ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ

Полезная модель относится к области энергетики, предназначена в качестве энергоустановки для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например глубоководных аппаратов и подводных лодок. Может найти применение в судостроении, более конкретно к судовым дизельным энергетическим установкам (СДЭУ) подводных аппаратов (ПА), работающих по замкнутому циклу (ЗЦ), т.е. без доступа атмосферного воздуха.
Известна дизельная энергетическая установка (ДЭУ), работающая по ЗЦ с удалением продуктов сгорания за борт эвакокомпрессором (Дизельные установки подводных аппаратов. Судостроение, 1982, N 7, рис. 1, с. 20).
Недостатками такой установки являются значительные потери мощности на привод эвакокомпрессора, что ограничивает возможность ее использования в ПА с глубиной погружения более 300 м.
Известна также ДЭУ (Энергетические установки подводных лодок с дизелем замкнутого цикла. Судостроение за рубежом, 1991, N 12, рис. на с. 62), работающая по ЗЦ, в которой удаление продуктов сгорания осуществляется путем их растворения в забортной воде. Такая энергетическая установка является более экономичной, однако имеет значительные массогабаритные характеристики и также характеризуется высокими энергозатратами на привод насосов, обслуживающих данную ДЭУ.
Известна также ДЭУ ПА (Дизельные установки подводных аппаратов. Судостроение, 1982, N 7, рис. 4, с. 21), работающая по ЗЦ, содержащая двигатель внутреннего сгорания, систему автоматического управления, впускную систему со смесительной камерой и подогревателем с полостями впускных и выхлопных газов, систему газовыхлопа с охладителем, имеющим устройство сепарации масла, топлива и воды, и клапаном регулирования рециркуляции, систему хранения и подачи окислителя с криогенной емкостью хранения окислителя, систему удаления продуктов сгорания, включающую компрессор с входом и выходом, охладитель газов за компрессором, конденсатор первой ступени с полостями продуктов сгорания и охлаждающей, сепаратор с полостями газовой и продуктов сгорания, абсорбционную холодильную машину, емкость для хранения жидкой двуокиси углерода и теплоизолированные трубопроводы с арматурой включающей автоматические клапаны
Недостатками известных технических решений являются не достаточно высокий КПД и значительные массогабаритные характеристики.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, и известным из существующего уровня техники является дизельная энергетическая установка подводного аппарата (пат. RU №2070985, МПК F02G 1/04, оп. 27.12.1996), содержащая двигатель внутреннего сгорания, систему автоматического управления, впускную систему с подогревателем, с полостями впускных и выхлопных газов и смесительной камерой, систему газовыхлопа с клапаном регулирования рециркуляции и охладителем, снабженным устройством сепарации масла, топлива и воды, систему хранения и подачи окислителя с криогенной емкостью хранения окислителя, систему удаления продуктов сгорания, включающую компрессор с входом и выходом, охладитель газов за компрессором, конденсатор первой ступени с полостями продуктов сгорания и охлаждающей, сепаратор с полостями газовой и продуктов сгорания и теплоизолированные трубопроводы с арматурой, включающей автоматические клапаны, при этом в систему хранения и подачи окислителя дополнительно введены криогенный насос, конденсатор второй ступени с полостями кислородной и продуктов сгорания, морозильник с полостями охлаждающей и продуктов сгорания и устройство понижения давления, в систему удаления продуктов сгорания дополнительно введены льдогенератор, имеющий внутреннюю полость и газовую рубашку, шлюзовая камера с перекрывающимися входными и выходными каналами для твердых продуктов сгорания и забортной воды и откачивающий насос, во впускную систему дополнительно введена емкость хранения низкомолекулярного газа, например аргона, причем емкость хранения жидкого окислителя через последовательно соединенные между собой трубопроводом криогенный насос, кислородную полость конденсатора второй ступени, устройство понижения давления, охлаждающие полости конденсатора первой ступени и морозильника подключен к смесительной камере, емкость хранения низкомолекулярного газа подключена к смесительной камере трубопроводом с автоматическим клапаном, вход компрессора через газовую полость морозильника подключен к клапану регулирования рециркуляции, входной канал для продуктов сгорания шлюзовой камеры через последовательно соединенные трубопроводом внутреннюю полость льдогенератора, полость продуктов сгорания сепаратора, полости продуктов сгорания конденсатора второй и первой ступеней, охладитель газов за компрессором подключен к выходу компрессора, газовая рубашка льдогенератора подключена трубопроводом с автоматическим клапаном к входу компрессора, газовая полость сепаратора подключена к трубопроводу системы хранения и подачи окислителя на участке между конденсатором первой ступени и морозильником, устройство сепарации масла, топлива и воды охладителя системы газовыхлопа, газовая полость морозильника и выходной канал шлюзовой камеры для забортной воды трубопроводами с невозвратными клапанами параллельно подключены к откачивающему насосу, автоматические клапаны управляющими связями подключены к системе автоматического управления, а шлюзовая камера через выходной канал для продуктов сгорания и входной канал для забортной воды соединена с забортным пространством.
