RU2155701C2

RU2155701C2 - Method of forming motive force on submersible facility

Info

Publication number: RU2155701C2
Application number: RU97112055/28A
Authority: RU
Inventors: минов В.Р. Ибно; В.Р. Ибнояминов; Б.А. Кузнецов; В.В. Осипенко; О.М. Палий; В.М. Пашин; В.Е. Спиро
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт им.акад. А.Н.Крылова
Priority date: 1997-07-08
Filing date: 1997-07-08
Publication date: 2000-09-10

Abstract

FIELD: shipbuilding; forming motive force on submersible facilities. SUBSTANCE: method consists in change of buoyancy of submersible facility at simultaneous shift of control members and stabilization of motion; motive force of facility is formed due to change of working medium state. To this end, heat generated by plant is used; this heat is periodically accumulated in respective accumulator. Motion is ensured due to imparting positive buoyancy to submersible facility through expansion of working medium in state converter by means of transfer of heat accumulated in accumulator. To create negative buoyancy, working medium is reduced in volume due to cooling it with sea water. When it is necessary to create positive buoyancy, use may be made of heat dissipated by power plant for heating the working medium. Heat for changing the state of working medium on submersible facilities equipped with hydrogen power plants is obtained through burning hydrogen generated by chemical current source in oxygen. EFFECT: increased cruising range and endurance of submersible facility. 3 cl, 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области судостроения, касается вопросов создания движущей силы на подводных технических средствах (ПТС) и направлено на повышение дальности и продолжительности их автономного плавания. The present invention relates to the field of shipbuilding, concerns the creation of a driving force on underwater technical means (PTS) and is aimed at increasing the range and duration of their autonomous navigation.

На большинстве подводных технических средств движущая сила создается в процессе преобразования энергии, выделяемой в результате химической или ядерной реакции, хотя встречаются устройства, использующие аккумулированную, в том или ином виде, энергию, например, механическую. Носителем энергии в этом случае, как правило, является газообразное рабочее тело в сжатом, сжиженном или твердом состоянии, например сжатый воздух, твердая углекислота и т.п. On most underwater technical means, the driving force is created in the process of converting the energy released as a result of a chemical or nuclear reaction, although there are devices that use accumulated, in one form or another, energy, for example, mechanical. The energy carrier in this case, as a rule, is a gaseous working fluid in a compressed, liquefied or solid state, for example compressed air, solid carbon dioxide, etc.

В любом случае источником энергии является некоторое расходуемое вещество - энергоноситель. Его энергия на большинстве подводных технических средств преобразуется в конечном счете в электрическую и сообщается движителю, создающему реактивную силу. In any case, the source of energy is some expendable substance - the energy carrier. Its energy on most underwater technical equipment is ultimately converted into electrical energy and transferred to the propulsion that creates reactive force.

Известно, что под водой (как и в воздушном пространстве) возможно движение в режиме планирования. При этом вынуждающей силой является равнодействующая сил веса и плавучести. Изменяя величину и распределение силы плавучести, создаваемой с помощью балластной системы, можно достичь требуемой величины и направления вынуждающей силы, а также заданной ориентации объекта в пространстве. В процессе движения, кроме указанных статических сил, на техническое средство действуют силы, вызываемые обтеканием корпуса, несущих гидродинамических плоскостей и органов управления набегающим потоком воды. It is known that under water (as in airspace) movement in the planning mode is possible. In this case, the driving force is the resultant of the forces of weight and buoyancy. By changing the magnitude and distribution of the buoyancy force generated by the ballast system, it is possible to achieve the required magnitude and direction of the driving force, as well as the given orientation of the object in space. In the process of movement, in addition to the indicated static forces, the force is affected by the forces caused by the flow around the body, bearing hydrodynamic planes and controls the incoming water flow.

