АНАЭРОБНЫЙ ПРОПУЛЬСИВНЫЙ КОМПЛЕКС ПОДВОДНОГО АППАРАТА И СПОСОБ РАБОТЫ ТЕПЛОАККУМУЛЯТОРОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2024 года по МПК B63H11/04 B63G8/00 F02G1/43 

Изобретение относится к подводной технике и может применяться в неатомных подводных лодках, глубоководных необитаемых подводных аппаратах повышенной автономности, предназначенных для выполнения широкого круга боевых, исследовательских, поисковых и подводно-технических работ в широком диапазоне глубин. Роторный двигатель Стирлинга в качестве установки для выработки механической и/или электрической энергии может быть применен для винтовых летательных аппаратов, наземных или надводных робототехнических комплексов, а также для космических аппаратов.

Известен «Роторный двигатель с внешним подводом теплоты» (патент RU 2255235 автор - Нисковских В.М.), принятый в качестве прототипа схемы роторного двигателя, содержащий две секции, в каждой из которых размещен соответствующий роликовый ротор, которые расположены на одном эксцентриковом валу, а секции снабжены подвижными затворами в виде разделительных пластин, установленных вдоль оси вращения вала, с приводом от нажатия роликовых роторов на торец пластин. Моторная секция имеет больший по величине рабочий объем, чем насосная. При этом полость сжатия насосной секции соединена трубопроводом высокого давления с полостью расширения моторной секции через теплообменник и нагреватель, а полость расширения насосной секции соединена трубопроводом низкого давления с полостью сжатия моторной секции через теплообменник и холодильник.

Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из насосной секции в трубопровод высокого давления поступает некоторый объем рабочего тела. Чтобы заполнить полость сжатия моторной секции и при этом сохранить давление, рабочее тело последовательно нагревают в теплообменнике и нагревателе, вследствие чего его объем и давление увеличиваются. То же, но «с обратным знаком», происходит в трубопроводе низкого давления.

Из-за разницы в площадях поверхности роторов, возникает результирующая сила, которая вращает роторы и вал, а рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух секций.

Недостатком этого двигателя является его низкая эффективность по совокупности причин:

- применение цилиндрических, а по сути, однолопастных роторов, ведет к перерасходу горячего рабочего тела, т.к. для после пересечения моторным ротором выпускного патрубка моторной секции, высокое давление, толкающее ротор, будет также подано в трубопровод низкого давления, что приведет к пульсации подачи рабочего тела в насосную секцию, негативно отразится на равномерности крутящего момента и к снижению эффективного КПД;

- пульсация будет проявляться и при подаче рабочего тела в моторную секцию, так как после пересечения разделительной пластины насосным ротором, полости сжатия насосной и расширения моторной секций, соединенные трубопроводом высокого давления, станут сообщающимися, и горячее рабочее тело, вместо того, чтобы воздействовать на моторный ротор, будет возвращаться в открытую сообщающуюся полость сжатия насосной секции (и по пути перегревать теплообменник, и, тем самым, нагревать холодильник), и препятствовать вращению насосного ротора, которому затем (под действием моторного ротора) придется еще раз выталкивать, но уже горячее рабочее тело, в трубопровод высокого давления, которое будет активно противодействовать вращению насосного ротора, снижая мощность двигателя. Это приведет к нагреву насосной секции, ее ротора и рабочего тела в ней, что потребует дополнительного расхода топлива для получения необходимого давления рабочего тела в моторной секции;

- цилиндрические роторы при вращении имеют повышенную боковую протяженность линии трения;

- применение кривошипов для вращения роликовых роторов приводит к тому, что при малом угле поворота кривошипа от впускного отверстия (от верхней мертвой точки), рабочая площадь ротора будет мала и плечо крутящего момента также будет крайне мало, поэтому из-за сил трения провернуть моторный ротор давлением газа будет невозможно - потребуется инерция маховой массы, для вращения которой будет отниматься полезная мощность;

- наличие разграничительных пластин, выступающих за боковые габариты секций, не делают форму двигателя совершенной, что не позволит установить двигатель в ограниченный цилиндрический объем;

- роторы, посаженные на один эксцентриковый вал, создают тепловой мост для обмена теплом между собой - тепло от рабочего тела с высокой температурой, с которым взаимодействует моторный ротор, через вал будет передаваться насосному ротору, что снизит плотность рабочего тела в насосной секции и приведет к перерасходу топлива и потере мощности;

- отсутствуют устройства управления двигателем, т.к. термодинамический цикл будет настроен строго на определенные параметры, а судя по вышеперечисленным недостаткам, температура, давление и скорость вращения будут существенно меняться в процессе исполнения цикла, и согласование процессов будет остро необходимым, поэтому изменение любого фактора приведет к разбалансированности процессов цикла и потере эффективности;

- отрицательным фактором также является то, что в данном двигателе невозможно использовать все преимущества роторного двигателя, т.к. все процессы термодинамического цикла жестко не разделены, а, напротив, перекрывают один другой, что также снижает эффективность двигателя;

- однонаправленное вращение роторов создает условия для динамической разбалансировки;

- отсутствие теплоизоляции на моторной секции и водяного охлаждения на насосной секции, уменьшает разность температур, при которых происходит тепловая трансформация рабочего тела, тем самым снижается термический КПД, и т.д.

Известен Пластинчатый двигатель (мотор) двукратного действия (УДК 621.671 + 621.22 для проектировщиков и технических специалистов. Пластинчатые насосы и гидромоторы. Зайченко И.З. и Мышлевский Л.М. «Машиностроение», 1970, стр. 229), используемый в изобретении в качестве рабочих секций двигателя Стирлинга. Он создает равномерный крутящий момент, конструктивно прост, менее требователен к загрязнениям рабочего тела, и, как следствие, дешев в изготовлении и эксплуатации.

К недостаткам пластинчатых моторов относятся:

- необходимость механизма принудительного ведения пластин, который, при использовании прижима пластин к статору давлением рабочей среды, создает повышенное их трение о статор и износ;

- необходимость установки пружин для выталкивания пластин при начале вращения, что в дальнейшем в условиях работы на горячем рабочем теле приведет к отпуску металла и потере упругости пружин, и возможному заклиниванию пластин;

- необходимости в смазке стенок статора, т.к. центробежные силы будут прижимать пластины к статору при больших оборотах;

- сложность формирования кривизны статора для устранения ударов второго рода.

Известна «Энергетическая установка на основе двигателя Стирлинга с тепловым аккумулятором» (патенты РФ №2255236, 2255237, 2258825), в которой зарядка теплового аккумулятора происходит за счет энергии, подводимой через нагревательное устройство к теплоаккумулирующему веществу. После зарядки, в режиме автономной работы, выделяющаяся теплота от теплоаккумулирующего вещества через стенки аккумулятора передается стенкам нагревателя двигателя Стирлинга, что обеспечивает его запуск и работу. При работе двигателя Стирлинга механическая энергия преобразуется в электрическую с помощью электрогенератора. Для охлаждения двигателя Стирлинга используется холодильник, через который подается охлаждающая среда.

Недостатки:

- тепло из теплового аккумулятора будет отбираться рабочим телом только из слоя, контактирующего со стенками нагревателя двигателя Стирлинга, при этом горячая зона теплоаккумулятора с каждым циклом будет охлаждаться и отдаляться от трубопровода нагревателя двигателя, существенно снижая КПД цикла;

- отсутствует возможность удлинения времени работы теплоаккумулятора посредством химического сжигания теплоносителя, применяемого еще и как топливо, для продления работы теплового источника;

- отсутствует схема нагревателя и трубопроводов прохождения рабочего тела через теплоноситель.

Известна система с двигателем Стирлинга и сжиганием жидкого металла (Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. М: Мир, 1986, стр. 390-391), принятая в качестве прототипа системы нагрева рабочего тела. Работа указанной системы основана на экзотермической реакции между жидким литием и шестифтористой серой: 8Li+SF6→6LiF+Li2S+Q. Литий находится в камере сгорания, заполняя ее в твердом виде лишь частично. Жидкая шестифтористая сера до ввода в камеру сгорания хранится в отдельной емкости.

При комнатной температуре давление пара шестифтористой серы составляет примерно 2 МПа. Это давление используется для подачи реагента через форсунку. Литий перед реакцией находится в расплавленном виде, что нетрудно обеспечить, поскольку температура плавления лития составляет +190°С. Для инициирования реакции можно воспользоваться либо пиротехническим, либо электрическим нагревателем. Продукты реакции также являются расплавами и из-за особенностей исходной смеси лития и шестифтористой серы занимают почти тот же объем, что и исходные топливные реагенты. Это выгодно для многих применений, особенно для подводной энергетической системы.

Недостатки схемы в том, необходимо иметь в двигателе сложную систему нагрева лития, а также сложность подачи твердого лития в реакционную камеру для инициирования экзотермической реакции.

Известно устройство «Single - реактивное подруливающее устройство для носа или кормы» фирмы «Jet Thruster» (Нидерланды, https://www.jetthruster.com/our-thrusters, дата обращения 16.07.2023 г.), принятое в качестве прототипа подруливающего устройства, состоящее из распределенных шлангов, подключенных к электронасосу, оборудованных выпускными соплами и установленных противоположно в горизонтальной плоскости ниже ватерлинии в носовой и/или кормовой наружной части корпуса. При включении насоса и открытии трубопроводов, ведущих к определенным соплам, расположенных над ватерлинией, происходит отклонение корпуса под действием реактивной водяной струи.

Недостатком этого подруливающего устройства является отсутствие возможности создания упора по оси судна, а также отсутствие точной регулировки упора.

Известен Механизм с шарнирным ромбом для воспроизведения поступательных движений (И.И. Артоболевский. Механизмы в современной технике. М., Наука, 1979 г. Том II, стр. 465, механизм №1456), принятый в качестве прототипа шарнирного ромба, в котором перемещение одного звена трансформируется в прямолинейное движение остальных ведомых звеньев, соединенных с вершинами ромба.

Недостаток приведенного механизма в том, что не показана траектория ведомых звеньев при движении ведущего звена по определенной замкнутой линии при вращении механизма.

Целью изобретения является повышение автономности и упрощение конструкции пропульсивного комплекса подводного аппарата.

Изобретение поясняется иллюстрациями, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая исполнения механизма:

Фиг. 1 - принципиальная схема установки.

Фиг. 2 - поперечный разрез моторной секции.

Фиг. 3 - продольный разрез моторной секции.

Фиг. 4 - принципиальная схема двигателя с двухконтурными трубопроводами.

Фиг. 5 - принципиальная схема двигателя с одноконтурными трубопроводами.

Фиг. 6 - принципиальная схема двигателя с одноконтурными трубопроводами и с двойным каскадным дросселированием.

Фиг. 7 - схема №1 работы теплоаккумулятора.

Фиг. 8 - схема №3 работы теплоаккумулятора.

Фиг. 9 - схема №2 работы теплоаккумулятора, первый этап.

Фиг. 10 - схема №2 работы теплоаккумулятора, второй этап.

Термины, сокращения и определения, принятые в изобретении.

АНПА - Автономный необитаемый подводный аппарат.

НАПЛ - неатомная подводная лодка.

Тепловая система, тепловой преобразователь - в полном составе или по отдельности включает следующие устройства: холодильник, нагреватель, теплообменник, тепловую трубу, дроссель охлаждения (например, капиллярную трубку), тепловой аккумулятор, в которых происходит изменение температуры рабочего тела при прохождении через них в любом направлении.

Рабочие секции двигателя - моторная и/или насосная секции, состоящие из роторных пластинчатых машин объемного действия, приспособленных для работы с газообразным рабочим телом.

Полости сжатия и расширения - переменные объемы насосной и моторной секций роторного двигателя.

ТВЭЛ - тепловыделяющий элемент на основе теплового аккумулятора.

ТСВЧ - токи средней или высокой частоты, применяемые для индукционного нагрева теплоносителя/топлива.

ТЭНП - теплоэлектронагреватель патронного типа - трубчатое нагревательное устройство, которое выполняется в виде трубки, коаксиально скользяще проходящей через разделительный поршень, не мешая ему перемещаться.