2
Недостатками являются наличие дополнительных фазовых преобразований, ухудшающих тепловую эффективность установки; наличие в технологических схемах дополнительных устройств, усложняющих конструкцию и снижающих надежность установки, а также требующих дополнительных расходов полезной мощности. Использование для замораживания СО одного лишь «холода» жидкого кислорода может не обеспечить надежную работоспособность ВНЭУ в течение длительного периода эксплуатации.
Задачей заявленного технического решения является создание энергетической установки упрощенной конструкции, обеспечивающей качественное улучшение эксплуатационных характеристик, уменьшение массогабаритных характеристик установки, повышение к.п.д. и пожаровзрывобезопасности.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении надежности работы устройства, уменьшении массогабаритных характеристик установки, повышении ее коэффициента полезного действия (КПД) и пожаровзрывобезопасности.
Это достигается за счет того, что энергетическая установка для подводных аппаратов, содержащая преобразователь энергии, систему автоматического управления, впускную систему с полостями впускных и выхлопных газов, систему газовыхлопа с охладителем, систему удаления продуктов сгорания, включающую теплоизолированные трубопроводы с арматурой и автоматическими клапанами, барботажную камеру с перекрывающимися входными и выходными каналами для продуктов сгорания и забортной воды и откачивающий насос, во впускную систему введена емкость хранения газа, автоматические клапаны управляющими связями подключены к системе автоматического управления, а барботажная камера через выходной канал для продуктов сгорания и входной канал для забортной воды соединена с забортным пространством, согласно полезной модели, состоит из потребителя энергии, преобразователя энергии прямого цикла с внутренним подводом теплоты в виде теплового двигателя и насоса, установленных на одном общем вале, контура подачи сжиженного углекислого газа, контура подачи газообразного углекислого газа, камеры сгорания, контура охлаждения теплового двигателя, байпасной линии, контура подачи топлива, контура подачи окислителя, контура выхлопа отработавших газов, контура удаления продуктов сгорания. При этом в качестве теплового двигателя применены две роторно-лопастные машины, причем одна из них имеет больший объем по сравнению с другой. При этом в качестве насоса применена роторно-лопастная машина, имеющая меньший объем, чем каждая из роторно-лопастных машин теплового двигателя. При этом роторно-лопастная машина содержит полости для углекислого газа в качестве основного компонента рабочей смеси. При этом роторно-лопастная машина содержит корпус с внутренней шаровой полостью, в котором размещен ротор с дисковым разделителем, имеющим пазы, с торцов корпуса установлены крышки с наружными усеченными коническими поверхностями, а в самом корпусе установлен роторно-лопастной вал с усеченной шаровой поверхностью; при этом на усеченном шаровом роторе вала жестко установлены две лопасти; при этом дисковой разделитель установлен на усеченный шаровой ротор роторно-лопастного вала; при этом лопасти усеченного шарового ротора проходят сквозь пазы дискового разделителя и уплотняются сегментными уплотняющими элементами дискового разделителя; при этом роторно-лопастной вал с собранным дисковым разделителем установлен в корпусе наклонно относительно оси вращения роторно-лопастного вала с образованием восьми рабочих камер; при этом камеры образованы между корпусом, крышкой, дисковым разделителем, лопастями и усеченным шаровым ротором вала; при этом роторно-лопастной вал лопасти установлен с возможностью вращения дискового разделителя и циклического изменения объема рабочих камер от минимального до максимального значения; при этом контур подачи газообразного углекислого газа состоит из трубопроводов, регенераторов, регулировочного вентиля, обратного клапана; при этом контур охлаждения теплового двигателя состоит из трубопроводов, регулировочного вентиля, обратного клапана; при этом байпасная линия состоит из трубопровода и регулировочного вентиля; при этом контур подачи топлива включает топливный бак, трубопровод, топливный насос, регулировочный вентиль; при этом контур подачи окислителя включает емкость с окислителем, насос, трубопроводы, трехходовой регулировочные вентили, регенератор, компрессор; при этом контур выхлопа отработавших газов состоит из трубопровода, фильтра - влагоотделителя, обратного клапана; при этом контур удаления продуктов сгорания состоит из барботажной камеры, трубопроводов, регулировочных вентилей, насосов, обратного клапана, при этом регулировочные вентили, насосы и фильтр-влагоотделитель управляющими связями подключены к системе автоматического управления. При этом в качестве газа применен углекислый газ.
