Академия перефразирования и рерайта

ВОЗДУХОНЕЗАВИСИМЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ
Краткая история развития ВНЭУ ПЛ
В настоящее время состав энергетической установки ДЭПЛ не претерпел принципиальных изменений с начала ХХ века, единственным заметным новшеством является появление полностью электрической двигательной установки. Тем не менее, традиционная концепция дизель-электрической подводной лодки в значительной степени вышла из моды и была вытеснена термином НАПЛ (неатомная подводная лодка). Очевидным недостатком ДЭПЛ является необходимость периодического подъема на перископную глубину для подзарядки аккумуляторов — уязвимость, которую легко может использовать современная аппаратура слежения. Таким образом, необходимость создания всережимной воздухонезависимой силовой установки становится первостепенной задачей. Примечательно, что исследования ВНЭУ начались одновременно с появлением подводных лодок. Первая российская ВНЭУ, реализованная на корабле «Почтовый» конструкции С.К. Джевецкого в 1919 году ознаменовало освоение Россией технологии ВНЭУ, истоки которой восходят к усилиям Джевецкого в 1906 году.
На поверхности корабля воздух подавался к двум бензиновым двигателям Panhard-Levassor, мощность каждого из которых составляла 130 л.с. В подводной конфигурации, когда один двигатель остается работоспособным, воздух хранится в 45 баллонах под давлением 20 МПа через впускной люк. Запас воздуха составляет примерно 11 кубометров, обеспечивая работу бензинового двигателя в течение четырех часов. Затем отработанный воздух выбрасывается из резервуара через компрессор. Кроме того, генератор облегчает работу рулевого механизма и освещает площадку, компенсируя потери маршевого электродвигателя и аккумулятора.
Строительство подводной лодки «Почтовый» началось в 1906 году, а 30 сентября 1908 года судно было официально введено в эксплуатацию Российским императорским флотом. Хотя испытания подводной лодки подчеркнули маневренность ВНЭУ, она осталась единственной итерацией. К основным недостаткам подводной лодки относились повышенный уровень шума, сложность конструкции ВНЭУ, необходимая квалификация обслуживающего персонала, а также заметное появление пузырьков воздуха на поверхности моря во время подводных маневров «Почтового».
Возобновление работ по созданию ВНЭУ для подводных лодок произошло в 1930-е годы на территории Советского Союза. Такие установки, как РЕДО, ЭД-ВВД и ЭД-ХПИ, положили начало движению по развитию электростанций. ВНЭУ с химическими поглотителями выхлопных газов предназначалась для подводной лодки проекта М-401, реализация которой завершилась в 1941 году. Впоследствии, в 1950-х годах, группа из 30 подводных лодок, получивших обозначение подлодок проекта А615, была оснащена ЭД-ХПИ [1].
В электростанциях этого типа выхлопные газы, выходящие из дизельных двигателей, попадают в газоохладитель, где они подвергаются процессу охлаждения, способствуя удалению водяного пара и некоторых механических примесей. Впоследствии газы проходят через специальные химические фильтры, где они претерпевают трансформацию, выделяясь в виде углекислого газа и подвергаясь нагреванию в результате химической реакции. После прохождения через фильтр газы подвергаются еще одному циклу удаления лишней воды, обогащаются кислородом и поступают в камеру дизельного топлива. Примечательно, что на подводных лодках, оснащенных этим типом двигателя, часто регистрируются аварии, что подчеркивает повышенную опасность, связанную с этим вариантом ВНЭУ.
Германия также сыграла ключевую роль в развитии подводных лодок с двигателем внутреннего сгорания, получившим название «Kreislauf», что в переводе с немецкого означает «поворот». Создание этого двигателя восходит к Германии 1930-х годов, кульминацией которого стало его завершение во время Второй мировой войны. На этих подводных лодках проекта U-798 возникла необходимость установки электрогребных двигателей в паре с аккумуляторами из-за повышенного уровня шума и вибрации, создаваемых дизельными двигателями, что делало их уязвимыми для шумопеленгаторов противника, а также затрудняло эффективное использование их гидроакустических зондов.
Силовая установка подводной лодки, реализуемой в рамках проекта U-798 содержит 25 тонн газообразного кислорода, хранящегося в балонах, под давлением 40 МПа, а также 40 тонн криогенного кислорода, хранящегося в баллонах Дьюара. Хельмут Вальтер признан пионером, который обратил внимание на интригующий феномен воспламенения топлива в присутствии перекиси водорода без взаимодействия с атмосферным воздухом. После этого плодотворного наблюдения немецкий инженер в 1933 году приступил к дальнейшим исследованиям, обнаружив эффективные катализаторы, способствующие этому процессу, среди которых наиболее заметными являются перманганат натрия и перманганат кальция. Эти катализаторы ускоряли разложение перекиси водорода, приводя к быстрому и почти мгновенному распаду. Следовательно, при разложении 1 кг 80%-ной перекиси водорода образуется 0,375 кг кислорода, 0,625 кг воды и выделяется около 2300 кДж тепла.
В 1936 году Крупп возглавил строительство революционной подводной лодки ВНЭУ мощностью 1400 л.с. с парогазовой турбиной, данный аппарат работал по так называемому «холодному» принципу. В рамках этой инновационной конфигурации электростанции перекись водорода нашла свое хранилище в эластичных мешках, расположенных снаружи устойчивого к давлению корпуса подводной лодки. На насос была возложена задача по транспортировке пероксида в специальную камеру разложения, где продукты реакции, представленные водяным паром и кислородом, начали свой путь в турбину, где температура достигала 454°C, а давление достигало 3 МПа. Впоследствии кинетическая энергия турбины способствовала приведению в движение гребного вала через коробку передач, в которой находился гребной двигатель с батарейным питанием. Вращательное движение гребного вала, дополненное наличием разделительной муфты и первичного упорного подшипника, приводило в движение гребной винт, толкая судно вперед.
После рабочего цикла турбины полученная смесь выбрасывалась за борт, вызывая последующую потерю кислорода и одновременно вызывая образование характерных пузырьковых следов на поверхности воды. Этот стратегический механизм утилизации не только способствовал устранению остатков выхлопных газов, но и подчеркнул сложный баланс между эффективностью двигательной установки и эксплуатационными соображениями в морской сфере.
Этот вариант ВНЭУ нашел свое применение на борту подводной лодки W-80, построенной в 1940 году, в частности установившей для того времени рекордную подводную скорость в 28,1 узла. Последующие достижения в технологии ВНЭУ привели к разработке решения, основанного на «тепловом» принципе, впервые предложенном Уолтером, с использованием перекиси водорода в качестве основного агента. В этой конфигурации топливо вводится в камеру сгорания вместе с побочными продуктами разложения перекиси водорода.
В эксплуатационной динамике ВНЭУ дизельное топливо берет на себя роль углеводородного топлива. В ходе работы дизельное топливо, перекись водорода и пресная вода тщательно подаются к трем распределительным насосам через подкачивающие насосы. Перекись водорода попадает в камеру разложения через специальное сопло, где она подвергается разложению, катализируемому катализатором, с выделением большого количества тепла и выделением кислорода и водяного пара. Далее образующаяся парокислородная амальгама поступает в камеру сгорания, где пересекается с дизельным топливом, воспламеняющимся в среде, обогащенной кислородом. Чтобы смягчить скачок температуры внутри камеры сгорания и тем самым предотвратить перегрев, вводится поток пресной воды, эффективно нагревающий парогазовую смесь примерно до 500°C. Зажигательная смесь, представляющая собой сплав инголена и перекиси водорода, играет решающую роль, воспламеняясь примерно при 500°C, тем самым способствуя воспламенению практически любого топливного субстрата.
Полученная парогазовая смесь, содержащая 14% CO и 86% H2O, поступает в турбину при давлении около 3,7 МПа. Затем смесь отходов направляется по траектории к конденсатору, где она подвергается сегрегации, при этом окись углерода и другие газы, образующиеся при горении, накапливаются в верхней камере, а затем выбрасываются из резервуара через компрессор. Одновременно конденсатный насос обеспечивает реинтеграцию воды в контур, в то время как избыток конденсата систематически выбрасывается за борт. Энергия вращения, передаваемая турбиной, используется для приведения в движение карданного вала через коробку передач, при этом основной гребной двигатель облегчает передачу энергии вращения, еще больше увеличивая тяговую силу.
Проверочные испытания, проведенные на подводной лодке, оснащенной ВНЭУ Г. Вальтера, подтвердили, что на глубине 18 метров заметные следы пузырьков выхлопных газов проникли на поверхность воды, что сделало судно заметным. Подводные лодки, работающие на глубине от 30 до 40 метров, привели к образованию тонких, но различимых дорожек, характеризующихся крошечными пузырьками CO2, украшающими поверхность воды, что символизирует тонкое взаимодействие между рабочей глубиной и возникающими в результате явлениями выхлопа.
Работая по «тепловому» принципу, ВНЭУ имени Г. Вальтера требует примерно 1,5 тонны дизельного топлива на каждые 15 тонн 80-процентной перекиси водорода, которая тщательно обрабатывается, чтобы исключить загрязнение серой и тем самым предотвратить образование серной кислоты.
После кульминации Второй мировой войны в 1956 году наша страна приступила к строительству экспериментальной подводной лодки S-99, используя идеи, почерпнутые из проекта 617, и конфискованные материалы, полученные из Германии. Однако срок эксплуатации этой подводной лодки был омрачен серией серьезных аварий, подчеркивающих неизбежные риски, связанные с новаторскими технологическими начинаниями.
Параллельно Великобритания пыталась разработать подводные лодки с газотурбинными установками, черпая вдохновение из немецкого опыта. К сожалению, нерешенные проблемы, связанные с взрыво- и пожаробезопасностью, помешали дальнейшему продвижению в этой области, что привело к прекращению в Великобритании разработки подводных лодок в этом направлении.