Теплоноситель/топливо - жидкая масса, применяемая для передачи тепловой энергии, в качестве которой используются, преимущественно, расплавленный металл(ы) или расплав реагентов экзотермической реакции.

Конический редуктор - редуктор, содержащий четыре конических шестерни постоянного зацепления.

Механическая часть энергетической установки - включает конический редуктор, роторный двигатель Стирлинга, насос водомета, бироторный электрогенератор.

Горячий переменный объем теплоаккумулятора - объем, в котором теплоноситель и/или топливо находится разогретом состоянии, обеспечивающим работу двигателя.

Холодный переменный объем теплоаккумулятора - объем, в котором теплоноситель и/или топливо находится в остывшем состоянии после отдачи тепла рабочему телу.

Сущность изобретения состоит в том, что по Способу №1 работы системы нагрева рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, содержащего, по меньшей мере, один тепловой аккумулятор, разделенный свободным поршнем на первый - горячий и второй - холодный переменные объемы; из первого горячего переменного объема теплоноситель перекачивается жидкометаллическим насосом через трубку нагревателя во второй холодный переменный объем теплового аккумулятора; после израсходования горячего теплоносителя в первом переменном объеме и заполнении холодным теплоносителем второго переменного объема, нагревают теплоноситель во втором переменном объеме, и переводят гидроспределитель на движение нагретого теплоносителя из второго переменного объема через жидкометаллический насос и трубку нагревателя в первый переменный объем, повторяют процесс по необходимости; по Способу №2 работы системы нагрева рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, содержащего, по меньшей мере, два тепловых аккумулятора: первый - горячий и второй - холодный; во внутренние полости каждого теплового аккумулятора устанавливают свободный газонепроницаемый поршень, разделяющий их на два переменных объема: первый переменный объем первого теплового аккумулятора заполняют теплоносителем, а второй переменный объем первого теплоаккумулятора заполняют инертным или нейтральным к теплоносителю газом под избыточным давлением; во втором тепловом аккумуляторе первый переменный объем остается незаполненным, а второй переменный объем заполняют инертным или нейтральным к теплоносителю газом; после первые переменные объемы обоих тепловых аккумуляторов соединяют между собой трубопроводами, включающими краны, гидрораспределители, регулировочный клапан, трубку нагревателя; а вторые переменные объемы с инертным или нейтральным газом обоих тепловых аккумуляторов соединяют между собой трубопроводом, включающим краны и компрессор; движение через трубку нагревателя горячего теплоносителя по трубопроводу из первого теплового аккумулятора во второй осуществляют посредством воздействия на свободный поршень первого теплового аккумулятора повышенным избыточным давлением инертного или нейтрального газа, а регулировку объема теплоносителя, проходящего через трубку нагревателя, осуществляют посредством регулирующего клапана, при этом движение теплоносителя осуществляют из горячего объема первого теплового аккумулятора в холодный объем второго теплового аккумулятора; после израсходования горячего теплоносителя в первом теплоаккумуляторе, осуществляют нагрев теплоносителя во втором теплоаккумуляторе, затем переводят гидроспределитель на движение горячего теплоносителя из второго теплового аккумулятора через регулирующий клапан, при этом в переменный объем с инертным или нейтральным газом второго теплового аккумулятора перекачивают газ из первого теплового аккумулятора; по Способу №3 работы системы нагрева рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, содержащего трубопроводы, оборудованные кранами, гидрораспределителями, жидкометаллическим насосом, реакционную камеру с форсункой подачи окислителя, трубку нагревателя рабочего тела, по меньшей мере, один резервуар для расплава реагентов экзотермической реакции и, по меньшей мере, один тепловой аккумулятор с установленным внутри свободным поршнем, разделяющим его на первый и второй переменные объемы, первый заполняют теплоносителем/топливом, второй переменный объем предназначают для отработанного жидкого, после отдачи тепла рабочему телу, теплоносителя/топлива с минимальной температурой, позволяющей перекачивать его насосом; на первом этапе теплоноситель/топливо используют как теплоноситель, а на втором этапе - как топливо; перед использованием теплового аккумулятора осуществляют нагрев до максимальной рабочей температуры теплоносителя/топлива в первом переменном объеме теплового аккумулятора, а движение горячего теплоносителя/топлива из первого переменного объема по трубопроводам системы нагрева осуществляют посредством жидкометаллического насоса, при этом замещают освобождающийся второй переменный объем холодным жидким теплоносителем, в котором теплоноситель/топливо электрохимически нагревают до температуры производства экзотермической реакции и направляют горячий теплоноситель/топливо в реакционную камеру, в которой используют его как топливо в экзотермической реакции с окислителем, тем самым повышают температуру расплава реагентов, которым нагревают трубку нагревателя и, далее, переправляют в освободившийся первый переменный объем теплового аккумулятора, а излишки отработанного расплава направляют в резервуар сбора расплава; Пропульсивный комплекс автономного необитаемого подводного аппарата содержит энергетическую установку, включающую механическую часть в составе: роторно-пластинчатого двигателя с внешним подводом теплоты, обратимого бироторного электрогенератора-электродвигателя, конического редуктора, насоса водомета; а также системы: теплового преобразования рабочего тела, движительную, рулевую и креновыравнивающую, нагрева теплоносителя/топлива, движения топлива/теплоносителя через нагреватель, емкости хранения рабочих газов, отличающийся тем, что механическая часть энергетической установки помещена в герметичную и, преимущественно, звукоизолированную капсулу; Роторно-пластинчатый двигатель с внешним подводом теплоты, с рабочим телом, находящимся в нем под избыточным давлением, содержит насосную и моторную рабочие секции; моторная секция выполнена с бóльшим рабочим объемом, чем насосная; полость сжатия насосной секции соединена трубопроводом высокого давления с полостью расширения моторной секции через теплообменник и нагреватель, а полость сжатия моторной секции соединена трубопроводом низкого давления с полостью расширения насосной секции через теплообменник и холодильник, роторы рабочих секций посажены на отдельные валы, вращающиеся в противоположные стороны, а рабочие секции выполнены в виде роторно-пластинчатых объемных машин одно- и/или двукратного действия; Тепловой аккумулятор выполнен в виде заглушенной с обеих сторон тугоплавкой трубы круглого, и/или прямоугольного, и/или трапецеидального, и/или квадратного, и/или шестиугольного, и/или треугольного поперечного сечения, внутри него установлен свободный поршень, разделяющий внутреннее пространство на два переменных объема, которые заполнены теплоносителем, и/или топливом, и/или газом, и/или расплавом реагентов экзотермической реакции; по п. 5, отличающийся тем, что трубопроводы низкого давления двигателя, перед входом в полости расширения насосной секции, оборудованы, по меньшей мере, одним дросселем охлаждения; теплообменники выполнены в виде тепловой трубы; профиль внутренней поверхности статоров секций выполнен в виде эпитрохоиды, или овала, или эллипса, или окружности, или в комбинации фигур; внутренние части каждых четырех пластин роторов моторной и/или насосной секций соединены тягами, образующими шарнирный ромб; валы моторной и насосной секций соединяются со своими шестернями конического редуктора посредством управляемых электромагнитных и/или фрикционных муфт с возможностью отключения; механизм противовращения роторов рабочих секций и бироторного электрогенератора выполнен в виде конического редуктора; моторная секция оборудована теплоизоляционным покрытием; насосная секция оборудована рубашкой водяного охлаждения; капсула механической части и/или герметичный корпус подводного аппарата заполнены газообразной шестифтористой серой; в массиве корпуса теплового аккумулятора установлено промежуточное тело в виде полого цилиндра из тугоплавкого электропроводящего, преимущественно, керамического материала, вокруг которого установлены спирали индукционного нагрева токами средней или высокой частоты, при этом торцы корпуса оборудованы отверстиями для установки трубопроводов и/или центральной трубки; по его продольной оси установлена трубка из электропроводного материала, внутри которой установлен либо тепловой электронагреватель патронного типа, либо спирали индукционного нагрева токами средней или высокой частоты, либо незаполненный трубопровод для ввода электрохимического нагревателя и расположения адсорбера газов; теплоносителем может быть метал: литий, и/или натрий, и/или калий, и/или галлий, и/или олово, и/или свинец, и/или ртуть или другие; свободный поршень выполнен упругим, например, в виде сильфона, расширяющегося от давления газа внутри него, и/или газонепроницаемым; корпус теплового аккумулятора оборудован спиралью нагревательного устройства посредством токов средней и/или высокой частоты, и/или теплоэлектронагревателем патронного типа, а для нагрева теплоносителя/топлива используется электрическая энергия внешнего источника; участок трубы, находящийся в нагревателе рабочего тела, выполнен в виде, по меньшей мере, одной винтовой трубы, навитой на трубопровод высокого давления; для перемещения топлива/теплоносителя по трубопроводам системы нагрева используется жидкометаллический насос с шаговым электродвигателем.

Целью изобретения является увеличение автономности подводного аппарата, упрощение конструкции, повышение технических характеристик.

Поставленная цель решается посредством использования схемы движения на основе водомета от тепловой энергоустановки на основе анаэробного роторно-пластинчатого двигателя с внешним подводом теплоты (двигателя Стирлинга) замкнутого цикла, работающим на теплоносителе/топливе с высоким энергосодержанием, при сохранении небольших габаритов энергетической установки, упрощении ее конструкции, а также уменьшении гидравлического сопротивления корпуса аппарата и созданием упора и руления посредством водомета.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в обеспечении максимальной эффективности трансформации тепловой энергии в механическую энергию, повышении надежности и долговременности работы системы нагрева рабочего тела, увеличения удельной мощности, упрощении конструктивного исполнения и уравновешивании работы установки, увеличении времени автономности, снижении стоимости эксплуатации подводных технических средств, взрыво- и пожароопасности, быстроте зарядки.

Отличия от прототипа:

- профиль внутренней поверхности статоров секций выполнен в виде, преимущественно, эпитрохоиды, и/или овала, и/или эллипса, и/или окружности;

- валы установлены раздельно и соединяются посредством промежуточных конических шестерен и теплоизоляционных прокладок - снижается передача тепла от горячей секции к холодной;

- вращение роторов, статора и якоря электрогенератора, и насоса осуществлено в разные стороны для осуществления динамической балансировки;

- механическая часть энергетической установки установлена в герметичную капсулу, оборудованную тепло- и/или звукоизоляцией;

- роторные секции выполнены пластинчатыми с количеством пластин кратным четырем - снижается пульсация рабочего тела при подаче давления в горячую секцию, увеличивается равномерность крутящего момента, сбалансированность вращения, уменьшены условия для образования крена АНПА;

- моторная секция оборудована теплоизоляционным покрытием - позволяет снизить утечку тепла в пространство капсулы, тем самым сэкономить топливо;

- насосная секция выполнена охлаждаемой - оборудована рубашкой водяного охлаждения - это позволяет увеличить разность температур, тем самым повысить термический КПД;

- в трубопроводе низкого давления перед полостью расширения насосной секции установлен, по меньшей мере, один дроссель охлаждения, который также позволяет увеличить разность температур, тем самым повысить термический КПД;

- передача тепла в трубопровод высокого давления осуществляется тепловыми трубами;

- насос водомета выполнен центробежным;

- проточная система движения, руления и креновыравнивания выполнена водяной реактивной;

- герметичная капсула энергетической установки является емкостью для хранения газообразной шестифтористой серы;

- корпус необитаемого подводного аппарата также является емкостью для хранения газообразной шестифтористой серы или другого газа и источником противодавления среды на корпус на большой глубине;

- теплоаккумуляторы оборудованы устройством нагрева топлива/теплоносителя от электроисточника;

- в качестве источника тепла для нагрева рабочего тела использованы теплоноситель и/или реагенты экзотермической реакции.

Перечисленные отличия позволяют качественно улучшить работу пропульсивной установки.

