SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ các hệ ĐỘNG lực tàu NGẦM sử DỤNG ĐỘNG cơ NHIỆT HOẠT ĐỘNG TRONG điều KIỆN yếm KHÍ

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ CÁC HỆ ĐỘNG LỰC TÀU NGẦM SỬ DỤNG ĐỘNG
CƠ NHIỆT HOẠT ĐỘNG TRONG ĐIỀU KIỆN YẾM KHÍ
COMPARATION AND EVALUATION OF PROPULSION SYSTEMS OF HEAT-ENGINEPOWERED SUBMARINES OPERATING UNDER ANAEROBIC CONDITIONS
Nguyễn Hà Hiệp1a, Nguyễn Hoàng Vũ1b, Phạm Văn Hạ1c
1
Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, Việt Nam
a
b
; ;
TÓM TẮT
Bài báo trình bày nguyên lý, điều kiện làm việc, phạm vi sử dụng của các hệ động lực
dùng động cơ nhiệt (động cơ diesel, tổ hợp tua bin hơi, tổ hợp tua bin khí, động cơ Stirling)
hoạt động thường xuyên trong điều kiện yếm khí - AIPS (Atmosphere Independent Power
Systems) khi sử dụng trên tàu ngầm. Bài báo phân tích và đánh giá về hiệu suất của các hệ
động lực kiểu này cũng như giới thiệu một số kết quả nghiên cứu và công nghệ mới đang
được áp dụng trên chúng.
Từ khóa: hiệu suất, động cơ nhiệt, hệ động lực tàu ngầm, AIPS.
ABSTRACT
This article presents the principles, working conditions, and the scope of the power
plants of submarines equipped with heat engines (diesel engines, steam turbines, gas turbines,
and Stirling engines) that regularly operate under anaerobic conditions - AIPS (Atmosphere
Independent Power Systems). The article analies and evaluates the power plants' efficiency, as
well as introduces some research outcomes and new technologies utilized in current systems.
Keywords: efficiency, heat engines, submarine power plants, AIPS.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Tàu ngầm (TN) có thể lặn và hoạt động một thời gian dài dưới nước, được hải quân
nhiều quốc gia sử dụng và nó cũng được sử dụng trong giao thông vận tải, nghiên cứu khoa
học ở đại dương cũng như ở vùng nước ngọt.
Hệ động lực tàu ngầm (HĐLTN) là tổ hợp có tương tác qua lại giữa các máy chính và

phụ, các cơ cấu, thiết bị, hệ thống, trong đó nội năng của nhiên liệu được chuyển hóa thành
nhiệt năng, điện năng hoặc cơ năng và truyền đến thiết bị tiêu thụ công suất theo dạng năng
lượng mà thiết bị đó yêu cầu [11, 12]. Công dụng chính của HĐLTN là đảm bảo hành trình
cho tàu với vận tốc cho trước, cũng như đảm bảo tính cơ động của tàu theo hướng và độ sâu
trong giới hạn cho phép. Ngoài ra, HĐLTN còn đảm bảo cho việc sử dụng vũ khí, thiết bị
điều khiển, thiết bị quan sát và liên lạc, đấu tranh cho sức sống của tàu, tích trữ năng lượng và
đảm bảo cho nhu cầu sinh hoạt của kíp tàu.
Theo dạng năng lượng sử dụng và loại động cơ (ĐC) chính, HĐLTN được phân thành 2
nhóm chính là HĐLTN nguyên tử (hạt nhân) và HĐLTN phi hạt nhân. Việc xuất hiện
HĐLTN hạt nhân vào những năm 1950 là một bước cách mạng trong chiến lược và chiến
thuật sử dụng TN [4]. Tuy nhiên, TN dùng HĐLTN phi hạt nhận vẫn chiếm số lượng lớn
trong hải quân các nước do chi phí đóng mới và khai thác TN hạt nhân cao hơn khá nhiều.
HĐLTN phi hạt nhân là một tổ hợp hạng nặng chiếm khoảng 30% khối lượng và thể
tích của tàu, chiếm đến 50% về lượng giãn nước và có kết cấu phức tạp [3, 6, 11, 12]. Khi
hoạt động, TN dùng HĐLTN diesel-điện truyền thống cần phải nổi lên mặt biển hoặc làm việc
537


