EP1415906A1 - Vorrichtung zur Auftriebserzeugung für Unterwasserfahrzeuge - Google Patents

Vorrichtung zur Auftriebserzeugung für Unterwasserfahrzeuge Download PDF

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EP1415906A1
EP1415906A1 EP03016752A EP03016752A EP1415906A1 EP 1415906 A1 EP1415906 A1 EP 1415906A1 EP 03016752 A EP03016752 A EP 03016752A EP 03016752 A EP03016752 A EP 03016752A EP 1415906 A1 EP1415906 A1 EP 1415906A1
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EP
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coolant
gas
generating device
gas generating
generator
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Claus Cohrt
Jürgen Dr. Schaper
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Airbus DS GmbH
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EADS Space Transportation GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
    • B63G8/14—Control of attitude or depth
    • B63G8/22—Adjustment of buoyancy by water ballasting; Emptying equipment for ballast tanks

Definitions

  • the invention relates to a device for Buoyancy generation for underwater vehicles in the form a gas generating plant in which the chemical Reaction and / or catalytic decomposition of a liquid energy carrier buoyancy gases are generated where the liquid energy source by the pressure of a Production gas from a second Gas generating device is provided from a Storage container is pressed into a reaction chamber.
  • Such a device is known from EP 0 128 260 A1 known.
  • this known device have been proposed instead of those Gas generating plants otherwise usual use of Compressed gas nitrogen as the expulsion medium for the hydrazine a second, much smaller
  • the one Feedback and amplification device such is assigned that the blow-out time to predetermined Be adapted to the application immersion pressure can.
  • This known device is a Limitation of the maximum reasonable operational Depth of use of such generators, which at a Given the use of nitrogen as the expulsion medium and with the increasing depth requirements modern submarines are no longer compatible, avoided.
  • the object of the invention is to provide a device type mentioned so that they have a simple structure and the smallest possible mass and that they are also available in any size Diving depths compliance with the required short Expulsion times enabled.
  • the invention solves this problem by Device in which between the second Gas generating device and the reservoir for the liquid energy source a pressure relief valve is arranged, the positive pressure outlet with that with the Buoyancy gases are connected to the filling immersion cell.
  • the device according to the invention has the Advantage that their gas generation characteristics in each Diving depth remains the same, which is according to the invention provided pressure relief valve in any Immersion depth a constant pressure difference between the Production gas and the environment, i.e. the diving cell, guaranteed. Because of this constant pressure difference the constancy of the Expulsion time guaranteed. At the same time, the device according to the invention the advantage that it for any gas generation reaction can be used.
  • the invention can advantageously a number of possible Types of feed gas generators are used, that are already known on their own.
  • feed gas generators include solid fuel (powder) generators where Powder cartridges are used for gas generation.
  • Powder cartridges are used for gas generation.
  • Such Generators are used, for example, to drive Small gas turbines for the power supply of Missile use.
  • the invention must take into account that the Combustion chamber pressure must be so high that even in the greatest diving depth a supercritical outflow takes place, with which a constant at all diving depths Burning time is guaranteed; that the Fuel must be heavily under-balanced so that none Oxygen components are contained in the production gas, and that finally the combustion chamber temperature as low as possible have to be.
  • a hydrazine generator is also possible advantageously becomes a small one Ultra-high pressure generator with cold gas (nitrogen) delivery used.
  • a so-called hydrofuel generator possible at which is a water-reactive metal hydride, preferably Lithium hydride, with water to hydrogen and Metal hydroxide is implemented.
  • the water can for lowering the freezing point, for example with Lithium chloride or methyl or ethyl alcohol added become.
  • the conveying gas is advantageously cooled in the device according to the invention before it enters the container.
  • This advantageously takes the form of heat exchange cooling with the ambient water in the immersion cell, the heat exchange area required being reduced by adding coolants to the hot conveying gas jet.
  • suitable coolants are ammonia (NH 3 ) or ammonium carbonate, both of which can be used in pure form or in supersaturated aqueous solution.
