энергетическая установка для длительного малошумного хода и работы подводного аппарата

Формула изобретения

Энергетическая установка для длительного малошумного хода и работы подводного аппарата, состоящая из химического реактора с высокоэнергетическим топливом и форсуночным блоком, резервуаров с запасами химического топлива и окислителя, системы передачи тепла с теплопередающими элементами и каналом с рабочей газообразной средой, преобразователя тепловой энергии в механическую работу и тепловой изоляции, отличающаяся тем, что энергетическая установка снабжена тепловым аккумулятором, с размещенными в нем элементами химического реактора и высокоэнергетическим топливом, например литием, а форсуночный блок снабжен устройством изменения высоты впрыскивания окислителя, например шестифтористой серы, размещен под поверхностью расплава топлива и соединен трубопроводом с арматурой с резервуаром с окислителем, выполненным в виде группы съемных баллонов, размещенных вне корпуса подводного аппарата, например в его надстройке, при этом система передачи тепла выполнена в виде трубчатого спирального змеевика с пористой наружной поверхностью, заполненной литием, расположенного вокруг форсуночного блока, и снабжена контуром с рабочей средой, например гелием, газонагревателем, газоохладителем и газонагнетателем и системой охлаждения с насосом забортной воды, при этом преобразователь тепловой энергии в механическую работу выполнен в виде турбины, ротор которой соединен с ротором генератора, с валом нагнетателя рабочей среды, например компрессора, и пусковым электроприводом, а все топливо, обеспечивающее заданную автономность подводного аппарата, размещается в тепловом аккумуляторе и вместе с продуктами сжигания топлива служит в нем теплоаккумулирующим материалом и тепловой изоляцией зоны химической реакции сжигания топлива.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области подводного кораблестроения, а более конкретно к независимым от атмосферного воздуха источникам энергии для подводных аппаратов и может быть использовано для повышения подводной автономности и других целей, требующих работы энергетической установки без связи с атмосферным воздухом.

Известен электрохимический генератор, являющийся основой энергетической установки, не зависящей от атмосферного воздуха, в котором в качестве окислителя и восстановителя используются кислород и водород, обладающие высокой удельной химической энергией. Реакция соединения кислорода и водорода совершенно бесшумна, а КПД может достигать ~60%.

Наиболее существенным недостатком электрохимических генераторов является пожароопасность и взрывоопасность их реагентов - кислорода и водорода. Кроме того, необходимые запасы реагентов имеют большие массогабаритные характеристики, а частая перезарядка баллонов с реагентами требует всплытия на поверхность или возвращения в базу (журнал "Судостроение за рубежом", 8, 1989 г., л.17...23).

Известен также химический реактор и способ инициирования реакции лития на основе перхлората алюминия или натрия (патент Франции 2565677).

Недостатком этого химического реактора является наличие в нем газа, резко ухудшающего регулируемость процесса подачи окислителя.

Известна также автономная энергетическая установка, не зависимая от окружающей морской среды, состоящая из химического источника тепла, системы переноса тепла и двигателя Стирлинга, объединенных в автономный энергоблок. Источником тепла в установке служит химическая реакция между литием и шестифтористой серой, а передающей тепло средой является натрий (ВМТ и вооружение, 1977 г., 6, стр.19...28). В установке используется высокоэнергетическое топливо. Реагенты взрывобезопасны и нетоксичны. Эта установка принята в качестве прототипа.

Ее недостатком является недостаточное энергосодержание (около1200 кВтч) при больших габаритах (6, 2, 5 и 3 места) ЭУ и использование в процессе теплопередачи натрия.

Предлагаемым изобретением решается задача увеличения подводной автономности подводного аппарата путем увеличения энергосодержания источника тепловой энергии при сохранении приемлемых габаритов энергетической установки и упрощении ее конструкции, не требующей использования натрия.