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
theo chế độ hút khí (schnorkel) để nạp không khí dự trữ và nạp điện cho tổ hợp ắc quy. Tỉ số
giữa thời gian schnorkel với tổng thời gian hoạt động được gọi là hệ số tổn thất tính bí mật
(khoảng 7,0 ÷ 10% [8]). Để giảm hệ số tổn thất tính bí mật (đến 0%), HĐLTN thường sử
dụng “động cơ thống nhất”, nghĩa là ĐC hoạt động như nhau ở cả vị trí ngầm cũng như vị trí
nổi của TN. HĐLTN với “động cơ thống nhất” làm việc không phụ thuộc vào không khí
thường được gọi là "HĐLTN yếm khí" - AIPS (Atmosphere Independent Power Systems).
“Động cơ thống nhất” có thể là là ĐC diesel có chu trình khép kín, tổ hợp tua bin khí và tua
bin hơi có chu trình khép kín, ĐC Stirling.
Các kết quả nghiên cứu về HĐLTN yếm khí AIPS đã cho phép lắp đặt chúng trên các
tàu đóng mới cũng như hoàn thiện các tàu dùng HĐLTN diesel-điện truyền thống đang khai
thác [1, 3, 7]. HĐLTN yếm khí được sử dụng trên các tàu có lượng giãn nước từ 1000 đến

3000 tấn, khi lượng giãn nước lớn hơn, tối ưu hơn là sử dụng HĐLTN nguyên tử [3, 11].
Hiện nay, các nước có nền khoa học, công nghệ chế tạo ĐC diesel có chu trình khép kín
- CCD (Closed-Cycle Diesel) phải kể đến Nga, Đức, Hà Lan, Anh và Hàn Quốc; ĐC Stirling Nga, Thụy Điển và Nhật Bản; ĐC tuabin khí, tuabin hơi - Nga, Đức, Pháp và Anh [8].
2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CÁC HĐL YẾM KHÍ DÙNG ĐỘNG CƠ NHIỆT
Các HĐLTN yếm khí dùng ĐC nhiệt có nguyên lý, kết cấu khác nhau, nhưng chúng có
điểm chung là sử dụng nhiên liệu hydrocacbon lỏng (diesel, xăng, ethanol) và có cùng cơ chế
biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu thành cơ năng, sau đó thành điện năng. Nhiên liệu
hydrocacbon lỏng có ưu điểm là dễ bảo quản và vận chuyển, có thể sử dụng các két nhiên liệu
làm két dằn và cho phép tiếp liệu ngay trên biển.
2.1. HĐLTN sử dụng ĐC diesel có chu trình khép kín - CCD
Với HĐLTN kiểu CCD, môi chất công tác cấp cho ĐC diesel có thể là hỗn hợp nitơ
(với vai trò là khí trơ) với ô xy (cần cho quá trình cháy của nhiên liệu) hoặc hỗn hợp CO2 và ô
xy. Sơ đồ nguyên lý HĐLTN kiểu CCD được trình bày trên các hình 1, 2 và 3 [4, 6, 7, 13].
Nước mạn

Khí thải

2

1

D

3

2
1

3

Nước mạn

Khí thải

D

Khí ô xy

4
6

4

5

Hỗn hợp
khí nhân tạo

5

Khí CO2
về bình

8

O2 lỏng

1 - động cơ diesel; 2 - bộ phân ly; 3 - thiết bị
ngưng tụ; 4 - máy nén; 5 - bộ phân ly; 6 thiết bị bay hơi ô xy; D - động cơ diesel
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý HĐLTN kiểu

CCD, CO2 được nén vào bình

7

6

Dung dịch
CO2

Ô xy

1 - động cơ diesel; 2 - máy làm lạnh chính;
3, 4, 6 - bộ phân ly; 5 - thiết bị hấp thụ; 7 bộ trộn; 8 - thiết bị sấy nóng khí ô xy
Hình 2 - Sơ đồ nguyên lý HĐLTN kiểu
CCD, CO2 được hấp thụ

