Submarinos no nucleares con centrales anaerobias
DEPL tipo "Soryu"
Este artículo se centrará en submarinos con plantas de energía anaerobias o independientes del aire (VNEU). VNEU es una clase muy amplia de varios motores, soluciones de diseño, tipos de combustible. Lo que lo distingue de los sistemas de propulsión submarina de tercera generación es la capacidad de estar en la posición subacuática durante mucho más tiempo, lo que aumenta significativamente el sigilo de dicho submarino y dificulta la detección de antisubmarinos aviación. Los submarinos de la generación anterior, por ejemplo, un submarino diesel-eléctrico del Proyecto 636 Varshavyanka, deberían salir a la superficie cada 3-4 días, encender motores diesel y recargar las baterías. Los submarinos modernos con VNEU pueden estar bajo el agua durante semanas.
Considere las principales decisiones de diseño que se utilizan en la construcción de tales submarinos.
Motor Stirling
Motor Stirling: un motor térmico en el que el fluido de trabajo en forma de gas o líquido se mueve en un volumen cerrado, un tipo de motor de combustión externa. Se basa en el calentamiento y enfriamiento periódicos del fluido de trabajo, con la extracción de energía del cambio de presión resultante. Típicamente, el aire actúa como el fluido de trabajo, pero también se usan hidrógeno y helio.
Desventajas
1. Volumen y consumo de material: el motor Stirling necesita ser enfriado, y esto lleva a un aumento significativo en las dimensiones generales de la planta de energía debido al aumento de los radiadores.
2. Para obtener características comparables con las características de ICE, es necesario aplicar altas presiones (más de 100 atm) y tipos especiales de fluido de trabajo: hidrógeno, helio.
3. El calor no se suministra directamente al fluido de trabajo, sino solo a través de las paredes de los intercambiadores de calor. Las paredes tienen una conductividad térmica limitada, por lo que la eficiencia es menor de lo que cabría esperar. Un intercambiador de calor caliente funciona bajo condiciones de transferencia de calor muy intensas y a presiones muy altas, lo que requiere el uso de materiales caros y de alta calidad. Crear un intercambiador de calor que satisfaga los requisitos en conflicto es una tarea muy trivial. Cuanto mayor es el área de transferencia de calor, mayor es la pérdida de calor. Esto aumenta el tamaño del intercambiador de calor y el volumen del fluido de trabajo que no está involucrado en el trabajo. Dado que la fuente de calor se encuentra afuera, el motor responde lentamente a los cambios en el flujo de calor suministrado al cilindro, y puede no proporcionar inmediatamente la potencia deseada al inicio.
4. Para cambiar rápidamente la potencia del motor, se utilizan métodos diferentes a los utilizados en ICE: capacidad de amortiguación del volumen variable, cambio en la presión promedio del fluido de trabajo en las cámaras, cambio en el ángulo de fase entre el pistón de trabajo y el desplazador. En el último caso, la respuesta del motor a la acción de control del conductor es casi instantánea.
Dignidad
1. Simplicidad de diseño: el diseño del motor es muy simple, no requiere sistemas adicionales, como un mecanismo de distribución de gas. Se inicia de forma independiente y no necesita un iniciador. Sus características le permiten deshacerse de la caja de cambios.
2. El aumento de recursos: la simplicidad del diseño, la ausencia de muchos nodos "delicados" permite que el "stirling" proporcione un margen de salud sin precedentes para otros motores en decenas y cientos de miles de horas de operación continua.
3. Rentabilidad: para la recuperación de ciertos tipos de energía térmica, especialmente con una pequeña diferencia de temperatura, "stirling" es a menudo el tipo de motor más efectivo.
4. Nivel de ruido bajo: "Stirling" no tiene escape de los cilindros, lo que significa que su nivel de ruido es mucho más bajo que el de los motores de combustión interna de pistón.
DEPL tipo "Gotland"
Los submarinos con motores Stirling usan diesel estándar y oxígeno líquido como agente oxidante. Los pioneros en la creación de VNEU con "Stirling" fueron los suecos. Sus submarinos del tipo Gotland fueron los primeros submarinos de producción con motores similares. Debo decir que el "stirling" inferior a los motores diesel modernos en potencia, por lo que se utilizan como una adición a la clásica planta de energía diesel-eléctrica. Sin embargo, este "suplemento" permite que el submarino Gotland esté bajo el agua por hasta 20 días. Velocidad Stirling - 5 nudos. Además de los submarinos suecos, los motores Stirling se utilizan en los submarinos japoneses Soryu.