Одновременно с этим Соединенные Штаты приступили к строительству дизельной электростанции с замкнутым рабочим циклом, использующей жидкий кислород в качестве окислителя, с фундаментальными идеями, заимствованными из немецкой техники. Впоследствии при разработке ЭУ жидкий кислород был заменен перекисью водорода, что ознаменовало смену парадигмы конфигурации электростанции.
С началом строительства атомного подводного флота интерес к обычным ВНЭУ среди крупнейших судостроительных стран резко упал. Тем не менее, начиная с 1980-х годов, в мировой судостроительной отрасли возникла заметная тенденция, направленная на возрождение ВНЭУ для нелодочных судов, чему способствовал возобновившийся интерес и технологические достижения.
Европейские страны, совместно с технологией VNEU, способствовали совместным усилиям, направленным на поддержку программ подводных лодок, примером чему служат такие инициативы, как «Апхолдер» (Великобритания), Agosta-90, Scorpen (Франция), Viking (Швеция) и Advanced Sauro (Италия). Одновременно в подводном судостроении стали популярны четыре основных типа воздухонезависимых устройств, в том числе системы на основе ЭКГ, двигатели внутреннего сгорания, двигатели Стирлинга и ПТУ типа MESMA.
Комплексное сравнение различных типологий НАПЛ представлено в Таблице 1, которая представляет собой группировки, описывающие технологическии и эксплуатационные характеристики, присущие каждому варианту.
Сравнение НАПЛ различных типов представлено в табл. 1.
Отличительной особенностью современных дизель-электрических подводных лодок, возникшей на ранних этапах развития конструкции данных подводных аппаратов и существенно снижающей их боевую эффективность, является требование периодического подъема на перископную глубину в погруженном состоянии для пополнения своих запасов, аккумуляторов с использованием оборудования для подзарядки дизельных двигателей (РДП).
ВНЭУ на основе ДВС, работающих по замкнутому циклу
Эволюция подводных лодок стала свидетелем перехода от газовых двигателей и паровых турбин к появлению двигателей внутреннего сгорания. Последние стали предпочтительным выбором из-за присущих им преимуществ, включая более простую конструкцию, меньший вес и повышенную эффективность по сравнению с паровыми электростанциями. Несмотря на эти преимущества, возникли проблемы, связанные с работой двигателей внутреннего сгорания в подводном положении, что потребовало решения двух основных проблем: обеспечения кислорода для сгорания топлива и создания системы удаления выхлопных газов.
В 1878 году русский изобретатель И.С. Костович предложил конструкцию двигателя внутреннего сгорания, способного работать под водой. Хотя теоретические расчеты подтвердили осуществимость конструкции подводной лодки, Морской научный комитет отклонил ее строительство, сославшись на непрактичность для боевых действий. Следовательно, подробное раскрытие структуры и процесса работы ВНЭУ было сочтено излишним.
В 1901 году французские конструкторы Бертен и Петитомм представили подводную лодку, оснащенную дизельным двигателем мощностью 172 л.с. Воздух для горения подавался через баллоны высокого давления, а выхлопные газы сжимались компрессором и выбрасывались за борт. Однако к заметным недостаткам относились громоздкая система хранения воздуха и значительное энергопотребление компрессора. Эта конструкция имела сходство с вышеупомянутой подводной лодкой С.К. Джевицкий.
Критическое ограничение этого варианта подводной лодки заключалось в ограниченном запасе окислителя. Учитывая, что азот не играл никакой роли в сгорании топлива, актуальной проблемой стала возможность использования чистого кислорода на борту подводных лодок и его хранения в виде сжатых газов или жидкостей при низких температурах.
Принцип работы двигателя внутреннего сгорания в замкнутом газокислородном цикле предусматривал два подхода: повторное использование выхлопного азота в качестве инертного наполнителя с добавкой кислорода или постепенное замещение азота углекислым газом наряду с добавкой кислорода. В 1912 году русские представили новую конструкцию двигателя внутреннего сгорания.
М.Н. Никольский, военно-морской стажер, в 1912 году предложил одномоторную схему, в которой выхлопные газы дизельного двигателя направлялись в химический фильтр для удаления углекислого газа. Остаточный азот затем смешивался с кислородом и вновь вводился в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания. Последующие попытки были предприняты в 1914 году по внедрению предложенного ВНЭУ на существующих подводных лодках; однако начало Первой мировой войны и последовавшая за ней Октябрьская революция прервали дальнейшие исследования в этой области.
В 1935 году конструктор С.А. Базилевский представил концепцию ВНЭУ, что стало важной вехой в развитии подводных двигательных установок. Работая под водой, ВНЭУ использовала жидкий кислород в соответствии с программой REDO (Регенеративный двигатель специального назначения). В рамках этого процесса процесс предусматривал направление выхлопных газов дизеля в газоохладитель, где они подвергались охлаждению и сепарации для удаления конденсата и механических примесей. После добавления кислорода полученную смесь направляли во впуск дизельного топлива. Примечательно, что последовало постепенное замещение азота углекислым газом, при этом избыток углекислого газа систематически удалялся из системы. Экспериментальная подводная лодка с бортовым номером П-1 была сдана на испытания, испытания продолжались до начала войны.
В 1936 году Б.Д. Злотопольский предложил устройство IVR, предназначенное для облегчения растворения углекислого газа в морской воде, тем самым предлагая альтернативный подход к удалению углекислого газа по сравнению с устройством REDO. В устройстве IVR использовался метод абсорбции для удаления углекислого газа из выхлопных газов, при этом процесс варьировался в зависимости от используемого поглотителя и охватывал как физические (растворение углекислого газа в воде), так и химические (абсорбция щелочью) методы.
Динамика работы установки IVR поясняется следующим образом: весь поток выхлопных газов после прохождения через глушитель-охладитель и сепаратор направляется в башню абсорбера, где он через сопла соединяется с забортной водой. Происходит интенсивная очистка газа, способствующая растворению углекислого газа, с последующим откачиванием полученного раствора из резервуара. Остаточная часть, преимущественно содержащая азот, подвергается сепарации и впоследствии направляется в цилиндры двигателя внутреннего сгорания после подачи кислорода.
Несмотря на достаточно успешные стендовые испытания, инициатива IVR столкнулась с перерывами, вызванными началом войны. После конфликта возобновление IVR было упреждено, при этом приоритет отдавался более многообещающим альтернативам.
В 1939 году И.П. Янкевич предложил установку ЭД-ВВД (единый двигатель для сброса выхлопных газов в воду – дизель), представляющую собой отход от парадигмы REDO. Заметные отличия включали исключение конденсатора CO2 и баллонов высокого давления из замкнутого цикла. Преимущественно большая часть выхлопных газов проходит через газоохладитель и сепаратор перед входом в газовый смеситель, где происходит вливание кислорода перед подачей в дизельный двигатель. Излишки выхлопных газов оперативно удалялись с помощью компрессора, а затем направлялись в струи пропеллера через специальный распыляющий аппарат.
В период с 1949 по 1950 год подводная лодка Р-1 прошла переоборудование под систему ЭД-ВВД, служившую полигоном для комплексных оценок, включая эксплуатационные испытания.
В послевоенную эпоху установки, использующие CPI, получили преимущество. По постановлению правительства от 31 июля 1953 года была разработана серия подводных лодок проекта А615, оснащенных системой ЭД-ХПИ. Всего с 1953 по 1962 год было тщательно построено и введено в состав ВМФ 30 подводных лодок А615.
Среди них было построено 29 малых подводных лодок А615 водоизмещением 406 тонн. Благодаря трехосной силовой установке с бортовым дизелем М-50Ф (700 л.с.) и средним дизелем 32Д (900 л.с.), а также баками с жидким кислородом система ХПИ обеспечивала максимальную скорость под водой 15 узлов, в надводном положении — 16,1 узла. . Примечательно, что дальность подводного плавания увеличилась до 410 миль при экономичной скорости 3,5 узла.
Однако заметным недостатком эксплуатации подводных лодок с ВНЭУ в газокислородном цикле является присущая жидкому кислороду летучесть, предрасполагающая к потенциально серьезным аварийным ситуациям. К сожалению, эта проблема осталась нерешенной, что привело к гибели двух подводных лодок программы А615 из-за аварий.
После обширных поисков и консультаций с Ленинградским ЦКБ-18 (ныне ОАО ЦКБ МТ «Рубин») под руководством А.С. Касазир, был задуман проект 637. В этом проекте в составе ВНЭУ малых подводных лодок внедрено новое вещество в качестве вещества - окислителя топлива и поглотителя углекислого газа, направленное на облегчение работы дизеля по замкнутому циклу. В качестве вещества выбран продукт Б-2 на основе супероксида натрия (порошковая смесь NaO2 и Na2O2), разработанного в Научной лаборатории пероксидов СССР АН СССР под руководством И.А. Казарновский. Примечательно, что при использовании Б-2 отпала необходимость в жидком кислороде: вместо этого ВНЭУ вырабатывала кислород из твердого Б-2 (технического супероксида). Характерной особенностью продукта B-2 является его реакция с водой, в результате которой образуется кислород и щелочь в количествах, достаточных для поглощения всего углекислого газа, образующегося при сгорании предписанного органического топлива.
2NaO2 + H2O → 2NaOH + 1,5O2 + q1, NaO2 + H2O → 2NaOH + 0,5O2 + q2, CO2 + 2NaOH → N2CO3 + H2O - q3.
В том ВНЭУ для сжигания 1 кг дизельного топлива требовалось 8-9 кг супероксида. Подводная лодка М-261, оснащенная ВНЭУ на базе изделия Б-2, была спущена на воду в июле 1959 года; однако заводские испытания были остановлены в 1960 году.