Nguyên lý hoạt động của HĐLTN kiểu CCD (Hình 1): khí thải của ĐC diesel đi vào bộ
phân ly 2 để tách tạp chất cơ khí, sau đó đi vào thiết bị ngưng tụ 3 để được làm mát và ngưng
tụ hơi nước. Tiếp theo, phần khí thải này được bổ sung thêm ô xy và được cấp vào đường nạp
của ĐC diesel. Máy nén 4 nén khí CO2 vào bình thông qua bộ phân ly 5 (tách nước ngưng tụ).
Trong quá trình ĐC diesel hoạt động, nitơ trong khí thải dần dần được thay bằng CO2, lượng
dư CO2 được thải ra khỏi hệ thống.
538


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
11

14

8

9

13

12

Nước

3
9

4

7

Ô xy

Khí thải

8

19

15

6

10

1

5

2
10

9
Nước

17
16

16

18

6
5

7

2
4

D

11

1

Hỗn hợp khí
nhân tạo

3

Khí CO2 theo dòng
của chân vịt

ĐC diesel; 2 - cấp không khí ở vị trí nổi; 3 bình ô xy; 4 - van giảm áp ô xy; 5 - van giảm áp
cấp ô xy; 6 - thiết bị trộn làm giầu ô xy; 7 - máy
nén khí thải; 8 - bộ điều chỉnh áp suất khi làm
1 - động cơ diesel; 2 - van hai cửa; 3 - máy
việc theo chu trình khép kín; 9 - máy lạnh; 10 làm lạnh chính; 4 - van ống cân bằng áp
bầu lọc khí; 11 - thải khí dư khi làm việc theo
lực (bypass); 5 - bầu lọc; 6 - bầu lọc
chu trình khép kín; 12 - luân hồi khí thải; 13 bypass; 7 - bộ trộn; 8 - máy làm lạnh; 9 van chiết lưu để điều chỉnh nhiệt độ khí; 14 van điều chỉnh; 10 - bầu lọc; 11 - máy nén
thải khí ở vị trí nổi; 15 - chân vịt; 16 - khớp nối;
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý HĐLTN kiểu
17 - động cơ điện lai chân vịt hành trình tiết
CCD, CO2 theo dòng chân vịt
kiệm; 18 - hộp giảm tốc; 19 - thiết bị chuyển khí
thải sang chu trình khép kín
Hình 4. Sơ đồ HĐLTN kiểu CCD
"Kreislauf" (Đức)
Với sơ đồ trên Hình 2, khí CO2 được loại khỏi khí thải bằng phương pháp hấp thụ. Khí
thải đi qua máy làm lạnh và bộ phân ly, sau đó đi vào thiết bị hấp thụ, đồng thời nước biển
cũng được phun vào. Khi đó, CO2 được hòa trộn và tan trong nước biển, dung dịch CO2 được
hút ra ngoài. Trong thiết bị hấp thụ có thể dùng dung dịch kiềm thay cho nước biển. Hỗn hợp