Generadores electroquímicos
Otro tipo de VNEU es el ECG. El generador electroquímico se basa en celdas de combustible. De hecho, es una batería recargable con recarga constante. El principio de operación de una planta de energía con un generador electroquímico es el mismo que hace 150 años, cuando el inglés William Robert Grove descubrió accidentalmente durante la electrólisis que dos tiras de platino, sopladas por una con oxígeno y la otra con hidrógeno, colocadas en una solución acuosa de ácido sulfúrico, dan corriente . Como resultado de la reacción, además de la corriente eléctrica, se formaron calor y agua. En este caso, la transformación de energía ocurre en silencio, y el único subproducto de la reacción es el agua destilada, que es bastante fácil de encontrar en un submarino.
De acuerdo con los criterios de eficiencia y seguridad, se decidió mantener el hidrógeno en un estado unido en forma de hidruro metálico (una aleación metálica especial combinada con hidrógeno) y oxígeno en forma licuada en contenedores especiales entre los cascos submarinos ligeros y fuertes. Entre los cátodos de hidrógeno y oxígeno hay membranas de intercambio protónico de electrolitos poliméricos que realizan la función de un electrolito.
DEPL tipo 212
VNEU con ECG encontró aplicación en submarinos alemanes del tipo 212. A pesar de las ventajas obvias de la instalación desarrollada de pila de combustible, no proporciona las características operativas y tácticas requeridas de un submarino de clase oceánica, principalmente en términos de realizar maniobras de alta velocidad cuando persigue un objetivo o evita un ataque. El enemigo. Por lo tanto, los submarinos están equipados con un sistema combinado de propulsión, en el cual las baterías o celdas de combustible se usan para moverse a altas velocidades bajo el agua, y un generador diesel tradicional también se usa para flotar sobre la superficie, que también se usa para recargar las baterías. El generador electroquímico, que consta de nueve módulos de celdas de combustible, tiene una capacidad total de 400 litros. s y proporciona movimiento del barco en posición subacuática con una velocidad de 3 nudos durante 20 días con niveles de ruido por debajo del nivel del ruido natural del mar.
Más recientemente, los españoles en submarinos del tipo S-80 lograron el éxito en la creación de VNEU. También usaron ECG como equipo auxiliar anaeróbico, sin embargo, tomaron el camino de producir hidrógeno a partir de etanol como resultado de su descomposición. El oxígeno se almacena en forma líquida en un tanque especial. La duración de la permanencia de un submarino bajo el agua alcanza los 15 días.
Planta de energía anaerobia de vapor
DEPL tipo "Escorpión"
Los ingenieros franceses crearon la unidad anaeróbica del generador de vapor MESMA (Módulo de Energía Autónoma Marino-Autónomo), un módulo de energía autónomo para submarinos. MESMA utiliza el principio del ciclo de Rankin, que consiste en los procesos de calentamiento de un líquido, su evaporación y sobrecalentamiento de un vapor, la expansión adiabática de un vapor y su condensación. La instalación se basa en una turbina de vapor que funciona en un ciclo cerrado. El etanol se usa como combustible, y el oxidante es oxígeno líquido. El etanol entra en la cámara de combustión, en la que el oxígeno también entra ya en estado gaseoso. La temperatura de combustión de una mezcla de alcohol y oxígeno puede alcanzar más de 700 ° C. Los productos de combustión de etanol: agua y dióxido de carbono, alta presión de dióxido de carbono emitido (hasta 60 atmósferas) hacen que sea fácil eliminarlo por la borda sin usar un compresor a profundidades de hasta 600 m.
La vida útil de la cámara de combustión se determina en 30 años. Por lo tanto, se utiliza durante toda la vida del submarino.
El intercambiador de calor de la cámara de combustión calienta un generador de vapor hecho de aleaciones de níquel. El vapor calentado impulsa un turbogenerador de corriente alterna de bajo ruido y alta velocidad.