Аналогичные попытки разработать ВНЭУ для подводных лодок предпринимались на международном уровне. Например, в 1936 году немецкий инженер Рудольф Эррен разработал проект единственного двигателя, предназначенного для применения на подводных лодках. В его конструкции предлагался двигатель внутреннего сгорания, сконфигурированный для работы в обычном режиме при всплытии подводной лодки, но перешедший на замкнутый топливно-воздушный контур под водой с водяным паром, введенным в качестве охлаждающего балласта. Это включало подачу водорода и кислорода в цилиндры двигателя в точных пропорциях. Во время такта всасывания подавалась смесь кислорода и пара, а во время сжатия вводился водород. В результате сгорания водорода в кислороде образовался водяной пар, который впоследствии конденсировался. Примечательно, что конденсат направлялся в специализированный резервуар для электролиза — процесса, разработанного соотечественником Эррена доктором Ноггеретом, позволяющего получать из воды кислород и водород высокой чистоты.
Такой подход обеспечил сохранение эксплуатационной мощности электростанции, поскольку побочные продукты реакции, в том числе вода, сохранялись для дальнейшего использования, исключая сброс за борт. Работа электролизной емкости и пополнение баллонов кислородом и водородом осуществлялись за счет электроэнергии, вырабатываемой обычным дизель-генератором во время надводных операций подводной лодки.
В Соединенных Штатах кислородная электростанция Эллис была построена в 1951 году, однако во время испытаний она столкнулась с многочисленными проблемами и осложнениями, что привело к изменению стратегии в 1952 году в сторону использования перекиси водорода вместо кислорода. Однако это изменение значительно повысило риск возгорания и взрыва. Ключевой инцидент произошел в 1958 году, когда на X-1, приводившемся в движение дизельным двигателем, работающим на перекиси водорода, произошел катастрофический взрыв, который привел к серьезным повреждениям и прекращению исследований в Соединенных Штатах в этой области.
Между тем, с 1946 по 1956 год Лаборатория двигателей Советского Союза также занималась разработкой дизельной электростанции, использующей высокие концентрации перекиси водорода (продукты ВПВ) в качестве окислителя. Практически реализована стендовая установка, работающая по заданной схеме: ВПВ из гибкого корпуса поступали в реактор, где происходило каталитическое разложение в диапазоне давлений 2-3 МПа. Далее парокислородная смесь температурой 500°С поступала во впускной коллектор дизеля, расширяясь и совершая полезную работу внутри цилиндров. После фаз сжатия, подачи масла, самовоспламенения, расширения и выпуска выхлопные газы поступали в газоохладитель, при этом отбор конденсата и выпуск газовой фазы осуществлялись с помощью компрессора с корабля.
К середине 1950-х годов СССР и другие страны были близки к завершению разработки ВНЭУ, способных функционировать независимо от атмосферы, причем основное их размещение осуществлялось на дизельных подводных лодках. Однако появление атомных энергетических установок, дающих существенные преимущества перед ВНЭУ для более крупных подводных лодок, привело к прекращению работ в этой перспективной области. Лишь во второй половине 20-го века как внутренний, так и международный интерес к двигателям внутреннего сгорания замкнутого цикла возродился.
При использовании на нелодочных судах двигатели внутреннего сгорания замкнутого цикла могут обеспечивать подводное движение в пределах ограничений полной автономности судна. Тем не менее, эксплуатация двигателей замкнутого цикла имеет свои сложности.
Композиции искусственных газов, включающие значительные количества трехатомных газов, таких как диоксид углерода (CO2) и водяной пар (H2O), обладают более высокой теплоемкостью по сравнению с воздухом, тем самым вызывая определенную степень ухудшения эксплуатационных характеристик двигателя. Это проявляется в снижении давления в конце сжатия (pc) и температуры (Tc), уменьшении степени наддува и увеличении задержки самовоспламенения топлива. Следовательно, это приводит к уменьшению значений pz и Tz. Примечательно, что сгорание топлива в цилиндре дизеля происходит при нормальных условиях расхода топлива (293 К и 1,013-105 Па), причем по линии расширения наблюдается значительное догорание, приводящее к повышенным температурам выхлопных газов. Для улучшения этих условий процесса температуру газовой смеси повышают до 383 - 403 К, обеспечивая равенство с температурами сжатия при работе с воздухом. Однако двигатели внутреннего сгорания дают меньшую выходную мощность по сравнению с их воздушно-зависимыми аналогами.
В Германии Риккардо возобновил работы над установкой типа «Крейслауф». На протяжении всего периода строительства станции значительное внимание уделялось методам удаления углекислого газа из контура. Были изучены различные подходы, в том числе растворение углекислого газа в морской воде в специализированном скруббере с повторным введением избыточного кислорода в цикл двигателя. Кроме того, были проведены исследования целесообразности использования перекиси водорода в электростанции, оснащенной парорасширительной установкой с приводом от пара кислорода, связанной с передней частью двигателя. Энергия, вырабатываемая этим паровым двигателем, используется для приведения в движение компрессора, доставляющего охлажденные продукты сгорания в скруббер под давлением морской воды. Экспериментальные испытания проводились на силовой установке двигателя внутреннего сгорания мощностью 25,8 кВт и 43,1 кВт. Эти силовые установки, включающие в себя двигатель внутреннего сгорания ZT, находят применение в подводных аппаратах для облегчения рециркуляции продуктов сгорания. Однако в Германии эти инициативы не получили дальнейшего развития.
Криогенное хранение кислорода в сосудах с вакуумной изоляцией при давлении, превышающем глубину погружения, может поддерживать низкую летучесть газа и поддерживать его криогенное состояние в течение длительных периодов времени, часто охватывающих 2-3 недели и более. Как указывалось ранее, перевод дизельного топлива из атмосферы в искусственную газовую смесь (AGM) имеет тенденцию к снижению термического КПД его индекса и цикла. Когда индекс изоляции IGS приближается к 1,4, как у воздуха, улучшения тепловых свойств IGS можно добиться путем введения в замкнутый контур инертного газа, такого как аргон.
Итальянские инженеры скрупулезно углубились в исследование двигателей внутреннего сгорания GC. Компания «Мариталия» инициировала несколько проектов по созданию двигателей внутреннего сгорания для несамоходных подводных лодок водоизмещением до 2800 тонн.
Следовательно, на экспериментальном непогружаемом аппарате этот дизельный двигатель был модифицирован для облегчения работы в замкнутом цикле, выдержав ошеломительные 25 000 часов в подводных условиях. В 1982 году компания Maritalia представила СМПЛ (проект IMI-35) с дизельным двигателем, рассчитанным на работу по замкнутому циклу. К 1986 году во время испытаний судно достигло впечатляющей глубины в 350 метров.
В октябре 1988 года та же компания представила SMPL, получивший обозначение 3-GST9. Созданный для разведывательных и диверсионных задач на базах, гаванях и стоянках противника, ему также было поручено оказывать помощь терпящим бедствие подводным лодкам. Тактико-технические характеристики судна включают длину 9,55 метра, диаметр корпуса 2,2 метра, надводное водоизмещение 27 тонн, подводное водоизмещение 30 тонн, скорость в полном подводном положении 8 узлов.
SMPL может похвастаться корпусом, изготовленным из сваренной по кругу стальной трубы с внешним диаметром 7,5 см и толщиной стенок примерно 1 см. Такая конструкция корпуса выполняет двойную функцию: содержит газообразный кислород под давлением 35 МПа и временно хранит выхлопные газы. Обладая тем же качеством корпуса, что и у обычных подводных лодок, прочность корпуса, построенного из кольцегнутых труб, увеличена в пять раз, что позволяет СМПЛ достигать глубины до 400 метров. Кроме того, SMPL спроектирован для хранения газообразного кислорода под давлением 35 МПа, а также временного хранения выхлопных газов.
Одной из основных задач, решаемых на этапе проектирования этой СМПЛ, было обеспечение максимальной маскировки от активных и пассивных средств обнаружения противника. Для этого прочная внешняя оболочка покрыта двумя слоями звукоизоляции, что снижает отражение гидроакустических сигналов минимум на 50 процентов, а ее круглая трубчатая форма эффективно минимизирует внутренний шум. Дополнительно с этой же целью были установлены амортизаторы.
ВНЭУ оснащен дизельными двигателями замкнутого цикла Isotta-Fraschini мощностью 60 л.с., работающими на запасе кислорода, что позволяет преодолевать расстояния 200 миль на скорости 6 узлов и 100 миль на скорости 8 узлов. Очищенные и нейтрализованные выхлопные газы направляются в бескислородное пространство внутри кольцевого пространства внешней оболочки. Это нововведение устраняет потери мощности, связанные с противодавлением, и повышает скрытность подводной лодки. На этапе испытаний экспериментальный энергоблок наработал впечатляющие 25 000 часов, при этом проект предполагает увеличение подводной дальности до 600 миль (при скорости 6 узлов) за счет увеличения кольцевого диаметра корпуса до 203 мм. Кроме того, судно оснащено генератором и питается от аккумуляторов.
Еще одно примечательное начинание связано с использованием двигателей внутреннего сгорания на борту подводных лодок ВМС Италии. Ведутся переговоры по оснащению итальянской подводной лодки Salvatore Pelosi (S-524) дизельной установкой замкнутого цикла. Помимо этого непогружаемого корабля, Италия разработала проект подводной лодки водоизмещением 2800 тонн, оснащенной двумя дизельными двигателями ZT мощностью 4412 кВт каждый. При обеспечении криогенным кислородом на неатомной подводной лодке достигается дальность плавания 5000 миль на скорости 4 узла. Малошумный режим работы ВНЭУ поддерживается за счет использования аккумуляторного электродвигателя.
Помимо Германии и Италии, интерес к двигателям внутреннего сгорания выразили эксперты в Великобритании и США. Примечательно, что в Соединенном Королевстве исследования в этой области проводятся факультетом морской инженерии Университета Ньюкасла с 1979 года. В результате в начале 1980-х годов возникла немецкая фирма Nordseewerke (NSWE), использовавшая идеи Университета Ньюкасла. Работа Ньюкасла по разработке системы двигателя внутреннего сгорания, адаптированной для несамоходных подводных лодок.