Планирующий объект должен обладать некоторым запасом потенциальной энергии. Так, воздушный планер необходимо доставить на некоторую высоту. Гидропланеру, плавающему на поверхности, для движения по нисходящей ветви траектории достаточно принять балласт. Для движения по восходящей ветви с некоторой глубины необходимо освободиться от балласта, совершив необходимую работу для придания аппарату положительной плавучести. The planning object must have some potential energy reserve. So, the air glider must be delivered to a certain height. Hydroplaner floating on the surface, to move along the descending branch of the trajectory, it is enough to accept ballast. To move along the ascending branch from a certain depth, it is necessary to free oneself of ballast, having done the necessary work to give the apparatus positive buoyancy.

Автономные подводные технические средства, имеющие на борту запасы энергоносителя, в силу многостадийности или специфики процессов преобразования энергии, а также по причине несовершенства энергетических установок, не могут полностью реализовать в виде движущей силы весь бортовой запас энергии, заключенный в энергоносителе. Вследствие этого часть энергии или вещества, производимого на разных стадиях функционирования энергоносителя, безвозвратно теряется, рассеиваясь в окружающее пространство. Например, известно, что в процессе работы электрохимического генератора вместе с продуктами окисления горючего теряется существенное количество теплоты, неизбежны потери теплоты при работе парогенераторных установок. Работа химических источников тока гидронного типа (на основе щелочных металлов) сопровождается выделением значительного количества водорода. Autonomous underwater technical equipment having energy reserves on board, due to the multi-stage nature or specifics of energy conversion processes, and also due to imperfection of energy installations, cannot fully realize the entire onboard energy supply contained in the energy carrier as a driving force. As a result of this, part of the energy or substance produced at different stages of the functioning of the energy carrier is irretrievably lost, scattering into the surrounding space. For example, it is known that during the operation of an electrochemical generator, a significant amount of heat is lost along with the products of oxidation of the fuel, heat losses are inevitable during the operation of steam generating units. The work of chemical hydron current sources (based on alkali metals) is accompanied by the release of a significant amount of hydrogen.

Потеря части бортового запаса энергии в виде рассеиваемой теплоты или попутно выделяющегося водорода приводит к снижению характеристик подводного судна. Традиционные автономные подводные технические средства не предполагают утилизации рассеиваемой теплоты и вторичных энергоносителей. В то же время известны технические решения, направленные на удаление избыточной теплоты с подводного технического средства, например, по AC DE N 3908573 A1 B 63 G 8/34, 1990 г., предлагается накапливать избыточное рассеиваемое тепло энергетической установки в тепловом аккумуляторе, а нагретую в нем воду периодически сбрасывать за борт. Это и подобные предложения, очевидно, не могут обеспечить повышение эффективности энергоносителя, с точки зрения обеспечения движения подводного технического средства. The loss of part of the on-board energy supply in the form of dissipated heat or associated hydrogen is reduced in the characteristics of the submarine. Traditional autonomous underwater technical means do not involve the utilization of dissipated heat and secondary energy carriers. At the same time, technical solutions are known aimed at removing excess heat from an underwater technical device, for example, according to AC DE N 3908573 A1 B 63 G 8/34, 1990, it is proposed to accumulate excess dissipated heat of a power plant in a heat accumulator, and heated it periodically dump water overboard. This and similar proposals, obviously, cannot provide an increase in the energy carrier's efficiency, from the point of view of ensuring the movement of underwater technical equipment.

