ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПОДВОДНОГО АППАРАТА Российский патент 2002 года по МПК H01M8/06 

Изобретение относится к энергетическим установкам (ЭУ), содержащим электрохимические генераторы (ЭХГ) с водородно-кислородными топливными элементами, и может быть использовано при сборке и эксплуатации энергетических установок для подводных аппаратов.

Известна энергетическая установка для подводных аппаратов, содержащая электрохимические генераторы с водородно-кислородными топливными элементами, электрическое оборудование для энергетической установки, криогенные емкости хранения кислорода с арматурой, устройства для хранения водорода в интерметаллидных соединениях с арматурой, устройство вентиляции и дожигания водорода, емкости для сбора консервированной воды и агрегаты контура охлаждения энергетической установки. Все вышеуказанные системы и агрегаты ЭУ размещены в разных местах по всему объему подводного аппарата [1].

Недостатками аналога являются:
1) повышенная пожаровзрывоопасность, это связано с тем, что агрегаты, являющиеся источниками возникновения пожаровзрывоопасной ситуации, размещены в разных местах по всему объему подводного аппарата, поэтому ликвидация пожара связана с большими трудностями и пожар может распространиться по всему подводному аппарату;
2) ограничение энергоемкости энергоустановки, связанное также с тем, что все агрегаты для размещения компонентов неразрывно связаны с объемом всего подводного аппарата, который является ограниченным для каждого типа аппарата;
3) большие неудобства монтажа и ремонта ЭУ обусловлены тем, что монтаж и ремонт связаны с конструкцией всего подводного аппарата и в случае необходимости ремонта ЭУ надо демонтировать весь подводный аппарат, значит, - огромные затраты времени и средств;
4) невозможность проведения модификации ЭУ, то есть замены морально устаревшего оборудования на совершенно новое, отличающееся габаритно-массовыми характеристиками; это связано не только с большими неудобствами монтажа нового оборудования, но и необходимостью отработки нового оборудования на совместимость работы в составе всего подводного аппарата.

В этом случае возникает необходимость в проектировании совершенно другого подводного аппарата.

Наиболее близкой по технической сущности к предложенной энергетической установке является ЭУ для подводного аппарата, содержащая ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами и электрическое оборудование для энергетической установки, установленные в герметичных выгородках, а также криогенные емкости хранения водорода и кислорода с арматурой, устройство вентиляции и дожигания водорода, емкости сбора реакционной воды и агрегаты энергетической установки [2].

Эта ЭУ, взятая за прототип, отличается тем, что криогенные емкости для рабочих компонентов (кислорода и водорода) расположены вне объема подводного аппарата, а блоки ЭХГ и электрическое оборудование были размещены в отдельных герметичных выгородках, которые расположены в разных отсеках подводного аппарата. Это значительно повысило пожаровзрывобезопасность, снизило затраты на монтаж и ремонт энергоустановки и позволило несколько поднять энергоемкость, так как криогенные емкости можно увеличивать.

Однако проблемы пожаровзрывобезопасности не решены полностью, а удобства эксплуатации имеют свои недостатки. Это связано с тем, что размещение криогенных емкостей вне объема подводного аппарата, с одной стороны, повышает в какой-то степени пожаровзрывобезопасность всего подводного аппарата, а с другой стороны, контакт внешнего корпуса криогенных емкостей с окружающей средой увеличивает вероятность потери герметичности криогенных емкостей, так как отсутствует возможность контроля герметичности криогенных емкостей и арматуры из-за невозможности контроля состава газовой среды и давления вокруг корпусов криогенных емкостей. Это приводит к увеличению вероятности возникновения пожаровзрывоопасной ситуации криогенных емкостей, находящихся вне объема подводного аппарата.

Размещение в отдельных герметичных выгородках блоков ЭХГ и электрического оборудования повысило пожаровзрывобезопасность этих аппаратов, а значит, и ЭУ в целом, но неудобство монтажа и ремонта остались, так как выгородки с ЭХГ и электрическим оборудованием расположены в разных отсеках подводного аппарата.

Кроме этого, прототип обладает недостатком, а именно: очень низкой скоростью, особенно в состоянии погружения, из-за увеличения аэрогидродинамического сопротивления, по причине размещения криогенных емкостей в надстройке (вне объема подводного аппарата).

