Гидрореагирующее горючее для торпедных энергетических установок

Известно, что химические топлива, в которых в качестве горючего используются определенные металлы, а в качестве окислителя — растворяющей и охлаждающей жидкости —морская вода, представляются наиболее эффективными для тепловых энергетических установок подводных аппаратов. Необходимость использования металлических горючих обусловлена тем, что только эти типы горючих обеспечивают значительное выделение энергии при химической реакции с водой.

Энергетические установки, использующие в качестве окислителя забортную морскую воду, имеют такие же преимущества, как у воздушно-реактивных установок над ракетами, в которых необходимо размещать на борту не только горючее, но и окислитель. Сравнивая между собой установки, работающие на воде и на воздухе, и отмечая при этом, что воду относительно легко подавать насосом, а подача воздуха связана с использованием сложных механических элементов, специальных впускных устройств и достаточно крупных по габаритам внутренних трактов, можно сделать вывод, что энергетические установки, использующие воду в качестве окислителя, представляются более пригодными для успешной эксплуатации.

Особенность установок, работающих на морской воде, состоит в том, что по мере увеличения глубины погружения подводного аппарата возрастает гидростатическое давление окружающей среды благодаря значительно большей плотности воды по сравнению с воздухом. А рост глубины погружения приводит к уменьшению кпд двигателя энергетической установки открытого цикла за счет уменьшения отношения давлений рабочего цикла, если не будут приняты специальные меры.

Одна из таких мер — использование эжектора, который позволяет уменьшить давление на выхлопе двигателя (до некоторой постоянной величины независимо от забортного давления). Однако эжектор может быть использован только в такой установке, в которой продукты сгорания топлива не содержат газы, нерастворимые в воде. Для рассматриваемых установок, работающих на топливах типа металл—вода, использовать эжектор невозможно, так как продукты сгорания таких топлив содержат газообразный водород.

Другая мера — использование замкнутого цикла работы двигателя, в котором продукты сгорания отдают свою тепловую энергию некоторой промежуточной рабочей среде, т. е. рабочему телу двигателя. Поскольку замкнутый контур с рабочим телом не связан с забортным давлением, то характеристики установки в целом не зависят от глубины погружения подводного аппарата. Влияние возрастающего с глубиной забортного давления в установках открытого цикла может быть уменьшено за счет создания постоянного отношения давлений продуктов сгорания на входе в двигатель даже на очень большой глубине.

Другие трудности при создании энергетических установок, работающих на забортной воде, следующие: сравнительно медленная реакция воды с металлами при нормальных условиях, по крайней мере с теми, которые обеспечивают аппарату наивысшие удельные характеристики, и хранение металлов в нормальных условиях в твердом состоянии, что также уменьшает их способность вступать в реакцию с водой.

Необходимо также отметить, что подача металлов в камеру сгорания не может быть выполнена с помощью обычных средств, особенно в тех случаях, когда одновременно требуется обеспечить эффективное использование объема под горючее и оптимизировать условия реакции горючего с водой.

Получение максимальных дальностей хода торпед, движущихся с заданными скоростями, теоретически обеспечивается при реакции с водой металлических горючих: бериллия, бора, алюминия и циркония. Эти металлы приведены в том порядке, в каком убывают их энергетические характеристики.

Литий и натрий.

Металлический натрий плавится при температуре 371 К и интенсивно реагирует с водой даже при комнатной температуре. Металлический литий плавится при температуре 459 К и более спокойно реагирует с водой при комнатной температуре.

Хотя расплавленный литий достаточно быстро реагирует с водой, все же скорость его реакции меньше, чем у расплавленного натрия.

В некоторых работах были сделаны соответствующие термодинамические расчеты реакций этих металлов с водой и выполнен анализ влияния впрыска избыточного количества воды на понижение температуры воспламенения и увеличение массы рабочего тела на основе следующих общих уравнений:

2Nа_(ж) + (п + 2) Н₂0_(ж) → 2NаОН_(ж) + Н_{2 {г)} + nН₂О_(г);

2Li_(Ж) +(n + 2)H₂ О_(ж) →2LiOH_(ж) + Н_{2 (Г)}+nН₂О_(Г),

где индексами «ж» и «г» обозначены соответственно жидкость и газ.