Особенность полезной модели заключается в следующем:
1) Использование роторно-лопастной машины (пат. RU №144063, опубл. 10.08.2014) в качестве теплового двигателя и насоса. Она является более простой и дешевой в изготовлении, а также имеет меньшие массогабаритные характеристики и более высокий термический к.п.д., чем другие виды двигателей внутреннего сгорания. За счет большой разницы между температурами сжиженного углекислого газа и горячей рабочей смеси, достигающей 1273К, термический к.п.д. установки равняется 80%.
1
2
где T - температура сжиженного углекислого газа, К; Т - температура горячей рабочей смеси, К.
При этом с учетом механических потерь (≈14%) ожидаемый эффективный к.п.д. энергетической установки составляет 66%.
2) Использование углекислого газа в качестве основного компонента рабочей смеси, что позволяет исключить использование дополнительных разделительных и очистительных устройств.
3) Применение роторно-лопастной машины позволяет использовать сжиженный углекислый газ, что приводит к снижению энергетических затрат на подачу сжиженного углекислого газа из области низкого давления в область высокого давления.
4) Фазовый переход жидкость - газ углекислого газа увеличивает рабочее давление в системе, что повышает к.п.д. системы.
На рис. 1 представлена энергетическая установка для подводных аппаратов, принципиальная схема.
На рис. 2 - то же, роторно-лопастная машина, общий вид.
Позиции обозначают: тепловой двигатель 1; роторно-лопастная машина 2; роторно-лопастная машина 3; насос 4; потребитель энергии 5; вал 6 общий; ресивер 7; насос 8; трубопровод 9; обратный клапан 10; трубопровод 11; регенератор 12; регулировочный вентиль 13; регенератор 14; обратный клапан 15; камера сгорания 16; трубопровод 17; регулировочный вентиль 18; трубопровод 19; обратный клапан 20; трубопровод 21; регулировочный вентиль 22; топливный бак 23; трубопровод 24; топливный насос 25; регулировочный вентиль 26; емкость с окислителем 27; насос 28; трубопровод 29; трехходовой регулировочный вентиль 30; регенератор 31; компрессор 32; регулировочный вентиль 33; трубопровод 34; трубопровод 35; трубопровод 36; фильтр-влагоотделитель 37; обратный клапан 38; барботажная камера 39; трубопровод 40; регулировочный вентиль 41; насос 42; трубопровод 43; обратный клапан 44; трубопровод 45; насос 46; регулировочный вентиль 47; корпус 48; крышки 49 и 50; вал 51; усеченный шаровой ротор 52; лопасть 53; дисковый разделитель 54; сегментный уплотняющий элемент 55; рабочая камера 56; рабочая камера 57.
Устройство состоит из потребителя энергии 5, преобразователя энергии прямого цикла с внутренним подводом теплоты в виде двигателя 1 и насоса 4, установленных на одном общем вале 6, контура подачи сжиженного углекислого газа 7-10, контура подачи газообразного углекислого газа 11-15, камеры сгорания 16, контура охлаждения 17-20 двигателя 1, байпасной линии 21-22, контура подачи топлива 23-26, контура подачи окислителя 27-34, трубопровода 35, контура выхлопа отработавших газов 36-38, контура удаления продуктов сгорания 39-47. При этом двигатель 1 состоит из двух роторно-лопастных машин 2 и 3, причем роторно-лопастная машина 3 имеет  объем. При этом контур подачи газообразного углекислого газа 11-15 состоит из трубопровода 11, регенератора 12, регулировочного вентиля 13, регенератора 14, обратного клапана 15. При этом контур охлаждения 17-20 двигателя 1 состоит из трубопровода 17, регулировочного вентиля 18, трубопровода 19, обратного клапана 20. При этом байпасная линия 21-22 состоит из трубопровода 21 и регулировочного вентиля 22. При этом контур подачи топлива 23-26 включает топливный бак 23, трубопровод 24, топливный насос 25, регулировочный вентиль 26. При этом контур подачи окислителя 27-34 включает емкость с окислителем 27, насос 28, трубопровод 29, трехходовой регулировочный вентиль 30, регенератор 31, компрессор 32, регулировочный вентиль 33 и трубопровод 34. При этом контур выхлопа отработавших газов 36-38 состоит из трубопровода 36, фильтра-влагоотделителя 37, обратного клапана 38. При этом контур удаления продуктов сгорания 39-47 состоит из барботажной камеры 39, трубопровода 40, регулировочного вентиля 41, насоса 42, трубопровода 43, обратного клапана 44, трубопровода 45, насоса 46, регулировочного вентиля 47. При этом регулировочные вентили, насосы 