Двигатель для движения под водой

Электрический двигатель для работы под водой

Класс 216, 4Q № 62276

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ РАБОТЫ ПОД ВОДОЙ

Заявлено 1 апреля 1940 r. за % 31747 (302166) в Народный комиссариат электропромышленности СССР

В герметически закрытых двигателях, применяемых для работы в воде при значительных погружениях, весьма серьезным затруднением, лимитирующим глубину погружения, является осуществление достаточно надежных у плотнений, рассчитанных на давление в несколько атмосфер. Особенно затруднительно осуществление уплотнения выступающего свободного конца вала и выводных концов обмотки двигателя.

В вариантах разрешения данной задачи, предусматривающих свободное проникновение воды внутрь двигателя, существенным недостатком является неизбежное при этом значительное повышение механических потерь двигателя (т. е. снижение его к. п. д.), а также отсутствие защиты камер подшипников от проникновения в них воды, вредно влияющей на смазку, Предлагаемая конструкция двигателя, предназначенного для работы в воде (или иной жидкости), при больших погружениях свободна от указанных выше недостатков и требует выполнения уплотнений, рассчитанных на давление очень небольшого столба воды, не превышаю щего основных габаритных размеров двигателя вне зависимости от глубины погружения.

В предлагаемой конструкции двигателя для предохранения от проникновения в него воды используется противодавление внутреннего воздуха, величина которого точно так же, как и внешнее давление воды, пропорциональна глубине погружения (принцип водолазного колокола).

Двигатель, согласно изобретению, кроме основной оболочки, снабжен дополнительной оболочкой с отверстием в верхней части, помещаемой внутри основной оболочки таким образом, чтобы между обеими оболочками образовалось пространство для частичного заполнения его водой.

На фиг. 1 изображены продольный и поперечный разрезы двигателя с горизонтальным валом; на фиг. 2 — продольный разрез двигателя с вертикальным валом. № 62276

Противодавление воздуха при погружении двигателя создается водой, поступающей в камеру а через отверстие б, расположенное в нижней части двигателя. Камера а в свою очередь сообщается.с внутренней полостью двигателя через отверстие в, расположенное в eIo верхней части.

Уплотнения двигателя, очевидно, должны быть рассчитаны на давление очень малого водяного столба

h = Н вЂ” Н, где h — высота расположения данного элемента уплотнения над уровнем воды в камере а; H — глубина расположения уровня воды в камере а под уровнем воды бассейна; Н вЂ” глубина погружения соответствующего элемента уплотнения.

Очевидно, что с увеличением глубины погружения двигателя, т. е. по мере сжатия находящегося в нем объема воздуха, высота h столба воды, действующего на уплотнения, уменьшается, чем создаются более благоприятные условия работы уплотнений.

Объем камеры а должен быть рассчитан .на вмещение такого количества воды, которое было бы в состоянии заместить уменьшение общего объема воздуха двигателя и камеры, происшедшее в результате сжатия под давлением столба Н воды, т. е. при погружении двигателя на глубину 10 м водяного столба общий объем внутреннего воздуха должен уменьш1иться вдвое, на глубину 20 м — втрое, на глубину 30 м— вчетверо и т. д. (при неизменной температуре воздуха).

Для получения камеры а возможно малых размеров или для достижения возможно больших погружений, необходимо предусмотреть максимальное уменьшение объема воздуха внутри двигателя за счет соответствующих конструктивных мероприятий или же за счет применения изолирующих негигроскопичных наполнителей.

Камера а при сварном исполнении двигателя может быть осуществлена путем применения двойных цилиндрических стенок корпуса, приваренных к общим плоски м кольцам, образующим фланцы для крепления подшипниковых щитов.

При соответствующих комбинациях в расположении отверстий б и в вполне допустима работа двигателя в любом .наклонном положении.

Предмет изобр етения

Электрический двигатель для работы .под водой, выполненный с оболочкой в виде водолазного колокола и уплотнением на рабочем конце вала, отличающийся тем, что двигатель кроме основной оболочки снабжен дополнительной оболочкой с отверстием в верхней своей части, помещенной внутри основной оболочки таким образом, чтобы между обеими оболочками образовалось пространство для частичного заполнения его водой. № 62276 ср а

Редактор Ю. В. Городецкий Техред Т. П. Курилко Корректор С. Ю. Цверина

Подп. к печ. 14ХШ 62 г. Формат бум. 70Х108>/„ Объем 0,26 изд. л.

Зак. 5415 Тираж 200 Цена 5 коп, ЦБТИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Источник

На что обратить внимание при выборе двигателя (работа под водой)

Тема раздела Электродвигатели, регуляторы, мотоустановки в категории Cамолёты — Электролеты; Здравствуйте. В вопросах параметров двигателей я зеленый. Моторы нужны для подводного аппарата. Планирую прикрутить бесколлекторные моторы (предварительно загерметизировав обмотку эпоксидкой). .