khí sau thiết bị hấp thụ (chủ yếu là nitơ) được bổ sung ô xy và cấp vào xy lanh ĐC diesel. Sơ
đồ trên Hình 3 về nguyên lý giống sơ đồ trên Hình 2, chỉ khác là khí CO2 được thải ra mạn và
hòa vào dòng nước chân vịt.
HĐLTN kiểu CCD đã được Đức lắp trên tàu ngầm thử nghiệm U-798 (Hình 4), có
lượng dự trữ ô xy thể khí là 25 tấn (áp suất 40 MPa) và 40 tấn ô xy hóa lỏng [7].
Sau chiến tranh Thế giới II, Liên Xô (cũ) đã đóng hàng loạt TN có HĐLTN kiểu CCD
(mẫu A615, 30 chiếc) [3, 11], sơ đồ nguyên lý làm việc giống sơ đồ trên Hình 2, ở đây thiết bị
hấp thụ 5 được thay bằng bầu lọc khí có dung dịch hóa học để hấp thụ CO2. Một hướng
nghiên cứu khác để cung cấp ô xy cho HĐLTN kiểu CCD là sử dụng natri clorat (NaClO3) [7]
(dùng phương pháp nhiệt phân hoặc thủy phân để tách ô xy).
Ưu điểm về mặt công nghệ của HĐLTN kiểu CCD là sử dụng ĐC diesel thông thường
nên có giá thành thấp và đơn giản trong đào tạo kíp tàu [13]. Tuy nhiên, do ĐC diesel có
nhược điểm là độ ồn cao khi làm việc. Ngoài ra, một nhược điểm lớn của HĐLTN kiểu CCD
sử dụng ô xy lỏng là tính bay hơi của ô xy lỏng cao khi lưu giữ nó trên TN, điều này có thể
dẫn đến sự cố cháy nổ nghiêm trọng và vấn đề này hiện vẫn chưa được giải quyết triệt để [6].
Để khắc phục vấn đề này có thể sử dụng NaClO3 làm nguồn cấp ô xy.
2.2. HĐLTN sử dụng động cơ Stirling
Hiện nay, cùng với việc áp dụng bộ hoàn nhiệt đã làm giảm tổn thất nhiệt và nâng hiệu
suất ĐC Stirling lên ngưỡng khoảng 30%. Nguyên lý làm việc, kết cấu, đặc tính của ĐC
539


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Stirling được mô tả rõ trong các tài liệu chuyên ngành [2, 5, 7, 8, 10, 11]. Năm 1982, hãng
"Kokus Marine AB" (Thụy Điển) thử nghiệm HĐLTN yếm khí với ĐC Stirling làm việc như
thiết bị phụ song hành cùng HĐLTN kiểu diesel-điện truyền thống.
ĐC Stirling có thể sử dụng các nguồn nhiệt khác nhau (trong đó có nguồn không liên
quan đến đốt cháy); yêu cầu thấp về chất lượng nhiên liệu hydrocacbon lỏng (hàm lượng tro,
chỉ số cetane, chỉ số octane); do quá trình cháy liên tục và đều trong ĐC Stirling nên nó có
mức ồn (thấp hơn từ 20÷40 dB) và rung (thấp hơn từ 5÷30 dB) tương đối thấp khi so với ĐC

diesel; hiệu suất khá cao (~ 30%), đặc biệt ở các chế độ tải cục bộ, cho phép tăng tính kinh tế
nhiên liệu đến 20% so với ĐC diesel [7]; nhiệt độ và mức độ độc hại của khí thải thấp (trong
khí thải chủ yếu là CO2 và hơi nước); tỏa nhiệt ít vào khoang động lực; không cần hệ thống
đánh lửa cũng như các xu páp; mô menxoắn ít thay đổi (tỉ số giữa mô men tức thời và mô
men trung bình trong một vòng quay trục khuỷu của ĐC Stirling là 0,95÷1,05, trong khi của
ĐC diesel là 0,9÷3,7); mức tiêu hao dầu bôi trơn thấp; áp suất khí thải cao nên cho phép thải
sản vật cháy ra mạn ở độ sâu đến 200 m mà không cần sử dụng máy nén.
Nhược điểm của ĐC Stirling là giá thành cao; kết cấu phức tạp; công suất tổ hợp thấp
(hiện nay thường là loại ĐC 75 kW, một số ít ĐC đạt công suất 600 kW) làm cho việc ứng
dụng ĐC Stirling còn khiêm tốn so với ĐC diesel CCD. Ví dụ về việc triển khai HĐLTN
dùng ĐC Stirling là các dự án "Viking", AHơi 200oC
17 "Vastergotlands", A-19 "Gotland" (Thụy
3
2
4
Điển), "Collins" (Australia), Imp. Oyashio
(Nhật Bản), Type 041 và 043 (Trung Quốc)
6
[4, 7].
7000C
0
11