8, 25, 28, 42, 46, компрессор 32 и фильтр-влагоотделитель 37 управляющими связями подключены к системе автоматического управления. В качестве теплового двигателя 1 применены две роторно-лопастные машины, причем машина 3 имеет больший объем по сравнению с машиной 2. В качестве насоса 4 применена роторно-лопастная машина, имеющая меньший объем, чем каждая из роторно-лопастных машин теплового двигателя. Роторно-лопастная машина содержит полости для углекислого газа в качестве основного компонента рабочей смеси. Роторно-лопастная машина, содержащая корпус 48 с внутренней шаровой полостью, в котором размещен ротор 52 с дисковым разделителем 54, имеющим пазы, отличающаяся тем, что с торцов корпуса 48 установлены крышки 49, 50 с наружными усеченными коническими поверхностями, а в самом корпусе 48 установлен роторно-лопастной вал 51 с усеченной шаровой поверхностью; при этом на усеченном шаровом роторе 52 вала 51 жестко установлены две лопасти 53; при этом дисковой разделитель 54 установлен на усеченный шаровой ротор 52 роторно-лопастного вала 51; при этом лопасти 53 шарового ротора 52 проходят сквозь пазы дискового разделителя 54 и уплотняются сегментными уплотняющими элементами 55 дискового разделителя 54; при этом роторно-лопастной вал 51 с собранным дисковым разделителем 54 установлен в корпусе 48 наклонно относительно оси вращения роторно-лопастного вала 51 с образованием восьми рабочих камер; при этом камеры образованы между корпусом 48, крышками 49, 50, дисковым разделителем 54, лопастями 53 и усеченным шаровым ротором 52 вала 51; при этом роторно-лопастной вал 51 лопасти установлен с возможностью вращения дискового разделителя 54 и циклического изменения объема рабочих камер от минимального до максимального значения.
Существенные отличия полезной модели от прототипа заключаются в следующем.
Энергетическая установка для подводных аппаратов, содержащая преобразователь энергии, систему автоматического управления, впускную систему с полостями впускных и выхлопных газов, смесительную камеру (у нас нет отдельной смесительной камеры. Есть камера сгорания, в которой после сгорания топлива происходит смешивание продуктов сгорания с углекислым газом), систему газовыхлопа с клапаном регулирования рециркуляции и охладителем, снабженным устройством сепарации масла, топлива и воды, систему хранения и подачи окислителя, систему удаления продуктов сгорания, включающую теплоизолированные трубопроводы с арматурой, включающей автоматические клапаны, морозильник с полостями охлаждающей и рабочего тела с отработавшим рабочим газом (продуктов сгорания), шлюзовую камеру с перекрывающимися входными и выходными каналами для твердых продуктов сгорания и забортной воды (У нас - это барботажная камера, только продукты сгорания не твердые. В прототипе удаляется замороженный твердый углекислый газ. У нас же углекислый газ в жидком состоянии остается в системе, а его излишки в газообразном состоянии и побочные газообразные продукты сгорания смешиваются с водой и удаляются за борт) и откачивающий насос (позиция 39), во впускную систему дополнительно введена емкость хранения газа (у нас эта емкость 7 является не дополнительным, а основным элементом, и называется ресивером), например аргона (у нас используется углекислый газ), автоматические клапаны управляющими связями подключены к системе автоматического управления, а шлюзовая камера (у нас барботажная) через выходной канал для продуктов сгорания и входной канал для забортной воды соединена с забортным пространством. При этом тепловой двигатель 1 состоит из первой роторно-лопастной машины 2 и второй роторно-лопастной машины 3, причем роторно-лопастная машина 3 имеет  объем.
Устройство работает следующим образом.
В каждый момент времени из ресивера 7 насосом 8 подается сжиженный углекислый газ. По трубопроводу 9 через обратный клапан 10 он всасывается насосом 4. При этом насос 8 создает избыточное давление в трубопроводе 9, предотвращая закипание сжиженного углекислого газа. Из насоса 4 сжиженный углекислый газ по трубопроводу 11 через регенератор 12, в котором он нагревается выхлопными газами и переходит в газообразное состояние, регулировочный вентиль 13, регенератор 14, в котором газообразный углекислый газ нагревается выхлопными газами, и обратный клапан 15 поступает в камеру сгорания 16.