Опции темы

На что обратить внимание при выборе двигателя (работа под водой)

Здравствуйте. В вопросах параметров двигателей я зеленый. Моторы нужны для подводного аппарата. Планирую прикрутить бесколлекторные моторы (предварительно загерметизировав обмотку эпоксидкой). Двигатель будет находиться непосредственно в воде, без зашитных кожухов и т.д. Вопрос потребления энергии остро не стоит — будет подаваться по проводам с берега.

1. Скажите пожалуйста, на какие параметры стоит обращать внимание при выборе двигателей под такую задачу?
2. Могли-бы вы посоветовать что-либо с сайта http://www.*************/

Да обмотка это мелочи, а как под водой будут вести себя подшипники? Если заказать кучу подшипников, то и подводой возможна работа.
А что изобретаеш, подводную лодку? И подробнее о назначении двигателей.

Надо плясать от двух параметров:
1. Какая требуется мощность (или хотя-бы требуемую тягу прикинуть для начала);
2. Каковы будут параметры нагрузки на валу (момент и обороты).

Ну и вопрос герметизации проводников: включеный сотовый телефон, например, растворяется в пресной воде за 10 минут(в смысле дорожки на плате). Малейшая трещина в изоляции(эпоксидной заливке) и ага, мотор в помойку.
Имхо-весь мотор герметить надо, и сигнализатор протечки придумать.

с характеристиками пока разбираюсь. Заливать движки эпоксидкой планирую с пластификатором (по ощущениям получится типа твердой резины) и по обратным давлением ( для удаления пузырьков.)
Загерметизировать провода проблем не будет.

Если есть доступ к людям иль оборудованию оптимальнее сделать нормальный кожух и на выход вала поставить хороший сальник.Кожух лутше сделать с немагнитного материала.Иначе как писали выше подшипникам кирдык настанет.Да и не следует забывать что полюса у движкофф с железа которое то-ж заржавеет.

По поводу кожуха думал первым делом. Мне эта идея больше всего нравится. С людьми и оборудованием пипец какие большие напряги. под боком целый станкостроительный завод — а людей с руками нет (или плохо искал). Кому не покажу чертежи — не хотят браться (или не могут). Ведь и денег предлагаю. Хорошему мастеру изготовить цилиндр,нарезать резьбы и крышки — дело 30-40 минут. (может и меньше). Хорошо есть знакомый со станком чпу — и на том хорошо. Пробью еще пару мастеров — надеюсь, что успешно.

Кто знает, может у вас там поверхности двойной кривизны, глухие отверстия с изгибом канала под 90 градусов?

(шутка с долей шутки).

Насчет движка. На надувные лодки народ окунал в воду БК-шники вообще не герметизируя. И вроде как даже с подшипниками проблем не было.
Но если все-же заливать статор, то я бы не эпоксидкой лил, а специальными лаками в баллонах. Безразрывность защитного слоя лучше получится.

Если сувать все в кожух — то делать вообще герметичным, а наражу вал через магнитную муфту вывести. Но не забывать, что мотор выделяет тепло. В идеале — вообще не грузить енго до номинала, а, скажем, на половину при штатной работе.

не, до такого типа деталей еще не дорос. Планирую герметизировать не одной эпоксидкой, а с применением полимера (в конечеом счете получится типа твердой резины.)
Сильно герметизировать цилиндр нет смысла — сальника достаточно (внутри цилиндра двигатель все-равно будет в масляной среде.)
С магнитными муфтами не стал-бы заморачиваться (опять-таки по причине невозможности изготовить местными мастерами) а цены на готовые заводские меня валят с ног (от 2 тыщ зелени за штуку), но и малогабаритных (диаметром 6-10 см) не смог найти.

Источник

Неатомные подводные лодки с анаэробными энергетическими установками

В этой статье речь пойдет о субмаринах с анаэробными или воздухонезависимыми энергетическими установками (ВНЭУ). ВНЭУ – это весьма широкий класс различных двигателей, конструкторских решений, видов топлива. Отличает его от двигательных установок ПЛ 3-го поколения возможность гораздо дольше находиться в подводном положении, что значительно увеличивает скрытность такой подлодки и затрудняет ее обнаружение противолодочной авиацией. Подлодки предыдущего поколения, например, ДЭПЛ проекта 636 «Варшавянка» должны раз в 3-4 дня подниматься к поверхности, включать дизельные двигатели и подзаряжать аккумуляторные батареи. Современные подлодки с ВНЭУ могут находиться под водой неделями.