Таким образом, задачей нового технического решения является создание такой энергетической установки для подводного аппарата, которая обладала бы увеличенной энергоемкостью, удобством монтажа, ремонта и обслуживания, более низкими затратами на отработку, монтаж и ремонт энергоустановки, более высокими ходовыми качествами и повышенной пожаровзрывобезопасностью.

Техническим решением поставленной задачи является создание такой конструкции ЭУ подводного аппарата, которая не влияла бы на скоростные качества подводного аппарата, обладала бы максимальной энергоемкостью, ремонтопригодностью, т.е. автономностью сборки, монтажа и компоновки, удобством эксплуатации, обеспечивала бы максимальную пожаровзрывобезопасность.

Задача решается тем, что в ЭУ для подводного аппарата все ее агрегаты, а именно: электрохимические генераторы с водородно-кислородными топливными элементами, электрическое оборудование энергетической установки, криогенные емкости хранения водорода и кислорода с арматурой, устройство вентиляции и дожигания водорода, емкость сбора реакционной воды и агрегаты контура охлаждения установлены в отдельных герметичных выгородках, при этом все герметичные выгородки расположены внутри герметичного корпуса, выполненного в виде модульного отсека подводного аппарата, при этом каждая выгородка для размещения криогенных емкостей водорода с арматурой представляет собой вертикально размещенную в модульном отсеке шахту, вваренную в корпус модульного отсека, с установленным на верхней крышке герметичным люком, а выгородки для криогенных емкостей кислорода, электрохимических генераторов, устройства вентиляции и дожигания водорода, емкостей сбора реакционной воды, электрохимического оборудования для энергетической установки размещены на разных горизонтальных уровнях модульного отсека.

В предлагаемой энергоустановке положительный эффект заключается в том, что ЭУ размещена в корпусе, выполненном в виде автономного герметичного отсека подводного аппарата, не нарушающего внешних обводов корпуса, при этом все системы и агрегаты ЭУ установлены в отдельных герметичных выгородках, размещенных в модулях.

Такое коструктивное выполнение ЭУ для подводного аппарата позволяет:
1) увеличить максимальную скорость движения, особенно в подводном положении за счет улучшения аэродинамических характеристик;
2) значительно увеличить энергоемкость, так как увеличение объема модульного отсека, не зависит от объема всего подводного аппарата и не ухудшает его аэрогидродинамических характеристик;
3) снизить затраты на ремонт, отработку и монтаж ЭУ, так как все операции с ЭУ можно производить вне подводного аппарата. Значительно снизить время для проведения капитальных ремонтных работ всего подводного аппарата, так как при необходимости можно произвести просто замену модульного отсека на совершенно новый, заранее изготовленный модульный отсек ЭУ;
4) практически исключить пожаровзрывоопасную ситуацию, так как герметичность как отдельных выгородок, так и всего автономного отсека позволяет либо поддерживать низкое давление газов в этих объектах, исключающее возгорание путем постоянного вакуумирования, либо создавать такую газовую смесь в этих объектах, при которой исключалось бы возгорание, прокачивая через эти объекты нейтральный газ, например азот.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен разрез предлагаемого автономного отсека ЭУ подводного аппарата, на фиг.2 - сечение этого отсека по Б-Б, на фиг.3 - вид по стрелке "В", указанной на фиг.1, на фиг. 4 - план верхнего горизонтального уровня модульного отсека, на фиг.5 - план нижнего горизонтального уровня модульного отсека, на фиг.6 - изометрическое изображение модульного отсека.

Энергетическая установка подводного аппарата содержит:
1 - герметичный корпус модульного отсека;
2 - электрохимические генераторы с водородно-кислородными топливными элементами;
3 - выгородку для ЭХГ;
4 - электрическое оборудование;
5 - выгородку для электрического оборудования;
6 - криогенную емкость для водорода;
7 - шахту для криогенной емкости водорода с арматурой;
8 - герметичный люк;
9 - криогенную емкость кислорода;
10 - выгородку для криогенной емкости кислорода с арматурой;
11 - выгородку для емкости сбора реакционной воды;
12 - выгородку для устройства вентиляции и дожигания водорода;
13 - агрегаты контура охлаждения энергетической установки;
14 - выгородку для агрегатов контура охлаждения;
15 - нижний горизонтальный уровень;
16 - верхний горизонтальный уровень.

Все несущественные элементы, изображенные на фиг.1-6 (узлы крепления, пневмогидравлические связи и т.п.) и не имеющие отношение к существу предлагаемого изобретения, позициями не показаны для удобства чтения.