  • a powder generator In the device shown in Fig. 1 for Buoyancy generation is provided by the Buoyancy gas through a powder generator. With this flows after the ignition of a powder cartridge 1 generated gas via a line 2 in a Coolant tank 3, in which a pre-cooling and a Loading with an additional gas generated here. On a pressure relief valve 4, which is a constant Pressure difference between the conveying gas and the environment of the generator guaranteed, can be excess generated gas into the environment, i.e. in this case in a diving cell 5, flow out.
  • the one for expelling hydrazine required amount of gas flows through a line 6 in a heat exchanger 7 and is in this Ambient water 8 to the required Brought temperature level.
  • the cooled gas overflows another line 9 into a hydrazine container 10, in which it acts on a bladder 11 and thereby in this container 10 located hydrazine 12th an outlet 13 in a gas generator 14 promotes where its decomposition takes place.
  • the decomposition gases are finally via outflow openings 15 into the surrounding Diving cell blown out.
  • a hydrazine generator In the device shown in Fig. 2 for Buoyancy generation is provided by the Conveying gas through a hydrazine generator.
  • compressed gas cylinder 16 delivers over Pressure reducing and regulating valve 17 a compressed gas that in a small bladder tank 18 Hydrazine 19 in a gas generator 20 promotes where it in turn is decomposed.
  • the resulting decomposition gases flow as in the case of the previous one described embodiment, again via a Line 21 through a coolant tank 3.
  • the other The path of the conveying gas corresponds to that of Pressure relief valve 4 completely the previous described arrangement.
  • a hydrofuel generator there is a waterproof, with a filled with water-reactive fuel (hydrofuel) Cartridge 22 in a generator housing 23, in which also water with a freezing point-lowering additive 24 is located, which is also the function of Coolant takes over when the production gas volume generated exceeds the stoichiometric amount. to Commissioning the generator will cover the Cartridge 22 opened so that the water can access the Hydrofuel receives and the gas generating reaction starts. As a rule, this is what is brought in here Coolant both a separate coolant tank as well as a heat exchanger aftercooler.
  • the pressure relief valve 4 also takes on the same here Function as in the case of the previously described Embodiments.
  • the further way of the gas also corresponds to that based on the previous one described embodiments shown Scheme.
  • the fuel requirement for the production of production gas by means of the device according to the invention can in estimate, if the gas temperature is as Parameter is introduced and the water vapor content of the Conveying gas according to the vapor pressure as Partial pressure assuming a temperature-dependent local condensation loss is considered an influence of coolants as possible additional gas suppliers, however, not is taken into account. Then there is a maximum Fuel requirements in the range of about 3 kilograms.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Auftriebserzeugung für Unterwasserfahrzeuge besteht aus einer Gaserzeugungsvorrichtung, in der durch die chemische Reaktion und/oder katalytische Zersetzung eines flüssigen Energieträgers, insbesondere Hydrazin, Auftriebsgase erzeugt werden. Der flüssige Energieträger wird durch den Druck eines Fördergases, das von einer zweiten Gaserzeugungsvorrichtung (1) bereitgestellt wird, aus einem Vorratsbehälter (10) in eine Reaktionskammer (14) gepreßt. Zwischen der zweiten Gaserzeugungsvorrichtung (1) und dem Vorratsbehälter (10) für den flüssigen Energieträger ist ein Überdruckventil (4) angeordnet, dessen Überdruck-Auslaß mit der mit den Auftriebsgasen zu füllenden Tauchzelle (5) verbunden ist. Zusätzlich können die von der zweiten Gaserzeugungsvorrichtung erzeugten heißen Reaktionsgase in einem Kühlstoffbehälter (3) abgekühlt werden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Auftriebserzeugung für Unterwasserfahrzeuge in Form einer Gaserzeugungsanlage, in der durch die chemische Reaktion und/oder katalytische Zersetzung eines flüssigen Energieträgers Auftriebsgase erzeugt werden, wobei der flüssige Energieträger durch den Druck eines Fördergases, das von einer zweiten Gaserzeugungsvorrichtung bereitgestellt wird, aus einem Vorratsbehälter in eine Reaktionskammer gepreßt wird.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der EP 0 128 260 A1 bekannt geworden. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist vorgeschlagen worden, anstelle der bei derartigen Gaserzeugungsanlagen ansonsten üblichen verwendung von Druckgas-Stickstoff als Austreibmedium für das Hydrazin eine zweite, wesentlich kleiner bemessene Gaserzeugungsvorrichtung zu verwenden, der eine Rückkopplungs- und verstärkungsvorrichtung derart zugeordnet ist, daß die Ausblaszeit auf vorgebbare Weise an den Einsatz-Tauchtiefendruck angepaßt werden kann. Durch diese bekannte Vorrichtung wird eine Begrenzung der maximal sinnvollen operationellen Einsatztiefe derartiger Generatoren, die bei einer Verwendung von Stickstoff als Austreibmedium gegeben ist und die mit den steigenden Tauchtiefenanforderungen moderner Unterseeboote nicht mehr kompatibel ist, vermieden.