В период с 1986 по 1991 год NSWE предприняла строительство наземной испытательной установки для моделирования судовых установок, первоначально рассчитанной на мощность 150 кВт для работы на проектной глубине 430 м, а затем установку мощностью 500 кВт для испытаний, имитирующих глубины до 500 м. Успех этих испытаний ознаменовал начало новой эры в развитии технологий подводной промышленности, открыв путь к инновационным разработкам в энергосистемах подводных судов.
Основываясь на успехе наземной испытательной установки, NSWE приступила к проведению испытаний силовой установки на реальной подводной лодке. На базе списанной с 1991 по 1992 год подводной лодки типа 205 «Экс-У-1» строгие испытания прошла дизель-генераторная установка третьего поколения с дизельным двигателем МТУ 183 ТЭ52 мощностью 250 кВт. Были реализованы меры по акустической оптимизации для обеспечения оптимального снижения шума в рабочей среде.
Обширные исследования и эксперименты привели к оптимизации компоновки устройств на борту подводной лодки, а также к разработке новых компонентов, таких как шумоподавляющие глушители. Надежность дизель-генераторной установки постоянного тока была подтверждена более чем 20 погружениями и 260 часами установки и эксплуатационных испытаний.
В конце 1990-х годов началось строительство первой подводной лодки, оснащенной автономной авиационной силовой установкой. Сравнительный анализ продемонстрировал однозначные преимущества дизель-генераторов постоянного тока перед другими типами ВНЭУ, в частности, по экономичности, технологичности, доступности топлива и реагентов, а также превосходным акустическим характеристикам. Следовательно, NSWE решила возобновить усилия, направленные на модернизацию дизель-генераторной установки GC, используя знания, полученные в ходе производства нового дизель-генератора, внедряя передовые меры акустической защиты и опираясь на эксплуатационные данные, полученные на подводной лодке Ex-U-1.
На новой установке представлена серия дизельных двигателей MTU 8V 2000, оснащенных системой линейного впрыска топлива под высоким давлением и электронной системой управления оптимизацией подачи топлива. Кроме того, электронное управление способствует более плавному сгоранию топлива, что приводит к значительному снижению шума и вибрации, исходящих от дизельного двигателя.
Усовершенствования включают увеличение степени сжатия до 15,2 (по сравнению с 14,25 для дизельного двигателя 8 V183, используемого в Ex-U-1), а турбокомпрессор теперь обеспечивает давление 2,8 бар по сравнению с предыдущими 2,1 бар. Эти усовершенствования позволяют увеличить выходную мощность и использовать резервы мощности, тем самым снижая рабочую нагрузку дизельного двигателя и минимизируя динамические силы в источнике, что в конечном итоге увеличивает срок службы и снижает уровень шума двигателя.
Системы автоматического управления, разработанные специально для дизель-генераторов, оптимизируют их работу по двум основным параметрам. Первый параметр направлен на достижение минимального расхода топлива дизельного двигателя при любом заданном значении мощности в зависимости от нагрузки за счет плавного регулирования скорости вращения, в отличие от обычных агрегатов с постоянной скоростью. При этом второй важнейший параметр предполагает использование высокочувствительной системы управления работой генератора, позволяющей снизить влияние резких изменений в энергосети подводной лодки на работу дизеля.
Для поддержания режима работы дизеля замкнутого цикла применяется специализированное оборудование. Выхлопные газы дизельного двигателя обычно достигают температуры около 450°C и содержат углекислый газ, аргон, водяной пар и остаточный кислород. Этот газ подвергается процессу охлаждения, чему способствует закачка морской воды, в результате чего его температура снижается примерно до 80°C перед поступлением в абсорбер. Внутри поглотителя углекислый газ растворяется в морской воде, а водяной пар конденсируется. Для повышения эффективности потоки воды и выхлопных газов в абсорбере движутся навстречу друг другу через вращающуюся решетку, увеличивая их контактную поверхность. Причем давление газа поддерживается как можно более высоким, чтобы максимизировать количество углекислого газа, растворенного в компактном поглотителе, обычно определяемое рабочим давлением в цилиндре дизельного двигателя (в системах с замкнутым контуром давление обычно находится в пределах от 3 до 5 бар). ).
После прохождения абсорбера газы проходят через водоотделитель и затем смешиваются с необходимым количеством кислорода, дополненного аргоном. Эта газовая смесь кислорода и аргона хранится в жидкой форме в комбинированном криогенном резервуаре с вакуумной изоляцией на борту подводной лодки. Впоследствии он направляется в дизельный двигатель после проверки наличия кислорода, обеспечивая оптимальную работу двигателя.
Для работы газоохладителей и поглотителей необходима морская вода, которая подается и возвращается через специализированную систему управления, известную как система управления водными ресурсами (WMS). Поскольку глубина подводной лодки меняется, меняется и давление морской воды, что побуждает использовать сложную механическую систему для регулировки объема морской воды (переменное давление) и поддержания постоянного давления внутри системы, тем самым сводя к минимуму потери энергии из-за трения и утечек. Этот процесс гарантирует, что газ полностью растворится в обратной воде, предотвращая образование пузырьков воздуха и тем самым сохраняя скрытность подводной лодки.
Все компоненты испытательного стенда и его фундамент надежно закреплены на платформе и установлены на основании с помощью виброизоляторов, имитирующих условия пребывания на подводной лодке. Установка состоит из двух основных компонентов: модуля дизель-генератора, размещенного в акустическом кожухе, и модуля газовой системы замкнутого цикла, содержащего звукопоглотители, систему WMS, насосы и другое необходимое оборудование. Оба модуля крепятся к платформе с помощью виброизоляторов, образуя вместе с виброизоляторами платформы двухступенчатую систему демпфирования. Чтобы свести к минимуму передачу звуковой энергии через неподдерживаемые соединения, все соединительные компоненты стратегически расположены внутри модулей.
Установка двигателя внутреннего сгорания LC прошла наземные испытания и может быть сравнительно легко интегрирована в отдельный отсек строящихся или ремонтируемых подводных лодок. Благодаря относительно компактным размерам полностью автономная установка может быть размещена в камере длиной менее 8 метров, а ее мощность позволяет подводным лодкам развивать максимальную скорость от 5 до 8 узлов. Примечательно, что существенным преимуществом перед обычными дизель-генераторами является примерно пятикратное увеличение дальности подводного плавания, обеспечиваемое этой новой системой.
При этом акустические свойства разработанной системы замкнутого цикла полностью соответствуют жестким требованиям по шумности современных экспортных подводных лодок при работе в малошумном режиме. Кроме того, устранение следов воздушных пузырей дополнительно способствует сохранению скрытности и скрытности подводной лодки.
ВНЭУ на основе двигателя Стирлинга
Горячий поршневой двигатель с внешним подогревом (ESHT), разработанный Робертом Стирлингом в 1816 году, представляет собой значительный отход от традиционных двигателей внутреннего сгорания. В отличие от обычных двигателей, в которых рабочее тело нагревается за счет сгорания топлива, в двигателе Стирлинга газ, служащий рабочим телом, нагревается за счет окружающих горячих стенок. Эта уникальная конструкция позволяет повторно использовать рабочую жидкость в нескольких циклах, что отличает ее от аналогов внутреннего сгорания.
Однако, несмотря на новаторскую конструкцию, широкому внедрению двигателя Стирлинга препятствовали технологические ограничения, особенно в металлургии, которая практически не изменилась с XIX века. Неспособность разработать надежно работающий двигатель с высокочастотным циклом Стирлинга (HFSC), который мог бы эффективно конкурировать с другими тепловыми двигателями, привела к периоду застоя и пренебрежения концепцией двигателя Стирлинга.
Лишь в середине 20-го века технологические достижения возродили интерес к концепции технологии двухобъемных поршней (DVPT). Эти технологические прорывы обеспечили необходимую основу для пересмотра и дальнейшего изучения потенциала систем на базе двигателя Стирлинга.
Рис. 3 Идеальный цикл двигателя Стирлинга
Рисунок 3 иллюстрирует идеальный цикл WPT, изображающий две изотермы и две изохроны. Этот цикл демонстрирует сложную передачу тепла внутри системы, при этом тепло, отведенное на этапе охлаждения рабочего тела в изотермическом процессе, остается внутри цикла. В дальнейшем это тепло передается обратно рабочему телу в процессе изотермического нагрева. Примечательно, что тепло вводится в цикл исключительно во время процесса изотермического расширения и извлекается только во время процесса изотермического сжатия. Следовательно, термический КПД идеализированного цикла VPT соответствует термическому КПД цикла Карно.
Конфигурация поршней во время идеализированного цикла VPT показана на рисунке 4. На протяжении всего цикла изотермического сжатия (процесс 4-1 на рисунке 3) рабочий поршень (WP) 4 поднимается от нижней мертвой точки NMT (WP) к нижней мертвой точке. верхняя мертвая точка ТМТ (ВП), сжимающая холодное рабочее тело. При этом вытесняющий поршень (В) 6 остается неподвижным в верхней мертвой точке (ВМТ) (В), расположенной в точке А на рисунке 4. Сжатие рабочего тела завершается в положении В на рисунке 4. Во время этой фазы сжатия происходит нагрев извлекается из рабочего тела через холодильник 3, представленный количеством q2.
Рис. 4. Принцип действия двигателя Стирлинга
В дальнейшем на этапе изоволюмного теплоподвода (процесс 1 - 2 на рис. 3) газ вытесняется из холодной камеры 5 в горячую камеру 7 поршнем перемещения 6 через тепловой аккумулятор 2 и нагреватель 1. Положение Поршень в конце этого перемещения совпадает с точкой С на рис. 4.
На протяжении всего такта изотермического расширения вся рабочая жидкость находится в горячей камере. Тепло q1 непрерывно подводится к рабочему телу постоянной температуры через нагреватель 1 (процесс 2-3 на рис. 3). И рабочий поршень, и поршневой поршень одновременно перемещаются вниз в положение D на рис. 4. Примечательно, что давление воздуха как в горячей, так и в холодной камерах остается практически постоянным на протяжении всего цикла.
