Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга)

В обоих проектах установок использован четырехцилиндровый двигатель модели 4-615 номинальной мощностью 150 кВт. Предусмотрено кратковременное (в течение 15 мин) развитие двигателем форсажной мощности 300 кВт. Двигатель рассчитан на восприятие перегрузок до 15 g в поперечном направлении и до 5 g в продольном направлении. С носового конца двигателя предусмотрен отбор мощности (до 150 кВт).

Рис. 37. Принципиальная схема энергетической установки для подводного хода на дизельном топливе с использованием перекиси водорода, в качестве окислителя.

 

/ — забортная вода; 2 — эластичная емкость; 3 — корпус; 4 — вентиль загрузки окислителя; 5 — дренажный клапан; 6 — дегазационный (перепускной) клапан; 7 — фильтр; 8 — иасос окислителя; 9 — клапан сброса давления; 10 — трехходовой вентиль блокировки клапанов; 11 — невозвратный клапан; 12 — каталитический реактор (камера); 13 — двигатель Стирлинга; 14 — автоматические клапаны топливоподачи; 15 — автоматический регулятор; 16 — терлооб- меииик; 17 — иасос впрыска конденсата; 18 — холодильник выпускных газов; 19 — клапан регулирования давления выпускных газов; 20 — топливомасляный холодильник; 21 — топливный иасос; 22 — вентиль загрузки топлива; 23 — дизельное топливо; 24 — вентиль забортной воды.

Преимуществом установки с двигателем Стирлинга перед дизельными установками подводных лодок, работающими на перекиси водорода, по мнению зарубежных специалистов, является возможность последовательного сжигания топлива в каждой из четырех камер сгорания двигателя. В итоге выпускные газы состоят в основном из углекислого газа и водяного пара. Конденсация водяного пара не представляет трудностей. Углекислый газ можно либо выпустить за борт, либо сжать до давления, при котором углекислота переходит в жидкую фазу при нормальной температуре (при давлении 60 кгс/см² температура кипения двуокиси углерода +22,4°С).

Выпуск газа за борт возможен при  некотором превышении давления выпускных  газов над забортным давлением. В проекте установки предусмотрено  поддержание в трубопроводах  системы сжигания топлива давления 30 кгс/см². Это позволяет осуществить выброс углекислоты за борт на глубинах до 300 м без дополнительного сжатия. Отсутствие компрессора упрощает энергетическую установку. Вместе с тем высокое давление в сложной сети трубопроводов вызывает определенные опасения за надежность установки и корабля в целом.

Энергетическая установка с  двигателем Стирлинга 4-615, работающая на дизельном топливе и перекиси водорода, имеет суммарный удельный расход топлива и окислителя 2,2— 2,8 кг/(кВт-ч) в зависимости от режима при работе на глубине около 300 м.

При использовании жидкого кислорода  в качестве окислителя удельный расход топлива и окислителя снижается вдвое, однако значительно усложняется задача сохранения окислителя в течение длительного времени.

§ 18

Установки, использующие водород в качестве топлива

Проблема «топливного голода»  и усиливающиеся требования по защите водной и воздушной сред в последние  годы интенсифицировали исследования по использованию в качестве топлива водорода, при сжигании которого не происходит загрязнения, а его добыча не требует дефицитных нефтепродуктов. До настоящего времени применение водорода в энергетических установках сдерживалось высокой потребностью в электроэнергии при его получении методом электролиза воды, трудностями хранения и транспортировки, а также вопросами безопасности. Применение атомной энергии в технологическом процессе дает возможность получения водорода в необходимом количестве [22]. В лаборатории комиссии по атомной энергии США проведен комплекс работ по созданию безопасного источника водорода для энергетических установок транспортных средств {20, 45]. В качестве такого источника предлагается аккумулятор, Принцип действия которого⁴ основан на поглощении водорода Некоторыми веществами с пористой структурой. В одном из вариантов такого аккумулятора водород находится в связанном состоянии в составе сложного металлогидрида FeTiH₂. Давление в баллоне аккумулятора находится в Диапазоне 1 — 2,5 кгс/см². Выделение газообразного водорода из металлогидрида осуществляется при подведении теплоты, например, ог Отработанных газов или охлаждающей жидкости двигателя. Расход водорода регулируется изменением температуры специальной камеры в аккумуляторе. Хранение водорода указанным способом значительно безопаснее, чем хранение в сжиженном или в газообразном состоянии под давлением. Массогабаритные характеристики являются удовлетворительными для различного ,вида транспортных средств, так как содержание водорода в металлогидридном аккумуляторе с FeTiH2 по Массе, отнесенное к единице объема, превосходит таковое для сжиженного водорода [20]. Выполненные конструкции водородных аккумуляторов превосходят по массе баки с обычным углеводородным топливом, но они легче примерно в тридцать раз, чем системы со свинцово-кислотными аккумуляторами равной энергоемкости |22]. Приемлемые массогабаритные характеристики при обеспечении требуемой автономности плавания дают возможность применять водородное топливо не только на надводных судах, но й на погружающихся средствах. Так, например, фирмой Юнайтед Стирлинг совместно со специалистами США разрабатывается исследовательский глубоководный аппарат с ДВПТ и ме- ■таллогидридным аккумулятором. Сжигание водорода в камере ДВПТ не требует дополнительных переделок двигателя, за исключением самой камеры и системы топливоподачи, и к тому же значительно безопаснее, чем применение водорода в обычных поршневых двигателях внутреннего сгорания [45].