Andere Vorschläge zur Überwindung dieser Problematik sehen daneben eine Aufheizung eines Druckgasbehälters für den Stickstoff während dessen Entleerung oder aber eine Pumpenförderung des Hydrazins vor. Den bekannten Lösungen gemeinsam ist dabei, daß sie einen vergleichsweise komplizierten Aufbau erfordern.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie einen einfachen Aufbau und eine möglichst geringe Masse aufweist und daß sie zugleich auch in beliebig großen Tauchtiefen die Einhaltung der geforderten kurzen Austriebszeiten ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung, bei der zwischen der zweiten Gaserzeugungsvorrichtung und dem Vorratsbehälter für den flüssigen Energieträger ein Überdruckventil angeordnet ist, dessen Überdruck-Auslaß mit der mit den Auftriebsgasen zu füllenden Tauchzelle verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt dabei den Vorteil, daß ihre Gaserzeugungscharakteristik in jeder Tauchtiefe gleich bleibt, wobei das erfindungsgemäß vorgesehene Überdruckventil in jeder beliebigen Tauchtiefe eine konstante Druckdifferenz zwischen dem Fördergas und der Umgebung, d.h. der Tauchzelle, gewährleistet. Durch diese konstante Druckdifferenz ist in jeder beliebigen Tauchtiefe die Konstanz der Austreibzeit gewährleistet. Zugleich besitzt die erfindungsgemäße vorrichtung den Vorteil, daß sie für jede Gaserzeugungsreaktion einsetzbar ist.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können in vorteilhafter Weise eine Reihe möglicher Typen von Fördergas-Generatoren zum Einsatz gelangen, die für sich genommen bereits bekannt sind. Hierzu zählen Festtreibstoff-(Pulver)-Generatoren, bei denen Pulverkartuschen zur Gaserzeugung dienen. Derartige Generatoren finden zum Beispiel als Antrieb von Kleinstgasturbinen für die Stromversorgung von Flugkörpern Verwendung. Bei ihrer Auslegung für eine Verwendung im Zusammenhang mit der Vorrichtung nach der Erfindung muß jedoch berücksichtigt werden, daß der Brennkammerdruck so hoch sein muß, daß auch in der größten Tauchtiefe eine überkritische Abströmung erfolgt, womit in allen Tauchtiefen eine konstante Brennzeit gewährleistet ist; daß weiterhin der Treibstoff stark unterbilanziert sein muß, so daß keine Sauerstoffanteile im Fördergas enthalten sind, und daß schließlich die Brennkammertemperatur möglichst gering sein muß.