По завершении процесса расширения рабочий поршень остается неподвижным на нижнем упоре, а поршневой поршень поднимается. Следовательно, газ из горячей камеры поступает в холодную камеру, проходя через нагреватель, аккумулятор и холодильник 3, тем самым достигается изоволюмическое охлаждение рабочего тела (процесс 3-4 на рис. 3).
После этого цикл DVPT повторяется. Процесс изоволюмического охлаждения или нагрева в термоаккумуляторе сопровождается теплообменом. Однако воспроизведение прерывистого ритма движения поршня, описанного в реальных HFSC, оказывается чрезвычайно сложной задачей.
Практически актуальной остается задача создания надежного нагревателя, способного выдерживать давление рабочего тела до 10-20 МПа и плотности теплового потока до 1 МВт/м2 при температурах стенок 873-1073 К. При методах прямого нагрева конструктивная сложность элемента существенно возрастает, составляя наиболее трудоемкий и дорогостоящий аспект ВЧВЧ, тем самым играя решающую роль в его надежности и сроке службы.
Неоднородность параметров пламени горелки и условий теплопередачи внутри кольцевого нагревателя приводит к тому, что распределение температуры существенно варьируется, достигая до 200-300 К по высоте трубок и до 100-150 К по поперечному сечению. на той же высоте. Кроме того, в поперечном сечении каждой отдельной трубки возникает температурный градиент, приводящий к неравномерности удельного теплового потока на поверхности нагревателя. Следовательно, существует необходимость резко снизить расчетную температуру подогревателя, что в конечном итоге снизит указанный КПД двигателя Стирлинга.
Потенциальным решением этой проблемы является использование специализированных систем теплопередачи, работающих по принципу тепловой трубки или термосифона. При этом можно снизить тепловое сопротивление нагревателя, что приведет к существенному снижению тепловых потерь, созданию однородного температурного поля и независимости от геометрических характеристик поверхностей теплопередачи внешнего и внутреннего контуров ВПЧ.
Аккумулятор тепла играет решающую роль в качестве теплового резервуара, поглощая тепло рабочей жидкости при прямом течении и отдавая его при обратном течении. Центральным элементом аккумулятора является сопло, обычно изготовленное из таких материалов, как хромоникелевая сталь, вольфрам, молибден или пористая конструкционная металлокерамика. Благодаря использованию тепловой камеры температура внутри может достигать 1200°C, при этом большая часть тепла ДВПТ рассеивается в этой камере.
Для отвода основной части тепла от ДВПТ применяется охладитель типа «жидкость-газ», работающий как прямоточный теплообменник.
В зависимости от принципа работы ДВПТ можно разделить на одностороннее (простое) и двойное действие. В двигателе Стирлинга одностороннего действия камеры сжатия и расширения соединены теплообменником, который может располагаться внутри одного или двух цилиндров. Одноцилиндровый вариант имеет два поршня: один рабочий, другой пассивный. При этом двухцилиндровые двигатели могут содержать два рабочих поршня или один рабочий и один пассивный поршень.
ДВДК двойного действия представляют собой многоцилиндровые двигатели, в которых рабочая жидкость переходит из камеры сжатия каждого цилиндра последовательно через охладитель, промежуточный нагреватель и нагреватель в камеру расширения соседнего цилиндра. В этих двигателях поршни в цилиндрах выполняют двойную роль рабочего поршня и вытеснителя, выполняя возвратно-поступательное движение, которое одновременно перекачивает рабочую жидкость и преобразует тепловую энергию в механическую работу, впоследствии передаваемую потребителю через коленчатый вал. Эти DVDC двойного действия выпускаются в различных конфигурациях, включая рядные, V-образные и барабанные.
Производительность и эффективность ДВПТ во многом зависят от теплопроводности, теплоемкости, плотности и вязкости рабочей жидкости. Повышенная теплопроводность способствует выравниванию температуры рабочего тела с температурой горячего и холодного источников тепла, а повышенная теплоемкость приводит к большему поглощению тепла на единицу рабочего тела. По мере прохождения цикла или при передаче одного и того же количества тепла объем рабочей жидкости в цилиндре двигателя уменьшается.
Уменьшение вязкости рабочего тела приводит к снижению гидродинамических потерь в процессе течения, что позволяет использовать в качестве рабочих тел воздух, гелий и водород. Среди этих вариантов воздух выделяется как наиболее доступный, тогда как гелий и водород, производимые химическими компаниями, оказываются значительно дороже воздуха. Гелий и водород обладают высокими коэффициентами теплоотдачи и относительно низкими гидравлическими потерями при прохождении канала. Однако водород создает проблемы, в том числе диффузию через стальные стенки нагревателя при повышенных температурах, что требует пополнения системы свежим газом. Кроме того, для изготовления нагревательных трубок необходимы дорогостоящие материалы, что увеличивает общую стоимость HFSC.
Гелий, обладая более высокой теплоемкостью и теплопроводностью по сравнению с воздухом, обеспечивает инертность по отношению к стали, что позволяет использовать относительно недорогие материалы для компонентов систем со значениями напряжений до 40 МПа при повышенных температурах. Кроме того, при одинаковых условиях давления и температуры плотность гелия примерно в семь раз меньше плотности воздуха, что позволяет увеличить скорость потока внутри канала теплообменника в два-три раза. Эта повышенная скорость гелия коррелирует с увеличенным коэффициентом теплопередачи, что приводит к уменьшению размеров теплообменника.
В сценариях, где ядерный реактор служит источником тепла для HFSC, гелий выступает единственным жизнеспособным рабочим телом из-за его устойчивости к активации в потоке нейтронов, что отличает его от других газов.
Аргон и углекислый газ также являются потенциальными рабочими жидкостями в ДВПТ. При использовании аргона двигатель Стирлинга обеспечивает повышение эффективности на 37% и увеличение удельной мощности на 32% по сравнению с воздухом.
Увеличение удельной мощности ДВПТ обусловлено повышением качества рабочей жидкости, перекачиваемой под давлением, при этом максимальное давление рабочей жидкости в системе двигателя составляет от 7 до 22 МПа, поскольку мощность ВЧСК коррелирует с этим параметром практически пропорционально.
Обычно для автомобильных и стационарных HFCS номинальные температуры нагревателя и охладителя составляют 650°C и 65°C соответственно. И наоборот, для бортовых ДВПТ температура холодильника соответствует температуре морской воды в диапазоне от -2 до +32°C. Эти температуры играют решающую роль в количестве билей.
Если на суше ДВПТ незначительно уступает обычному дизелю по весу и габаритам (в первую очередь за счет габаритов системы охлаждения), то на море ДВПТ и дизель по этому показателю практически эквивалентны.
Ключевое преимущество ДВПТ – возможность работы на любом виде топлива. Наличие жидкого окислителя, такого как кислород, позволяет более эффективно организовать процесс горения с меньшим количеством побочных продуктов реакции. Сжигание под высоким давлением облегчает сброс выхлопных газов в морскую воду без дополнительных компрессоров, что приводит к практически полному растворению выхлопных газов (диоксида углерода и водяного пара) в воде.
Использование конкретных показателей ДВПТ подводной лодки Saga-1, построенной во Франции компанией Comex по совместной французско-шведской инициативе, позволяет определить бортовые запасы топлива и окислителей. При расходе топлива (дизель) 1 кг/(кВтч) и расходе окислителя (жидкий кислород) 0,82 кг/(кВтч), например, если мощность ДВПТ составляет 100 кВт и продолжительность работы до 250 часов, подводной лодке потребуется 25 тонн топлива и 20,5 тонн жидкого кислорода.
Что касается использования HFPT на несамоходных подводных лодках, заметных успехов добились такие шведские компании, как Sub Power, United Stirling и Kokums. Правительство Швеции выделило 40 миллионов крон на оснащение атомной подводной лодки класса «Наккен» (проект А-14) силовой установкой с ВНЭУ «Стирлинг Mk 2».
Модернизация нового двигателя ННВ повлекла за собой установку вставки длиной 8,4 м в прочный корпус непосредственно за ограждением кабины. Внутри этой вставки были установлены два двигателя Стирлинга мощностью 110 кВт для привода генераторов постоянного тока. Благодаря снабжению жидким кислородом подводной лодки класса «Наккен» она может сохранять погружение в течение 10–14 дней без всплытия.
Во время испытательного хода неатомная подводная лодка «Наккен» оставалась под водой более 10 000 часов, что позволило шведским специалистам построить первые подводные лодки Gotland NS, оснащенные ВНЭУ на базе ДВПТ, продлив их подводную продолжительность примерно до 20 суток. Стоимость ВНЭУ с ДВПТ составила около 45 миллионов долларов США, что почти в три раза меньше, чем подводная лодка PR.212 с ВНЭУ на базе ЭКГ немецкой компании HDW, оцененная примерно в 120 миллионов долларов США. Шведская подводная лодка Kockums Sustems построила три атомные подводные лодки класса A-19 Gotland, каждая из которых оснащена двумя двигателями Стирлинга V4-275R мощностью 75 кВт для использования в качестве подводных гусеничных двигателей.
В конструкции ДВПТ объединены камеры сгорания для всех цилиндров, в которых используются поршни двойного действия, выполняющие функции рабочих поршней и вытеснителей. Хотя выбор топлива остается универсальным, наиболее удобным окислителем является кислород. С точки зрения эффективности двигатель Стирлинга, хотя и сопоставим, ему не хватает мощности современного дизельного двигателя, что делает его более предпочтительным в качестве части интегрированной силовой установки подводной лодки.
Четырехцилиндровый двигатель В4-275 с V-образным расположением цилиндров был выбран Швецией в качестве основы для разработки неатомной подводной лодки. Его основные характеристики (в длительном и пусковом режимах соответственно) следующие: частота вращения - 2200 и 2600; мощность на валу – 95 и 120 кВт; тепловая мощность – 110 и 200 кВт. Эту мощность признали достаточной для использования в составе комбинированного энергоблока на нелодочных судах водоизмещением до 1000 тонн. Эти двигатели работают на дизельном топливе.