Наряду с решением проблемы замены углеводородного топлива на более дешевое, применение судовых энергетических установок с ДВПТ и металлогидридными аккумуляторами водорода для погружаемых средств важно и в следующих аспектах. Продукт сгорания водорода в кислороде — вода — может быть использован для других нужд даже без очистки и является дополнительным источником пресной воды на борту. Решается немаловажная задача для обеспечения подводного хода глубоководных аппаратов — выпуск продуктов сгорания за борт.

Удаление сконденсированной воды не вызывает технических затруднений, независимо от глубины погружения судна. 
 

Зарубежные установки подводного хода с тепловыми аккумуляторами

- перезарядка;

Несомненным преимуществом двигателей с внешним подводом теплоты является возможность их использования в энергетических установках с аккумуляторами теплоты. Это позволяет создать достаточно простые установки для подводных аппаратов, где не нужно решать проблему хранения окислителей и выброса конечных продуктов сгорания.

) ⁷_Ч За борт

Рис. 38. Принципиальная схема энергетической установки для подводного хода с двигателем Стирлинга и тепловым аккумулятором. j — насос; 2 — двигатель Стирлинга; 3 —■ подвод горячего теплоносителя; 4 — камера сгорания; 5 — тепловой аккумулятор; 6 — теплообменник (экономайзер); 7 — воздушный компрессор.

 

> — работа от аккумулятора.

Под тепловым аккумулированием понимается весь цикл, включающий увеличение внутренней энергии материала при нагревании, пребывание его в этом состоянии в течение определенного периода и возвращение в систему накопленной энергии с преобразованием части ее в механическую работу в двигателе.

Принципиальная схема энергетической установки с ДВПТ и тепловым аккумулятором, разработанной для использования  на подводных лодках, приведена на рис. 38 [3, 30].

Современные теплоизолирующие материалы  и методы теплоизоляции позволяют создавать аккумуляторы, в которых потери теплоты не превышают 5—10% в сутки. Наиболее трудную задачу представляет подбор материала с высокой теплоаккумули- рующей способностью. 

Материалы, используемые для аккумулирования  энергии, должны иметь высокую теплоемкость (или большую теплоту плавления) и высокую плотность. Кроме того, они должны быть химически стабильными и не должны реагировать с материалами, из которых изготовлены контейнеры и теплопроводы. На рис. 39 дано сравнение теплоаккумулирующей способности различных материалов на единицу массы и объема. Там же приведено максимальное значение температуры, характерной для данного теплоносителя. За минимальное значение принято 540° С — температура, при которой еще обеспечивается достаточно эффективная работа двигателя.

 

 

900 800 700100 500 Ш J00 200 100 200 Ш В00 8001000120014001600 1800 кИт-ч/т Энергоемкость кВт-ч/п

Рис. 39. Удельная теплоаккумулирующая  способность различных материалов на единицу массы и объема. Tmln =540° С CD — теплота нагревания;

I — скрытая теплота плавления.

Первые четыре материала представляют собой расплавы солей, в которых энергия накапливается в основном за счет теплоты плавления. Остальные материалы — твердые, накопление энергии в них происходит только за счет теплоемкости. Их недостатком является то, что по мере расходования энергии температура аккумулятора снижается. Необходимость контейнеризации, обеспечения теплоизоляции и интенсивной теплопередачи при работе установок делают расплавы солей наиболее удобными для применения в качестве теплоаккумуляторов.

Из расплавов лучшими по удельным характеристикам являются гидрид лития LiH (теплота плавления 640 ккал/кг) и фторид лития LiF (теплота плавления 250 ккал/кг), причем фторид лития предпочтителен ввиду более высокой температуры плавления (842°С; температура плавления LiH 680°С), а также потому, что гидрид лития при температурах чуть выше точки его плавления уже диссоциирует. Из особо жаростойких материалов для контейнера наиболее перспективным оказывается окись алюминия А1₂0з, имеющая теплоту плавления около 420 ккал/кг при 1550° С. 