В известных подводных аппаратах, сочетающих режим реактивного движения и планирования, создание движущей силы в режиме планирования не предусматривает утилизации теплоты двигательной установки или вторичного энергоносителя. Реактивное движение и планирование осуществляются за счет различных энергоносителей. В подводном аппарате - по патенту N 4577583, US, В 63 G 8/00, 1986 г. , принятом за прототип, энергоносителями являются аккумуляторные батареи для привода винта, и сжатый воздух для изменения плавучести при планировании. Аппарат имеет открытую балластную систему. Воздух, отработавший на стадии продувки балласта в нижней точке траектории движения аппарата, в верхней части траектории выбрасывается в окружающую среду. Таким образом, реализация того и другого режима движения происходит с помощью энергоносителей, функционально разобщенных между собой. In known underwater vehicles combining jet propulsion and planning, the creation of a driving force in the planning mode does not involve the utilization of the heat of the propulsion system or secondary energy carrier. Jet movement and planning are carried out at the expense of various energy carriers. In the underwater vehicle - according to patent N 4577583, US, В 63 G 8/00, 1986, adopted as a prototype, the energy carriers are batteries for propeller drive, and compressed air to change buoyancy during planning. The device has an open ballast system. Air exhausted at the stage of ballast blowing at the lower point of the trajectory of the apparatus, at the top of the trajectory is discharged into the environment. Thus, the implementation of both modes of movement occurs with the help of energy carriers that are functionally separated from each other.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить степень использования бортового запаса энергоносителя подводного технического средства, достичь увеличения дальности и продолжительности автономного плавания ПТС. The present invention allows to increase the degree of utilization of the on-board energy supply of the underwater technical equipment, to achieve an increase in the range and duration of autonomous navigation of the PTS.

Для достижения указанного технического результата исходным является способ создания движущей силы на подводном техническом средстве, предусматривающий изменение его плавучести с одновременной соответствующей перекладкой элементов органов управления и стабилизации движения. Положительную плавучесть обеспечивают вытеснением забортной воды из заполненных балластных цистерн с помощью рабочего тела под давлением, а отрицательную плавучесть - заполнением цистерн забортной водой. Процессом изменения плавучести управляют для обеспечения оптимальной программы изменения движущей силы. Способ отличается тем, что при вытеснении забортной воды из заполненных балластных цистерн повышение давления рабочего тела осуществляют в преобразователе состояния рабочего тела путем прогрева его аккумулированным теплом от энергетической установки. В связи с периодичностью движения планирующего подводного технического средства, обусловленной наличием нисходящей и восходящей ветвей траектории движения, теплоту также периодически накапливают в соответствующем устройстве-аккумуляторе. При достижении необходимого запаса теплоты, достаточного для создания необходимого давления рабочего тела, энергетическую установку преимущественно отключают. При заполнении балластных цистерн забортной водой рабочее тело уменьшают в объеме, охлаждая его с помощью теплообменника, сообщенного с забортной водой, и возвращают в резервуар для хранения. To achieve the specified technical result, the initial one is a method of creating a driving force on an underwater technical device, providing for a change in its buoyancy with a corresponding shift of control elements and stabilization of movement. Positive buoyancy is ensured by the displacement of sea water from the filled ballast tanks using a working fluid under pressure, and negative buoyancy is provided by the filling of tanks by sea water. The buoyancy change process is controlled to provide an optimal driving force change program. The method is characterized in that when sea water is displaced from the filled ballast tanks, the pressure of the working fluid is increased in the converter of the working fluid by heating it with accumulated heat from the power plant. In connection with the frequency of movement of the planning underwater technical equipment, due to the presence of the descending and ascending branches of the trajectory, the heat is also periodically accumulated in the corresponding battery device. Upon reaching the necessary supply of heat sufficient to create the necessary pressure of the working fluid, the power plant is mainly turned off. When filling ballast tanks with sea water, the working fluid is reduced in volume, cooling it with a heat exchanger in communication with sea water, and returned to the storage tank.

Основное преимущество способа состоит в значительном упрощении двигательно-движительного комплекса за счет сокращения цикла преобразования энергии в движущую силу и устранения из него собственно движителя, его привода и т. д. Автономное подводное техническое средство в этом случае может быть оснащено лишь подруливающими средствами. За счет этого удешевляется эксплуатация и увеличивается ресурс систем и устройств, обеспечивающих создание движущей силы. The main advantage of the method is the significant simplification of the propulsion system by reducing the cycle of converting energy into a driving force and eliminating the propulsion itself, its drive, etc. An autonomous underwater technical device in this case can only be equipped with thrusters. This reduces the cost of operation and increases the resource systems and devices that provide the creation of a driving force.