2.3. HĐLTN sử dụng tuabin hơi có chu
trình khép kín

10

60 C

5

800C

Khí thải

1
ĐC tua bin hơi có chu trình khép kín 15
9
MESMA (Moduled Energie Sous Marine
8
14 7
Autonome) được sử dụng trên TN mẫu
Nước thải
Agosta-90B và Scorpene (Pháp). Theo [6, 7],
công suất của HĐLTN dùng MESMA là 200
12
13
Nước mạn
kW. Trong HĐLTN kiểu MESMA (Hình 5),
sản sinh nhiệt năng bằng cách đốt cháy hỗn
hợp khí ethanol và ô xy trong vòng sơ cấp
1 - bình bảo quản ô xy ở nhiệt độ thấp; 2 của thiết bị trao đổi nhiệt (ô xy được bảo
bình bảo quản Ethanol; 3 - buồng cháy; 4 quản ở dạng lỏng, ở nhiệt độ thấp). Lượng
thiết bị trao đổi nhiệt; 5 - tuan bin hơi dẫn
nhiệt này được cấp cho nước trong vòng thứ động máy phát điện; 6 - thiết bị sinh hơi; 7 cấp và tạo thành hơi có áp suất cao làm quay thiết bị ngưng; 8 - vòng tua bin khí; 9 - vòng
tuabin hơi dẫn động máy phát điện tốc độ nước mạn; 10 - vòng trung gian; 11 - ống cấp
cao. Sản vật cháy gồm hơi nước và khí thải
ô xy; 12 - bơm nước ngọt; 13 - bơm nước
được thải ra mạn tàu. Quá trình cháy diễn ra

mạn; 14 - thiết bị trao đổi nhiệt của vòng
trong buồng cháy với áp suất 6 MPa nên
trung gian; 15 - thiết bị hóa hơi ô xy
HĐLTN này có thể hoạt động ở độ sâu 600
m (việc thải sản vật cháy ra mạn tàu không Hình 5. Sơ đồ nguyên lý HĐLTN sử dụng
tua bin hơi kiểu MESMA
cần đến máy nén). Đây là ưu điểm nổi bật
của HĐLTN kiểu này. Hiệu suất của HĐLTN kiểu MESMA chỉ vào khoảng 20% do tổn thất
ở nhiều cấp biến đổi năng lượng (đốt cháy nhiên liệu - thu hơi quá nhiệt - sản sinh điện ba pha
sau đó lại chuyển thành dòng một chiều) [14].

Nhược điểm của HĐLTN MESMA là có kích thước lớn (so với HĐLTN kiểu CCD,
HĐLTN Stirling có cùng công suất); tính kinh tế thấp (mức tiêu thụ nhiên liệu và ô xy lớn);
nhiệt độ chớp cháy của ethanol thấp nên nguy cơ cháy nổ cao (vấn đề này có thể khắc phục
bằng cách sử dụng nhiên liệu diesel, nhưng khi đó kết cấu HĐLTN sẽ phức tạp hơn). Ưu điểm
540


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
ít, nhược điểm nhiều nên HĐLTN MESMA được sử dụng với quy mô khiêm tốn hơn so với
HĐLTN CCD và HĐLTN Stirling.
3. KẾT QUẢ SO SÁNH VÀ BÀN LUẬN
Trên cơ sở phân tích các HĐLTN yếm khí dùng động cơ nhiệt, có thể tổng hợp các tiêu
chí để để so sánh, đánh giá HĐLTN yếm khí như trong Bảng 1. Trong đó, HĐLTN CCD
được chọn làm cơ sở để so sánh tương đối với các HĐLTN sử dụng động cơ nhiệt khác.
Bảng 1 - So sánh, đánh giá HĐLTN yếm khí
Chỉ tiêu đánh giá HĐLTN

CCD

Stirling

MESMA

Cơ sở

↓

↓

30

~30

20 - 25

0,75

1,0

1,1

Đặc tính khối lượng-kích thước

Cơ sở

↑

↑

Thời gian hoạt động ngầm (hành trình hoạt động ngầm)