Дизельное топливо приводит в движение двигатель, а рабочим телом в цилиндре служит газообразный гелий со средним давлением 13 МПа. Топливо воспламеняется в кислороде при температуре пламени 4000°C, КПД двигателя составляет 38%, расход окислителя — 820 г/кВт-ч. Конструкция двигателя обеспечивает работу при температуре пламени 4000°С, расход окислителя 820 г/кВт-ч.
Оценить эффективность нелодочной лодки с комбинированной двигательной установкой можно по оценкам ее полезности, опубликованным в зарубежной печати. Подводная лодка погружается с полной загрузкой дизельного топлива, жидкого кислорода и полностью заряженными аккумуляторами. Двигатель Стирлинга позволяет позиционировать подводную лодку на экономичной скорости (при отключенных батареях). За девять суток подряд неатомная подводная лодка способна совершить по противнику до пяти торпедных атак или скоростных маневров уклонения продолжительностью до трех часов каждый, используя при этом энергию АБ. В дальнейшем, при обеднении кислорода, разряжении аккумуляторов на 50% и достаточном запасе топлива НАПЛ переходит на обычную дизель-электрическую электростанцию.
ВТСП зарубежной разработки проявляют пиковый КПД при частотах вращения вала 2500–3000 мин-1, а максимальная эффективная мощность Pe достигается при частотах вращения 1400–1500 мин-1. По мере повышения среднего циркуляционного давления p рабочей жидкости эффективная мощность увеличивается, а расход топлива снижается.
Как упоминалось ранее, номинальное среднее циркуляционное давление различных двигателей Стирлинга находится в диапазоне 7–22 МПа. С его подъемом температура стенки отопителя повышается, ускоряя рост эффективной мощности и соответственно снижая расход топлива.
Многие двигатели оснащены промежуточной жидкометаллической охлаждающей жидкостью для изотермической передачи тепла от источника тепла к нагревателю внутреннего контура (IC). Эта охлаждающая жидкость выравнивает температуру на поверхности нагревателя, тем самым увеличивая ее значение, что приводит к увеличению мощности и эффективности двигателя, что особенно заметно, когда в качестве рабочей жидкости используется водород.
HFHP может похвастаться диапазоном мощности цилиндров от 2 до 70 кВт, диаметром цилиндров от 4 до 14,5 см и температурой стенок нагревателя до 815°C. С другой стороны, ДВПТ имеет диапазон мощности от 2 до 400 кВт и выше, в зависимости от предполагаемого применения.
За период с 1992 по 1996 год компания «Кокумс» построила три подводные лодки класса «Готланд». NSPL длиной 60,4 метра имеет подводное водоизмещение 1599 тонн и вмещает экипаж из 27 человек, включая 5 офицеров. Его вооружение состоит из 4 торпедных аппаратов калибра 533 мм и 2 торпедных аппаратов калибра 400 мм, максимальная скорость в подводном положении составляет 20 узлов. Благодаря двигателю Стирлинга NSBN может оставаться под водой до 20 дней без необходимости подзарядки.
Проект атомной подводной лодки «Викинг» считается наиболее многообещающим проектом ВМС Швеции, в котором ожидается участие двух других скандинавских стран — Норвегии и Дании. Для реализации проекта был создан консорциум, в состав которого входят Kokom, норвежская компания Königsberg и датская Odense Stolshipsvaerft, целью которой является производство в общей сложности 12 атомных подводных лодок нового поколения. Планировалось оснастить эту неатомную подводную лодку мощным двигателем Стирлинга примерной мощностью 800 кВт.
Интерес к интеграции ВНЭУ с ДВПТ растет в разных странах. Например, Япония намерена включить DVPT в NS класса Kissho, а Австралия изучает возможность установки этого типа VNEU на NS класса Collins. Аналогичным образом, ВМС Франции эксплуатируют самолеты Saga-1 и Saga-2 NS, оба оснащенные двигателями Стирлинга. Стоит отметить, что топливом для двигателей Стирлинга может служить жидкий метан, а окислителем — низкотемпературный кислород.
ВНЭУ на основе ПТУ замкнутого цикла
При рассмотрении потенциальных вариантов ВНЭУ следует учитывать паротурбинные электростанции замкнутого цикла. Примечательно, что на современном рынке NAPL представлена французская автономная авиационная электростанция типа MESMA (Module d' Energie Sous - Marin Autonome). В этом агрегате, разработанном Министерством судостроения для экспортной демонстрации силами DSN ВМС Франции, участвуют французские компании Technicatome, Termodyne, Air Liquite, Bertin & Cile и судостроители Empresa Nacional Bazan (Испания). ВНЭУ типа MESMA планируется установить на три новейшие подводные лодки ВМС Пакистана, Agosta-90B NS, причем первые две проходят техническое обслуживание, а последняя в настоящее время находится в стадии строительства. Принципиальная схема СТП типа МЭСМА изображена на рис. 5.
Рис. 5. Принципиальная схема ПТУ типа MESMA:
1 – емкость хранения криогенного кислорода; 2 – емкость хранения этанола; 3 – камера сгорания; 4 – генератор; 5 – паровая турбина с электрическим генератором; 6 – парогенератор; 7 – конденсатор; 8 – контур паровой турбины; 9 – контур забортной воды; 10 – промежуточный контур; 11 – трубопровод подачи кислорода; 12 – питательный насос; 13 – насос забортной воды; 14 – теплообменник промежуточного контура; 15 – испаритель кислорода
В MESMA STP пар высокого давления генерируется за счет сгорания этанола в кислороде, образуя первичный контур. Вторичный контур содержит обычную паровую турбину, отвечающую за привод генератора. Кислород хранится в криогенных резервуарах на борту нелодочных судов, облегчая процесс сгорания этанола при давлении 6 МПа, обеспечивая возможность сброса продуктов сгорания в море с любой глубины. Однако этот метод создает риск обнажения нелодочных подводных лодок из-за наличия плавающих пузырьков CO2. Электростанции MESMA дают только 20% от общей выработки электроэнергии, в первую очередь из-за значительных потерь, понесенных на этапах повторяющегося преобразования энергии, связанных со сжиганием этанола, выработкой перегретого водяного пара, выработкой трехфазного тока и получением постоянного тока.
ВНЭУ MESMA практически не имеют ограничений по выходной мощности, однако их мощность обычно ограничена 200 кВт. Это ограничение связано с пригодностью самолетов замкнутого цикла и двигателей Стирлинга для установки на подводные объекты, учитывая их более выгодные массогабаритные характеристики, особенно при более высоких значениях мощности.
Принципиальная схема MESMA STP очень напоминает этапы преобразования энергии атомной электростанции и состоит из трех отдельных этапов. Такое архитектурное сходство способствует относительно низкой эффективности MESMA STP и, как следствие, высокому потреблению кислорода во время работы, что приводит к увеличению водоизмещения и снижению скрытности АПЛ. Кроме того, возникли опасения по поводу пожарной безопасности из-за низкой температуры вспышки этанола. Хотя замена этанола дизельным топливом могла бы смягчить эту проблему, такой переход неизбежно усложнил бы общую конструкцию завода.
Тем не менее, прогресс был достигнут в 1988 году, когда начались испытания наземного прототипа MESMA PTU с целью потенциальной интеграции в новое поколение непогружаемых аппаратов Scorpen. Эти NSPL были изготовлены партиями по два экземпляра и предназначались для экспорта в ВМС Чили.
ВНЭУ с газогенераторами на гидрореагирующем топливе
Военно-морской инженерный институт (ВМИИ) в Санкт-Петербурге разработал газотурбинные установки замкнутого цикла на базе ВНЭУ (ГТУ ЗТ, ПТУ ЗТ) с использованием концепции, известной как безгазовое топливо (ГТУ), представляя их как жизнеспособную альтернативу традиционным ВНЭУ. Безгазовое топливо, или БНТ, относится к химическому веществу, которое при нормальных физических условиях сгорает в замкнутом пространстве, не выделяя атмосферный воздух, что приводит только к образованию конденсированных жидких или твердых веществ. Эта возможность делает ВНЭУ на БГЭ подходящими для автономных подводных объектов с широким спектром соединений, проявляющих это свойство негазового горения.
Экспериментальные исследования показали, что металлы являются основными горючими компонентами БГТ; однако неметаллы, такие как водород, бор, углерод и кремний, также могут эффективно выполнять эту функцию. Окислители, участвующие в реакциях горения BHT, включают органические кислородсодержащие соединения, галогены или насыщенные кислородом твердые соединения, такие как перхлораты и пероксиды, которые при разложении выделяют свободный кислород.
Исследование, проведенное персоналом VMII, было сосредоточено на определении состава BHT, который оптимально соответствует таким критериям, как повышенная взрыво- и пожаробезопасность, эксплуатационная нетоксичность и приемлемые энергетические, экономические и эксплуатационные характеристики. В конечном итоге была выбрана система «Mg+CO2», образующая при горении исключительно продукт конденсации «MgO+C». Примечательно, что объем продукта сгорания (КП) остается сопоставимым с объемом исходного материала, что решает проблемы, связанные с хранением конденсированных ПК на затопленных телах. Кроме того, предлагаемое топливо «Mg + CO2» дает преимущество регенерации исходного реагента из продукта реакции, что еще больше повышает его практическую полезность и устойчивость.
Принцип сгорания BHT может быть разнообразным, включая такие методы, как послойное сжигание, сжигание в псевдоожиженном слое, проточное или циклонное сжигание, погружное или барботажное поверхностное сжигание, газофазное сжигание и многое другое. Среди них первые три метода, включающие сжигание BHT, обычно используют металлические порошки или частицы в качестве основных исходных материалов. Например, при погружении или поверхностном горении используется расплав магния, а при барботажном горении окислитель подается через специальные форсунки, расположенные под свободной поверхностью расплава. При поверхностном горении эти сопла располагаются над поверхностью расплава. Газофазное горение, напротив, начинается с плавления магния с последующим нагревом до кипения и последующим перегревом паров. Затем перегретый пар поступает в зону смешения с окислителем, где происходит процесс горения с образованием продукта конденсации «MgO + C».