Для охлаждения двигателя 1 предусмотрен контур охлаждения 17-20 двигателя 1. Газообразный углекислый газ, проходя по трубопроводу 17 через регулировочный вентиль 18, поступает в корпус двигателя 1, проходя через который, забирает его тепло. Затем по трубопроводу 19 через обратный клапан 20 газообразный углекислый газ поступает в камеру сгорания 16.
Для регулирования мощности энергетической установки предусмотрена байпасная линия 21-22, позволяющая по трубопроводу 21 через регулировочный вентиль 22 перебрасывать часть сжиженного углекислого газа из области высокого давления в область низкого давления.
Из топливного бака 23 по трубопроводу 24 топливным насосом 25 через регулировочный вентиль 26 закачивается топливо в камеру сгорания 16.
Из емкости с окислителем 27 насосом 28 по трубопроводу 29 через трехходовой регулировочный вентиль 30 сжиженный окислитель подается в регенератор 31, в котором он нагревается выхлопными газами и переходит в газообразное состояние. Далее компрессор 32 подает окислитель через регулировочный вентиль 33 в камеру сгорания 16.
Для охлаждения сжиженного углекислого газа, находящегося в ресивере 7, предусмотрен трубопровод 34, протекая в котором, сжиженный окислитель охлаждает сжиженный углекислый газ в ресивере 7.
В камере сгорания 16 топливо и окислитель сгорают, продукты их сгорания смешиваются с углекислым газом и нагревают его, образуя рабочую смесь. Горячая рабочая смесь под высоким давлением поступает из камеры сгорания 16 по трубопроводу 35 в роторно-лопастную машину 2 двигателя 1, где она совершает работу.
Для того чтобы общий вал 6 вращался, роторно-лопастная машина 2 двигателя 1 имеет  рабочий объем, чем роторно-лопастная машина насоса 4. Разность между рабочими площадями лопастей приводит к возникновению результирующей силы
б
м
F=ΔP×(S-S),
б
м
где ΔР - разность давлений в ветвях высокого и низкого давлений; S - рабочая площадь лопастей роторно-лопастной машины 2 двигателя 1; S - рабочая площадь лопастей роторно-лопастной машины насоса 4.
Результирующая сила действует на лопасти роторно-лопастной машины 2 двигателя 1, вращая общий вал 6 в одном направлении. Это приводит к тому, что углекислый газ непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему.
В целях оптимизации работы и повышения КПД энергетической установки в конструкцию двигателя 1 введена роторно-лопастная машина 3, которая имеет  рабочий объем, чем роторно-лопастная машина 2. Благодаря разности этих объемов рабочая смесь адиабатически расширяется, одновременно охлаждаясь, в роторно-лопастной машине 3, тем самым совершая дополнительную работу. Охлаждение рабочей смеси на данном этапе позволяет сократить энергетические потери на охлаждение выхлопных газов в ветви низкого давления.
После этого по трубопроводу 36 выхлопные газы поступают в регенератор 14, в котором отдают тепло газообразному углекислому газу, который по трубопроводу 11 направляется в камеру сгорания 16. Далее выхлопные газы поступают в регенератор 12, в котором, отдавая тепло, переводят в газообразное состояние сжиженный углекислый газ, который движется по трубопроводу 11. Затем через фильтр-влагоотделитель 37, в котором из выхлопных газов удаляются твердые частицы сажи, смол, масло и сконденсированные водяные пары, выхлопные газы попадают в регенератор 31, в котором, отдавая тепло, переводят в газообразное состояние сжиженный окислитель. Затем через обратный клапан 38 выхлопные газы поступают в ресивер 7. В ресивере 7 углекислый газ расширяется, охлаждается и переходит в жидкое состояние, а несконденсированные выхлопные газы и излишки углекислого газа удаляются из ресивера 7 по трубопроводу 43 и через обратный клапан 44 попадают в барботажную камеру 39. В барботажной камере 39 они растворяются в забортной воде, которая закачивается в барботажную камеру 39 по трубопроводу 40 через регулировочный вентиль 41 насосом 42. После этого забортная вода, насыщенная газами, удаляется насосом 46 из барботажной камеры 39 по трубопроводу 45 через регулировочный вентиль 47 за борт.