Cơ sở

↓

↓

Mức độ tiếng ồn

Cơ sở

↓

↓

Mức độ tỏa nhiệt

Cơ sở

↓

↓

An toàn cháy nổ

Cơ sở

=>

↓

Mức độ đơn giản và an toàn trong khai thác

Cơ sở

↓

↓

Tuổi thọ và giá thành khai thác

Cơ sở

↓

↓

Khả năng sử dụng cơ sở hạ tầng có sẵn trên bờ

Cơ sở

↓

↓

Công suất riêng
Hiệu suất, %
Tiêu thụ ô xy, kg/kW

Ghi chú: ký hiệu ↑ - tăng; ↓ - giảm; => - không thay đổi

Ta thấy, HĐLTN Stirling và HĐLTN MESMA có ưu thế hơn HĐLTN CCD về mức độ
tiếng ồn và tỏa nhiệt, xét các tiêu chí còn lại HĐLTN CCD có ưu thế hơn các HĐLTN còn lại.
Hiện nay, HĐLTN yếm khí vẫn được các nước đứng đầu về công nghệ đóng tàu quan
tâm phát triển. Nga xuất khẩu TN phi hạt nhân thế hệ thứ IV "Amur 1650"; Đức - tầu ngầm
thiết kế U-212 và U-214, Anh - "Upholder", Pháp - "Agosta-90B", Thụy Điển - "Viking"….
Để đánh giá định lượng các HĐLTN theo các tiêu chí nêu trong Bảng 1. Trong Bảng 2 trình
bày kết quả tổng hợp đặc tính một số TN phi hạt nhân của các nước đứng đầu về công nghệ
đóng TN [2, 3, 5, 7, 8, 10, 11, 14, 15, 17]. Trên Hình 6 là số liệu so sánh sự phụ thuộc của
hiệu suất (ηe, %) của HĐLTN yếm khí vào phụ tải (Ne/Nđm, %) [7, 14, 17].
Kết quả thống kê trong Bảng 2 cho thấy, vận tốc hành trình ngầm của các TN dùng
HĐLTN yếm khí khác nhau, gần bằng nhau, thời gian hoạt động (hay hành trình hoạt động
ngầm) của HĐLTN CCD tương đương với HĐLTN Fuel Cell và lớn hơn các HĐLTN yếm
khí còn lại. HĐLTN CCD chủ yếu được lắp trên TN có lượng giãn nước nhỏ, phù hợp với các
quốc gia có nhiều vùng nước nông.
Ta thấy, hiệu suất của HĐLTN kiểu Fuel Cell đạt ngưỡng cao ngay cả ở chế độ tải thấp
và có xu hướng giảm dần khi phụ tải tăng. Tuy nhiên, vùng hiệu suất thấp nhất của HĐLTN
kiểu Fuel Cell cũng lớn hơn hiệu suất cực đại của HĐLTN sử dụng động cơ nhiệt. Các
HĐLTN sử dụng động cơ nhiệt đều tuân theo quy luật là khi tăng phụ tải thì hiệu suất tăng,
trong đó HĐLTN kiểu CCD có hiệu suất cao nhất.
541


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Mẫu TN,
nước sản xuất

Bảng 2. So sánh đặc tính của một số TN phi hạt nhân
Lượng giãn nước Kiểu HĐLTN yếm khí;

Thời gian hoạt động,
ngầm, tấn
giờ;
vận tốc hành trình
số lượng; công suất,
ngầm,
dặm/giờ
kW

