СУДОСТРОЕНИЕ 1'2000
О <
о
О
СО
о
Применение атомных энергетических установок, работающих по закрытому циклу, позволяет существенно улучшить характеристики кораблей, особенно подводных лодок (ПЛ), но создает радиационную опасность. После аварий на Чернобыльской атомной электростанции и на ПЛ «Комсомолец», возникновения экологической опасности при выводе атомных ПЛ из состава ВМФ приходит понимание необходимости использования неатомных анаэробных энергетических установок (АНЭУ). Уже сегодня за рубежом появились образцы торпед (рис. 1) и разрабатываются ПЛ с АНЭУ, имеющими лучшие характеристики, чем дизель-электрические установки [1—6].
Интерес к АНЭУ вызван не только потребностями ВМФ, но и гражданских организаций, например, занимающихся гидрологическими исследованиями Мирового океана, разработкой шельфа, добычей полезных ископаемых в условиях ограниченной вентиляции или полного ее отсутствия, особенно во взрывоопасной среде.
АНЭУ могут использоваться в качестве главных энергетических установок неатомных ПЛ, глубоководных аппаратов различного назначения, а также как вспомогательные энергетические установки атомных ПЛ при выходе из строя главной установки. Для таких задач требуются АНЭУ мощностью более 100 кВт при подводной автономности более 100 ч.
Рис. 1. Паротурбинная установка торпеды ALWT:
1 — камера сгорания — парогенератор; 2 — паровая турбина; 3 — холодильник; 4 — насос
В ВМИИ разработаны проекты АНЭУ на основе газо- и паротурбинных установок закрытого цикла (ГТУЗЦ и ПТУЗЦ) с использованием так называемых безгазовых то-плив (БГТ). Под БГТ принято понимать химические вещества, которые при горении в замкнутом объеме без связи с атмосферой образуют при нормальных условиях только конденсированные жидкие или твердые про-
дукты реакции. Количество таких химических соединений очень велико. Основной горючей компонентой БГТ являются металлы. Кроме металлов в качестве горючего могут рассматриваться также некоторые неметаллы — водород, бор, углерод, кремний. В качестве окислителей, реагирующих с горючим в режиме безгазового горения, используются кислород- и галогенсодержащие органические соединения, большая группа кислородсодержащих твердых соединений (перхлораты и перекисные соединения), выделяющих при разложении свободный кислород.
Следует отметить, что используемые в электрохимических генераторах водород и кислород также являются компонентами безгазового топлива и именно с этого состава начинались исследования БГТ в ВМИИ. Однако, исходя из анализа энергетических, экономических и эксплуатационных характеристик, взрывопожаробезопасности и токсичных свойств, в качестве базовой топливной системы для использования в АНЭУ была выбрана система «Mg + CO2», дающая только конденсированные продукты сгорания (ПС) «MgO + C». Объем последних сравним с объемом исходных веществ, что позволяет решить задачу хранения конденсированных ПС на борту ПЛ.
Безгазовое топливо «Mg + CO2» характеризуется достаточно высокой калорийностью, взывопожаробезопасностью, доступностью природных ресурсов и освоенностью промышленного производства, возможностью как совместного, так и раздельного длительного хранения и транспортировки компонентов без изменений физико-механических свойств при колебаниях температуры окружающей среды и наличии вибрационно-ударных нагрузок, экологической чистотой исходных веществ и конечных продуктов. Особенность данной системы заключается в возможности регенерации исходных реагентов из продуктов реакции.
Горение БГТ можно обеспечить различными способами сжигания компонентов, основные из которых — слоевой способ, сжигание в кипящем слое, сжигание в потоке (закрученном или прямоточном), погружное горение (барботажное), поверхностное горение, сжигание в парофазном виде. В первых трех способах реализации горения топливной системы «Mg + CO2» горючая компонента применяется в виде порошка или гранул металла. В случае погружного или
КОРАБЕЛЬНЫЕ АНАЭРОБНЫЕ НЕАТОМНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ НА БЕЗГАЗОВОМ ТОПЛИВЕ
Ю. М. Халиуллин, докт. техн. наук; В. Н. Темнов, докт.техн. наук; В. Н. Мошков, канд. техн. наук (ВМИИ) удк 621.499-213.3:629.5
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2000
судовые эне^гет^чес^^е установки
Рис. 2. Анаэробная энергетическая установка на безгазовом топливе: а — одноконтурная ГТУЗЦ, б — двухконтурная ПТУЗЦ;
1 — камера сгорания; 2 — сепаратор; 3 — хранилище горючего; 4 — хранилище окислителя; 5 — регенератор-испаритель; 6 — холодильник; 7 — компрессор; 8 — регенератор тепла турбины; 9 — газовая турбина; 10 — хранилище шлаков; 11 — регенератор тепла шлаков; 12 — паровая турбина; 13 — конденсатор; 14 — насос; 15 — парогенератор
поверхностного горения используется расплав магния, причем при барботажном горении окислитель подается через специальные форсунки (фурмы), расположенные под свободной поверхностью расплава. При поверхностном горении форсунки расположены над поверхностью. В случае сжигания в парофаз-ном виде осуществляется предварительное расплавление магния, его нагрев до температуры кипения и перегрев паров. Перегретый пар поступает в зону смешения с окислителем, где сгорает с образованием конденсированного продукта «МдО + С».