Das für die Austreibung des Hydrazins aus dem Bladdertank benötigte Fördergas wird durch einen kleinen Gasgenerator geliefert, der in seiner Gasliefermenge auf die größte Tauchtiefe ausgelegt ist, die für die erfindungsgemäße Vorrichtung gefordert ist. Bei einer Inbetriebnahme dieser Vorrichtung in geringeren Tauchtiefen wird daher aufgrund des geringeren Umgebungsdruckes der Fördergasdruck viel höher sein, als er zur Überwindung aller Druckverluste und verdrängungsarbeit erforderlich wäre. Dieser Überdruck wird durch das erfindungsgemäß vorgesehene Überdruckventil abgebaut, das so konzipiert ist, daß es mit steigendem Überdruck, d.h. mit geringer werdender Auslösungstauchtiefe, immer größere Abströmquerschnitte freigibt, so daß auch dann die zulässige und auch über die Austreibzeitbegrenzung geforderte Druckdifferenz zwischen dem Hydrazinbehälter und der Umgebung, d.h. der Tauchzelle, nicht überschritten wird.
Bei der ebenfalls möglichen Verwendung eines Hydrazin-Generators wird in vorteilhafter Weise ein kleiner Höchstdruck-Generator mit Kaltgas-(Stickstoff)-Förderung eingesetzt. Schließlich ist die verwendung eines sogenannten Hydrofuel- Generators möglich, bei dem ein wasserreaktives Metallhydrid, vorzugsweise Lithiumhydrid, mit Wasser zu Wasserstoff und Metallhydroxid umgesetzt wird. Das Wasser kann dabei zur Gefrierpunktabsenkung zum Beispiel mit Lithiumchlorid oder Methyl- bzw. Äthylalkohol versetzt werden.
Geht man von einer maximal zulässigen Fördergastemperatur im Hydrazinbehälter von 240°C aus, so erfolgt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in vorteilhafter Weise eine Kühlung des Fördergases vor dem Eintritt in den Behälter. In vorteilhafter Weise geschieht dies in Form einer Wärmeaustauschkühlung mit dem Umgebungswasser in der Tauchzelle, wobei sich durch die Zugabe von Kühlstoffen in den heißen Fördergasstrahl die benötigte Wärmeaustauschfläche verringern läßt. Als geeignete Kühlstoffe können beispielsweise Ammoniak (NH3) oder Ammoniumcarbonat dienen, wobei beide Stoffe rein oder in übersättigter wäßriger Lösung verwendet werden können.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Es zeigen
Fig. 1
eine Vorrichtung zur Auftriebserzeugung mit einem Pulvergenerator zur Bereitstellung des Fördergases,
Fig. 2
eine vorrichtung zur Auftriebserzeugung mit einem Hydrazin-Generator zur Bereitstellung des Fördergases und
Fig. 3
eine Vorrichtung zur Auftriebserzeugung mit einem Hydrofuel-Generator zur Bereitstellung des Fördergases.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zur Auftriebserzeugung erfolgt die Bereitstellung des Auftriebsgases durch einen Pulvergenerator. Bei diesem strömt nach der Zündung einer pulverkartusche 1 das erzeugte Gas über eine Leitung 2 in einen Kühlstoffbehälter 3, in dem eine vorkühlung sowie eine Beladung mit einem hier erzeugten Zusatzgas erfolgt. An einem Überdruckventil 4, das eine konstante Druckdifferenz zwischen dem Fördergas und der Umgebung des Generators gewährleistet, kann überschüssig erzeugtes Gas in die Umgebung, d.h. in diesem Fall in eine Tauchzelle 5, abströmen. Die für die Hydrazin-Austreibung benötigte Gasmenge strömt über eine Leitung 6 in einen Wärmetauscher 7 und wird in diesem mit Umgebungswasser 8 auf das erforderliche Temperaturniveau gebracht. Das gekühlte Gas strömt über eine weitere Leitung 9 in einen Hydrazin-Behälter 10, in dem es einen Bladder 11 beaufschlagt und dadurch das in diesem Behälter 10 befindliche Hydrazin 12. über einen Auslaß 13 in einen Gasgenerator 14 fördert, wo dessen Zersetzung erfolgt. Die Zersetzungsgase werden schließlich über Ausströmöffnungen 15 in die umgebende Tauchzelle ausgeblasen.