"Amur 1650",
Nga

2000

* Fuel Cell;
O2, H2

1080
3,5

U-214,
Đức

1980

* Fuel Cell;
2x120; O2, H2

300
4

U-212,
Đức

1830

* Fuel Cell;
2x34; O2, H2

336
3,5

"Upholder"
Anh,

2400

* Fuel Cell;
2x600; O2, H2

720
6

"Viking",
Thụy Điển

1500

Stirling;
2x600; O2, DO

336
4

"Gotland",
Thụy Điển

1490

Stirling;
2x75; O2, DO

4

"Collins",
Australia

1490

Stirling;
2x75; O2, DO

4

"Agosta-90В",
Pháp

1740

MESMA

2x200; O2, Ethanol

300
4

"Scorpene",
Pháp

1668

MESMA
1х200; O2, Ethanol

-

"Salvatore
Pelosi", Italy

1631

CCD

1080
4

TR-300,
Đức

450

CCD

-

S-300SS,
Italy

-

CCD

-

"Moray 1400",
Netherlands

960

CCD

-

Ghi chú: * Fuel Cell (Máy phát điện hóa) không phải là động cơ nhiệt nên chỉ giới thiệu mang
tính thống kê. DO - diesel oil (nhiên liệu diesel).
Xu thế phát triển HĐLTN hiện nay là kết hợp giữa HĐLTN chính với HĐLTN yếm khí
phụ, hoặc HĐLTN hỗn hợp gồm diesel-máy phát- ắc quy và HĐLTN yếm khí. Theo [11,
12], khi lắp HĐLTN yếm khí so với HĐLTN diesel-điện truyền thống thì lượng giãn nước
tăng lên không đáng kể, vận tốc hành trình ngầm giảm không nhiều, nhưng thời gian hoạt
động tăng đáng kể (nghĩa là tăng đáng kể tầm hoạt động ngầm của tàu ngầm) (Hình 7), chỉ
cần sử dụng năng lượng do HĐLTN yếm khí sinh ra mà không cần tiêu thụ điện năng đã tích

trữ trong ắc-quy.
4. KẾT LUẬN
Trên cơ sở phân tích nguyên lý, điều kiện làm việc, phạm vi sử dụng, hiệu suất của các
HĐLTN yếm khí sử dụng động cơ nhiệt, ta thấy:
542


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
- HĐLTN máy phát điện hóa hay phần tử nhiên liệu (Fuel Cell) là một loại HĐLTN
yếm khí không sử dụng động cơ nhiệt, chúng được sử dụng phổ biến làm HĐLTN phụ.
- Hiện nay,
HĐLTN yếm khí sử
dụng động cơ nhiệt
chủ yếu bao gồm:
kiểu CCD; dùng ĐC
Stirling; kiểu tua bin
hơi MESMA. Riêng
HĐLTN kiểu tua bin
hơi-khí ít được sử
dụng do chi phí khai
thác lớn.
- Nguyên lý
hoạt động chung của
HĐLTN kiểu CCD là
loại CO2 từ khí thải và
làm giàu ô xy cho hỗn
hợp môi chất công tác
cấp vào xy lanh ĐC
diesel. Nguồn cấp ô
xy có thể là ô xy được

tích trữ trong bình,
hoặc ô xy nhân tạo
thu được từ phản ứng
hóa học. HĐLTN
CCD chiếm ưu thế
trên các TN có lượng
giãn nước nhỏ, chúng
có hành trình hoạt
động ngầm là lớn nhất
(tương đương với
HĐLTN Fuel Cell).

ηe, %
60

1

50
40
30

2

20

3
4

10
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 Ne/Nđm, %

1 - kiểu Fuel Cell; 2 - kiểu CCD;
3 - kiểu ĐC Stirling; 4 - kiểu tua bin khơi MESMA
Hình 6. So sánh hiệu suất của HĐLTN yếm khí

%
600
400
200

0

550%
115%

100%
Lượng giãn
nước

HĐL diesel-điện+
+HĐL yếm khí

90%

100%
Vận tốc
hành trình

100%

HĐL diesel-điện

Thời gian
hoạt động

Hình 7. So sánh một số đặc tính của TN dùng HĐLTN kiểu
diesel-điện và HĐLTN hỗn hợp

- HĐLTN CCD có chi phí vận hành thấp và kỹ thuật khai thác đơn giản, cũng như thuận
tiện sử dụng các cơ sở hạ tầng sẵn có trên bờ (sử dụng các ĐC diesel thông thường). HĐLTN
Stirling và HĐLTN MESMA có một số ưu điểm so với HĐLTN kiểu CCD, đặc biệt là về
tiếng ồn, nhưng công nghệ chế tạo và kỹ thuật khai thác phức tạp, chúng ít được sử dụng hơn.

- Các HĐL sử dụng động cơ nhiệt đều tuân theo quy luật là khi tăng phụ tải thì hiệu suất
tăng. Trong đó, HĐLTN kiểu CCD có hiệu suất cao nhất, nếu khắc phục được vấn đề tiếng ồn
thì nó sẽ được ưu tiên sử dụng trong tương lại.
- Khi lắp đặt mới hoặc hoán cải HĐLTN kiểu diesel-điện truyền thống sang HĐLTN
yếm khí thì lượng giãn nước tăng lên không đáng kể, vận tốc hành trình ngầm giảm không
nhiều, nhưng tăng được đáng kể hành trình hoạt động ngầm của TN.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Carlo Kopp. Air Independent Propulsion - now a necessity // Defence Today. - 12/2010
[2] Kormilitsin Y.N. Experiense of Russia in the creation of submarines with AIP. Asian
Defence Journal, May, 1997.
[3] Kormilitsin Y.N., Khalizev O.A. The theory of submarine design. Great Britain. 2001. - 340p.
543


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[4] Romanov E.A., Romanov A.D. History of development of submarines with air
independent power installations in Russia and the USSR // Последние тенденции в
области науки и технологий управления. – 2013. Т. 1. – С. 171-181.
[5] Баданин В.А. Подводные лодки с единым двигателем. СПб.: «Гангут» 1998. - 286c.
[6] Быстров А.И., Левко А.Ф. Корабельные дизельные энергетические установки – Л.:
«Судостровение» 1989. - 320c.
[7] Дядик А.Н., Замуков В.В., Дядик В. А. Корабельные воздухонезависимые
энергетические установки. - СПб.: Судостроение, 2006. - 424 с.
[8] Замуков В. В., Сидоренко Д. В. Выбор воздухонезависимой энергоустановки
неатомных подводных лодок // Судостроение. - 2012. - № 4. - С. 29-33.
[9] Захаров И.Г. Концептуальный анализ в военном кораблестроении. СПб.:
Судостроение, 2001. - 264с.
[10] Кириллов Н.Г. Анаэробные установки на основе двигателей Стирлинга Перспективное направление и развития подводного кораблестроения в XXI в. //
Морской вестник. 2008. – №1(25). – С. 73- 76.
[11] Кормилицин Ю.Н., Хализев О.А. Устройства подводных лодок. Том II. СПб.:

Элмор, 2009. - 280 с.
[12] Кормилицин Ю.Н., Хализев О.А. Проектирование подводных лодок. СПб.: Элмор,
2004. -328 с.
[13] Романов А.Д., Чернышов Е.А., Романова Е.А. Сравнительный обзор и оценка
эффективности воздухонезависимых энергетических установок различных
конструкций // Современные проблемы науки и образования. 2013. – № 6. – С. 67.
[14] Сергеев Н., Яковлев И., Иванов С. Воздухонезависимые энергетические установки
современных дизельных подводных лодок. // Зарубежное военное обозрение. 2004. №6. С. 59- 63.
[15] Чернышов Е.А., Романов А.Д., Романова Е.А. Развитие подводных лабораторий //
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. –2014. –
№5. – С. 41-44.
[16] Чернышов Е.А., Романов А.Д., Романова Е.А. Разработка воздухонезависимой
энергетической установки на основе высокометаллизированного безгазового
топлива. //Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований.
– 2014. – №8. – С. 41 - 44.
[17] [truy cập 20/7/2015]
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

TS. Nguyễn Hà Hiệp, Bộ môn Động cơ/Khoa Động lực/Học viện Kỹ thuật quân sự
Email: , 0985045262.

2.

PGS.TS. Nguyễn Hoàng Vũ, Bộ môn Động cơ/Khoa Động lực/Học viện Kỹ thuật quân sự
Email: , 0913226206

3.

KS. Phạm Văn Hạ, Bộ môn Động cơ/Khoa Động lực/Học viện Kỹ thuật quân sự

Email: , 0906178489

544