Способ предполагает значительное снижение виброакустичеких характеристик подводного технического средства в режиме планирования, так как при этом прекращаются вибрации и колебания массивных элементов энергетической установки. При создании положительной плавучести для нагревания рабочего тела может быть использована теплота, рассеиваемая энергетической установкой. Это позволяет сочетать планирование с реактивным движением на подводных технических средствах, оснащенных традиционным двигательно-движительным комплексом, чем достигается увеличение дальности и продолжительности плавания за счет более полного использования бортового запаса энергоносителя. The method involves a significant reduction in the vibro-acoustic characteristics of the underwater technical equipment in the planning mode, since this stops the vibrations and vibrations of the massive elements of the power plant. When creating positive buoyancy, the heat dissipated by the power plant can be used to heat the working fluid. This allows you to combine planning with jet propulsion on underwater technical equipment equipped with a traditional propulsion and propulsion system, which achieves an increase in the range and duration of navigation due to a more complete use of the on-board energy supply.

Для подводных технических средств с энергетической установкой гидронного типа тепло для изменения состояния рабочего тела получают путем сжигания в кислороде водорода, выделяемого химическим источником тока. Такое техническое решение при сохранении вышеупомянутых выгод позволяет решить одновременно несколько проблем. В частности, утилизировать водород и ликвидировать выброс водорода за борт. For underwater technical equipment with a hydron-type power plant, heat for changing the state of the working fluid is obtained by burning hydrogen in oxygen released by a chemical current source. Such a technical solution while maintaining the above benefits allows you to solve several problems at the same time. In particular, utilize hydrogen and eliminate the release of hydrogen overboard.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - 3; на фиг. 4 показана схема траектории движения ПТС, на которых движущая сила создается способом по п. 1 формулы изобретения. The invention is illustrated in FIG. 13; in FIG. 4 shows a diagram of the trajectory of the TCP, in which the driving force is created by the method according to p. 1 of the claims.

На фиг. 1 представлена схема взаимодействия элементов, создающих вынуждающую силу поступательного движения в соответствии с п. 1 формулы. В процессе работы тепловой энергетической установки 1 тем или иным путем, например, с помощью промежуточного теплоносителя теплота накапливается в аккумуляторе 2. Этот процесс происходит преимущественно на участках установившегося движения подводного технического средства - фиг. 4, участки 1 и/или 2. В нижней части траектории, в момент достижения необходимого уровня запаса теплоты, начинается переходный режим движения - участок 3 фиг. 4. Рабочее тело из резервуара 3 подается в преобразователь состояния рабочего тела 4. При разогреве рабочего тепла происходит повышение его давления и вытеснение воды из балластной цистерны 5. Подводное техническое средство переходит в режим движения по восходящей ветви траектории - участок 2 фиг. 4. В этот период может быть возобновлена работа энергетической установки 1 и начат новый цикл накопления тепла в аккумуляторе 2. Одновременно происходит истечение рабочего тела из балластной цистерны 5, его охлаждение в теплообменнике 6 и возвращение в резервуар для хранения 3. In FIG. 1 is a diagram of the interaction of elements that create a driving force of translational motion in accordance with paragraph 1 of the formula. During operation of the thermal power plant 1 in one way or another, for example, using an intermediate heat carrier, heat is accumulated in the battery 2. This process occurs mainly in the areas of steady motion of the underwater technical means - FIG. 4, sections 1 and / or 2. In the lower part of the trajectory, at the moment of reaching the required level of heat reserve, the transitional motion mode begins - section 3 of FIG. 4. The working fluid from the reservoir 3 is supplied to the state transducer of the working fluid 4. When the working heat is heated, its pressure increases and water is displaced from the ballast tank 5. The underwater technical equipment enters the mode of movement along the ascending branch of the trajectory - section 2 of FIG. 4. During this period, the operation of the power plant 1 can be resumed and a new cycle of heat storage in the battery 2 can begin. Simultaneously, the working fluid expires from the ballast tank 5, it is cooled in the heat exchanger 6 and returned to the storage tank 3.

В верхней части траектории в результате заполнения балластной цистерны 5 забортной водой происходит переход ПТС на нисходящую ветвь планирования. In the upper part of the trajectory, as a result of filling the ballast tank 5 with outboard water, the PTS transitions to the descending planning branch.