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung zur Auftriebserzeugung erfolgt die Bereitstellung des Fördergases durch einen Hydrazin-Generator. Eine Druckgasflasche 16 liefert in diesem Fall über ein Druckreduzier- und -regelventil 17 ein Druckgas, das das in einem kleinen Bladdertank 18 befindliche Hydrazin 19 in einen Gasgenerator 20 fördert, wo es wiederum zersetzt wird. Die dabei entstehenden zersetzungsgase strömen, wie im Fall des vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiels, wiederum über eine Leitung 21 durch einen Kühlstoffbehälter 3. Der weitere Weg des Fördergases entspricht einschließlich des Überdruckventils 4 vollständig der vorangehend beschriebenen Anordnung.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung zur Auftriebserzeugung erfolgt die Bereitstellung des Fördergases durch einen Hydrofuel-Generator. Dabei befindet sich eine wasserdichte, mit einem wasserreaktiven Treibstoff (Hydrofuel) gefüllte Kartusche 22 in einem Generatorgehäuse 23, in dem sich außerdem Wasser mit einem Gefrierpunkt-senkenden Zusatz 24 befindet, das gleichzeitig die Funktion des Kühlmittels übernimmt, wenn die erzeugte Fördergasmenge die stöchiometrische Menge überschreitet. Zur Inbetriebnahme des Generators wird die Hülle der Kartusche 22 geöffnet, so daß das Wasser Zutritt zum Hydrofuel erhält und die gaserzeugende Reaktion einsetzt. In der Regel macht das hier eingebrachte Kühlmedium sowohl einen separaten Kühlstoff-Behälter als auch einen Wärmetauscher-Nachkühler überflüssig. Das Überdruckventil 4 übernimmt auch hier die gleiche Funktion wie im Fall der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Der weitere Weg des Gases entspricht ebenfalls dem bereits anhand der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele dargestellten Schema.
Der Treibstoffbedarf für die Erzeugung von Fördergas mittels der Vorrichtung nach der Erfindung läßt sich in etwa abschätzen, sofern die Fördergastemperatur als Parameter eingeführt wird und der Wasserdampfgehalt des Fördergases entsprechend dem Dampfdruck als Partialdruck unter der Annahme eines temperaturabhängigen örtlichen Kondensationsverlustes eingerechnet wird, ein Einfluß von Kühlstoffen als möglichem zusätzlichen Gaslieferanten jedoch nicht berücksichtigt wird. Dann ergibt sich ein maximaler Treibstoffbedarf im Bereich von etwa 3 Kilogramm.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zur Auftriebserzeugung für Unterwasserfahrzeuge in Form einer Gaserzeugungsvorrichtung, in der durch die chemische Reaktion und/oder katalytische Zersetzung eines flüssigen Energieträgers Auftriebsgase erzeugt werden, wobei der flüssige Energieträger durch den Druck eines Fördergases, das von einer zweiten Gaserzeugungsvorrichtung bereitgestellt wird, aus einem Vorratsbehälter in eine Reaktionskammer gepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten Gaserzeugungsvorrichtung (1) und dem vorratsbehälter (10) für den flüssigen Energieträger ein Überdruckventil (4) angeordnet ist, dessen Überdruck-Auslaß mit der mit den Auftriebsgasen zu füllenden Tauchzelle (5) verbunden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gaserzeugungsvorrichtung aus einem Pulvergenerator (1) besteht.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gaserzeugungsvorrichtung aus einem Hydrazin-Generator (16-20) besteht.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gaserzeugungsvorrichtung aus einem ein mit wasserreaktivem Treibstoff beaufschlagbaren Generator (22, 23) besteht.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die heißen Reaktionsgase in einem Kühlstoffbehälter (3) abkühlbar sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der im Kühlstoffbehälter (3) befindliche Kühlstoff aus einer wäßrigen Lösungen von Gasen besteht.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlstoff aus Ammoniak besteht.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der im Kühlstoffbehälter (3) befindliche Kühlstoff aus Salzen besteht
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlstoff aus Ammoniumcarbonat besteht.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der im Kühlstoffbehälter (3) befindliche Kühlstoff aus einer organischen Flüssigkeit besteht.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlstoff aus einem niederen Alkohol besteht.
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