Использование роторного принципа в двигателях позволяет отказаться от преобразователя движения, т.к. вал роторного двигателя, без всякого преобразования, выдает уже готовый к использованию крутящий момент.Это позволяет кардинально повысить показатель удельной мощности, упростить и облегчить конструкцию, удалить мертвые объемы внутреннего газового контура двигателя. Применение пластинчатых насосов в качестве рабочих секций роторного двигателя с внешним подводом теплоты, позволяет:

- кардинально снизить цикличность при подаче рабочего тела в полость расширения моторной секции, тем самым выровнять крутящий момент и улучшить протекание термодинамического цикла;

- уменьшить усилие трения пластин роторов о статор посредством механизма шарнирного ромба и высокотемпературной твердой смазкой;

- получить возможность снимать крутящий момент ротором сразу же после перехода пластин через сужение статора;

- придать двигателю совершенную геометрическую форму, что позволит установить двигатель в ограниченный объем корпуса капсулы;

- создать тепловой разрыв между валами моторной и насосной секций и, тем самым повысить плотность рабочего тела в насосной секции, а также повысить экономичность и мощность двигателя;

- отказаться от маховика, т.к. давление рабочего тела, поступающего в полость расширения моторной секции, будет равномерным, что позволит снимать равномерный крутящий момент;

- в динамике снизить пульсацию рабочего тела в трубопровод высокого давления, что улучшит качество термодинамического цикла и повысит мощность двигателя;

- повысить равномерность движения рабочего тела по трубопроводам высокого и низкого давления и тепловым преобразователям, что улучшит экономичность;

- разделить процессы термодинамического цикла и организовать их параллельное протекание в разных участках тепловых преобразователей, что также повысит эффективность двигателя;

- устранить проблему мертвого объема для контуров движения рабочего тела;

- повысить разность температур посредством теплоизоляции на моторной секции и рубашки водяного охлаждения на насосной секции, тем самым повысить термический КПД цикла;

- осуществлять движение от электроаккумуляторов при отключении секций двигателя от конических шестерен редуктора, либо работать совместно с двигателем, повышая мощность насоса водомета посредством постоянного зацепление между собой насоса водомета и обратимого электрогенератора;

- динамически сбалансировать вращение роторов, статора и якоря электрогенератора и насоса посредством организации вращения в разные стороны;

- двукратно использовать литий (возможно, в смеси с натрием) сначала как теплоноситель, а после отдачи тепла - как реагент экзотермической реакции с шестифтористой серой или фреоном;

- снизить утечки рабочего тела и сэкономить внутреннее пространство АНПА от расположения баллонов с окислителем посредством расположения механической части энергетической установки в герметичной капсуле под давлением шестифтористой серы;

- использовать тепловые трубы для передачи тепла от трубопровода низкого давления к трубопроводу высокого давления, что сэкономит топливо и повысит срок автономности;

- увеличить разность температур посредством установки каскада дросселей охлаждения в трубопроводах низкого давления перед полостями расширения насосной секции, тем самым повысить термический КПД.

Состав установки.

Пропульсивная установка в полной комплектации содержит:

- герметичную капсулу, в которой установлена механическая часть пропульсивной установки, включающая:

- роторный двигатель Стирлинга;

- бироторный обратимый электрогенератор-электродвигатель;

- конический редуктор противовращения валов;

- насос водомета;

- капсула заполнена газообразной шестифтористой серой.

Вне герметичной капсулы установлены:

- по меньшей мере, один тепловой аккумулятор с системой подачи топлива/теплоносителя и/или для сбора расплава экзотермической реакции;

- система водоводов движения, руления и креновыравнивания с гидрораспределителями и соплами (диффузорами);

- баллон рабочим телом;

- тепловая система, содержащая: холодильник, нагреватель, теплообменник, тепловую трубу, дроссель охлаждения, трубопроводы, реакционную камеру, регулировочные клапаны.

Роторно-пластинчатый двигатель с внешним подводом теплоты состоит из моторной 27 (фиг. 1) и насосной 46 секций, соединенных между собой валами 25, 48 посредством редуктора с коническими шестернями 23, 27, 47, 22, посредством которых секции двигателя кинематически соединены с насосом водомета 21 и якорем 32 через шестерню 22 и вал 29, а со статором 31 бироторного обратимого электрогенератора-электродвигателя - через шестерню 28 и фланец 30.

Валы 25, 48 моторной и насосной секций оборудованы, преимущественно, электромагнитными муфтами 24, 46 (или муфтами сцепления), входящими в зацепление с коническими шестернями 23,47, причем, муфта 24 горячей моторной секции 27 соединяется с конической шестерней 23 через теплоизоляционную прокладку 26.

Насосная секция 46 оборудована рубашкой охлаждения 45.

Вся механическая часть энергетической установки помещена в герметичную капсулу 44, оборудованную, по меньшей мере, противошумной изоляцией и заполненную под избыточным давлением газообразной шестифтористой серой 40, которая может быть использована как реагент экзотермической реакции с литием для нагрева рабочего тела при работе системы нагрева рабочего тела по способу №3 (см. далее). Охлаждение внутреннего пространства капсулы 44 осуществлено посредством охлаждения шестифтористой серы 40 посредством теплопередачи холодным насосом водомета 21 и рубашкой охлаждения 45, а также термоизоляцией горячей моторной секции 27.

Вне капсулы 44 установлены: холодильник 1, в котором проходит трубопровод низкого давления 3, оборудованный дросселем (и/или капиллярной трубкой) 2; трубопровод 19 подачи окислителя на форсунку 18, клапан 20 регулирования подачи окислителя на форсунку 18; оборудованный нагревателем 8, в котором проложена винтовая трубка 9, обвитая вокруг трубопровода высокого давления 4, соединенная с реакционной камерой 11; тепловая труба 5, переносящая тепло по стрелке Q из трубопровода низкого давления 3 в трубопровод высокого давления 4; баллон с рабочим телом 56, с трубопроводом 54, оборудованным насосом 53 подачи или откачки рабочего тела в трубопровод 3; трубопровод 11 для подключения теплоаккумулятора к жидкометаллическому насосу 16. Движение рабочего тела по трубопроводам 3, 4 организовано по стрелкам е, д. Движительно-рулевая и креновыравнивающая система состоит из насоса водомета 21, трубопроводов, по которым осуществляется движение воды 10, 12, 33, 41, 55, 50, 43, рубашки охлаждения 45 и холодильника 1. Для создания упора предусмотрены сопла (диффузоры) 9, 42, клапаны управления 14, 36, а для создания давления в рулевом трубопроводе 33, установлены обратные клапаны 13, 39. Направление осевого движения аппарата обеспечивают гидропереключатели 51, 52, при этом забортная вода проходит по стрелкам ж или з, и; креновыравеиватель, оборудованный клапанами 35 и соплами (диффузорами) 34, тангенциально установленными к корпусу АНПА, предназначен для радиального поворота АНПА (и датчиков на нем) вокруг оси, а также для устранения крена АНПА, например, в условиях волнения, или течения, или для позиционирования датчиков в определенный угол направления исследований.

При работе энергосиловой установки вращение конических шестерен редуктора и других ее элементов происходит разнонаправленно по стрелкам а, б, в, г, что позволяет динамически сбалансировать установку.

Секции двигателя представляют собой роторно-пластинчатые объемные машины (фиг. 2, 3), представляющие собой мотор и насос с установленными внутри них пластинчатыми роторами. Секции конструктивно выполнены одинаково, но с разным рабочим объемом - моторная секция 27 имеет больший рабочий объем относительно моторной секции 46, преимущественно, за счет увеличенной осевой длины лопастей 58, ротора 61 и статора 60 моторной секции 27. Такое решение позволит унифицировать конструкции и уменьшить количество технологического оборудования при изготовлении двигателя.

Роторно-пластинчатая машина может использоваться в режиме мотора только в том случае, если пластины 58 (фиг. 2) имеют возможность принудительного ведения по внутренней поверхности статоров 60, 89 (фиг.2, 4, 5), причем использование пружин в высокотемпературной среде рабочего тела в моторной секции нецелесообразно по причине возможного отпуска металла и потере им пружинящих свойств. Поэтому применен механизм принудительного ведения пластин по поверхности статора посредством тяг в виде шарнирных ромбов 68, 70, 71, соединяющих внутренние концы каждых перпендикулярных четырех пластин 58, поэтому кривые поверхности профилей статоров секций 60, 89 в поперечном разрезе, выполнены в эпитрохоидальной форме, имея по два диаметральных сужения 65 и расширения 69, что позволяет пластинам 58, соединенными шарнирными ромбами, быть постоянно прижатыми к внутренней поверхности статоров 60, 89. Шарнирные ромбы 69, 71, 72 на каждые четыре перпендикулярные пластины 58 устанавливаются внутри полых роторов 61, причем, на каждую пластину целесообразно устанавливать по два разнесенных по краям шарнирных ромба - во избежание перекоса и заклинивания пластины. Посредством разгрузки пластин шарнирными ромбами, они прижимаются не под действием центробежных сил или поджимающего давления, а только под копированием кривизны статора. Двигаясь по внутренней поверхности такого статора 60, 89, каждая пластина ротора совершает два рабочих такта за один оборот вала. Благодаря жестким тягам шарнирных ромбов 68, 70, 71, возвратно-поступательные движения пластин взаимно ограничивают перемещения друг друга, обеспечивая безотрывное ведение по расчетной профильной поверхности статора и, тем самым позволяют уменьшить трение рабочих кромок пластин о статор. Для увеличения эффективного и механического коэффициента полезного действия (КПД) двигателя, пластины выполняются максимально легкими, например, из титанового сплава и покрываются антифрикционным составом. От числа пластин в секциях двигателя зависят его КПД, условия пуска и равномерность вращения.

Профиль эпитрохоидального статора формируется четырьмя четвертями окружностей одинакового радиуса - каждая от позиции 65 (фиг.2) до позиции 69, а весь профиль строится таким образом, чтобы суммы длин его четырех любых выдвинутых перпендикулярных пластин 58 должны быть равны при любом угле повороте ротора - это позволит обеспечить постоянное прижатие к нему пластин под воздействием шарнирных ромбов 68, 70, 71.

Профиль внутренней поверхности статоров секций кроме эпитрохоидального, может быть выполнен в виде овала, или эллипса, или окружности, или в комбинации перечисленных фигур.

Роторы 61, 83 двигателя выполнены пустотелыми и состоят из двух торцевых шайб 77 (фиг. 3), между которыми расположены направляющие ребра 72 статора 61, предназначенные для движения между ними пластин 58. При этом ребра 72 ротора 61, для придания прочности конструкции, оборудованы тягами 74, стягивающими торцевые шайбы 77 гайками 80. Торцевые крышки 79 статора секций 27, 46 изнутри оборудованы цилиндрическими выемками для вхождения в них торцевых шайб 77. Для того, чтобы пластины 58 не отклонялись при работе, они в нижней (внутренней) части, снабжены штифтами 73, которыми перемещаются по радиальным пазам 59, выполненным на внутренней поверхности торцевых шайб 77. Такая конструкция ротора обеспечивает ему достаточные прочностные качества.

Из-за диаметрально противоположного размещения полостей расширения 67, 57 и 85, 90 (фиг. 4, 5, 6) и сжатия 62, 73 и 88, 82 в статорах секций 60, 89, силы давления газа на пластины 58, 84 уравновешены, а опоры роторов 61, 83 разгружены, что является существенным преимуществом.

Валы 25, 48 секций моторной 27 и насосной 46 соединены с коническими шестернями 23, 49 посредством муфт 24, 49 (электромагнитных и/или сцепления) для подключения к ним, или отключения от них. При этом шестерня 22 насоса водомета 21 и якоря 32, а также шестерня 28 статора 31 обратимого бироторного электроненератора/электромотора постоянно находятся в зацеплении с коническими шестерням 23, 47, которые позволяют вращать насос 21, якорь 32 и статор 31, а также роторы моторной 27 и насосной 46 секций в разные стороны, чем достигается динамическая балансировка энергетической установки. Статор электрогенератора 31 оборудован фланцем 30, соединенным с шестерней 28, а якорь соединен с валом 29, который, вместе с насосом водомета 21, вращается в противоположную сторону относительно статора 31 - по стрелкам в, г. Посредством муфт сцепления 24, 49 секции двигателя 27, 46 могут подключаться к коническому редуктору или отключаться от него - это обеспечит движение АНПА на электротяге от без использования двигателя Стирлинга, или в помощь двигателю Стирлинга.

