EP1415906B1 - Vorrichtung zur Auftriebserzeugung für Unterwasserfahrzeuge - Google Patents

Vorrichtung zur Auftriebserzeugung für Unterwasserfahrzeuge Download PDF

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EP1415906B1
EP1415906B1 EP03016752A EP03016752A EP1415906B1 EP 1415906 B1 EP1415906 B1 EP 1415906B1 EP 03016752 A EP03016752 A EP 03016752A EP 03016752 A EP03016752 A EP 03016752A EP 1415906 B1 EP1415906 B1 EP 1415906B1
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EP
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coolant
gas
gas generating
generator
tank
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EP03016752A
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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 generating lift for underwater vehicles in the form of a gas generating plant, in which by the chemical reaction and / or catalytic decomposition of a liquid energy carrier buoyant gases are generated, wherein the liquid energy carrier by the pressure of a delivery gas, which is provided by a second gas generating device, is pressed from a reservoir into a reaction chamber.
  • the object of the invention is to provide a device of the type mentioned in such a way that it has a simple structure and the lowest possible mass and that it allows at the same time in any large diving depth compliance with the required short Austriebs committee.
  • the invention solves this problem by a device in which between the second gas generating device and the reservoir for the liquid energy carrier, a pressure relief valve is arranged, whose overpressure outlet is connected to the submersible to be filled with the buoyancy gas.
  • the device according to the invention has the advantage that its gas generating characteristic remains the same in each submerged depth, wherein the pressure relief valve provided according to the invention in any submerged depth a constant pressure difference between the conveying gas and the environment, ie the immersion cell, guaranteed. Due to this constant pressure difference, the consistency of the discharge time is guaranteed in any depth.
  • the device according to the invention has the advantage that it can be used for any gas generating reaction.
  • conveying gas generators In connection with the device according to the invention, advantageously a number of possible types of conveying gas generators can be used, which in themselves are already known. These include solid propellant (powder) generators, where powder cartridges are used to generate gas. Such generators are used, for example, as a drive of micro gas turbines for the power supply of missiles use.
  • solid propellant (powder) generators where powder cartridges are used to generate gas.
  • Such generators are used, for example, as a drive of micro gas turbines for the power supply of missiles use.
  • the combustion chamber pressure must be so high that even in the largest depth of a supercritical flow takes place, which ensures a constant burning time in all depths; that further, the fuel must be heavily underbalanced, so that no oxygen components are contained in the conveying gas, and that finally the combustion chamber temperature must be as low as possible.
  • the transport gas required for the expulsion of the hydrazine from the Bladdertank is supplied by a small gas generator, which is designed in its gas supply quantity to the largest depth, which is required for the device according to the invention.
  • the delivery gas pressure will be much higher due to the lower ambient pressure, as he overcomes all pressure losses and displacement work would be required.
  • This overpressure is reduced by the invention provided overpressure valve, which is designed so that it releases with increasing pressure, ie with decreasing Aussignstauchtiefe, ever larger Abströmquerexcellente, so that even then the permissible and also on the Austreibzeitbegrenzung required pressure difference between the hydrazine tank and the Environment, ie the immersion cell is not exceeded.
  • a so-called hydrofuel generator in which a water-reactive metal hydride, preferably lithium hydride, is reacted with water to form hydrogen and metal hydroxide.
  • the water can be added to the freezing point lowering, for example, with lithium chloride or methyl or ethyl alcohol.
  • the device according to the invention advantageously cools the conveying gas before it enters the tank. This advantageously takes place in the form of a heat exchange cooling with the ambient water in the immersion cell, wherein the required heat exchange surface can be reduced by the addition of coolants in the hot conveying gas jet.
  • Suitable coolants may be, for example, ammonia (NH 3 ) or ammonium carbonate, both of which may be used neat or in supersaturated aqueous solution.
  • the provision of the lifting gas takes place by means of a powder generator.
  • the generated gas flows via a line 2 into a coolant container 3, in which a pre-cooling as well as a loading with an additional gas produced here takes place.
  • a pressure relief valve 4 which ensures a constant pressure difference between the conveying gas and the environment of the generator, excess gas generated in the environment, ie in this case in a submersible 5, flow out.
  • the amount of gas required for the hydrazine expulsion flows via a line 6 into a heat exchanger 7 and is brought in this with ambient water 8 to the required temperature level.
  • the cooled gas flows via another line 9 into a hydrazine container 10, in which it acts on a bladder 11 and thereby the in this container 10 located hydrazine 12 via an outlet 13 into a gas generator 14 promotes where its decomposition takes place.
  • the decomposition gases are finally blown through outflow openings 15 into the surrounding immersion cell.
  • a compressed gas cylinder 16 supplies, via a pressure reducing and regulating valve 17, a pressurized gas which delivers the hydrazine 19 located in a small bladder tank 18 into a gas generator 20, where it is again decomposed.
  • the resulting decomposition gases flow, as in the case of the embodiment described above, again via a line 21 through a coolant tank 3.
  • the further path of the conveying gas corresponds including the pressure relief valve 4 completely the arrangement described above.
  • the delivery of the delivery gas by a hydrofuel generator there is a waterproof, filled with a 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 simultaneously assumes the function of the coolant when the amount of conveying gas generated the stoichiometric amount exceeds.
  • Hydrofuel water-reactive fuel
  • the shell of the cartridge 22 is opened, so that the water receives access to the hydrofuel and uses the gas-generating reaction.
  • Coolant both a separate coolant tank and a heat exchanger aftercooler superfluous.
  • the pressure relief valve 4 also assumes the same function as in the case of the embodiments described above.
  • the further path of the gas likewise corresponds to the scheme already described with reference to the exemplary embodiments described above.
  • the fuel requirement for the production of delivery gas by means of the device according to the invention can be estimated approximately, if the delivery gas temperature is introduced as a parameter and the water vapor content of the delivery gas is calculated according to the vapor pressure as partial pressure assuming a temperature-dependent local condensation loss, an influence of coolants however, is not taken into account as a possible additional gas supplier. Then there is a maximum fuel requirement in the range of about 3 kilograms.

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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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