El vapor residual ingresa al condensador de níquel-aluminio-bronce, que también es un enfriador de circuito secundario. El condensador se enfría haciendo correr el agua de mar. El condensado resultante se devuelve al generador de vapor. La cantidad total de agua en el sistema condensador de vapor es de aproximadamente 500 litros. Velocidad de rotación de la turbina de vapor de hasta 10 mil rpm. La potencia de salida nominal del generador no es inferior a 200 kW.
El poder de la instalación MESMA permite desarrollar submarinos del proyecto Scorpena con un paso submarino de 4 nudos, con una duración de navegación de aproximadamente 250 horas. Las baterías tradicionales se utilizan para alcanzar velocidades más altas.
Baterías de litio
El 2020 de marzo de 11, los japoneses lanzaron el undécimo submarino del proyecto Soryu, pero este submarino tiene una diferencia significativa con respecto a otros submarinos de este tipo: tiene baterías de iones de litio instaladas.
Mediante el uso de baterías de iones de litio, los japoneses pudieron abandonar el uso de motores Stirling y baterías de plomo-ácido tradicionales en el nuevo submarino.
Las baterías de litio proporcionan a dicho submarino un tiempo de viaje subacuático comparable al de otros VNEU, y la gran capacidad de las nuevas baterías permite que el submarino alcance una velocidad subacuática de 20 nudos.
VNEU en la Armada rusa
Submarino modelo 750B
Por supuesto, el problema principal para nosotros es la situación con los motores anaerobios para submarinos en Rusia. Como nos va Desafortunadamente, nuestros desarrolladores aún no han logrado el éxito en la creación de VNEU. Se suponía que el primer submarino diesel-eléctrico ruso con VNEU era el submarino del proyecto 677 Lada, pero las cosas salieron mal. Sin embargo, el trabajo en la creación de un VNEU está en curso y en 2019 se abrió un nuevo departamento de investigación y desarrollo sobre este tema.
La Oficina Central de Diseño "Rubin", que está desarrollando una instalación anaeróbica basada en ECG y la oficina de diseño "Malachite", trabajando en la creación de un motor de turbina de gas anaeróbico de ciclo cerrado, participa en la creación de VNEU.
El desarrollo de Malachite es un motor de turbina de gas único que se puede utilizar tanto en la superficie como bajo el agua. En la posición sobre el agua, el aire atmosférico se utiliza para el movimiento. Bajo el agua, se suministra un agente oxidante desde un recipiente Dewar, que contiene oxígeno líquido. La mezcla de gases emitida por la turbina se limpia y congela, sin liberar nada al exterior. Por lo tanto, la velocidad bajo el agua sin usar una batería (solo de VNEU) supera los 10 nudos. Malachite está desarrollando no solo un motor, sino también un submarino. El proyecto tiene un código P-750B. El submarino diseñado tiene 1450 toneladas de desplazamiento en superficie, una tripulación de 18-20 personas, una profundidad de inmersión de hasta 300 my una velocidad máxima de 18 nudos. El submarino puede estar armado con torpedos, minas e incluso misiles de crucero Calibre.
Conclusión
Queda por responder la pregunta: ¿por qué la Armada rusa necesita submarinos con VNEU? En esencia, los VNEU modernos tienen una serie de desventajas: baja potencia, lo que los obliga a ser utilizados junto con una planta de energía diesel-eléctrica tradicional, como resultado - baja velocidad bajo el agua en VNEU (no aplicable a los submarinos diesel-eléctricos con baterías de iones de litio), alto costo, necesidad instalaciones en la infraestructura especial de la Marina.
Sin embargo, los méritos superan a los deméritos. El principal es el alto secreto y la dificultad de detectar tales submarinos mediante la aviación antisubmarina. Esto es muy importante para nosotros, porque, por ejemplo, Japón tiene alrededor de un centenar de aviones antisubmarinos modernos. Otra ventaja es el nivel de ruido muy bajo, a menudo menor que el ruido del mar de fondo. Y finalmente, no importa lo caro que sea un submarino con VNEU, sigue siendo más barato que uno nuclear. Además, los submarinos con VNEU se utilizan activamente en flotas nuestros adversarios potenciales: Alemania, Turquía, Japón. En caso de conflicto, nuestros submarinistas deberán enfrentarse a submarinos más avanzados. Y si no desarrolla motores modernos con VNEU, la brecha tecnológica que se está produciendo ahora eventualmente se convertirá en un abismo insuperable.
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