Посредством трубопровода высокого давления 4 (фиг. 1, 4) полости сжатия 82, 88 насосной секции 46 соединены с полостями расширения 67, 57 моторной секции 27, а посредством трубопровода низкого давления 3 полости расширения 85, 90 насосной секции 46 соединены с полостями сжатия 62, 73 моторной секции 27. Трубопровод высокого давления 4 оборудован нагревателем 8, а трубопровод низкого давления 3 оборудован холодильником 1. Между собой трубопроводы 2, 4 соединены теплообменником и/или тепловой трубой 5 для передачи остаточного тепла из трубопровода низкого давления 3 в трубопровод высокого давления 4. Роторы 61, 83 вращаются разнонаправленно по стрелкам «а» и «б».

Пластинчатый мотор двукратного действия работает следующим образом.

Рассмотрим работу верхнего - над линией А-А - контура трубопроводов роторно-пластинчатого с двигателя Стирлинга, представленного на фиг. 4, т.к. нижний контур работает аналогично нижнему.

При движении рабочего тела из полости сжатия 88 насосной секции 46 в трубопровод высокого давления 4, рабочее тело получает тепло: от сжатия, затем получает тепло от тепловой трубы 5 (или теплообменника), затем нагревается в нагревателе 8, и через впускное окно 66 попадает в переменный объем полости расширения 67 моторной секции 27, и воздействует давлением рабочего тела на выдвинутые пластины 58, которые всегда прижаты к поверхности статора 60 посредством шарнирных ромбов 69, 70, 7, тем самым проворачивает ротор 61, при этом отработанное рабочее тело стремится выйти через выпускное окно 98 в трубопровод низкого давления 3. Из-за кривизны профиля статора 60, всегда имеется разница в площадях поверхности выдвинутых смежных рабочих пластин 58 камеры расширения 67, на которые действует давление рабочего тела, результирующая сила которого вращает ротор 61 и вал 25. В точках 69 (фиг. 2), после прохождения которых объемы расширения 67, 57 начинают переходить в объемы сжатия 73, 62, выполнены выемки для сброса отработавшего рабочего тела в выпускные трубопроводы 98, 64 моторной секции 27. От равнодействующей всех приложенных на пластины 58 сил возникает крутящий момент, приводящий к повороту моторного ротора 25, в процессе которого увеличиваются переменные объемы части полостей расширения 67, 57, благодаря чему, содержащееся в этих полостях сжатое рабочее тело расширяется. Совершаемая при этом работа расширения преобразуется в механическую энергию вращения ротора 61.

Отработанное рабочее тело поступает в трубопровод низкого давления 3, в котором отдает остаточное тепло посредством теплообменника или тепловой трубы 5 в трубопровод высокого давления 4. Далее рабочее тело поступает в холодильник 1, где охлаждается и, через дроссель охлаждения 2 поступает через впускное окно 86 в полость расширения 85 насосной секции 46.

Насосная секция 46 работает таким образом: крутящий момент от моторной секции 27 проворачивает насосный вал 48 (фиг. 4) и ротор 83, при этом находящийся во впускном трубопроводе 86 дроссель охлаждения 2 снижает температуру в полости расширения 85 (увеличивая разность температур), способствуя провороту насосного ротора 48. Профиль статора насосной секции 46 имеет полости расширения 85, 90 и сжатия 82, 88, поэтому рабочее тело, принудительно вытесненное из полостей сжатия 82, 88 насосной секции 46 и поступающее в трубопровод высокого давления 4 из выпускных трубопроводов 87, 94 статора 89, имеет повышенную температуру от сжатия, затем оно нагревается от тепловой трубы 5 или теплообменника, и далее нагревается в нагревателе 8, поступая в полости расширения 67, 57 моторной секции 27, обеспечивая работу двигателя Стирлинга.

Насосная секция 46 работает под воздействием моторной секции 27. Из-за разницы в площадях поверхности пластин роторов, возникает результирующая сила F=Δp(Sp-Sв), где Δр - разность давлений в трубопроводах высокого и низкого давлений; Sp - рабочая площадь пластин моторного ротора; Sв - рабочая площадь пластин насосного ротора. Эта сила вращает роторы и вал, а рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух секций.

Схема одноконтурного трубопровода роторно-пластинчатого двигателя Стирлинга, представленного на фиг. 5, отличается от предыдущего тем, что впускные 66, 78 и 86, 91 и выпускные 75, 98 и окна обоих секций соединены между собой попарно трубопроводами 98, 99 и 102, 103, а трубопроводы высокого 101 и низкого 100 давлений соединяют трубопроводы 103, 99 и 98, 102. При этом имеется один нагреватель 8, один теплообменник 5 и один холодильник 1. Трубопроводы низкого давления 102 оборудованы дросселями охлаждения 2, 92. Работает этот двигатель аналогично предыдущему.

На фиг. 6 представлена схема одноконтурного роторно-пластинчатого двигателя Стирлинга, которая отличается от предыдущего тем, что насосная секция имеет каскад дросселей охлаждения 2, 92, и только одну пару окон - впускное 86 и выпускное 87, а вторая пара окон - выпускное 81 и впускное 91 замкнута через теплообменник 104 и дроссель охлаждения 92. При этом теплообменник 105, 106, 107 выполнен в виде тепловой трубы, преимущественно, контурной, и передает тепло от сжатия в полости сжатия 82, через испаритель 105 с развитой поверхностью, в конденсатор 107, установленный на трубопроводе высокого давления 101.

При этом, после расширения в полости 85, рабочее тело сжимаясь в полости 82, нагревается и отдает тепло в теплообменник 104, или в испаритель 105, например, контурной тепловой трубы, и по контуру 106 тепло передается в конденсатор 107 и в трубопровод высокого давления 101, а охлажденное рабочее тело поступает через дроссель 92 в полость расширения 90, тем самым увеличивая разность температур, что ведет к повышению термического КПД процесса.

Смазка внутренней поверхности статоров секций 27, 46 производится твердой высокотемпературной смазкой, например, наполнением пар трения фуллеренами С₆₀, которые в среде инертного газа выдерживают высокие температуры.

Охлаждение статора насосной секции 46 производится забортной водой 45 (фиг.1) посредством прокачки насосом 21 по трубопроводам 55, 50, 43.

Корпус подводного аппарата может быть заполнен под давлением газообразным окислителем (шестифтористой серой - SF₆) или рабочим телом, что позволит сэкономить пространство на баллонах с рабочими газами.

Регулирование частоты вращения ротора 61 моторной секции 27 обеспечивается изменением давления рабочего тела в контуре двигателя Стирлинга посредством насоса 53 (фиг. 1) и/или изменением температуры рабочего тела посредством изменения скорости прокачки топлива/теплоносителя жидкометаллическим насосом 16 (фиг. 7, 9, 10), или управляемого клапана 72 (фиг. 8).

Для предотвращения передачи тепла от горячего моторного ротора 61 к холодному насосному ротору 83, моторный 25 и насосный 48 валы разделены коническим редуктором 22, 23, 28, 47 и теплопрерывающей прокладкой 26, установленной между диском муфты 24 и шестерней 23, а также оборудованием насосной секции 46 водяной рубашкой охлаждения 45 и установкой насоса водомета 21 в объеме капсулы 44, прокачиваемая вода которого будет уносить тепло от конических шестерен редуктора, вала 29 якоря 32 и наполнителя капсулы - SF6 в магистраль 43 и, далее, за борт через сопло 42 или 6. Также при вращении конических шестерен 22, 23, 28, 47 происходит перемешивание охлаждающего газа-наполнителя SF6 капсулы 44 с целью равномерного распределения тепла в объему капсулы 44.

Водоводы насоса водомета 21 оборудованы гидрораспределителями 51, 52 для изменения направления потока воды, с целью изменения направления движения АНПА в обратную сторону, а рулевая магистраль 33 содержит водоводы 12, 41, запитываемые от водоводов 10, 43, которые оборудованы обратными клапанами 13, 39 для подачи давления воды в рулевые сопла 15, 37, сопла креновыравнивания 34, и клапана 14, 35, 36 включения этих сопел.

Для сохранения тепла, моторная секция 27, нагреватель 8 и трубопроводы высокого 4 и низкого 3 давлений оборудованы теплоизоляционной рубашкой.

Теплообменник, для передачи остаточного тепла из трубопровода низкого давления 3 в трубопровод высокого давления 4 рабочего тела, выполнен в виде, преимущественно, тепловой трубы 5, либо выполнен в виде пластинчатого, и/или кожухотрубного, и/или витого, и/или микроканального теплообменника. Участок отбора тепла теплообменником находится в трубопроводе низкого давления 3 между моторной секцией 27 и холодильником 1, а участок передачи тепла расположен в трубопроводе высокого давления 4 между насосной секцией 46 и нагревателем 8.

Холодильник 1 состоит из герметичного резервуара, через который прогоняется забортная вода по водоводам 10, 55, 43, и, в зависимости от положения гидрораспределителя 51, 52 направление движения АНПА изменяется вперед или назад. В резервуаре холодильника 1 проложен трубопровод низкого давления 3 для охлаждения рабочего тела. Трубопроводы низкого давления 3, 93 (фиг. 4) при входе в насосную секцию оборудованы дросселями 2, 92 (например, капиллярными трубками) - для добавочного охлаждения рабочего тела.

Нагреватель 8 содержит винтовую трубу 9, навитую на трубопровод высокого давления 4, через который проходит рабочее тело при движении в полости расширения 66, 78 моторной секции 27. Через винтовую трубу 9 проходит жидкометаллический теплоноситель или расплав реагентов экзотермической реакции. Движение жидкометаллического теплоносителя или расплава направлено в сторону насосной секции 46, а движение рабочего тела направлено в сторону моторной секции.

В начале (по ходу жидкого металла) и в конце (по ходу рабочего тела) в винтовую трубу 8 вмонтирована реакционная камера 18 с, по меньшей мере, одной форсункой 19 для подачи окислителя SF₆ из капсулы 44. Концы винтовой трубы 8 соединены с трубопроводами 12 подвода теплоносителя от разных сторон теплоаккумулятора 109, а ближе к нагревателю установлен жидкометаллический насос 16, позволяющий перекачивать теплоноситель и/или топливо от разных торцов теплоаккумулятора 109.

Теплоаккумуляторы (ТВЭЛы) 109, 126 состоят из керамической оболочки, внутри которой проложены витки 117 средне- или высокочастотного индукционного нагревателя и/или трубка 112, оборудованная спиралью ТСВЧ или ТЭНП для разогрева топлива/теплоносителя от внешней электросети, расположенные вокруг промежуточного цилиндрического тела 120, причем, трубка 112 и цилиндр 120 выполнены из тугоплавкого электропроводного материала. Это позволит нагревать теплоноситель посредством ТСВЧ снаружи и изнутри его объема, и/или использовать ТЭНП.

Для целей использования ТВЭЛов в АНПА, запускаемого с надводного корабля или подводной лодки, применение индукционного нагрева дает следующие преимущества:

- потребляет меньше электроэнергии и не загрязняет окружающее пространство;

- удобен в управлении и позволяет контролировать процесс нагрева;

- нагревание через стенки герметичного цилиндра не загрязняет топливо/теплоноситель;

- возможен равномерный нагрев ТВЭЛа любой формы, или избирательный нагрев;

- высокий КПД процесса нагрева, приближающийся к 100%;

- высокая быстрота зарядки теплоаккумулятора;

- компактность индуктора.

Тепловые аккумуляторы являются одним из определяющих факторов успешного коммерческого применения двигателя Стирлинга, так как совместно с тепловыми аккумуляторами (а в некоторых случаях только с ними) могут использоваться многие нетрадиционные источники энергии.

Для передачи остаточного тепла рабочего тела, выходящего из моторной секции по трубопроводу низкого давления 3, используют промежуточный теплопередающий аппарат в виде тепловой трубы 8.