Рассмотрим основные конструкторские решения, которые применяются при строительстве таких субмарин

Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга – тепловая машина, в которой рабочее тело в виде газа или жидкости движется в замкнутом объеме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела, с извлечением энергии из возникающего при этом изменения давления. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий.

1. Громоздкость и материалоемкость: у двигателя Стирлинга рабочее тело требуется охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массогабаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

2. Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и особые виды рабочего тела – водород, гелий.

3. Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплообменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогостоящих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, — весьма нетривиальная задача. Чем больше площадь теплообмена, тем больше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно откликается на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

4. Для быстрого изменения мощности двигателя используются способы, отличные от применяемых в ДВС: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае отклик двигателя на управляющее действие водителя является почти мгновенным.

1. Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач.

2. Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных» узлов позволяет «стирлингу» обеспечить небывалый для других двигателей запас работоспособности в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.

3. Экономичность — для утилизации некоторых видов тепловой энергии, особенно при небольшой разнице температур, «стирлинги» часто оказываются самыми эффективными видами двигателей.

4. Низкий уровень шума – «стирлинг» не имеет выхлопа из цилиндров, а это значит, что уровень его шума гораздо меньше, чем у поршневых двигателей внутреннего сгорания.

В подлодках с двигателями Стирлинга используется стандартное дизельное топливо и жидкий кислород в качестве окислителя. Пионерами в создании ВНЭУ со «стирлингами» стали шведы. Их подводные лодки типа «Готланд» стали первыми серийными субмаринами с подобными двигателями. Надо сказать, что «стирлинги» уступают современным дизелям по мощности, поэтому их используют как дополнение к классической дизель-электрической силовой установке. Тем не менее, это «дополнение» позволяет ПЛ типа «Готланд» находиться под водой до 20 суток. Скорость на «стирлинге» – 5 узлов. Кроме шведских субмарин двигатели Стирлинга применяются на японских ПЛ типа «Сорю».

Электрохимические генераторы

Еще один тип ВНЭУ – это ЭХГ. Электрохимический генератор создан на базе топливных элементов. По сути, это аккумуляторная батарея с постоянной подзарядкой. Принцип работы энергетической установки с электрохимическим генератором тот же, что и 150 лет назад, когда англичанин Уильям Роберт Гров случайно обнаружил при электролизе, что две платиновые полоски, обдуваемые – одна кислородом, а другая – водородом, помещенные в водный раствор серной кислоты, дают ток. В результате реакции, кроме электрического тока, образовывались тепло и вода. При этом энергетическое превращение происходит бесшумно, а единственным побочным продуктом реакции является дистиллированная вода, которой достаточно легко найти применение на подводной лодке.

По критериям эффективности и безопасности водород решили держать в связанном состоянии в форме металлогидрида (специальный сплав металла в соединении с водородом), а кислород – в сжиженном виде в специальных емкостях между легким и прочным корпусами подлодки. Между водородным и кислородным катодами находятся полимерные электролитные мембраны протонного обмена, выполняющие функцию электролита.

ВНЭУ с ЭХГ нашли применение на немецких субмаринах типа 212. Несмотря на очевидные преимущества разработанной установки на топливных элементах, она не обеспечивает требуемые оперативно-тактические характеристики подводной лодки океанского класса, прежде всего в части, касающейся выполнения скоростных маневров при преследовании цели или уклонении от атаки противника. Поэтому подводные лодки оснащаются комбинированной двигательной установкой, в которой для движения на высоких скоростях под водой используются аккумуляторные батареи или топливные элементы, а для плавания в надводном положении – традиционный дизель-генератор, применяемый также для подзарядки аккумуляторных батарей. Электрохимический генератор, состоящий из девяти модулей топливных элементов, имеет суммарную мощность 400 л. с. и обеспечивает движение лодки в подводном положении со скоростью 3 узла в течение 20 суток с показателями шумности ниже уровня естественных шумов моря.

Совсем недавно успехов в создании ВНЭУ достигли испанцы на ПЛ типа S-80. Они также использовали ЭХГ в качестве анаэробной вспомогательной установки, однако пошли по пути получения водорода из этанола в результате его разложения. Кислород хранится в жидком виде в специальном резервуаре. Длительность пребывания субмарины под водой достигает 15 суток.

Парогенераторная анаэробная энергетическая установка

Французские инженеры создали парогенераторную анаэробную установку MESMA (Module d’Energie Sous-Marine Autonome) — автономный энергетический модуль для субмарин. В работе MESMA используется принцип цикла Ранкина, который состоит из процессов нагревания жидкости, ее испарения и перегрева пара, адиабатного расширения пара и его конденсации. Установка создана на основе паровой турбины, работающей по замкнутому циклу. В качестве горючего используется этанол, окислитель — жидкий кислород. Этанол поступает в камеру сгорания, в которую также поступает кислород уже в газообразном состоянии. Температура горения смеси спирта и кислорода может достигать более 700° С. Продукты сгорания этанола — вода и углекислый газ, высокое давление выделяемого углекислого газа (до 60 атмосфер) позволяет легко его удалять за борт без применения компрессора на глубинах до 600 м.