Для достижения этого технического результата энергетическая установка подводного аппарата, состоящая из химического реактора с высокоэнергетическим топливом и форсуночным блоком, резервуаров с запасами химического топлива и окислителя, системы передачи тепла с теплопередающими элементами и каналом с рабочей газообразной средой, преобразователя тепловой энергии в механическую работу и тепловой изоляции, снабжена тепловым аккумулятором с размещенными в нем элементами химического реактора и высокоэнергетическим топливом, например литием, а форсуночный блок снабжен устройством изменения высоты впрыскивания окислителя, например, шестифтористой серы, размещен под поверхностью расплава топлива и соединен трубопроводом с арматурой с резервуаром с окислителем, выполненным в виде группы съемных баллонов, размещенных вне корпуса подводного аппарата, например в его надстройке, при этом система передачи тепла выполнена в виде трубчатого спирального змеевика с пористой наружной поверхностью, заполненной литием, расположенного вокруг форсуночного блока, и снабжена контуром с рабочей средой, например гелием, газонагревателем, газоохладителем и газонагнетателем и системой охлаждения с насосом забортной воды, при этом преобразователь тепловой энергии в механическую работу выполнен в виде турбины, ротор которой соединен с ротором генератора, с валом нагнетателя рабочей среды, например компрессора, и пусковым электроприводом, а все топливо, обеспечивающее заданную автономность подводного аппарата, размещается в тепловом аккумуляторе и вместе с продуктами сжигания топлива служит в нем теплоаккумулирующим материалом и тепловой изоляцией зоны химической реакции сжигания топлива.

Отличительным признаком предлагаемой энергетической установки от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, является то, что энергетическая установка снабжена тепловым аккумулятором с размещенными в нем элементами химического реактора и высокоэнергетическим топливом, например литием, а форсуночный блок снабжен устройством изменения высоты впрыскивания окислителя, например шестифтористой серы, и размещен под поверхностью расплава топлива и соединен трубопроводом с арматурой с резервуаром с окислителем, выполненным в виде группы съемных баллонов, размещенных вне корпуса подводного аппарата, например в его надстройке, при этом система передачи тепла выполнена в виде трубчатого спирального змеевика с пористой наружной поверхностью, заполненной литием, расположенного вокруг форсуночного блока, и снабжена контуром с рабочей средой, например гелием, газонагревателем, газоохладителем и газонагнетателем и системой охлаждения с насосом забортной воды, при этом преобразователь тепловой энергии в механическую работу выполнен в виде турбины, ротор которой соединен с ротором генератора, с валом нагнетателя рабочей среды, например компрессора, и пусковым электроприводом, а все топливо, обеспечивающее заданную автономность подводного аппарата, размещается в тепловом аккумуляторе и вместе с продуктами сжигания топлива служит в нем теплоаккумулирующим материалом и тепловой изоляцией зоны химической реакции сжигания топлива.

Благодаря наличию этих признаков за счет периодического сжигания порций топлива обеспечивается систематическое восстановление энергозапаса теплового аккумулятора при меньшем количестве теплоаккумулирующего материала и меньшем размере самого теплового аккумулятора.

Размещение форсуночного блока в объеме теплоаккумулирующего материала и расположение вокруг него трубчатого спирального змеевика с пористым покрытием, заполняемым литием, что защищает змеевик от коррозии и улучшает теплообмен, обеспечивает более полное использование выделяемого тепла и уменьшает его потери. Замена двигателя Стирлинга прототипа турбиной с более высоким КПД (72% против 32%), а также использование топлива в качестве теплоаккумулирующего материала снижают массогабаритные характеристики теплового аккумулятора, повышают экономичность энергетической установки. Важным фактором является и размещение зоны химической реакции в массе топлива, выполняющей еще и роль тепловой защиты. Кроме того, целесообразность сочетания химического реактора с тепловым аккумулятором подтверждает различие теплоемкости лития ~ 2 Квтч/кг и его энергосодержания ~13 кВтч/кг. Это позволяет при одной и той же массе топлива при его сжигании снять с теплового аккумулятора в ~6 раз большее количество тепловой энергии.

Предлагаемая энергетическая установка иллюстрируется чертежами.

На фигуре 1 представлена принципиальная схема объединенной энергосистемы прототипа, в состав которой входят: химический источник энергии 1, система передачи тепла 2, двигатель Стирлинга 3.

На фигуре 2 представлена принципиальная схема предлагаемой энергетической установки.

В ее состав входят: тепловой аккумулятор 1, тепловая защита 2, теплоаккумулирующий материал - химическое топливо 3, трубчатый спиральный змеевик 4, контур рабочей среды 5 с клапанами стопорным 6, регулирующим 7, турбина 8, генератор 9, газонагнетатель 10, газоохладитель 11, насос охлаждения 12, система охлаждения 13, газонагреватель 14, блок форсунок 15, трубопровод подачи окислителя 16 с клапанами: регулирующим 17, байпасным 18, стопорным 19, баллоны с окислителем, вынесенные из корпуса подводного аппарата 20, система электроразогрева топлива 21.

