalających (COGAG). Dopiero pojawienie się wszystkich trybów turbin gazowych umożliwiło przejście do jednorodnej elektrowni z turbiną gazową.

Istnieją nawet unikalne kombinacje elektrowni CODEAG (turbina spalinowo-gazowa z pełnym napędem elektrycznym), które znajdują się na fregatach” Książę» Brytyjska Marynarka Wojenna. Kiedy powstał, projektanci wyszli z potrzeby zapewnienia ultra niskiego poziomu hałasu przy niskich prędkościach przy użyciu holowanej anteny sonaru, a także szybkiego przejścia z niskiej prędkości na dużą. Instalacja obejmuje dwie turbiny gazowe o łącznej mocy 31 000 KM. s., dwa silniki napędowe prądu stałego o pojemności 2000 litrów każdy. s., wbudowane w linie wału śrubowego i zasilane czterema generatorami diesla o łącznej pojemności 8100 litrów. Z. Taka główna elektrownia działa w czterech trybach: niska prędkość z minimalnym poziomem hałasu, gdy główne skrzynie biegów są wyłączone; wysoka prędkość podczas pracy turbin gazowych na śmigłach poprzez przekładnie wraz z silnikami napędowymi; prędkość pośrednia podczas pracy jednej turbiny gazowej dla jednego śmigła i jednego silnika napędowego dla drugiego śmigła przy wyłączonej skrzyni biegów; manewrowanie przy użyciu wyłącznie diesli. Śmigła działają w odwrotnej kolejności tylko od silników śmigieł.

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

w tym artykule nie widziałem rzeczywistego głównego chipa pozycjonowanego, anaerobowości, to znaczy tak jak silnik spalinowy potrzebuje tlenu do spalania, ten sam proces spalania jest używany w stirlingu, to znaczy tlen jest nadal potrzebny
po prostu spalanie jest przenoszone z wnętrza na zewnątrz i to wszystko. Cóż, Stirling też 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 zostaną zastosowane jakieś inne egzotermiczne reakcje chemiczne, na przykład z udziałem wody zamiast tlenu, co jest logiczne, wokół na lądzie jest dużo tlenu, a pod wodą sama woda.
Nie wiem, wlej do cylindra lub na zewnątrz, no przynajmniej wapno palone, ale zalej wodą, zamień wytworzone ciepło na rotację
dlaczego twierdzą, że beztlenowy silnik i nadal używać tlenu?

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

W czasach sowieckich w Podolsku wytwarzano akumulatory ładowane na sucho, na których płytach wyciskano kompozycję odpowiadającą naładowanemu stanowi akumulatora ołowiowego. Taki akumulator można bardzo długo przechowywać w magazynie i ładować, po czym kupujący wlewa do niego elektrolit i od razu wkłada go do samochodu. Załaduj na łódź podwodną np. suche płyty elektrolitem, które zużywają się podczas ruchu i zastępują świeżymi, a następnie nowy materiał jest ładowany w doku jako paliwo, a zużyty materiał jest rozładowywany i fabrycznie regenerowany na nowy ładowany na sucho. Wszystko. Bez podwójnej konwersji z wydajnością lokomotywy parowej, bez tlenu, naprawdę beztlenowy obwód.

Cóż, przy akumulatorze ołowiowo-kwasowym to tylko odręczny pomysł, można wymyślić znacznie doskonalszy proces, na przykład na litie, to wciąż jest minus waga i minus niebezpieczny kwas

Rosyjscy deweloperzy rozpoczęli testowanie elektrowni beztlenowej dla zaawansowanych okrętów podwodnych z napędem spalinowo-elektrycznym; testowane są prototypy naziemne. To, według RIA Novosti, powiedział prezes Zjednoczonej Korporacji Stoczniowej Aleksiej Rachmanow. Według niego, w niedalekiej przyszłości deweloperzy - Centralne Biuro Projektowe Inżynierii Morskiej Rubina, Biuro Inżynierii Morskiej Malachitu i Państwowe Centrum Badawcze Kryłowa - planują również stworzenie morskiego prototypu instalacji beztlenowej.