На фиг. 2 представлена схема взаимодействия основных элементов системы создания движущей силы в соответствии с п. 2 формулы. In FIG. 2 is a diagram of the interaction of the main elements of the system for creating a driving force in accordance with paragraph 2 of the formula.

При использовании такого способа в процессе движения подводного технического средства с помощью двигательно-движительного комплекса 7, во время работы энергетической установки 1 происходит накопление в аккумуляторе 2 теплоты, рассеиваемой энергетической установкой, например высокотемпературным электрохимическим генератором. В остальном реализация способа совпадает с тем, как это описано выше в способе, соответствующем п. 1 формулы. When using this method during the movement of the underwater technical means using the propulsion system 7, during the operation of the power plant 1, heat accumulates in the battery 2, dissipated by the power plant, for example, a high-temperature electrochemical generator. Otherwise, the implementation of the method is the same as described above in the method corresponding to paragraph 1 of the formula.

На фиг. 3 представлена схема взаимодействия основных элементов, системы создания движущей силы в соответствии с п. 3 формулы. In FIG. 3 presents a diagram of the interaction of the main elements of the system for creating a driving force in accordance with paragraph 3 of the formula.

Реализация этого способа основана на использовании водорода, производимого химическим источником тока гидронного типа. В этом случае в процессе движения подводного технического средства с помощью движителя 7 водород, производимый энергетической установкой 1, сжигается в камере сгорания 8, куда поступает окислитель из резервуара 9. Производимая теплота накапливается в аккумуляторе 2. Далее процесс протекает так же, как в способе, соответствующем п. 1 формулы. The implementation of this method is based on the use of hydrogen produced by a chemical source of hydronic type current. In this case, during the movement of the underwater technical means using the propulsion device 7, the hydrogen produced by the power plant 1 is burned in the combustion chamber 8, where the oxidizing agent enters from the reservoir 9. The generated heat accumulates in the battery 2. The process then proceeds in the same way as in the method corresponding to paragraph 1 of the formula.

В силу того, что способы по п. 2 и 3 предполагают наличие двигательно-движительного комплекса 7, траектория движения ПТС будет включать участки трех видов. А именно, участки планирования, реактивного движения и комбинированного движения, когда во время планирования, с целью увеличения скорости или изменения формы траектории, дополнительно включается двигательно-движительный комплекс. В установившемся режиме движения траектория ПТС будет состоять преимущественно из участков двух видов - планирование и реактивное движение. Due to the fact that the methods according to p. 2 and 3 suggest the presence of a motor-propulsion complex 7, the trajectory of the TCP will include sections of three types. Namely, the areas of planning, jet movement and combined movement, when during planning, in order to increase speed or change the shape of the trajectory, the propulsion and propulsion system is additionally included. In the steady state mode of movement, the PTS trajectory will consist mainly of two types of sections - planning and jet propulsion.

Claims

1. A method of creating a driving force on an underwater technical device, providing for a change in its buoyancy with simultaneous appropriate relocation of control elements and stabilization of movement, while positive buoyancy is provided by displacing sea water from filled ballast tanks using a working fluid under pressure, and negative buoyancy by filling ballast tanks with sea water, and the process of changing the buoyancy is controlled, characterized in that when the sea water is displaced and filled ballast tanks, an increase in the pressure of the working fluid is carried out in the converter of the state of the working fluid by heating it with accumulated heat from the power plant, which is mainly turned off when the required heat supply is reached, and when filling the ballast tanks with outboard water, the working fluid is reduced in volume by cooling it with a heat exchanger, communicated with sea water, and returned to the storage tank.

2. The method according to claim 1, characterized in that the working fluid is heated with heat dissipated by the power plant.

3. The method according to claim 1, characterized in that the power plant, which is a chemical current source of predominantly hydronic type, receives heat to change the state of the working fluid by burning combustible gas in oxygen, mainly hydrogen, produced by a chemical current source.