В 1923 году Гельмут Вальтер обратил внимание на факт воспламенения топлива в присутствии перекиси водорода. Вальтер разработал энергетическую установку для подводного аппарата на основе парогазотурбинного двигателя, работающий на высококонцентрированой перекиси водорода. Такие установки работали по так называемому «холодному» принципу (Рис.1).
Рис. 1. Схема ВНЭУ работающий на перекиси водорода, по «холодному» принципу: 1 — эластичные мешки, 2 — насос, 3 — камера разложения перекиси, 4 — парогазовая турбина, 5 — редуктор, 6 — разобщительная муфта, 7 — гребной электродвигатель, 8 — главный упорный подшипник, 9 — гребной винт, 10 — прочный корпус ПА
Перекись хранилась в эластичных мешках вне прочного корпуса подводного аппарата. Насос подавал перекись в камеру разложения, из которой продукты поступали на турбину с температурой 454 град.С. и давлением 3 МПа. Турбина соединялась с редуктором и вращала гребной вал, который подходил к гребному электродвигателю. Смесь после турбины выбрасывалась за борт судна, что приводило к большому выбросу кислорода и появлению пузырьков на поверхности.
В дальнейшем Вальтер стал применять двигатель работающий по «горячему» принципу. В камеру сгорания подавалась перекись водорода и углеводородное топливо. В качестве топлива использовали дизельное топливо, которое хранилось в цистерне. (Рис.2)
Рис. 2. Принципиальная схема ВНЭУ работающая по «горячему» принципу: 1 — дизель генератор, 2 — камера разложения, 3 — камера сгорания, 4 — сепаратор, 5 — дозирующее устройство, 6 — трехкомпонентный питательный насос, 7 — бустерные насосы, 8 — цистерна ПВ, 9 — цистерна жидкого топлива, 10 — цистерна пресной воды, 11 — насос отвода избыточной воды, 12 — отвод избытка охлаждающей воды за борт, 13 — конденсатный насос, 14 — конденсатор, 15 — электродвигатель, 16 — главная турбина, 17 — разобщительные муфты, 18 — центробежный компрессор выхлопных газов, 19 — поршневой компрессор выхлопных газов, 20 — отвод выхлопных газов за борт, 21 — редуктор, 22 — главный гребной электродвигатель, 23 — приводной ремень, 24 — гребной электродвигатель экономического хода, 25 — упорный подшипник.
Также различали и другие воздухонезависимые установки на основе тепловых двигателей. Установки без кислорода РЕДО (регенеративный единый двигатель особого назначения) (Рис.3); ЕД-ВВД (единый двигатель с выхлопом в воду дизельный) (Рис.4); ЕД-ХПИ (единый двигатель с химическим поглотителем известковым).
Рис. 3. Принципиальная схема ЭУ с РЕДУ: 1-тепловой двигатель, 2-сепаратор, 3-конденсатор углекислого газа, 4-компрессор, 5-конечный сепаратор, 6-испаритель кислорода
Рис. 4. Принципиальная схема установки ЕД-ВВД: 1 — тепловой двигатель, 2 — двухходовая захлопка, 3 — главный холодильник, 4 — захлопка байпаса, 5 — главный фильтр, 6 — фильтр байпаса, 7 — смеситель, 8 — холодильник газаотбора, 9 — регулятор газоотбора, 10 — фильтр газоотбора, 11 — компрессор.
Установка ИВР (установка на искусственном воздухе с растворением углекислого газа в забортной воде) (рисунок 5). Принцип работы заключается в следующем. Весь поток отработавших газов после холодильника-глушителя и сепаратора поступал в абсорбционную колонку, куда через распыляющие сопла подавалась забортная вода. Происходило интенсивное промывание газа и в результате — растворение углекислоты. Образовавшийся раствор откачивается за борт. Не растворившаяся часть, обычно азот, сепарировалась, затем в нее добавляется кислород и все это подавалось в цилиндры ДВС.
Рис. 5. Принципиальная схема установки ИВР: 1 — тепловой двигатель, 2 — главный холодильник, 3,4, 6 — сепараторы, 5 — абсорбционная колонка, 7- смеситель, 8 — газоподогреватель.
Данные типы установок имеют следующие минусы: сложность конструкции, опасность пожара, увеличение выходной мощности ведет к увеличению установки. Так как данные установки способны работать под водой и находиться автономии, это обеспечивает им место в подводном деле.
Еще одним видом ВНЭУ является двигатель Стирлинга. Данный тепловой двигатель был изобретен Робертом Стирлингом в 1816 году. Газ, используемый в качестве рабочего тела нагревается не в результате сжигания топлива, а в результате нагревания стенок, поэтому после одного цикла рабочее тело не заменяется как в ДВС, а используется повторно. Двигатель Стирлинга является двигателем с внешним подводом теплоты (ДВПТ), что показано в (рис.6).
Рис. 6. Идеальный цикл ДВПТ
Идеальный цикл ДВПТ состоит из двух изотерм и двух изохор. В этом цикле теплота отводимая от рабочего тела в изохорном процессе при его охлаждении, не уходит из цикла, а передается рабочему телу в процессе изохорного нагревания, т. е. теплота подводится в цикле только при изотермическом расширении. А отводится только при изотермическом сжатии. Устройство двигателя Стирлинга представлено на (рис.7).
Рис. 7. Принципиальная схема двигателя Стирлинга
На рисунке принципиальная схема двигателя Стирлинга поршень 4 посредством штока 6 соединен с траверсой 7. Один из концов траверсы крепится через шатун 9 крепится к кривошипу 10, а другой через шатун 15 — к кривошипу 14.
Вытеснитель 2 по средствам штока 5 соединяется траверсой 12, которая крепится к кривошипам 10 и 14 через шатуны 11 и 13. При одинаковой длине шатунов 9, 11, 13, 15 образуется ромбическая фигура, у которой при движении изменяются только величины углов. В этом случае симметричные колеса обеспечивают симметричную систему приводов. Сальники 17 и 19 способствуют образованием под поршнем 4 замкнутой цилиндрической полости 18, которую называют буферной полостью. 3 холодная полость, 1 горячая полость. Движение поршня-вытяснителя 2 сопровождается перетечкой газа либо из горячей полости 1 по каналам нагревателя 22 через регенератор 22, каналы охладителя 20 в холодную полость, либо в обратном направлении. На подводных аппаратах используют различные схемы работы двигателя на (рис.8) представлена одна из них.
Рис. 8. Схема систем двигателя Стирлинга для подводного аппарата
На рисунке представлена одна из возможных функциональных схем систем модуля с ДВПТ применительно к подводному аппарату. ДВПТ приводит в движение ротор электрогенератора, ток поступает на гребной электродвигатель (на схеме не показан). Данный тип установки имеет следующие минусы: так как двигатель Стирлинга- двигатель поверхностного типа, возникают проблемы с поверхностным теплообменом и площадью теплообмена, очень важный минус — это сложность изготовления двигателя, для примера сложности- требуется хорошая отшлифовка камеры для поршня. Однако имеет плюсы: двигатель не привередлив к топливу, отсутствует детонация топлива, что облегчает вес и сложность конструкции, так же это снижает шумность двигателя, что важно для подводных аппаратов.