Разработанные ВМИИ схемы АНЭУ на БГТ (рис. 2), отличаются от классических наличием перед турбиной системы очистки газообразного рабочего тела от твердых продуктов сгорания с регенератором тепла шлака и хранилищем шлака. В этих схемах порошкообразный магний подается в качестве холодного окислителя из емкости хранения в камеру сгорания (КС). Одновременно в КС подается подогретое в регенераторах рабочее тело (в одноконтурной схеме) или теплоноситель (в двухкон-турной). В обоих случаях используется газообразный углекислый газ. Образовавшаяся двухфазная смесь поступает из КС в сепаратор, где происходит очистка газообразного рабочего тела от твердых ПС. Далее шлак поступает в регенератор шлакового тепла, а затем в шлакосборник. Очищенное и нагретое примерно до 1000 оС рабочее тело поступает в газовую турбину, затем в регенератор тепла, холодильник, испаритель, компрессор, регенератор шлакового тепла и, наконец, возвращается снова в КС. В двухконтурной схеме газовый теплоноситель отдает тепловую энергию рабочему телу в парогенераторе.
При разработке АНЭУ впервые были решены следующие задачи:
определен диапазон режимных параметров, при которых существует безгазовый режим горения;
установлены тепловые и гидродинамические параметры реагирующего двухфазного потока в объеме камеры сгорания;
исследовано влияние конструктивных и других параметров АНЭУ на эффективность сжигания топлива;
разработаны система воспламенения компонентов и рациональная схема газоочистки и определена их работоспособность в условиях закрытого цикла;
исследована работа системы подачи топлива в условиях замкнутого цикла и разработана система шлакоудаления;
определены экономичные способы компактного хранения топлива и конденсированных ПС на борту подводных объектов;
создана (на базе полученных экспериментальных данных) мате-
матическая модель газотермодинамики рабочих процессов в КС и других элементах АНЭУ с учетом реальных физических процессов горения, конденсации, теплообмена и
др.;
разработаны пути совершенствования АНЭУ на БГТ.
Нетрадиционное топливо потребовало создания и нетрадиционного оборудования для его использования. Были разработаны, созданы, запатентованы и исследованы топочные устройства и КС различных типов — прямоточные, циклонные,
судовые энергетические установки
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2000
а)
б)
в)
и
_1 /
й/
к :
"и
Рис. 3. Камеры сгорания: а — с продуваемым слоем; б — с кипящим слоем; в — барботажные; г — циклонные; д — прямоточные; е — парофазные;
1 — топливо; 2 — продукты сгорания; 3 — холодный теплоноситель; 4 — нагретый теплоноситель; 5 — охладитель; 6 — воспламенитель; 7 — пары горючего; 8 — окислитель; 9 — горючее
слоевые, барботажные, парофазные (рис. 3), различные устройства подачи топлива, очистки рабочего тела, устройства уплотнения шлаков [7]. Например, при разработке воспламенительных устройств были разработаны и испытаны новые конструкции плазмотронов. На основе расчетных и опытных данных проведен анализ особенностей внутрито-почных процессов. Работоспособность перечисленного оборудования и систем была подтверждена опытными данными, полученными в ходе экспериментальных исследований, выполненных на «холодных» и «горячих» стендах. В последнем случае эксперименты проводились на установках малой тепловой мощностью и мощностью 200 и 400 кВт.
На основании этих экспериментов был разработан проект ПЛ с АНЭУ на топливе «Mg + CO2» в различных вариантах исполнения: форсажно-маршевом; с частичным или полным электродвижением; с различными исходными данными
на форсажном ходу, при переходе и в условиях обеспечения скрытности. При этом был определен состав нетрадиционного энергетического оборудования, проведены тепловые расчеты элементов энергооборудования и подробно рассмотрены их конструктивные особенности и режимы работы, оценены массогабаритные характеристики энергооборудования и систем хранения топлива и продуктов сгорания. Сопоставление ПЛ с АНЭУ на БГТ и дизель-электрической ПЛ (ДЭПЛ) показало, что при некоторых исходных данных АНЭУ на БГТ может быть размещена полностью в габаритах ДЭПЛ базового варианта. В составе АНЭУ могут использоваться ПТУЗЦ и ГТУЗЦ с рабочими параметрами, достижимыми на сегодняшний день в традиционном энергомашиностроении. Разработанный проект ПЛ с АНЭУ по своим техническим характеристикам существенно превосходит базовый вариант ДЭПЛ.
Для внедрения рассмотренных вариантов АНЭУ на реальных объектах немаловажное значение приобретает система берегового базирования. В процессе исследований была предложена необходимая инфраструктура системы, определен ее состав, проведена оценка взры-вопожароопасности таких объектов. Установлено, что для перевозки порошков магния может быть использован без существенных изменений специализированный транспорт для сыпучих грузов с созданием защитной среды из инертного или углекислого газа. Длительное хранение порошка магн
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.