Как только теплосодержание или температура аккумулирующего материала становятся ниже рабочих значений, определяемых рабочими характеристиками двигателя Стирлинга, АНПА либо возвращается на корабль и теплоаккумулятор перезаряжается от электрического источника, либо теплоаккумулятор переходит на режим экзотермической реакции - сжигая литий в шестифтористой сере и получая тепло от этой реакции. Теплоаккумулятор при этом является тепловым эквивалентом обычной электрической батареи.

Литий как теплоаккумулирующий материала обладает следующими полезными свойствами:

- высокой плотностью и удельной теплоемкостью;

- химической стойкостью;

- совместимостью с существующими материалами (металлами) аккумулирующей емкости;

- нетоксичностью;

- невоспламеняемостью;

- быстротой тепловой перезарядки;

- низкой стоимостью;

- наличием готового металла.

Предложенная схема системы теплоснабжения двигателя Стирлинга требует жидкого теплоносителя/топлива, например, легкоплавкого металла. Предлагаемый теплоаккумулятор будет иметь минимальный размер и не иметь максимального, т.к. его можно масштабировать, увеличивая мощность до десятков мегаватт. Для преобразования энергии тепла в механическую работу используется двигатель Стирлинга

Термоизоляция ТВЭЛов достигается, например, многослойной вакуумной изоляцией его корпуса, а все трубы, жидкометаллический насос также теплоизолированы.

Для всех способов перед запуском двигателя производят зарядку бортового электрического аккумулятора и разогрев топлива/теплоносителя в теплоаккумуляторе 109 (фиг. 7-10) посредством ТСВЧ и/или ТЭНП до максимальных температур (для лития - это не выше ~ +1300°С) от внешнего электроисточника, от чего в теплоаккумуляторе 109 метал становится жидким и способным к перекачке насосом, или подачей давлением рабочего тела 123, закаченного в теплоаккумулятор 109. Затем АНПА погружают в воду и включают бироторный электрогенератор 31, 32 в режим электродвигателя, которым вращают конические шестерни 22, 23, 28, 47, которые, в свою очередь, вращают валы моторной 25 и насосной 48 секций двигателя и насос водомета 21, при этом заполняется водой холодильник 1. После разогрева нагревателя 8 и охлаждения холодильника 1, проворот валов секций двигателя приводит к их самостоятельному вращению. При этом движение теплоносителя по винтовой трубе 9 в нагревателе 8 организуют в сторону насосной секции 46, а движение рабочего тела по трубопроводу высокого давления 4 - в сторону моторной секции 27.

Система химического сжигания топлива.

Система химического сжигания топлива содержит окислитель (шестифтористая сера -SF₆) 40, трубопровод подачи окислителя 40 на форсунку 18, реакционную камеру 11, трубопровод подачи топлива (лития) 17 в реакционную камеру 11 и трубопровод отвода 9 из реакционной камеры.

Теплоаккумулятор.

Двигатель Стирлинга АНПА получает тепло, по меньшей мере, от одного тепловыделяющего элемента (ТВЭЛа), которым является тепловой аккумулятор 109, 126, 129 (фиг. 7, 8, 9, 10), наполненный топливом/теплоносителем (преимущественно, это литий или литий с натрием), и окислителя (шестифтористая сера - SF₆) из капсулы 44. ТВЭЛ выполняют, преимущественно, в виде закрытой с обеих торцов трубы 109 сторон тугоплавкой трубы круглого, и/или прямоугольного, и/или трапецеидального, и/или квадратного, и/или шестиугольного, и/или треугольного поперечного сечения круглого, и/или квадратного, и/или четырехугольного, и/или трапециевидного сечения. ТВЭЛы устанавливаются отдельным блоком или вокруг капсулы энергетической установки (если позволяет диаметр АНПА). Внутри корпуса ТВЭЛа 109 установлен свободный подвижный упругий 119, 127 или неупругий 124, 125 разделительный поршень, торцы ПО которого выполнены из материала с низкой теплопроводностью, отделяющий горячий теплоноситель (например, литий ~ +1300°С) 111 от холодного (например, литий ~ +200°С) 108, и/или от расплава реагентов экзотермической реакции, и/или разделяющий пустые объемы 127 и расплава реагентов 117, или газа 123. Упругость свободному поршню 119, 127 нужна для сжатия содержимого переменных объемов 111, 108 с целью последующего - при открывании крана 125, 126 - заполнения трубопроводов 114, 118 и жидкометаллического насоса 16 топливом/теплоносителем при подсоединении ТВЭЛа 109 к трубам 114, 118 системы нагрева. Упругость поршня 119, 127 может достигаться посредством изготовления его в виде замкнутого сильфона с газовым наполнением под давлением, который сжимается топливом/теплоносителем при закачивании его в ТВЭЛы 109, 129.

Корпус ТВЭЛа выполняют, преимущественно, из полого керамического электропроводящего цилиндра 109, в слое которого устанавливают спирали индуктора 117 системы нагрева топлива/теплоносителя посредством ТСВЧ, и/или используют теплоэлектронагреватель патронного типа (ТЭНП), центральная трубка 112 которого проходит через разделительный свободный поршень 119, 124, 125, 127, не мешая ему перемещаться. Торцы корпусов теплоаккумуляторов 109, 126, 129 соединяют трубопроводами 114, 118 системы циркуляции топлива/теплоносителя, оборудованными кранами 113, 121, 125, 126, или регулировочными клапанами 72, а участок трубы 9, проходящей вокруг трубопровода высокого давления 4 нагревателя 8 рабочего тела, выполняют в виде винтовой спирали 9, накрученной на трубопровод высокого давления 4.

На трубопроводе 114, подводящего топливо/теплоноситель к винтовой трубе 9 или к реакционной камере 17, для точной подачи порций топлива/теплоносителя устанавливают жидкометаллический насос 16 с шаговым электродвигателем. Реакционная камера 17 оборудована форсункой 18 для подачи окислителя в горячее топливо, приводящей к нагреву рабочего тела посредством экзотермической реакции лития с шестифтористой серой, (если такая реакция необходима). Отдавший тепло литий по трубопроводу 7, 118, соединенному с винтовой трубой 9 нагревателя 8, или расплав реагентов, подаются в освобождающий объем 108, 105 ТВЭЛа или в резервуар 134 сбора расплава реагентов, которым может быть аналогичный теплоаккумулятор (для унификации компонентов).

Литий может быть использован как теплоноситель или как топливо. Например, на первом этапе нагрева рабочего тела литий является теплоносителем в диапазоне ~ +1300÷+200°С. Охлажденный до ~ +200°С литий, пока он находится в жидком состоянии, можно еще раз использовать как топливо для экзотермической реакции с шестифтористой серой, а остывший и затвердевший литий необходимо нагреть до жидкого состояния - для этого некоторый его объем нагревают электровоспламеняющим химическим нагревателем 131 до ~+700°С и перемещают в реакционную камеру 17, где при взаимодействии с шестифтористой серой температура поднимается до ~+850°С, и распространяется на трубопровод 114, некоторый объем холодной части 105 лития и жидкометаллический насос 16, что позволяет прогнать расплав по винтовой трубе 9 нагревателя 8 и продлить время теплового воздействия на рабочее тело. Экзотермическая реакция, происходящая в нагревателе 8, будет поддерживать температуру разогретого лития в системе трубопроводов 114, 11, этого будет достаточно для последующего его сжигания.

Электровоспламеняющиеся химические нагреватели 131 для лития выполняются в виде пиропатронов и устанавливаются в обойму для последовательной подачи в центральную трубку 130 ТВЭЛа 109, некоторый объем которого заполнен адсорбером 124 для продуктов сгорания нагревателя 131. Вокруг трубки 130 находится литий 105, 111. В центральную трубку 130, посредством электромеханического толкателя 132, по мере необходимости, посредством электроцилиндра 133 производится подача пиропатронов 131, использованные пиропатроны либо им же удаляются, либо продвигаются по трубке 130 далее - к адсорберу газов 124. Жидкометаллический насос 16 располагается на минимальном расстоянии от ТВЭЛа 109 рядом с реакционной камерой 17.

Энергетическая установка АНПА может также оснащаться, по меньшей мере, одним баллоном с окислителем (шестифтористой серой) или другим нейтральным газом для заполнения оболочки капсулы и/или корпуса.

Возможно использовать литий в чистом виде как теплоноситель в диапазоне ~+1300÷~+200°С и/или как топливо с некоторым содержанием натрия.

Для индукционного нагрева неэлектропроводящего теплоносителя/топлива 111 (фиг. 7, 8, 9, 10), ТВЭЛ 109 оборудуется закрытым разборным (для установки поршня 119) полым цилиндром 120 (промежуточным телом), выполненным из тугоплавкого электропроводящего, преимущественно, керамического материала (например, дисилицида молибдена, хромида лантана, диборида гафния и др.), оборудованным с торцов трубопроводами движения теплоносителя/топлива 122, 114, 118 и осевыми отверстиями для центральной трубки 112. ТВЭЛ 109 заполняется теплоносителем/топливом 111, а спираль индуктора 117 располагают в электроизолирующем керамическом слое (например, алунда и др.) вокруг промежуточного тела 120. Индукционный нагреватель снабжен индуктором, электрически связанным со спиралью обмотки 117. Выполнение ТВЭЛ из керамических материалов позволит уменьшить температурные деформации его корпуса.

ТВЭЛ с индукционным нагревателем промежуточного тела работает следующим образом.

Во внутренней полости промежуточного тела 120 размещают теплоноситель/топливо 111. На внешней поверхности промежуточного тела устанавливают спираль индуктора 117, при нагреве промежуточного тела 120 в высокочастотном электромагнитном поле индуктора, одновременно нагревается, за счет излучения и контактной теплопроводности, и теплоноситель/топливо, находящееся в полости промежуточного тела 120.

Для индукционного нагрева электропроводящего теплоносителя/топлива 111 промежуточное тело 120 не нужно.

Система нагрева топлива/теплоносителя может работать по трем способам.

Способ №1 работы системы нагрева рабочего тела. (Фиг. 7), содержащей, по меньшей мере, один ТВЭЛ 109, с теплоносителем 111. ТВЭЛ 109, преимущественно, выполняют в виде заглушенной с обоих сторон керамической трубы с установкой внутри токопроводящего закрытого цилиндра 120, поверх которого устанавливают спираль индуктирующей проводки 117, с помощью которой создается переменное магнитное поле системы нагрева теплоносителя 111 токами средней или высокой частоты. Проводящий электрический ток закрытый цилиндр 120, помещенный в магнитное переменное поле, нагревается вследствие теплового действия вихревых токов, наводимых на поверхности цилиндра, непосредственно охватываемых индуктирующим проводом для осуществления одновременного нагрева.

Внутри ТВЭЛа 109 устанавливают свободный газонепроницаемый упругий разделительный поршень 119 с теплоизоляционными прокладками ПО, делящий внутренний объем ТВЭЛа на горячий 111, и холодный 108 объемы. При необходимости, по середине профиля ТВЭЛа 109, через поршень 119 и торцы корпуса 109 пропускают трубку, внутри которой может быть установлена спираль индуктирующей проводки или ТЭНП 112 для нагрева теплоносителя 111, 108 в дополнение к нагреву спиралями 117. В объеме 111 находится горячий теплоноситель, а в объеме 108 находится холодный теплоноситель, оба переменных объема 111, 108 находятся под давлением упругого поршня 119. При открытии крана 113 жидкий теплоноситель из объема 111 будет под давлением упругого поршня 119 вытесняться по трубопроводу 114 в жидкометаллический насос 16, который, наполнившись жидким теплоносителем, будет проталкивать его по трубопроводу 11 в винтовую тубу 9 нагревателя 8, скорость поступления которого регулируется шаговым двигателем насоса 16. Холодный теплоноситель из винтовой трубы 9 по трубопроводу 7, 118 поступает в переменный объем 108 ТВЭЛа 109, сжимая и сдвигая поршень 119. После полного заполнения холодным теплоносителем переменного объема 108, ТВЭЛ 109 разогревается от внешней (стационарной) электросети токами высокой или сверхвысокой частоты посредством спирали 117, установленной в теле корпуса 109 и/или электронагревателем патронного типа 112. После переключения гидрораспределителя с позиции 116 в позицию 115 для движения теплоносителя 108 в жидкометаллический насос 16, ТВЭЛ 109 снова готов к использованию. Краны 113,121 нужны для отключения ТВЭЛа 109 при его установке или удалении из энергетической установки.

