Никифоров Б.В., к.т.н., Соколов В.С., к.т.н.,
ФГУП ЦКБ МТ «Рубин»
Соколов Б.А., д.т.н., Худяков С.А., к.т.н.,
ОАО РКК «Энергия» им. С.П. Королева
Новые источники электроэнергии для подводных аппаратов
С первой подводной лодки (ПЛ) кораблестроители пытались создать установку, способную обеспечить надежное движение в подводном и надводном положении. Сначала лодки приводились в движение мускульной силой человека, затем появились установки с пневматическими двигателями, паросиловыми машинами, с электромоторами и, затем, с тепловыми двигателями. К началу 1-й Мировой войны сложился окончательный облик энергетической установки ПЛ: в подводном положении движение осуществляется под электродвигателями с питанием от аккумуляторной батареи (АБ), в надводном положении - под дизелями с зарядом АБ.
ДЭПЛ по сравнению с атомными подводными лодками имеют ряд несомненных преимуществ: низкую стоимость постройки и эксплуатации, меньшие шумность и экологическую опасность, могут действовать в районах шельфа и внутренних морей и др. Однако, ДЭПЛ имеют существенный недостаток -необходимость периодически подвсплывать на перископную глубину в режим работы дизеля под водой для зарядки АБ. В этот момент лодка подвергается значительно большему риску обнаружения.
Очевидно желание проектантов ПЛ создать независимую от атмосферного воздуха ЭУ, дополнительно или вместо дизель-электрической установки.
В России первая ПЛ с воздухо-независимой установкой, единой для подводного и надводного положения, была построена в 1906 году. Это была подводная лодка "Почтовый" разработки инженера С. К. Джевецкого. В надводном положении воздух к двум бензиновым двигателям поступал через входной люк, а для обеспечения работы одного двигателя в подводном положении воздух высокого давления размещался в баллонах [1].
В СССР с 30-х годов велись работы по созданию воздухо-независимых установок на основе дизеля, работающего по замкнутому циклу. Следует отметить установки РЕДО, ЕД-ВВД, ЕД-ХПИ. Установки с ЕД-ХПИ (единым двигателем с химпогло-тителем известковым) получили дальнейшее развитие при проектировании ЦКБ-18 (в последствии - ЦКБ МТ « Рубин») серии малых подводных лодок проекта А615. Всего, начиная с 1955 года, в течение пяти лет было построено 30 единиц. Их эксплуатация в составе ВМФ сопровождалась трагическими ситуациями, особенно в первые годы освоения энергоустановок личным составом, так как уровень технологий промышленности не позволял реализовать должным образом идеи, заложенные в проект.
Перед началом 2-й Мировой войны в Германии также велись работы по созданию анаэробных
установок инженером Г. Вальтером, который разработал турбину, работающую на высококонцентрированной перекиси водорода. Построенная в 1940 году подводная лодка с парогазовой турбинной установкой (ПГТУ) достигла в подводном положении скорости 28 узлов.
В первые послевоенные годы СССР, США и Великобритания на основе немецких разработок построили несколько опытных ПЛ с воздухо-неза-висимыми энергоустановками. Однако, аварии и высокая стоимость перевесили преимущества, и к началу 60-х годов военно-морские державы прекратили совершенствование единых дизельных двигателей и установок с использованием перекиси водорода и сосредоточили усилия на создании ПЛ с атомными энергетическими установками.
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК
В последнее время в мире предпринимаются огромные усилия по созданию анаэробных энергетических установок для ДЭПЛ.
Это объясняется в первую очередь возросшим уровнем технологий создания таких установок и технологий строительства подводных лодок c неядерными энергетическими установками, с их относительной дешевизной (стоимость на мировом рынке колеблется в пределах 300-400 млн. USD) и другими вышеуказанными преимуществами по сравнению с атомными подводными лодками. Кроме того, по существующим оценкам [4] военно-экономическая эффективность ДЭПЛ с воздухо-независимой ЭУ в ближней морской зоне превышает эффективность атомной ПЛ.
Можно привести несколько вариантов анаэробных установок, имеющих наибольшие шансы на серийную реализацию:
П дизель, работающий по замкнутому циклу; П двигатель Стирлинга;
П парогазовая турбина, работающая по замкнутому циклу;
П установка с электрохимическими генераторами (ЭХГ).
Разработки энергоустановок на основе дизеля, работающего по замкнутому циклу велась фирмой RDM (Голландия) совместно с фирмами CDSS (Великобритания) и TNSW (ФРГ), которые изготовили и испытали установку SPECTRE. Её пытались внедрить в новое семейство ПЛ "Moray" и также пред-
16
Никифоров Б.В., Соколов В.С.,Соколов Б.А., Худяков С.А. Новые источники электроэнергии для подводных аппаратов.
лагают для модернизации класса "Walrus". На германской ПЛ U-1 проекта 205 в 1993 году проходили морские испытания этой установки. В настоящее время фирма CDSS ликвидирована, а установка SPECTRE продана южно-корейской фирме Hyundai.
Наибольших результатов в разработке установок на основе двигателя Стирлинга достиг шведский концерн Kockums Submarin Systems, построивший три ПЛ класса "Gotland" типа А19. На ПЛ устанавливается два двигателя V4-275R по 75кВт. Модификации этого двигателя используются на французской ПЛ "Saga" и модернизированной шведской ПЛ "Naecken" типа А14. При переоборудовании в прочный корпус ПЛ непосредственно за ограждением рубки была сделана вставка длиной 8м с двумя двигателями Стирлинга мощностью по 110 кВт, работающими на привод генераторов постоянного тока. Запас жидкого кислорода позволяет находиться ПЛ "Naecken" под водой без всплытия до 10...14 суток.
Энергетическая установка с парогазовой турбиной MESMA разработана французско-испанским консорциумом для трех ПЛ "Agosta" 90В ВМС Пакистана и прошла береговые испытания во Франции. Установка производит тепловую энергию путем сжигания газообразной смеси этилового спирта и кислорода в первичном контуре теплообменника. Вторичный контур представляет собой обычную паровую турбину, которая приводит в действие высокоскоростной турбогенератор. Консорциум также предлагает указанную установку для ПЛ нового поколения "Scorpene".
Наибольшим опытом создания энергоустановок с электрохимическими генераторами для ПЛ обладают Россия и Германия. Опыт создания ЭУ с ЭХГ для ВМФ России изложен ниже. В Германии фирма Siemens начала заниматься водородно-кислородными топливными элементами в конце 60-х годов. В 1980 году была образована группа для разработки энергоустановки с ЭХГ для ПЛ, в работах которой приняли участие бюро IKL, верфь HDW и Siemens. Установка была создана и успешно прошла береговые испытания в 1986 году. Для корабельных испытаний переоборудовали уже упоминавшуюся ПЛ U-1. Испытания проводились в 1988...89 годах в Балтийском и Северном морях. В первый свой выход в море ПЛ
прошла не всплывая 200 миль при скорости 3...4 узла. Общая мощность установки 100кВт [2]. Для ВМС Германии верфь HDW планирует построить ПЛ класса 212 с ЭХГ. Установка мощностью 400 кВт должна обеспечить движение ПЛ в течение 20 суток при скорости хода около 3 узлов.
Сравнение типов анаэробных установок по таким критериям, как КПД, рабочие характеристики, ма-лошумность и другим, представлено в таблице.
Однако, при выборе типа установки необходимо сравнение параметров ПЛ таких, как технологичность сборки, маневренность и плавучесть, материально-техническое обеспечение, требования к инфраструктуре и экипажу, безопасность, стоимость разработки и эксплуатации, соответствие оперативно-тактическим требованиям ВМФ. В этом плане интересен опыт фирм ФРГ, которые после испытаний на ПЛ и-1 в 1988...1993 годах различных установок, однозначно остановили свой выбор на ЭУ с ЭХГ.
2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА
Принцип действия электрохимического генератора заключается в прямом превращении химической энергии реакции топлива и окислителя непосредственно в электрическую без процесса горения и механического движения. Реакция преобразования происходит в топливном элементе (ТЭ), который выполняется в виде двух электродов, разделенных слоем электролита. Реагенты хранятся вне ТЭ и подаются в него в процессе работы. При взаимодействии топливно-окислительной смеси с электролитом на электродах , соединенных проводником, образуется разность потенциалов, создающая электродвижущую силу элемента. Во внешней цепи начинает протекать ток [5].
Основными типами ЭХГ, созданными в мире, являются водородно-кислородные системы с пористыми электродами и щелочным электролитом или с ионообменными мембранами (ИОМ).
Таблица 1. Сравнение типов воздухонезависимыхустановок.
Параметр ЭУ с ЭХГ Дизель по замкнутому циклу Двигатель Стирлинга МЕSМА
КПД, % до 75 около 30 30...44 20
Рабочая температура,0С 90 >400 >750 >700
Рабочее давление, бар 2 5 около 18 60
Удельное потребление кислорода, кг/кВт 0,4 0,75 1,0 1,1
Необходимость насоса для удаления выхлопа нет да при глубинах > 180м при глубинах > 600м
Шум и вибрация (1-тах, 4-т1'п) 4 1 2 3
Опыт эксплуатации на ПЛ да да да нет
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE) #2 2002
Для водородно-кислородного ТЭ с щелочным электролитом, например, водным раствором едкого калия, токообразующей будет реакция образования воды из водорода и кислорода.
Ионообменные мембраны являются разновидностью твердых электролитов, т.е. веществ, которые в твердом состоянии обладают ионной проводимостью. ИОМ представляют собой пленки, содержащие полимерные материалы, имеющие функциональные группы, которые в водных растворах диссоциируют на ионы. В настоящее время наибольших успехов в разработке и производстве ИОМ достигли компании DuPont de Nemours и Dow Chemical Co, США и Ballard Power Systems, Канада. Несмотря на достижения стоимость ИОМ остается очень высокой и составляет, например, для мембраны Nafion 115 производства DuPont 320USD/w2 [5].
Основным достоинством щелочных ТЭ является высокая электрическая проводимость, которая на один-два порядка выше проводимости ИОМ. Однако, щелочные ТЭ требовательны к чистоте реагентов из-за взаимодействия раствора щелочи с двуокисью углерода (карбонизации
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.