CC BY
26Никифоров Б.В., Соколов В.С.,
ФГУП ЦКБ МТ «Рубин»
Соколов Б.А., Худяков С.А.,
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 химпоглотителем 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 МЕБМА
ПД, % 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 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^2 [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) и образования кристаллов карбонатов на электродах, что снижает их активность.
3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ С ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИМИ ГЕНЕРАТОРАМИ НА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ДЭПЛ
Работы по созданию ПЛ с энергетическими установками на электрохимических генераторах были начаты в СССР в первой половине 70-х годов, когда ЦКБ "Лазурит" был разработан проект переоборудования дизель-электрической ПЛ проекта 613 под размещение на ней опытной ЭУ с ЭХГ.
Энергоустановка имела в составе электрохимический генератор мощностью 280кВт, реагенты -жидкие кислород и водород - хранились в криогенных емкостях вне основного корпуса ПЛ.
Был создан ряд наземных и плавучих стендов для отработки конструкции ЭУ, проверки ее работоспособности при эксплуатации в морских условиях, изучения вопросов пожаро- и взрывобезопасности.
В 1988 году ПЛ "Катран" проекта 613Э (рисунок 1) успешно прошла расширенные государственные испытания и подтвердила принципиальную возможность создания и эффективного использования новой энергетики на ПЛ.
Одновременно с этим велись проектные работы по созданию энергоустановок с ЭХГ для боевых ПЛ. Работы координировались СКБ Котлостроения. И в 1991 году была изготовлена, испытана и сдана государственной комиссии полноразмерная энергетическая установка с низкотемпературным
водородно-кислородным электрохимическим генератором для ПЛ. СКБК совместно с ЦКБ МТ «Рубин» для перспективных проектов ПЛ были разработаны технические проекты ЭУ с ЭХГ с различными способами хранения реагентов — газоба-лонным, а затем со связанным хранением водорода и криогенным хранением кислорода. ЦКБ МТ «Рубин» выполняло большой объем работ по компоновке отсека, привязке установки к системам охлаждения и управления ПЛ, подключению нового источника электроэнергии к электроэнергетической системе (ЭЭС) и его защите [4].
С 1998 года к работам по созданию ЭУ с ЭХГ по техническому заданию ЦКБ МТ "Рубин" подключена РКК "Энергия" им. С. П. Королева (г. Королев), имеющая большой опыт создания установок с криогенными системами хранения реагентов для космических аппаратов.
В основу нового ЭХГ положены энергоблоки на основе топливных элементов щелочного типа, разработанные УЭХК (г.Новоуральск) для многоразо- 17 вой транспортной космической системы "Энергия-Буран" и отличающиеся высокой экономичностью и хорошими массогабаритными характеристиками. В 1992 году в Европейском центре космических исследований и технологий (Б8ТБС) в Голландии при испытаниях энергоблоков, проведенных по инициативе компании БА8А/Дорнье, были подтверждены высокие выходные параметры и удобство эксплуатации блоков.
***
ЭУ с ЭХГ на сегодняшний день не обеспечивает требуемые оперативно-тактические характеристики ПЛ океанского класса в части выполнения скоростных маневров при преследовании цели или уклонении от атаки противника. Поэтому перспективную ПЛ проекта "Амур" планируется оснащать гибридной энергоустановкой, в которой для движения на высоких скоростях под водой используются АБ, в надводном положении — дизель-генератор, а в режиме экономического хода - ЭУ с ЭХГ.
РКК "Энергия" совместно с ЦКБ МТ « Рубин» разработала автономную энергоустановку с криогенным хранением реагентов "РЭУ-99", которая встраивается в отсек длиной 9,8м и обеспечивает длительность плавания около 20 суток.
Установка имеет номинальную мощность 300 кВт, коэффициент полезного действия не менее 70%, удельный расход кислорода при номинальной мощности ЭУ - 0,336 кг/кВт*час, удельный расход водорода при номинальной мощности ЭУ - 0,042 кг/ кВт*час. Ввод установки с холодного состояния до полной номинальной мощности составляет не более 4 часов. Время заправки ЭУ с ЭХГ криогенными реагентами — 18,5 часов.
В состав энергоустановки входят: блоки хранения криогенного водорода и кислорода (БХВ и
Никифоров Б.В., Соколов В.С.,Соколов Б.А., Худяков С.А. Новые источники электроэнергии для подводных аппаратов
БХК), энергоблоки электрохимического генератора с блоками управления, локальная система управления, система пожаро- и взрывопредупреждения, блоки криогенной и газовой арматуры, система терморегулирования, трубопроводы и согласующий преобразователь (СП).
СП обеспечивает возможность параллельной работы ЭХГ, как источника нерегулируемой мощности, и АБ. В зависимости от режима ЭЭС СП работает
При компоновке отсека ЭУ прорабатано значительное количество вариантов размещения блоков хранения реагентов. В результате проработок был выбран оптимальный вариант (рисунок 3), при котором БХВ размещались в вертикальных шахтах, а БХК - в горизонтальном положении внутри прочного корпуса (ПК) вдоль оси ПЛ. Такой вариант наиболее полно удовлетворяет требованиям ВМФ о необходимости разделения реагентов ПК для обес-
18
РПБ лРПБ
ЩЛ4 РЩП4
"РПБ
Принятые условные обозначения
ABl, AB 2 группа аккумуляторной батареи ГЭД гребной электродвигатель
ДП, ДГ2 дизельгенератор РПБ разъем питания с берега
РДК1, РДК2 резервно-движительный комплекс
СП СЭД
ЩАВ1, ЩАБ2 ЩДП, ЩДГ2 ЩЛ
конвертор система движения щит АБ щит ДГ щит линейный
ЩР1, ЩР2 щит с пиристорами
ЩЭХГ щит ЭХГ
РЩП распределительный щит
<Э автоматический выключатель
ОБ пиристор
ЭХГ электрохимический генератор
Рис. 2. Энергетическая система ПЛ класса « Амур»
в режиме вольтодобавочного устройства или в режиме широтно-импульсного модулятора для понижения напряжения ЭХГ. СП состоит из 6 отдельных блоков для каждого энергоблока ЭХГ и обеспечивает также их электрическую защиту и параллельную работу энергоблоков между собой.