Количество и объем ТВЭЛов в этом способе можно регулировать, сообразуясь со временем проведения задачи. В этом случае обслуживание и зарядка ТВЭЛа подводного аппарата может производиться даже на корабле в морских условиях посредством подключения проводов для нагрева теплоносителя токами средней или высокой, или электронагревателем патронного типа. Этот способ работы ТВЭЛа может применяться для ограниченных по времени задач, а также для облегчения, удешевления и упрощения системы нагрева рабочего тела энергетической установки подводного аппарата. Предлагаемый способ работы теплового аккумулятора повысит взрывобезопасность, позволит в течение срока службы АНПА многократно перезаряжать ТВЭЛы.

Способ №2 работы системы нагрева рабочего тела (Фиг. 8), содержащей, по меньшей мере, два ТВЭЛа: один - рабочий 109, другой - для сбора отработанного теплоносителя 126. Внутри корпусов ТВЭЛов устанавливают свободные газонепроницаемые разделительные поршни 124, 125, делящие внутренние переменные объемы ТВЭЛов на рабочие 111, 108 и газовые 123, 127. При необходимости, по середине профиля труб ТВЭЛов, через поршни 124, 125 и торцы корпусов 109, 126 пропускают трубку с проводкой для нагрева теплоносителя 111, 108 ТСВЧ или ТЭНП 112 в дополнение к нагреву спиралями 117. В объеме 111 находится горячий теплоноситель, а в объеме 123 находится под давлением инертный или нейтральный к теплоносителю газ, (например, гелий, т.к. он имеется на борту как рабочее тело для двигателя Стирлинга). При нагревании теплоносителя 111 напрямую от спиралей 117 или от электропроводящего промежуточного тела - цилиндра 120 и/или трубки 112, газ 123 также получит тепло от них, и будет расширяться, и при открытых кранах 113 будет под давлением перемещать поршень 124 к трубопроводу 114 и, тем самым вытеснять жидкий теплоноситель 111 по трубопроводам 114, 11 в винтовую тубу 9 нагревателя 8, скорость поступления которого регулируется клапаном (дросселем) 72 без использования жидкометаллического насоса. Остывший жидкий теплоноситель из винтовой трубы 9 по трубопроводу 7, 118 поступает в переменный объем 108 ТВЭЛ 126, сдвигая поршень 125. После заполнения остывшим теплоносителем переменного объема 108 ТВЭЛ 126, происходит закрытие кранов 113 и открытие кранов 121, при этом включается электрокомпрессор 53, осуществляющий переток инертного газа из объема 123 в объем 127. После нагрева остывшего теплоносителя от внешней сети в переменном объеме 108, и переключения гидрораспределителя с позиции 116 в позицию 115 для переключения трубопроводов движения теплоносителя, при открытии клапана (дросселя) 72, ТВЭЛ 126 готов к использованию. Краны 121, 113 нужны для отключения ТВЭЛов 109, 126 при их удалении из энергетической установки.

Теплоносителем может быть любой метал - литий, и/или натрий, и/или калий, и/или галлий, и/или висмут, и/или олово, и/или свинец, и/или ртуть, и/или индий, и/или их сплавы с между собой или другими металлами, и/или соединения с газами, и/или с неметаллами.

Количество и объем теплоаккумуляторов в этом способе также можно регулировать, сообразуясь со временем проведения задачи. В этом случае обслуживание и перезарядка аппарата может производиться без его разборки и замены теплоаккумулятора даже на корабле в морских условиях посредством нагрева теплоносителя токами высокой, сверхвысокой частоты или электронагревателем патронного типа. Этот способ работы теплоаккумулятора может применяться для ограниченных по времени задач, а также для облегчения, удешевления и упрощения системы нагрева рабочего тела энергетической установки подводного аппарата. Предлагаемый способ работы теплового аккумулятора повысит взрывобезопасность, позволит в течение срока службы АНПА многократно перезаряжать теплоаккумуляторы.

Причем, движение теплоносителя в нагревателе организуют в сторону насосной секции 46, а движение рабочего тела - в сторону моторной секции 27.

Способ №3 работы системы нагрева рабочего тела - двухступенчатый. (Фиг. 9, 10), содержащий, по меньшей мере, один ТВЭЛ 109 и, по меньшей мере, один резервуар 129 для сбора расплава экзотермической реакции. Способ нагрева рабочего тела проводят передачей тепла от теплоносителя/топлива, которым является литий или его смесь с натрием, рабочему телу в два этапа:

1 этап. На этом этапе работа ТВЭЛ 109 (фиг. 9) аналогична способу №1. Перед использованием ТВЭЛ 109, посредством спирали 117, установленной в теле корпуса ТВЭЛ 109, производят разогрев лития в переменном объеме 111 токами средней или высокой частоты до max. температуры (~ +1300°С) от внешнего индукционного электроисточника. Гидрораспределитель 115 устанавливают на трубопроводы 114, 118, переключатель 125 открыт, а переключатель 126 закрыт. Для подачи горячего лития из объема 111 в жидкометаллический насос 16, открывают переключатель 125, и горячий литий, под действием расширяющегося упругого поршня 119, движется по трубопроводу 118 и заполняет жидкометаллический насос 16, который проталкивает его по трубопроводу 11 в реакционную камеру 17 и, далее, в винтовую трубу 9 нагревателя 8, в котором горячий литий отдает тепло рабочему телу, проходящему по трубопроводу высокого давления 4, и затем по трубопроводу 114 (по стрелке л) жидкий холодный литий направляется в холодный объем 108 с температурой не ниже ~ +200°С. При этом форсунка 18 не задействована.

2 этап. Фиг. 10. При израсходовании горячего лития (с температурой ~ +1300°С) в объеме 111, производят обратное движение остывшего (до ~+200°С) жидкого холодного лития, или лития с натрием, в реакционную камеру 17 посредством переключения гидрораспеределителя из положения 115 в положение 116, при этом в реакционную камеру 17 через форсунку 18 подают шестифтористую серу, количество которой регулируют клапаном 20. Получаемый при этом расплав, имеющий температуру ~+850°С, посредством жидкометаллического насоса 16, прогоняют по винтовой трубе 9 нагревателя 8, нагревая рабочее тело в трубопроводе высокого давления 4.

Если же температура холодного лития в объеме 108 будет недостаточна для проведения экзотермической реакции с шестифтористой серой, то нагрев холодного лития 108 осуществляют посредством химического нагревателя 131, содержащего смесь перекиси натрия-алюминия, которым, при воспламенении от электровоспламенителя, в течение 1 секунды повышают температуру лития до ~+700°С, тем самым локально нагревают литий в локальном объеме 105, и им же заполняют трубопроводы 114, 11, а также жидкометаллический насос 16 и реакционную камеру 17, в которых температура будет выше +500°С, т.е. достаточной для начала протекания экзотермической реакции. Пиротехнический материал на основе натрия имеет дополнительное преимущество, заключающееся в возможности регулировать образование летучих веществ в основной реакции. При использовании электрического нагрева, для обеспечения аналогичной возможности, к литию подмешивают небольшое количество свободного натрия. Продукты реакции также являются расплавами и из-за особенностей исходной смеси лития и шестифтористой серы занимают почти тот же объем, что и исходные топливные реагенты. При поступлении лития в реакционную камеру 18, в нее, через форсунку 19, подают шестифтористую серу, что приводит к началу протекания экзотермической реакции 8Li+SF6→6LiF+Li2S+Q с выделением тепла ~ +850°С. Этим же теплом также нагревают близлежащие трубопроводы 114, 11, жидкометаллический насос 16, гидрораспределители 115, 116, поэтому в дальнейшем подогрев лития 108 химическим нагревателем 131 не потребуется, т.к. будет поддерживаться автоматически достаточная температура для протекания экзотермической реакции.

Наиболее подходящая для реакции смесь лития, натрия и шестифтористой серы. При химическом взаимодействии этих трех составляющих достигается относительно высокая энтальпия реакции и не образуются газообразные продукты, которые особенно нежелательны в условиях ограниченного пространства.

Горячий расплав из реакционной камеры 17, посредством жидкометаллического насоса 16 и переключателя 115 на трубопроводе 118, поступает в винтовую трубу 9, навитую вокруг трубопровода высокого давления 4. Жидкометаллический насос 16 продолжает подавать остывший расплав реагентов экзотермической реакции, но уже в освобождающуюся холодную зону 111. После заполнения расплавом этого объема, лишний расплав 127, не помещающийся в объеме 111 ТВЭЛ 109, через перепускной клапан 126 перепускают в резервуар 129 в переменный объем 1128.

Для дальнейшей эксплуатации теплового аккумулятора и резервуара необходимо удалить из них остывший расплав реагентов и заполнить объем 111 ТВЭЛ 109 новым литием и нагреть его.

Движение расплава в нагревателе 8 организуют в сторону насосной секции 46, а движение рабочего тела - в сторону моторной секции 27.

Литий имеет самую высокую из всех твердых веществ массовую удельную теплоемкость ~2 Квт*ч/кг [3,582 кДж/(кг*К)], при этом его энергосодержание составляет ~13 кВт*ч/кг, а лабораторный рекорд литиевых батарей - до 711 Вт*ч/кг (https://motor.ru/news/china-cell-19-06-2023.htm).

В неатомных подводных лодках могут быть использованы способы нагрева рабочего тела, преимущественно, №1 и №2, т.к. они позволяют многократно заряжать теплом ТВЭЛы от бортового электрогенератора при всплытии. Для АНПА, в котором возможность подзарядки ТВЭЛов теплом отсутствует, нагрев рабочего тела целесообразно проводить по способу №3, тем более, что он позволяет существенно увеличить автономность при тех же массо-габаритных параметрах.

При израсходовании тепла и/или топлива, для экстренного всплытия АНПА может быть использована остаточная электрическая емкость аккумуляторной батареи, посредством которой либо обеспечивают вращение насоса водомета электрогенератором, работающим в режиме электромотора, либо открывают краны с остатками окислителя и/или рабочего тела для выдавливания расплава за борт, и/или балласта из балластной цистерны, или сбрасывают их за борт, или надувают специальный мешок для всплытия аппарата.

Для обеспечения более низкого гидравлического сопротивления формы, торпедообразный корпус АНПА выполнен с гладкой наружной поверхностью без выступающих плоскостей. АНПА и лишен плоскостей руления и стабилизации, т.к. при достаточно малых скоростях движения они должны обладать большой площадью и, соответственно, сопротивлением движению, что, в долговременном плане движения выльется в перерасход топлива или снижение дальности хода.

Возможно проводить периодическое включение двигателя для подзарядки электроаккумуляторов, предназначенных для постоянного питания полезной нагрузки, но это потребует дополнительного оборудования энергетической установки системой для периодического запуска двигателя, что усложнит конструкцию и потребует дополнительной энергии для стартового вращения двигателя. Преобразование механической энергии в электрическую и обратно - для электродвижения - приведет к существенному снижению эффективного КПД установки. Поэтому роторный двигатель для АНПА целесообразно использовать для постоянной работы, выдавая энергию и для электропитания полезной нагрузки и движения АНПА.

Движение АНПА осуществляется за счет массопереноса воды, например, центробежным насосом водомета. При этом насос водомета выполняет несколько функций - создание упора, обеспечение руления, охлаждение холодильника рабочего тела и водяной рубашки охлаждения насосной секции, заполнение или опорожнение балластных емкостей, а также охлаждения шестифтористой серы, являющейся газом-наполнителем корпуса капсулы энергетической установки.