Сборка энергоустановки производится в следующей последовательности:
- в корпус 2 устанавливают шахту 7, куда в вертикальном положении вставляют криогенною емкость водорода 6, через люк 8;
- на верхний горизонтальный уровень 16, в выгородку 5 устанавливают электрическое оборудование 4;
- на нижний горизонтальный уровень 15, в выгородку 3 устанавливают электрохимические генераторы 2, а в выгородку 10 устанавливают криогенную емкость кислорода 9;
- в нижнюю часть отсека устанавливают выгородку 11 для емкости сбора реакционной воды, выгородку 12 для устройства вентиляции и дожигания водорода и выгородку 14, куда устанавливают агрегаты контура охлаждения ЭУ 13.

Все блоки, агрегаты и оборудование соединяются в соответствии со схемами монтажа трубопроводами и кабелями связи. Герметично закрываются или завариваются крышками выгородок и торцевыми переборками отсека.

Это позволяет обеспечивать либо постоянный вакуум, либо пожаровзрывобезопасную среду, непрерывно прокачивая нейтральным газом, например, азотом полости как выгородок, так и всего отсека.

Энергоустановка для подводного аппарата, размещенная в корпусе, выполненная в виде отдельного модульного отсека с предложенным компоновочным решением размещения всех систем ЭУ в отдельных герметичных выгородках, решает поставленную задачу по выполнению требований улучшения скоростных качеств аппарата, максимальной энергоемкости, практического исключения пожаровзрывоопасной ситуации, ремонтопригодности и удобства эксплуатации.

Список используемых источников
1. Журнал "Стратегия" 5 " (май) 1999г. Вангелис Пагоцис "Подводная лодка класса 214".

2. Журнал "Судостроение" 2 1998г., стр.25-28. А.А. Постнов "Опытная подводная лодка проекта 613Э с электрохимическими генераторами".

Изобретение относится к энергоустановкам, содержащим электрохимические генераторы с водородно-кислородными топливными элементами, и может быть использовано при сборке и эксплуатации энергоустановок для подводных аппаратов. Техническим результатом изобретения является создание энергетической установки, которая обладала бы увеличенной энергоемкостью, удобством монтажа и обслуживания, более низкими затратами на отработку, монтаж и ремонт энергоустановки, более высокими ходовыми качествами и повышенной пожаровзрывобезопасностью. Согласно изобретению электрохимические генераторы с водородно-кислородными топливными элементами, электрическое оборудование энергетической установки, криогенные емкости хранения водорода и кислорода с арматурой, устройство вентиляции и дожигания водорода, емкость сбора воды и агрегаты контура охлаждения установлены в отдельных герметичных выгородках, при этом все герметичные выгородки расположены внутри герметичного корпуса, выполненного в виде модульного отсека подводного аппарата, при этом каждая выгородка для размещения криогенных емкостей водорода с арматурой представляет собой вертикально размещенную в модульном отсеке шахту, вваренную в корпус модульного отсека, с установленным на верхней крышке герметичным люком, а выгородки для криогенных емкостей кислорода, электрохимических генераторов, устройства вентиляции атмосферы и дожигания водорода, емкостей сброса реакционной воды, электрохимического оборудования для энергетической установки размещены на разных горизонтальных уровнях модульного отсека. 6 ил.

Энергетическая установка подводного аппарата, содержащая электрохимические генераторы с водородно-кислородными топливными элементами и электрическое оборудование энергетической установки, установленные в герметичных выгородках, а также криогенные емкости хранения водорода и кислорода с арматурой, устройство вентиляции и дожигания водорода, емкость сбора реакционной воды и агрегаты контура охлаждения энергетической установки, отличающаяся тем, что в ней криогенные емкости хранения водорода и кислорода с арматурой, устройство вентиляции и дожигания водорода, емкости сбора реакционной воды, агрегаты контура охлаждения энергетической установки установлены в отдельных герметичных выгородках, при этом все герметичные выгородки расположены внутри герметичного корпуса, выполненного в виде модульного отсека подводного аппарата, при этом каждая выгородка для размещения криогенных емкостей водорода с арматурой представляет собой вертикально размещенную в модульном отсеке шахту, вваренную в корпус модульного отсека, с установленным на верхней крышке герметичным люком, а выгородки для криогенных емкостей кислорода, электрохимических генераторов, устройства вентиляции и дожигания водорода, емкостей сбора реакционной воды, электрохимического оборудования для энергетической установки размещены на разных горизонтальных уровнях модульного отсека.