Nowoczesne okręty podwodne z silnikiem Diesla mają kilka zalet w porównaniu z większymi okrętami podwodnymi o napędzie atomowym. Jedną z głównych takich zalet jest prawie całkowita bezgłośność kursu w pozycji zanurzonej, gdyż w tym przypadku za ruch statku odpowiadają tylko ciche silniki elektryczne zasilane bateriami. Baterie te są ładowane z generatorów diesla w pozycji powierzchniowej lub na głębokości, z której można ustawić fajkę, specjalną rurkę, przez którą powietrze może być dostarczane do generatorów.

Wady konwencjonalnych okrętów podwodnych z silnikiem wysokoprężnym i elektrycznym obejmują stosunkowo krótki czas, jaki statek może spędzić pod wodą. W najlepszym razie może osiągnąć trzy tygodnie, ale zwykle nie przekracza 7-10 dni. Następnie łódź podwodna musi wynurzyć się i uruchomić generatory diesla. Elektrownia beztlenowa, która nie wymaga powietrza z zewnątrz, pozwoli okrętowi podwodnemu nienuklearnemu znacznie dłużej pozostawać w zanurzeniu.

Testy rosyjskiej elektrowni beztlenowej dla okrętów podwodnych mają się zakończyć przed końcem 2021 roku. Równolegle z jej rozwojem i testowaniem specjaliści oceniają ekonomiczny komponent projektu – jak kosztowna będzie instalacja w masowej produkcji, ile będzie kosztować jej eksploatacja i utrzymanie oraz wiele innych aspektów. „Każda praca powinna mieć sens ekonomiczny. Jak tylko to zobaczymy, wdrożymy to” – odpowiedział Rachmanow.

Obiecująca rosyjska elektrownia beztlenowa będzie wykorzystywać do pracy wysoko oczyszczony wodór. Planuje się, że gaz ten będzie pozyskiwany na pokładzie statku z oleju napędowego metodą reformingu, czyli konwersji paliwa na gaz zawierający wodór i węglowodory aromatyczne, które następnie będą przechodzić przez instalację odzysku wodoru. Wodór zostanie następnie wprowadzony do ogniw paliwowych wodorowo-tlenowych, gdzie będzie wytwarzana energia elektryczna dla silników i systemów pokładowych.

Ogniwa paliwowe są opracowywane przez Centralny Instytut Elektrotechniki i Techniki Okrętowej. Akumulatory wodorowe, które wytwarzają energię elektryczną w reakcji wodoru i tlenu, nazywane są BTE-50K-E. Moc jednego takiego elementu to 50 kilowatów. Moc ulepszonej baterii wyniesie 100 kilowatów. Nowa bateria będzie częścią modułów mocy obiecujących niejądrowych okrętów podwodnych o mocy 250-450 kilowatów.

Oprócz samych elementów elektrochemicznych takie moduły będą zawierać konwertery paliwa węglowodorowego. To w nich będzie przebiegał proces reformowania oleju napędowego. Konwerter paliwa węglowodorowego jest wciąż w fazie rozwoju.

Pod koniec września stocznia Admiralty Shipyards zwodowała okręt podwodny z silnikiem Diesla Kronstadt, pierwszy seryjny statek Projektu 677 Łada. Oczekuje się, że okręt podwodny przejdzie pełną serię testów i zostanie przekazany rosyjskiej marynarce wojennej do końca 2019 roku. Projekt 677 w przyszłości przewiduje instalację elektrowni beztlenowych na okrętach podwodnych. Ponadto takie elektrownie mają być wykorzystywane na zaawansowanych okrętach podwodnych z napędem spalinowo-elektrycznym piątej generacji projektu Kalina.