Для подготовки энергетической установки к пуску теплоаккумулирующий материал - топливо 3 прогревается системой электроразогрева 21 до ~750^o. Одновременно идет прогрев турбины с ее периодическим проворачиванием. После окончания разогрева топлива 3 и прогрева турбины 8 включается пусковой электропривод (на схеме не показан) газонагнетателя 10, сидящий на его валу, после чего через 10 минут в зону химической реакции через форсунку форсуночного блока 15 по трубопроводу подачи окислителя 16 через открываемый регулирующий клапан 17 при открытом стопорном клапане 19 из баллонов 20 впрыскивается окислитель, что и обеспечивает начало химической реакции. Через 5.. . 10 минут в зоне трубчатого спирального змеевика 4 устанавливается температура ~850^o, пусковой электропривод от вала газонагнетателя 14 отключается и при открытом стопорном клапане 6 открывается регулирующий клапан 7 и турбина 8 принимает нагрузку, запускается насос охлаждения 12 и система охлаждения вступает в действие..

Энергетическая установка работает следующим образом. Выделяемое при периодическом сжигании расплавленного топлива тепло поддерживает в тепловом аккумуляторе 1 требуемую температура (для лития ~850^o), что обеспечивает нагрев в трубчатом спиральном змеевике 4 рабочей среды, например гелия, до заданной температуры и подачу ее по трубопроводу контура рабочей среды 5 через открытый стопорный клапан 6 и регулирующий мощность клапан 7 на турбину 8, преобразующую тепловую энергию в механическую работу на своем валу, соединенном с ротором генератора 9 и валом газонагнетателя 10. Отработавший в турбине газ поступает в газонагреватель 14, где отдает часть оставшегося тепла газу, направляемому в трубчатый спиральный змеевик 4. Газ, отдавший тепло в газонагревателе 14, поступает в газоохладитель 11 для охлаждения его до уровня, допускающего его подачу в газонагнетатель (компрессор) 10, откуда он через газонагреватель поступает для очередного нагрева в трубчатый спиральный змеевик 4 теплового аккумулятора 1.

Управление установкой выполнено по схеме обеспечения требуемой нагрузки и осуществляется путем регулирования расхода рабочего тела (газовой среды) клапаном 7, поддержанием температуры в тепловом аккумуляторе путем периодической подачи окислителя в зону реакции клапаном 17 и поддержанием среднего давления в контуре рабочего тела путем соединения контура с баллоном с высоким давлением.

Предлагаемая энергетическая установка обеспечивает взрывобезопасность и негорючесть реагентов химической реакции, инертность окислителя при температуре до 150^o, абсолютную нетоксичность, допускающую возможность использования химического топлива в закрытых отсеках без систем фильтровентиляции, а также протекание реакции без образования газообразных продуктов и получение высокой удельной энергии и удельного энергосъема.

При умеренных МГХ, допускающих ее размещение на ПА, энергетическая установка обладает необходимой подводной автономностью и при дозарядке теплового аккумулятора не требует вывода установки из действия и всплытия на поверхность.

Практически длительность подводной автономности определяется величиной запаса реагентов химической реакции, пополнение которых может происходить без возвращения на базу.

Важную роль в увеличении подводной автономности играет совмещение химического реактора с тепловым аккумулятором и использование в качестве его теплоаккумулирующего материала химического топлива. Помещение всего необходимого запаса топлива в тепловой аккумулятор обеспечивает его поддержание в немедленной готовности к вступлению в реакцию при подаче окислителя. При этом используется тепло, оставшееся после нагрева рабочей среды в трубчатом спиральном змеевике. Таким образом, топливо играет еще и роль тепловой изоляции. Кроме того, размещение змеевика в объеме расплавленного топлива вблизи зоны химической реакции существенно повышает эффективность передачи тепла рабочей среде и позволяет обойтись без промежуточного теплоносителя пожароопасного натрия.

Все вышесказанное, а также замена двигателя Стирлинга, имеющего сложную технологию изготовления, турбиной с в два раза большим КПД дает существенное увеличение КПД энергетической установки, экономию топлива и увеличивает автономность подводного аппарата.