Схема ЭЭС ПЛ класса "Амур" представлена на рисунке 2.
***
Отсек с энергетической установкой спроектирован, исходя из обеспечения возможности его встраивания в корпус ПЛ, либо сразу при постройке ПЛ, либо в процессе модернизации "базовой" ПЛ, с минимальными трудозатратами. Для этого осуществлена взаимная увязка магистральных кабельных трасс и трубопроводов на переборках смежных отсеков.
печения безопасности эксплуатации установки. Кроме того, БХК защищены корпусом ПЛ от боевого воздействия.
Отсек поделен по высоте двумя газоплотными настилами. На первом настиле размещаются ЭХГ, СП, щиты, аппаратура управления, общекорабельное оборудование систем вентиляции и пожаротушения. На втором — БХК и блоки криогенной арматуры. В трюме располагаются цистерны сбора реакционной воды, оборудование системы терморегулирования, магистральные трубопроводы водяных систем, проходящие по низу отсека.
Поддержание необходимого состава газовой среды на первом настиле обеспечивается корабельными средствами, на втором и в трюме средствами энергоустановки.
Кроме криогенного способа хранения водорода рассматриваются и другие варианты хранения водорода. Наиболее отработан для реализации вариант хранения в интерметаллидном соединении.
В этом случае водород хранится в виде химически связанных соединений с металлами. Процессом сорбции/десорбции управляют охлаждая или нагревая ИМС. Наиболее освоенными являются ин-терметаллиды Ьа№5 и ТБе, в соединениях которых массовая доля водорода составляет 1,4...1,8% [6,9]. Из-за высокой плотности ИМС 5,65...8,25 т/м3 для обеспечения необходимого количества водорода система хранения будет иметь массу около 200 т.
Поэтому оптимальным для корабля является размещение интерметаллидных блоков хранения водорода в доковом киле ПЛ (рисунок 4).
Кислород хранится в криогенной емкости в вертикальной шахте. Системы ЭУ и ЭХГ располагаются аналогично первому варианту.
Малоизученными или отработанными при хранении водорода в ИМС являются следующие вопросы:
■ Конструкция блоков хранения должна предусматривать увеличение объема рабочего вещества в процессе заправки водородом (до 25 %);
■ После нескольких циклов сорбции/десорбции ИМС распадается на мелкодисперсный порошок с величиной гранулы около 5мкм (до 90% по объему). ЭХГ щелочного типа критичен к наличию пыли в реагентах, поэтому потребуется установка фильтров с величиной ячейки 1мкм;
■ Наличие множества блоков хранения водорода потребует большего количества дистанционно управляемых клапанов, датчиков, трубопроводов, большей длины сварных швов, что повышает риск утечки и сложность распознавания и локализации мест утечки водорода;
■ Требует дополнительных исследований вопрос управления процессом сорбции/десорбции водорода их ИМС из-за влияния температуры окружающей среды при расположении блоков за бортом ПЛ;
■ В связи с изменением сорбционной способности интерметаллида в процессе циклирования, количество водорода, которое можно извлечь при десорбции, требует дополнительного обоснования.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
К настоящему моменту в мире накоплен огромный опыт разработки воздухо-независимых ЭУ для ПЛ. Основные страны-производители неатомных ПЛ
двигаются различными путями к созданию оптимальной установки.
Россия и Германия предпочли другим вариантам ЭУ с ЭХГ по причине их несомненных преимуществ по сравнению с другими анаэробными установками, как:
■ высокий коэффициент полезного действия, достигающий 70-75%;
■ абсолютная экологическая чистота;
■ бесшумность;
■ отсутствие необходимости удаления выхлопных газов;
■ минимальное количество отводимого тепла;
■ высокая энергоемкость, позволяющая увеличивать дальность непрерывного подводного плавания ДЭПЛ.
Можно добавить, что пути совершенствования таких установок еще далеко не исчерпаны. Необходимо продолжать работы по увеличению ресурса самих энергоблоков, снижение их стоимости, решать проблемы снижения требований к чистоте реагентов, совершенствовать системы хранения реагентов вплоть до производства последних на борту ПЛ.
По мнению авторов, если сегодня рассматриваются установки увеличивающие подводную автономность до 30-45 суток на режимах экономического хода, то в будущем ЭУ с ЭХГ можно рассматривать как единый всережимный источник энергии, обеспечивающий как подводный так и надводный ход во всем диапазоне нагрузок.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Баданин В. А. Подводные лодки с единым двигателем. СПб., Гангут, 1998.
[2] Батырев А. Н., Кошеверов В. Д., Лейкин О. Ю. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран. СПб., Судостроение, 1994.
[3] Кормилицин Ю. Н. «Рубин»: широкий спектр предложений международного сотрудничества, Военный парад, сентябрь-октябрь 1998.
[4] Кормилицин Ю. Н., Хализев О. А. Проектирование подводных лодок, СПб, Изд. центр СПбГМТУ, 1999.
[5] Коровин Н. В. Электрохимическая энергетика, М., Энергоиздат, 1991.
[6] Лидоренко Н. С., Мучник Г. Ф. Электрохимические генераторы, М., Энергоиздат, 1982.