Рабочий орган центробежного насоса 21 водомета вращается от вала 30 конической шестерни 22 редуктора, приводимой в действие двигателем Стирлинга и/или электрогенератором 31, 32, работающим в режиме электродвигателя (при этом электромагнитные муфты моторной 24 и насосной 49 секций отключаются от конических шестерен 23, 47 редуктора, либо подключаются для увеличения мощности на валу крыльчатки насоса).

Система движения и руления работает следующим образом.

При движении АНПА в его носовой части возникает повышенное давление воды, а поскольку вода не сжимаема, то она обтекает корпус АНПА и воздействует на корпус с определенным трением. При этом возникают турбулентные потоки, которые являются источником повышенного гидродинамического сопротивления движению и шума. Поэтому движительный и рулевой комплекс представляет собой распределенный водомет, в котором, например, для движения вперед морская среда всасывается через сопло 6 (фиг. 1) (диффузор) в носовой части, протекает через насос 21, ускоряется в нем для увеличения количества движения, и выходит через сопло 42 в кормовой части. Движение назад происходит при протекании воды в обратном направлении, которое можно осуществить посредством переключателя трубопроводов 51, 52. Вместо рулевых плоскостей, в передней и на конусе кормовой части, крестообразно установлены, преимущественно, по четыре сопла 15, 36, предназначенные для принудительного отклонения реактивной струей носовой и/или кормовой части торпедообразного АНПА в нужную для поворота по горизонтали и/или вертикали, и/или движения лагом. Креновыравнивающие сопла 34 установлены на корпусе тангенциально и позволяют вращать АНПА вокруг продольной оси в любом направлении. Водоводы водомета выполнены из шлангов и/или труб, поглощающих шумы. Для руления вполне достаточно двух креновыравнивающих сопел 33 и одного рулевого сопла, напри мер, 36, установленного в кормовой части, но маневренность аппарата в этом случае будет снижена.

Через переднее осевое сопло (диффузор) 6 корпуса по водоводу 10, через холодильник 1 и водовод 55, в центральное отверстие рабочего колеса насоса 21 поступает забортная вода, посредством всасывания областью низкого давления из-за действия центробежных сил при вращении с высокой скоростью лопастей рабочего колеса, которые затем передают импульс поступающей жидкости. По мере увеличения скорости жидкости в радиальном направлении от всасывающего патрубка насоса к выходному патрубку, кинетическая энергия жидкости увеличивается и преобразуется в давление, которое вытесняется по трубопроводам 51 через рубашку охлаждения 45, и далее по водоводу 43 в сопло (или диффузор) 42 движителя, а по трубопроводам 12, 41 вода попадает в рулевую магистраль 33 для задействования гидродинамических рулей 15, 36, и рулей креновыравнивания 34, производя упор в нужную сторону. Включение в работу рулей осуществляется клапанами 14, 34, 36. Обратные клапаны 13, 39 поддерживают давление в рулевой магистрали 33. Управление направлением движения осуществляется посредством гидрораспределителя 51, 52.

Термический КПД двигателя с внешним подводом теплоты (двигателя Стирлинга), при достаточной разности температур, находится на уровне ~ 60%, а цикл характеризуется повышенным крутящим моментом, но из-за внешнего нагрева требует увеличенного времени на полное исполнение цикла в ущерб мощности, т.е. обладает недостаточно высокими рабочими оборотами. Поэтому для подзарядки электроаккумуляторов питания полезной нагрузки АНПА, энергетическая установка содержит обратимый электрогенератор-электродвигатель 31, 32 бироторного вращения, который соединен валами с шестернями противовращения 22, 23, 28, 47 конического редуктора. Бироторный электрогенератор позволяет за один оборот рабочего вала 25 увеличить количество оборотов между собой якоря 32 и статора 31 в два раза, увеличив частоту выдаваемого тока. Электромагнитные муфты 24, 49 прерывают передачу крутящего момента между моторной 27 и насосной 46 секциями, позволяя вращать насос водомета 21 от электрогенератора, работающего в режиме электродвигателя. Конические шестерни 22, 23, 28, 47 редуктора всегда находятся в зацеплении и вращают валы статора 31 и якоря 32 электрогенератора, что позволяет отключить электрогенератор и насос 21 от двигателя Стирлинга, перевести электрогенератор в режим электродвигателя для аварийного привода насоса водомета (который также отключается от привода двигателя Стирлинга) и вращать насос водомета электродвигателем (электрогенератором) от бортовой аккумуляторной электробатареи в случае прекращения выработки тепла ТВЭЛом.

Подготовка к пуску энергетической установки АНПА осуществляется в стационарных условиях от внешних централизованных систем непосредственно перед использованием аппарата. Перед запуском в аппарат устанавливаются заряженные электрические аккумуляторы для работы систем полезной нагрузки, баллоны с газами - гелием и шестифтористой серой (SF6), разогревают в ТВЭЛах топливо/теплоноситель (литий), который первоначально исполняет функцию теплоносителя, до максимальной температуры (~ +1300°С) от стационарной электросети, заполняют газовый контур энергетической установки рабочим телом (преимущественно, гелием) до необходимого давления, заполняют шестифтористой серой под избыточным давлением герметичную капсулу 44 энергетической установки, чтобы устранить утечки рабочего тела в капсулу через подвижные элементы и пары трения, погружают аппарат в воду, и запускают электрогенератор в режиме электромотора (стартера), который проворачивает моторный 61 (фиг. 4, 5, 6) и насосный 83 роторы двигателя, прокачивает воду через холодильник 1, и запускает процессы термодинамического цикла.

После заполнения водой холодильника 1 и водоводов 10, 12, 33, 41, 43, 55 руления и упора, аппарат становится готовым к движению. Если запуск осуществляется через торпедный аппарат, то процесс запуска электрогенератора в режиме электродвигателя производят автоматически от бортового электроаккумулятора уже в воде после вывода АНПА из торпедного аппарата.

После нескольких проворотов моторного ротора 61, тепловой двигатель начнет работать от разности давления рабочего тела, изменяющегося под действием температур в нагревателе 8 и холодильнике 1.

Роторно-пластинчатый двигатель Стирлинга работает следующим образом.

Двигатель может комплектоваться одноконтурным (фиг. 5, 6) или двухконтурным трубопроводным оснащением (фиг. 4), принцип работы которых одинаков, но в одноконтурном варианте количество узлов теплового преобразования рабочего тела в два раза меньше.

Также двигатель может комплектоваться одноконтурным трубопроводным оснащением с двойным 2, 92 (фиг. 6) с последовательным каскадным дросселированием, позволяющим провести более глубокое охлаждение рабочего тела и увеличить термический коэффициент полезного действия цикла. Отбор тепла от первой ступени дросселирования осуществляется тепловой трубой 106, преимущественно, контурной, испаритель 105 которой монтируется к источнику тепла 104, а конденсатор 107 к трубопроводу высокого давления 101. Средний отрезок паропровода 105 монтируется змейкой внутри радиатора 104, для увеличения площади контакта. Насосная секция 46 выполняет роль двухступенчатого детандера, а рабочее тело охлаждается в процессе адиабатического расширения и выполнения внешней работы.

При нагреве рабочего тела в нагревателе 8 происходит его расширение в объеме, ограниченном объемом сжатия 114 насосной секции 46 объемом расширения 67 моторной секции 27. Вследствие того, что рабочая площадь пластин 58 моторной секции 27 больше рабочей площади пластин 84 насосной секции 46, кинематически соединенные роторы 61, 83, под давлением рабочего тела в моторной секции 27 приходят в движение, при этом рабочее тело вытесняется из объема сжатия 88 насосной секции 46 и, нагреваясь в нагревателе 8, поступает в объем расширения 67 моторной секции 27. Из объема сжатия 62 моторной секции 27 рабочее тело вытесняется и, проходя через холодильник 1 и дроссельные охладители 2, 92, поступает в объем расширения 85 насосной секции 46. Затем цикл повторяется при непрерывном однонаправленном потоке рабочего тела.

Система управления позволяет быстро изменять скорость вращения и крутящий момент на моторном валу 25 двигателя Стирлинга посредством регулирования расхода теплоносителя или расплава реагентов экзотермической реакции и/или давления рабочего тела в газовом контуре теплового двигателя. Для этого система управления двигателя содержит клапан 72 в трубопроводе 11, жидкометаллический насос 16 с шаговым электроприводом, электроклапан 20 подачи окислителя, которыми возможно регулировать подвод теплоносителя в нагреватель 8 и подачу шестифтористой серы к форсунке 18, а также двухсторонний регулируемый электрокомпрессор 53 в трубопроводе 54 для подачи из баллона 56 или откачки из газового контура в баллон 56 рабочего тела.

Предлагаемая энергетическая установка обеспечивает взрывобезопасность и негорючесть реагентов химической реакции в обычных условиях, инертность и абсолютную нетоксичность окислителя, допускающую возможность использования химического топлива в закрытых отсеках без систем фильтровентиляции, а также протекание реакции без образования газообразных продуктов и получение высокого съема удельной энергии.

Практическая длительность подводной автономности определяется температурой теплоносителя, величиной запаса реагентов экзотермической реакции, пополнение которых, в некоторых случаях, может происходить на борту корабля обслуживания без возвращения на базу.

При низких массогабаратных показателях энергетической установки, допускающих ее размещение в АНПА торпедообразного типа, она обладает повышенной подводной автономностью, позволяет периодически осуществлять перезарядку реагентов и замену резервуара накопителя расплава, тем самым производить своевременную подзарядку электрических аккумуляторов и обеспечивать полноценную работу полезной нагрузки.

Запуск энергетической установки происходит в следующей последовательности:

1. Зарядка электроаккумулятора.

2. Нагрев топлива/теплоносителя в ТВЭЛах посредством ТСВЧ, и/или ТЭНП от внешнего стационарного (базового) индукционного электроисточника.

3. Заправка внутреннего контура двигателя рабочим телом (гелием).

4. Заправка внутреннего контура энергетической капсулы 44 шестифтористой серой.

5. Запуск двигателя осуществляется в воде. Электромагнитные муфты 24, 49 включены и крутящий момент передается от электрогенератора 31, 32, работающего в режиме электродвигателя, на моторный и насосный валы 25, 48 двигателя и насос водомета 21.

Отличие предлагаемого двигателя от прототипа состоит в том, что:

- пластинчатые роторные секции выполнены по схеме двойного действия с принудительным ведением пластин посредством шарнирных ромбов;

- между валами моторной и насосной секции установлен конический редуктор для обеспечения теплового прерывания и противовращения вращающихся узлов;

- установлен водяной насос водомета, тепловая прокладка и водяное охлаждение насосной секции, охлаждающие шестерни конического редуктора, предотвращающие передачу тепла от горячего ротора к холодному;

- насосная секция выполняет роль детандера, для этого трубопровод низкого давления на участке от холодильника к объему расширения насосной секции оборудован, по меньшей мере, одним дросселем (и/или капиллярной трубкой) для реализации цикла Линде, предназначенным для снижения температуры и давления рабочего тела;

- передача остаточного тепла из трубопровода низкого давления в трубопровод высокого давления осуществляется тепловой трубой и/или теплообменником;

- электрогенератор выполнен бироторным;

- принудительное вращение насоса водомета, при снижении оборотов моторного вала по причине остывания рабочего тела или при выработке теплоносителя/топлива, может осуществляться переводом работы электрогенератора в режим электромотора, что увеличит дальность хода;

- насосная секция оборудована водяной рубашкой охлаждения, позволяющей поддерживать в ней температуру окружающей морской среды, что позволяет увеличить термический КПД двигателя;

- моторная секция 27, нагреватель 8, трубопровод высокого давления 4, ТВЭЛ 109 и его трубопроводы оборудованы теплоизоляционной рубашкой, что также позволяет увеличить термический КПД двигателя;

- двигатель Стирлинга установлен в герметичную капсулу 44, оборудованную теплой/или звукоизоляцией;

- энергетическая капсула 44 заполнена под давлением газообразным окислителем - шестифтористой серой 40.

Преимущества пластинчатых роторов двигателя:

- большая сила давления при малом сдвиге;

- низкая пульсация;

- отсутствие клапанов;

- простота и быстрота обслуживания;

- простота конструкции;

- подача рабочего тела в пластинчатом двигателе пропорциональна скорости вращения, что обеспечивает несложную регулировку параметров двигателя.