На рисунке 1 показан вариант схемы ВНЭУ с БГТ, изображенной на рисунке 6: одноконтурная газотурбинная установка (рис. 6а) и двухконтурная турбоустановка (рис. 6б). Примечательно, что эти конфигурации отличаются от традиционных установок наличием системы, предшествующей турбине, предназначенной для очистки газообразного рабочего тела, эффективного удаления твердых продуктов сгорания через регенератор тепла шлака и хранилище шлака.
В этих установках порошок магния подается из резервуара-хранилища 1 в камеру сгорания (КС) 2 вместе с впрыском холодного окислителя. При этом в КС подается охлаждающая жидкость либо по одноконтурной схеме (рис. 6а), либо по двухконтурной схеме (рис. 6б), в качестве среды выступает углекислый газ (СО2). Образовавшаяся двухфазная смесь поступает из компрессорной станции в сепаратор 3, где газообразное рабочее тело проходит очистку от твердого ПС. Впоследствии шлак поступает в шлакоаккумулятор 4, прежде чем попасть в шлакоуловитель 5, завершая цикл.
Рис. 6 Схемы ВНЭУ на БГТ: а) одноконтурная ГТУ ЗЦ; б) двухконтурная ПТУ ЗЦ:
1 – хранилище горючего; 2 – камера сгорания; 3 – сепаратор; 4 – регенератор теплоты шлаков; 5 – хранилище шлаков; 6 – газовая турбина; 7 – регенератор теплоты турбины; 8 – холодильник; 9 – регенератор - испаритель; 10 – компрессор; 11 – парогенератор; 12 – паровая турбина; 13 – конденсатор; 14 – питательный насос; 15 – хранилище окислителя
После очистки и нагрева примерно до 1000°С рабочее тело последовательно проходит через различные узлы системы: сначала оно направляется в газовую турбину 6, затем далее в турбинный аккумулятор 7, охладитель 8, испаритель 9, компрессор 10, шлакоаккумулятор 4 и в конечном итоге циркулирует обратно в камеру сгорания. В двухконтурной конфигурации газовый теплоноситель способствует передаче тепловой энергии рабочему телу в парогенераторе 11.
Получение как экспериментальных, так и расчетных данных способствовало разработке ВНЭУ, адаптированной для нелодочных судов, на топливе Mg + CO2 с несколькими вариантами эксплуатации: в том числе с бустерной камерой сгорания - крейсерский, использование частичной или полной электрической движительной установки, различные исходные данные. для камеры сгорания ускорителя и сохранения высокой скрытности при движении в подводных водах. Детальные исследования охватывали состав, тепловые расчеты, особенности конструкции, условия эксплуатации, а также весо-габаритные характеристики силовой установки, системы хранения топлива и хранения. Дополнительно были проведены комплексные оценки продуктов сгорания.
Проведен сравнительный анализ рассматриваемого нелодочного судна с ВНЭУ и дизель-электрической подводной лодки, выступающей в качестве базового проекта. Этот анализ подтвердил утверждение о том, что ВНЭУ, использующая БГТ, может легко интегрироваться в размеры кабины эталонной подводной лодки. Определены состав и параметры работы ВНЭУ с использованием паротурбинного и газотурбинного ПГУ замкнутого цикла, приведенные в соответствие с реализуемыми в проекте стационарной энергетики. Сравнительные оценки подчеркнули превосходство несамоходных подводных лодок, оснащенных ВНЭУ на базе БГТ, над обычными ДЭПЛ.
Для оперативного развертывания подводных лодок ВМФ необходима необходимая береговая инфраструктура, включая объекты базирования кораблей, безопасное хранение топлива, возможности погрузки и разгрузки реагентов. Специалисты ВМИИ тщательно проанализировали эти требования, определив составные части наземного комплекса, оценив пожаровзрывобезопасность установок, обеспечив безопасную транспортировку порошка магния специализированными транспортными средствами и создание защитной среды с использованием инертного газа. или углекислый газ. По предложению разработчика ВНЭУ, длительное хранение порошка магния может осуществляться на специализированных складах - силосных контейнерах, обычно используемых для хранения сыпучих грузов. Операции по погрузке и разгрузке этих хранилищ облегчаются тем, что углекислый газ хранится в стационарных резервуарах с контролируемой температурой.
Заметным преимуществом БГТ является возможность регенерации исходного состава топлива из продуктов сгорания, а именно «Mg + CO2» из MgO и C. Термодинамические расчеты обосновывают значимость этой химической реакции в процессах регенерации топлива.
Mg + CO2 ↔ MgO + C
Полезные свойства BHT заключаются в его способности возвращаться к исходному топливному составу из побочных продуктов сгорания, а именно MgO и C, образуя «Mg + CO2». Термодинамические расчеты показали, что химическая реакция имеет тенденцию к сдвигу влево при температурах t ≥ 2000 °С. Более того, существуют альтернативные методы восстановления Mg, например, при t = 1900 ° C, когда MgO подвергается диссоциации в вакууме, а магний сублимируется.
В области ВНЭУ с циклонными сепараторами КС, ГТУ ЛК и ПТУ ЛК на БГТ появились различные варианты ВНЭУ, в том числе стратифицированные КС, двигатели Стирлинга, БГТ различного состава, БГТ в сочетании с двигателями внутреннего сгорания и генераторами электрокардиограмм. Например, рассмотрим работу ВНЭУ на БГТ, где для преобразования тепловой энергии используется двигатель Стирлинга. В номинальных условиях эксплуатации ДВПТ обеспечивается КПД, превышающий 40 %, при заданных параметрах теплового цикла. Тепловое решение ВНЭУ, наряду с ДВПТ, состоит из Слоя КС, эффективно использующего тепловую энергию продуктов сгорания топлива. Это достигается за счет реализации газофазного охлаждения по противоточной схеме, поддерживая достаточно высокую температуру (∼400 °С) на выходе из теплообменника. За счет использования циркуляционного стимулятора низкого давления для сжатия горячих газов потери энергии минимально влияют на общую энергоэффективность ВНЭУ, существенно упрощая конструкцию и снижая массу.
Однако использование ВНЭУ в БГТ сопряжено с трудностями, в частности, с высокой концентрацией конденсированных продуктов сгорания на выходе из КС (до 200 г/м3), что приводит к необходимости удаления пыли из газа непосредственно перед турбиной. Пыль в процессе очистки газа снижает фактическую эффективность цикла, при этом затраты энергии на очистку газа быстро возрастают по мере повышения температуры газа. При этом переход от начального к конечному равновесию в топливной системе не исключает выделения значительных объемов газа.
Установлено, что подача магния в камеру сгорания в жидком виде дает лучшие результаты, хотя оптимальные результаты дает газообразный магний. Утилизация высокодисперсного порошка магния практически нецелесообразна из-за связанной с ним выраженной взрыво- и пожароопасности.
Следовательно, интеграция тепловых двигателей в состав подводных корпусных ВНЭУ различного назначения и глубины эксплуатации не встречает принципиальных препятствий. Тем не менее, необходимо обратить внимание на наличие структурного шума во время работы. Тем не менее, последние успехи в снижении воздушного и конструктивного шума способствовали активному снижению акустической заметности подводных объектов, оснащенных ВНЭУ, включающими двигатели внутреннего сгорания, ДВПТ, газовые и паровые турбины.
В заключение, очевидно, что в обозримом будущем тепловые двигатели, использующие углеводороды в качестве топлива, будут с трудом конкурировать с двигателями, использующими альтернативные источники энергии. Таким образом, водород становится основной альтернативой, способной заполнить пробел в «топливе XXI века».
ВНЭУ НА ОСНОВЕ ЭХГ. УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Основные понятия о работе топливного элемента.
Комплексный сравнительный анализ различных типов ВНЭУ позволяет сделать вывод, что ВНЭУ на основе электрохимического генератора (ЭХГ) превосходят другие анаэробные электростанции по виброакустическим характеристикам и эффективности, при этом единственными продуктами реакции являются электричество и вода. Это позиционирует ЭХГ как наиболее перспективный тип ВНЭУ, способный обеспечить для нелодочных судов дальность непрерывного плавания до 2000 миль.
Важно признать, что аналогичные характеристики NAPL могут быть достигнуты с помощью ЕС, оснащенных DVPT. Однако установки с ДВПТ по акустическим показателям уступают ЭУ с ЭКГ.
Тем не менее, опыт производства и эксплуатации электростанций с ЭРГ выявил определенные недостатки. Например, электроды топливного элемента, жизненно важного компонента, имеют относительно короткий срок службы — около 5000 часов. Кроме того, батареи топливных элементов (ТЭ) относительно дороги и технически сложны в производстве.
Несмотря на эти проблемы, электростанции ECH все чаще развертываются на подводных объектах ведущих морских держав мира. Примечательно, что Германия активно исследует применение ECH в неподводных целях с 1980-х годов. В 1988 году важной вехой стало завершение установки корпуса с топливным элементом на подводную лодку У-1 на верфи Hovaldswerke Deutsche Werft (проект 205). По данным зарубежных источников, непогружаемый аппарат успешно пересек Атлантический океан, продемонстрировав эксплуатационную жизнеспособность подводной электростанции ЭХГ при ее вводе в эксплуатацию.
Разработка непропульсивных подводных лодок с ЭГП началась в Советском Союзе в начале 1970-х годов. Центральное конструкторское бюро «Лазурит» (Нижний Новгород) возглавило эту работу в рамках программы переоборудования ДЭПЛ проекта 613. На этой несамоходной подводной лодке был установлен ЭХГ-генератор мощностью 280 кВт, утилизирующий водород и кислород при низких температурах в качестве рабочие реагенты хранятся в контейнерах вне герметичного корпуса несамоходной подводной лодки. Испытания таких электростанций проводились одновременно на различных наземных и плавучих станциях для изучения эксплуатационных проблем в морских условиях и решения проблем пожаро- и взрывобезопасности.
