СПОСОБ СОЗДАНИЯ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ НА ПОДВОДНОМ ТЕХНИЧЕСКОМ СРЕДСТВЕ Российский патент 2000 года по МПК B63G8/08 

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить степень использования бортового запаса энергоносителя подводного технического средства, достичь увеличения дальности и продолжительности автономного плавания ПТС.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

В верхней части траектории в результате заполнения балластной цистерны 5 забортной водой происходит переход ПТС на нисходящую ветвь планирования.

На фиг. 2 представлена схема взаимодействия основных элементов системы создания движущей силы в соответствии с п. 2 формулы.

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.

На фиг. 3 представлена схема взаимодействия основных элементов, системы создания движущей силы в соответствии с п. 3 формулы.

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.

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.

Изобретение относится к судостроению, касается вопросов создания движущей силы на подводных технических средствах. В способе создания движущей силы на подводном техническом средстве, предусматривающем изменение его плавучести с одновременной соответствующей перекладкой элементов органов управления и стабилизации движения, движущую силу подводному техническому средству создают за счет изменения состояния рабочего тела. Для этого используют теплоту, производимую энергетической установкой, периодически накапливаемую в соответствующем аккумуляторе. Движение обеспечивают приданием подводному техническому средству положительной плавучести за счет расширения рабочего тела в преобразователе его состояния путем передачи накопленного тела из аккумулятора. Для создания отрицательной плавучести рабочее тело уменьшают в объеме, охлаждая его путем теплообмена с забортной водой. При создании положительной плавучести для нагревания рабочего тела может быть использована теплота, рассеиваемая обычной энергетической установкой. Для подводных технических средств с энергетической установкой гидронного типа тепло для изменения состояния рабочего тела получают путем сжигания в кислороде водорода, производимого химическим источником тока при выработке электроэнергии. Достигается увеличение дальности и продолжительности автономного плавания подводного технического средства. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ создания движущей силы на подводном техническом средстве, предусматривающий изменение его плавучести с одновременной соответствующей перекладкой элементов органов управления и стабилизации движения, при этом положительную плавучесть обеспечивают вытеснением забортной воды из заполненных балластных цистерн с помощью рабочего тела под давлением, а отрицательную плавучесть - заполнением балластных цистерн забортной водой, причем процессом изменения плавучести управляют, отличающийся тем, что при вытеснении забортной воды из заполненных балластных цистерн повышение давления рабочего тела осуществляют в преобразователе состояния рабочего тела путем нагрева его аккумулированным теплом от энергетической установки, которую преимущественно отключают по достижении необходимого запаса теплоты, а 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. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочее тело нагревают рассеиваемым энергетической установкой теплом. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что у энергетической установки, представляющей собой химический источник тока преимущественно гидронного типа, тепло для изменения состояния рабочего тела получают путем сжигания в кислороде горючего газа, преимущественно водорода, производимого химическим источником тока.