Срок службы камеры сгорания определен в 30 лет. Таким образом, она используется в течение всего срока эксплуатации подводной лодки.

Теплообменник камеры сгорания разогревает парогенератор, изготовленный из никелевых сплавов. Разогретый пар приводит в действие малошумный высокооборотный турбогенератор переменного тока.

Отработанный пар поступает в никель-алюминий-бронзовый конденсатор, который также является охладителем второго контура. Конденсатор охлаждается проточной забортной водой. Полученный конденсат возвращается в парогенератор. Общее количество воды в системе «парогенератор-конденсатор» — около 500 л. Скорость вращения паровой турбины до 10 тыс. об/мин. Номинальная выходная мощность генератора не менее 200 кВт.

Мощность установки MESMA позволяет развивать субмаринам проекта «Скорпена» подводный ход в 4 узла, при длительности плавания около 250 часов. Для достижения более высоких скоростей используются традиционные аккумуляторные батареи.

Литийионные аккумуляторы

Пятого марта 2020 года японцы спустили на воду 11-ю подлодку проекта «Сорю», однако эта субмарина имеет существенное отличие от других ПЛ этого типа – на ней установлены литийионные аккумуляторные батареи.

За счет использования литийионных аккумуляторов японцы смогли отказаться от использования на новой субмарине как двигателей Стирлинга, так и традиционных свинцово-кислотных батарей.

Литийионные батареи обеспечивают такой ПЛ длительность подводного хода сопоставимую с другими ВНЭУ, а большая емкость новых батарей позволяет субмарине достигать подводной скорости в 20 узлов.

ВНЭУ в российском ВМФ

Конечно же, главный для нас вопрос – это положение с анаэробными двигателями для ПЛ в России. Как обстоят наши дела? К сожалению, наши разработчики пока не достигли успеха в создании ВНЭУ. Первой отечественной ДЭПЛ с ВНЭУ должна была стать субмарина проекта 677 «Лада», но дело не заладилось. Тем не менее, работы по созданию ВНЭУ продолжаются и в 2019 году открыта новая ОКР по данной теме.

В создании ВНЭУ принимают участие ЦКБ «Рубин» – разрабатывающее анаэробную установку на основе ЭХГ и КБ «Малахит», работающее над созданием анаэробного газотурбинного двигателя замкнутого цикла.

Разработка «Малахита» – это единый газотурбинный двигатель, который можно использовать как в надводном, так и в подводном положении. В надводном положении для движения используется атмосферный воздух. Под водой происходит подача окислителя из сосуда Дьюара, где содержится жидкий кислород. Выделяемая турбиной газовая смесь очищается и замораживается, ничего не выделяя наружу. Таким образом, скорость подводного хода без использования аккумулятора (только от ВНЭУ) превышает 10 узлов. «Малахит» разрабатывает не только двигатель, но и ПЛ. Проект имеет шифр П-750Б. Проектируемая подлодка имеет 1450 тонн надводного водоизмещения, экипаж в 18-20 человек, глубину погружения до 300 м, максимальную скорость хода в 18 узлов. Подлодка может иметь на вооружении торпеды, мины и даже крылатые ракеты «Калибр».

Заключение

Осталось ответить на вопрос: почему российский ВМФ нуждается в подлодках с ВНЭУ? По существу, современные ВНЭУ имеют ряд недостатков: малая мощность, что заставляет использовать их вместе с традиционной дизель-электрической энергетической установкой, как следствие – малая скорость подводного хода на ВНЭУ (не относится к ДЭПЛ с литий – ионными аккумуляторами), высокая стоимость, необходимость сооружения на ВМБ специальной инфраструктуры.

И всё же достоинства превосходят недостатки. Главное из них – высокая скрытность и затруднение обнаружения такой ПЛ противолодочной авиацией. Для нас это очень актуально, ведь, например, Япония имеет около сотни современных противолодочных самолетов. Другое достоинство – очень малый уровень шума, зачастую меньший, чем фоновый шум моря. И наконец, как бы дорога ни была субмарина с ВНЭУ, она всё равно дешевле атомной. Кроме того, подлодки с ВНЭУ активно применяются во флотах наших потенциальных противников: Германии, Турции, Японии. В случае конфликта нашим подводникам придётся противостоять более совершенным ПЛ. И если не разрабатывать современных двигателей с ВНЭУ, то технологический разрыв, имеющий место сейчас, со временем станет непреодолимой пропастью.

Источник