Энергоемкость установки с ДВПТ, работающим от теплового аккумулятора, достигает 0,2 кВт-ч/кг, что примерно в 5—8 раз выше энергоемкости установки, состоящей из электродвигателя и  свинцовокислотной аккумуляторной батареи.

Применение аккумуляторов теплоты  выдвигает некоторые специфические  проблемы, в частности подбор материала  контейнера для хранения теплоаккумулятора. Исследовательская лаборатория фирмы Дженерал Моторс провела экспериментальное исследование коррозионной стойкости различных материалов по отношению к фториду лития. Пять капсул из различных сплавов (310 SS, Хастеллой Н, Хайнесс-25, Инконел-600, Инко- нел-750), содержащие LiF высокой чистоты, выдержали 1200 температурных циклов продолжительностью около 3 ч каждый с изменением температуры от 425 до 870° С. Результаты испытаний были удовлетворительны для всех материалов, но лучшим из них по стойкости оказался Хастеллой.

Проблемным вопросом является также  обеспечение теплопередачи от аккумулятора теплоносителю. Наилучшим решением в настоящее время считается использование тепловых труб, основные особенности которых описаны в § 10. Изменение фазового состояния теплоаккумулирующего вещества приводит к изменению его объема. Так, объем LiF при затвердевании расплава уменьшается почти на 50%, что приводит к появлению внутренних каверн. Если каверна образуется на теплопередаю- щей поверхности, то двигатель не сможет развить полной мощности при разрядке аккумулятора, а при зарядке аккумулятора могут перегреться и разрушиться нагревающие элементы. Кроме того, форма и расположение каверн сильно влияют на величину внутренних напряжений в материале контейнера. Экспериментально установлено, что медленная разрядка аккумулятора вызывает появление каверн большого размера, а быстрое охлаждение приводит к появлению множества мелких каверн.

§20

Зарубежные установки

подводного хода с окислением металлов

Установки с окислением (сжиганием) металлов наиболее перспективны для  использования на подводных аппаратах [30] из-за сравнительно высокой теплоты реакции и отсутствия газообразных продуктов сгорания. Последнее качество важно как с точки зрения экономичности (не требуется затрат мощности на выброс газов за борт), так и с точки зрения незагрязненности среды [30].

В установках этого типа сжигание производится путем смешивания жидкого металла с окислителем. Для практической реализации источников энергий в вйде бжйгаемых МетаЛЛой в судовых установках необходимо учитывать ряд условий, перечисленных ниже.

Реакция должна быть управляемой и  иметь высокую теплоту по массовым и объемным показателям. Температура реакции не должна превышать пределов жаростойкости современных конструкционных материалов. Продукты сгорания при расчетной температуре реакции не должны быть газообразными. Образование твердых продуктов также не очень желательно, поскольку они могут создать изолирующий слой в зоне реакций. Кроме того, твердые продукты, увеличивая вязкость расплава, ухудшают циркуляцию жидкости.

В закрытой системе объем продуктов реакции не должен сильно отличаться от объема металлического топлива. Как реагенты, так и продукты реакции должны быть нетоксичными. Это особенно важно для--защиты обслуживающего персонала, поскольку установки рассматриваемого типа применяются в основном на подводных аппаратах [30].

Топливо и окислитель должны хорошо сохраняться в течение длительных периодов времени. Для возможности  размещения реагентов в эластичной емкости вне прочного корпуса  подводного аппарата желательно, чтобы плотность реагентов была равна плотности морской воды, тогда при работе установки не будет изменяться плавучесть аппарата.

Реагенты должны быть по возможности  доступными и дешевыми.

К сожалению, сочетаний топлива  и окислителя, которые удовлетворяли  бы всем перечисленным требованиям, в природе нет. Энергетические характеристики различных сочетаний металл — окислитель приведены на рис. 40. По перечисленным критериям с учетом удельной энергоемкости наиболее пригодны для подводных установок системы с использованием лития в качестве топлива и различных фреонов или шестифтористой серы в качестве окислителя [18, 30].

В исследовательской лаборатории  фирмы Дженерал Моторс проведен ряд  экспериментов по сжиганию лития  в открытой и закрытой системах. В открытой системе окислитель (C₄Fs, SFe, CIF3) подавался по металлической трубке к расплаву лития. При этом если трубка была размещена под поверхностью расплава, воспламенение начиналось после прорыва газом защитной пленки на поверхности расплава. Если трубка с окислителем располагалась над поверхностью расплава, то воспламенение можно было получать тремя способами: