научная статья по теме НОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «НОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ»

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.

Показать целиком