Так как предлагаемая схема АНПА предназначена в том числе и для больших глубин, то для уменьшения толщины прочного корпуса предполагается создавать избыточное давление, например, окислителем - газообразной шестифтористой серой, во внутреннем пространстве прочного корпуса АНПА до забортного. Для изготовления прочного корпуса и корпуса капсулы энергетической установки желательно применение легких и прочных материалов.

Целесообразно эксплуатировать двигательно-движительный комплекс для создания упора посредством постоянно задействованного насоса водомета, что исключает винт, вал, сальниковые уплотнения и установку главных упорных подшипников внутри прочного корпуса.

Технический результат, при реализации изобретения, заключается в:

- совершенствовании формы энергетической установки и АНПА;

- повышение технических характеристик;

- увеличение глубин погружения;

- увеличении автономности;

- повышении экономичности;

- простоте обслуживания.

Изложенная выше схема пропульсивного комплекса показана принципиально и является общей иллюстрацией, которая имеет большую вариативность конкретного исполнения деталей, узлов, механизмов и/или последовательности их работы или комплектации. Также для конкретных целей использования энергетической установки, показанные схемы работы механизмов, узлов и принципы работы, не являются ограничением для применения других технических решений, которые могут быть использованы на практике без нарушения основной идеи изобретения.

Изобретение относится к подводной технике и может применяться в неатомных подводных лодках, глубоководных необитаемых подводных аппаратах повышенной автономности, предназначенных для выполнения широкого круга боевых, исследовательских, поисковых и подводно-технических работ в широком диапазоне глубин. Механическая часть энергетической установки включает роторно-пластинчатый двигатель с внешним подводом теплоты замкнутого цикла с принудительным ведением пластин посредством механизма шарнирного ромба, конический постоянно замкнутый редуктор; бироторный обратимый электрогенератор для питания полезной нагрузки и поддержания заряженными электрических батарей; помпу прокачки воды через холодильник, направляющую воду в систему движения, руления и креновыравнивания. Механическая часть установлена в герметичную звукоизолированную капсулу, которая заполнена газообразной шестифтористой серой под избыточным давлением - для предотвращения вытекания рабочего тела из систем уплотнения пар трения. Нагреватель, теплообменник и холодильник установлены вне капсулы. Теплоаккумулятор для теплоносителя/топлива выполнен в виде по меньшей мере одного цилиндра, который снабжен свободным поршнем и заполнен литием, нагреваемым перед запуском аппарата от индуктора системы нагрева токами средней или высокой частоты от стационарных источников электропитания. Нагрев рабочего тела осуществляется посредством передачи ему тепла от лития, сначала используемого как теплоноситель, затем как топливо для экзотермической реакции с шестифтористой серой. Управление и движение аппарата осуществляется посредством водометной системы. Достигается упрощение конструкции энергетической установки, уменьшение сопротивления движению аппарата и увеличение его автономности. 6 н. и 16 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ работы системы нагрева рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, содержащей по меньшей мере один тепловой аккумулятор, разделенный свободным поршнем на первый - горячий и второй - холодный переменные объемы; из первого горячего переменного объема теплоноситель перекачивается жидкометаллическим насосом через трубку нагревателя во второй холодный переменный объем теплового аккумулятора; после израсходования горячего теплоносителя в первом переменном объеме и заполнения холодным теплоносителем второго переменного объема нагревают теплоноситель во втором переменном объеме и переводят гидрораспределитель на движение нагретого теплоносителя из второго переменного объема через жидкометаллический насос и трубку нагревателя в первый переменный объем, повторяют процесс по необходимости.

2. Способ работы системы нагрева рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, содержащей по меньшей мере два тепловых аккумулятора: первый - горячий и второй - холодный; во внутренние полости каждого теплового аккумулятора устанавливают свободный газонепроницаемый поршень, разделяющий их на два переменных объема: первый переменный объем первого теплового аккумулятора заполняют теплоносителем, а второй переменный объем первого теплоаккумулятора заполняют инертным или нейтральным к теплоносителю газом под избыточным давлением; во втором тепловом аккумуляторе первый переменный объем остается незаполненным, а второй переменный объем заполняют инертным или нейтральным к теплоносителю газом; после первые переменные объемы обоих тепловых аккумуляторов соединяют между собой трубопроводами, включающими краны, гидрораспределители, регулировочный клапан, трубку нагревателя, а вторые переменные объемы с инертным или нейтральным газом обоих тепловых аккумуляторов соединяют между собой трубопроводом, включающим краны и компрессор; движение через трубку нагревателя горячего теплоносителя по трубопроводу из первого теплового аккумулятора во второй осуществляют посредством воздействия на свободный поршень первого теплового аккумулятора повышенным избыточным давлением инертного или нейтрального газа, а регулировку объема теплоносителя, проходящего через трубку нагревателя, осуществляют посредством регулирующего клапана, при этом движение теплоносителя осуществляют из горячего объема первого теплового аккумулятора в холодный объем второго теплового аккумулятора; после израсходования горячего теплоносителя в первом теплоаккумуляторе осуществляют нагрев теплоносителя во втором теплоаккумуляторе, затем переводят гидрораспределитель на движение горячего теплоносителя из второго теплового аккумулятора через регулирующий клапан, при этом в переменный объем с инертным или нейтральным газом второго теплового аккумулятора перекачивают газ из первого теплового аккумулятора.

3. Способ работы системы нагрева рабочего тела двигателя с внешним подводом теплоты, содержащей трубопроводы, оборудованные кранами, гидрораспределителями, жидкометаллическим насосом, реакционную камеру с форсункой подачи окислителя, трубку нагревателя рабочего тела, по меньшей мере один резервуар для расплава реагентов экзотермической реакции и по меньшей мере один тепловой аккумулятор с установленным внутри свободным поршнем, разделяющим его на первый и второй переменные объемы, первый заполняют теплоносителем/топливом, второй переменный объем предназначают для отработанного жидкого, после отдачи тепла рабочему телу, теплоносителя/топлива с минимальной температурой, позволяющей перекачивать его насосом; на первом этапе теплоноситель/топливо используют как теплоноситель, а на втором этапе - как топливо; перед использованием теплового аккумулятора осуществляют нагрев до максимальной рабочей температуры теплоносителя/топлива в первом переменном объеме теплового аккумулятора, а движение горячего теплоносителя/топлива из первого переменного объема по трубопроводам системы нагрева осуществляют посредством жидкометаллического насоса, при этом замещают освобождающийся второй переменный объем холодным жидким теплоносителем, в котором теплоноситель/топливо электрохимически нагревают до температуры производства экзотермической реакции и направляют горячий теплоноситель/топливо в реакционную камеру, в которой используют его как топливо в экзотермической реакции с окислителем, тем самым повышают температуру расплава реагентов, которым нагревают трубку нагревателя и далее переправляют в освободившийся первый переменный объем теплового аккумулятора, а излишки отработанного расплава направляют в резервуар сбора расплава.

4. Пропульсивный комплекс автономного необитаемого подводного аппарата, содержащий энергетическую установку, включающую механическую часть в составе: роторно-пластинчатого двигателя с внешним подводом теплоты, обратимого бироторного электрогенератора-электродвигателя, конического редуктора, насоса водомета; а также системы: теплового преобразования рабочего тела, движительную, рулевую и креновыравнивающую, нагрева теплоносителя/топлива, движения топлива/теплоносителя через нагреватель, емкости хранения рабочих газов, отличающийся тем, что механическая часть энергетической установки помещена в герметичную и, преимущественно, звукоизолированную капсулу, а нагрев рабочего тела в нагревателе осуществляется по любому из пп.1, или 2, или 3.

5. Роторно-пластинчатый двигатель с внешним подводом теплоты, с рабочим телом, находящимся в нем под избыточным давлением, содержащий насосную и моторную рабочие секции; моторная секция выполнена с большим рабочим объемом, чем насосная; полость сжатия насосной секции соединена трубопроводом высокого давления с полостью расширения моторной секции через теплообменник и нагреватель, а полость сжатия моторной секции соединена трубопроводом низкого давления с полостью расширения насосной секции через теплообменник и холодильник, отличающийся тем, что роторы рабочих секций посажены на отдельные валы, вращающиеся в противоположные стороны, а рабочие секции выполнены в виде роторно-пластинчатых объемных машин одно- и/или двукратного действия, а нагрев рабочего тела в нагревателе осуществляется по любому из пп.1, или 2, или 3.

6. Тепловой аккумулятор, выполненный в виде заглушенной с обеих сторон тугоплавкой трубы круглого, и/или прямоугольного, и/или трапецеидального, и/или квадратного, и/или шестиугольного, и/или треугольного поперечного сечения, отличающийся тем, что внутри него установлен свободный поршень, разделяющий внутреннее пространство на два переменных объема, которые заполнены теплоносителем, и/или топливом, и/или газом, и/или расплавом реагентов экзотермической реакции, обеспечивающим нагрев рабочего тела в нагревателе по любому из пп.1, или 2, или 3.

7. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что трубопроводы низкого давления, перед входом в полости расширения насосной секции, оборудованы по меньшей мере одним дросселем охлаждения.

8. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что теплообменники выполнены в виде тепловой трубы.

9. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что профиль внутренней поверхности статоров секций выполнен в виде эпитрохоиды, или овала, или эллипса, или окружности, или в комбинации фигур.

10. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что внутренние части каждых четырех пластин роторов моторной и/или насосной секций соединены тягами, образующими шарнирный ромб.

11. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что валы моторной и насосной секций соединяются со своими шестернями конического редуктора посредством управляемых электромагнитных и/или фрикционных муфт с возможностью отключения.

12. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что механизм противовращения роторов рабочих секций и бироторного электрогенератора выполнен в виде конического редуктора.

13. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что моторная секция оборудована теплоизоляционным покрытием.

14. Двигатель по п.5, отличающийся тем, что насосная секция оборудована рубашкой водяного охлаждения.

15. Комплекс по п.4, отличающийся тем, что капсула механической части и/или герметичный корпус подводного аппарата заполнены газообразной шестифтористой серой.

16. Тепловой аккумулятор по п.6, отличающийся тем, что в массиве его корпуса установлено промежуточное тело в виде полого цилиндра из тугоплавкого электропроводящего, преимущественно, керамического материала, вокруг которого установлены спирали индукционного нагрева токами средней или высокой частоты, при этом торцы корпуса оборудованы отверстиями для установки трубопроводов и/или центральной трубки.

17. Тепловой аккумулятор по любому из пп.6 или 16, отличающийся тем, что по его продольной оси установлена трубка из электропроводного материала, внутри которой установлен либо тепловой электронагреватель патронного типа, либо спирали индукционного нагрева токами средней или высокой частоты, либо незаполненный трубопровод для ввода электрохимического нагревателя и расположения адсорбера газов.

18. Тепловой аккумулятор по п.6, отличающийся тем, что теплоносителем может быть металл: литий, и/или натрий, и/или калий, и/или галлий, и/или олово, и/или свинец, и/или ртуть или другие.

19. Тепловой аккумулятор по п.6, отличающийся тем, что свободный поршень выполнен упругим, например, в виде сильфона, расширяющегося от давления газа внутри него, и/или газонепроницаемым.

20. Тепловой аккумулятор по п.6, с жидкометаллическим теплоаккумулирующим и/или горючим топливоспособным веществом, отличающийся тем, что его корпус оборудован спиралью нагревательного устройства посредством токов средней и/или высокой частоты, и/или теплоэлектронагревателем патронного типа, а для нагрева теплоносителя/топлива используется электрическая энергия внешнего источника.

21. Тепловой аккумулятор по п.6, отличающийся тем, что участок трубы, находящийся в нагревателе рабочего тела, выполнен в виде по меньшей мере одной винтовой трубы, навитой на трубопровод высокого давления.

22. Тепловой аккумулятор по п.6, отличающийся тем, что для перемещения топлива/теплоносителя по трубопроводам системы нагрева используется жидкометаллический насос с шаговым электродвигателем.