В 1988 году по программе подводной лодки «Катран 613Э» была начата опытно-промышленная установка генератора ЭКГ, который прошел успешные отечественные испытания, подтвердившие принципиальную возможность создания таких воздухонезависимых энергетических установок.
С 1978 года под руководством доктора В.Б. Авакова, главного конструктора Конструкторского бюро специальных котлов (ныне ОАО СКБК «Санкт-Петербург»), научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы были сосредоточены на создании транспортных энергетических установок с электрохимическим генератором (ЭХГ) для подводных лодок ограниченного водоизмещения. Эти работы были предприняты в соответствии с постановлением правительства для удовлетворения потребностей ВМФ.
В 1978–1986 годах СКБК совместно с Совместным внедрением разработали энергетические установки с ЭПГ для трех типов морских объектов: малой подводной лодки «Пиранья», глубоководного подводного аппарата «Поиск-6» и глубоководного подводного аппарата «Сирена-6». К.
В 1991 году была доработана, всесторонне испытана и передана в Государственный комитет по малым подводным лодкам типа «Пиранья» полноразмерная энергоустановка с электрохимическим генератором гидроксидного типа, спроектированная СПМБМ «Малахит» под руководством главного конструктора Минеева Ю.
Санкт-Петербургское ОАО СКБК разработало универсальный отсек с генератором ЭКГ для подводной лодки АПЛ четвертого поколения проекта 677 "Лада", разработанной ЦКБ МТ "Рубин". В этом отсеке, расположенном между вторым аккумуляторным отсеком и дизель-генераторным отсеком, была установлена ВНЭУ «Кристалл-27» с гидроксидным ЭРГ.
Таким образом, потенциал российской науки и техники в практическом создании электрокардиогенераторов для подводных лодок значителен, а по некоторым параметрам эти устройства соответствуют или даже превосходят зарубежный опыт аналогичных конструкций станций.
Классификация топливных элементов для генераторов ЭКГ обычно включает такие критерии, как физическое состояние топлива (газообразное, жидкое или твердое), тип электролита (щелочной или кислотный), агрегатное состояние электролита (жидкое или твердое) и температура. диапазон, в котором работает ЭКГ (низкий диапазон: до +100°С; средний диапазон: от +100 до +300°С; верхний диапазон: выше +300°С).
На аноде топливного элемента происходит окисление водорода по следующим реакциям:
−2H2 + 4OH− → 4H O2 + 4e.
Получаемые в результате реакции электроны по внешней цепи поступают на катод, совершая на своем пути работу. На катоде происходит восстановление кислорода (присоединение электронов) по суммарной реакции:
−O2 + 2H O2 + 4e → 4OH .−
В электролите гидроксил-ионы двигаются от катода к аноду.
Электролит служит ионным проводником тока между электродами.
Суммарная реакция в элементе:
2H2 +O2 ↔ 2H O.2
В этом температурном диапазоне обычно используются угольные электроды; однако металлические электроды демонстрируют превосходные характеристики при температурах выше +50°C. Повышение активности угольных электродов часто включает нанесение на их поверхность слоя катализатора из драгоценного металла, а циркулирующий водород обычно используется для удаления воды, образующейся в порах электрода, обеспечивая оптимальное функционирование.
Водородно-кислородные топливные элементы обычно делятся на две группы в зависимости от состава электролита: со свободными электролитами и с матричными электролитами. Электролитами в этих ячейках могут быть растворы кислот и щелочей, причем ионизация водорода и кислорода легче протекает в кислых и щелочных растворах, чем в нейтральных. Щелочные растворы КОН предпочтительны в качестве электролитов в большинстве ЭКГ из-за их высокой электропроводности, каталитической активности и минимальной эрозии большинства материалов. Типичная концентрация электролита составляет 30%, что определяется желаемым уровнем проводимости.
Что касается электрических характеристик, низкотемпературные ЭПРА могут достигать плотности тока до 300 мА/см2, испытывая падение напряжения на 5-10% при изменении тока нагрузки от 25% до 100%. Кроме того, эти ЭПРА имеют удельную мощность 65 Вт/кг по массе и 100 Вт/л по объему.
Повышение температуры ЭКГ приводит к увеличению скорости электрохимической реакции и снижению потенциала активации, что приводит к увеличению плотности тока. Такое повышение температуры облегчает электрохимическое окисление более дешевых, но инертных углеводородов при нормальных условиях. За пределами 750°C каталитические свойства материала электрода становятся менее значимыми. Кроме того, электролиты демонстрируют улучшенную проводимость при более высоких температурах.
Однако, несмотря на эти преимущества, данный тип электростанции имеет и многочисленные недостатки. Например, скорость коррозии возрастает с повышением температуры, что значительно сокращает срок службы ЭПРА. Более того, несопоставимые коэффициенты линейного расширения различных материалов компонентов ЭКГ могут вызвать механическое повреждение конструкции при повышенном термическом напряжении.
Кроме того, проводимость изоляционного материала увеличивается с повышением температуры, что приводит к ухудшению его изоляционных свойств. Предотвращение проникновения электролита в поры электродов становится сложной задачей при повышенных температурах. Кроме того, наряду с первичной химической реакцией могут протекать вторичные реакции. Высокие температуры обуславливают необходимость использования в качестве электролитов твердых веществ с высокой ионной проводимостью.
В качестве электродных материалов обычно используются никель, углерод и полимеры. При изготовлении электродов в исходную смесь могут добавляться катализаторы. Однако расход катализатора часто бывает значительным, что приводит к пропитке электродов солями катализатора с последующим восстановлением. Альтернативно, перед спеканием катализаторы можно нанести на подложку, состоящую из металлической сетки или пористой ленты, вместе с клеящим компонентом и гидроизоляционным веществом.
Классификация электрохимических генераторов
Повышение рабочей температуры приводит к увеличению скорости реакции внутри топливного элемента. Когда концентрация реагента и потенциал остаются постоянными, скорость реакции как функция температуры соответственно увеличивается. Электролиты-подложки, такие как диафрагмы с ионной проводимостью, предлагают решение для топливных элементов. Эти диафрагмы минимизируют пространство между электродами, обеспечивая более компактную конструкцию топливных элементов и повышая удобство использования. Однако топливные элементы с матричными электролитами сталкиваются с проблемами удаления продуктов реакции и управления выделением тепла, а также демонстрируют более низкую стабильность и термостойкость в ионообменных мембранах.
Ионообменные мембраны, разновидность твердого электролита, обладают свойствами ионной проводимости в твердом состоянии. Ионообменные мембраны, изготавливаемые в виде тонких пленок, содержащих полимерные материалы с функциональными группами, диссоциирующими на ионы в водном растворе, успешно разрабатываются и производятся такими компаниями, как DuPont de Nemours, Dow Chemical Company (США) и Ballard Power Systems (Канада). Несмотря на значительные инвестиции в их разработку, ионообменные мембраны, такие как мембрана Nafion 115 производства DuPont по цене 320 долларов США/кв.м, остаются дорогостоящими.
В настоящее время электрохимические генераторы (ЭХГ) с электрохимическими водородными элементами (ЭХГ) классифицируются по поколениям. ЭПЦ первого поколения представляют собой силовые установки на основе низко- и среднетемпературных топливных элементов. Низкотемпературные топливные элементы, в которых используются щелочные электролиты, требуют чистого водорода и кислорода. Эти элементы нашли применение в космической технике, судостроении, автомобильном транспорте и системах хранения энергии. При силовых агрегатах мощностью 100 кВт и более и сроком службы до 5000 часов удельная мощность ЭПЦ достигла значений 50-60 Вт/кг. За счет сборки этих ЭПЦ в единый блок можно реализовать электростанции мощностью до нескольких сотен мегаватт. Кроме того, улучшение параметров ЭКГ и сокращение вспомогательных систем могут привести к увеличению удельной мощности в 3-5 раз.
Ожидается, что разработка систем, автоматически поддерживающих оптимальную работу электростанции, и усовершенствованные технологии производства с использованием новых материалов продлят срок службы топливных элементов на порядок.
dln / di T = Eа / (RT 2 ),
где Еа – энергия активации реакции.
Процессы с высокими энергиями активации можно существенно ускорить за счет повышения температуры, однако повышение рабочей температуры топливного элемента с водным раствором электролита возможно лишь до определенного предела. За пределами этого предела дальнейшее повышение температуры может быть достигнуто в топливных элементах с расплавленными или твердыми электролитами. Электрохимические генераторные (ЭХГ) электростанции второго поколения созданы на основе высокотемпературных топливных элементов с расплавленными карбонатными электролитами (ГЭЦ), использующих в качестве топлива природный газ и уголь. В дальнейшем третье поколение электрохимического водорода (ЭХГ) было основано на ЭХГ с использованием высокотемпературного ЭХГ с твердым оксидным электролитом (ТЕТОЭ). К началу 1990-х годов были разработаны и испытаны прототипы ЭКГ-аппаратов мощностью до 1 кВт, продемонстрировавшие до 9000 часов автономной работы.
На рис. 7 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая различные типы топливных элементов.
Рис.7 Схемы топливных ячеек различных типов [3]
Таким образом, при определенных условиях скорость электрохимической реакции в топливном элементе увеличивается, а поляризация компонентов уменьшается. К числу таких условий относятся эффективное использование катализатора в электрохимическом процессе, применение электродов, образующих поверхность, особенно пористых, повышение давления газообразного реагента или его концентрации в растворе, применение принудительной подачи реагента. Примечательно, что твердые полимерные электролиты (ТПЭ) представляют собой наиболее перспективное направление в области низкотемпературной кардиоэлектрики. Среди них наиболее известна и уже используется за рубежом полимерная пленка на основе фторуглерода «Нафион». Аналогичный материал представляет российский МФ-4СК, в котором перенос заряда происходит за счет перехода катионов из одной сульфонатной группы в другую.