На рис. 25 приведена зависимость температуры в камере сгорания Т_с и температуры на выхлопе Т_Ё продуктов сгорания при их расширении от давления 2070 кН/м² до атмосферного от различных массовых отношений воды к литию. Горизонтальные участки на этих графиках свидетельствуют о наличии областей, где существует равновесие между двумя различными формами продуктов реакции. Например, участок в районе массовых отношений 4—5 означает равновесие между окисью лития и гидратом окиси лития, небольшие горизонтальные участки в районе массовых отношений 8—10 свидетельствуют о плавлении твердого гидрата окиси лития до жидкого состояния при температуре 735 К. При массовых отношениях более 12—13 имеющееся количество теплоты недостаточно для испарения всей воды, поэтому в продуктах реакции существует область равновесия между водой и ее парами.

Рис. 25. Зависимость температур в камере сгорания Тс и на выхлопе Те от отношения массы воды к массе лития λ.

На рис. 26 приведены зависимости параметров газогенератора, рассчитанные по падению энтальпии между температурами графика на рис. 27. Максимальная удельная энергия Е_уд ** образуется при весьма высоком массовом отношении (примерно 9 кг воды на 1 кг лития) и температуре горения около 850 К.

Рис 26 Зависимость параметров газогенератора (удельной энергии Е_уд, измеренной скорости потока с и теоретической скорости потока с*) от отношения массы воды к массе лития λ.

Рис. 27. Зависимость температур в камере сгорания Тс и на выхлопе Т_Е от отношения массы воды к массе натрия λ.

На рис. 23 и 28 представлены результаты аналогичных расчетов для топлива на основе натрий —вода. Максимальная удельная энергия образуется при массовом отношении около 2 и температуре горения около 850 К. Второй максимум удельной энергии при массовом отношении 5 свидетельствует о выделении теплоты в растворенном гидрате окиси натрия, которое происходит тогда, когда вода (жидкость) присутствует в продуктах реакции. Пунктирными линиями на рис. 26 показаны графики удельной энергии для случая, когда этой теплотой растворения пренебрегают. Топливо на основе лития дает в пять раз больше энергии на 1 кг горючего, чем топливо на основе натрия. Для турбины, имеющей кпд 50% при степени расширения рабочего тела 20/1, топливо литий—вода имеет удельный расход по отношению к мощности на выходном валу, равный 0,912 кг/(кВт-ч), а топливо натрий—вода при прочих равных условиях — 4,621 кг/(кВт-ч). Поэтому литий как горючее имеет ряд преимуществ по сравнению с натрием. Тем не менее, натрий имеет ряд преимуществ, как то его меньшая стоимость, более низкая температура плавления, более высокая степень реагирования, а также сходства его свойств со свойствами лития.

Рис. 28. Зависимость параметров газогенератора (удельной энергии Еу_Д, измеренной скорости потока с и теоретической скорости потока с*) от отношения массы воды к массе натрия λ.

Форсунки со сталкивающимися струями компонентов топлива обеспечивают полноту сгорания порядка 80%, которая определялась по отношению измеренной скорости потока к теоретической характеристической скорости с*. Форсунка, распыляющая горючее в виде конусообразной полой струи непосредственно в пелену из водяных струй, позволяла получать скорость потока, равную примерно 90% от с.

При создании дополнительного потока распыленной воды во встречном направлении, который применялся для работы камеры сгорания на литии, полнота сгорания возрастала до 95%.

Рис. 29. Многоструйный инжектор для гидрореагирующего горючего.

Рис. 30. Газогенератор для установки, работающей на топливе литий—вода с подачей распыленной воды в противоток.

1 — опорная плата; 2 — вихревая камера; 3 — первичная камера сгорания; 4 — вторичная камера сгорания; 5 — переходное кольцо; € — молибденовый вкладыш; 7 — молибденовая перегородка; 8 — блок с четырьмя соплами; 9 — узел струи противотока; 10 — входной патрубок подачи воды; 11 — обтекатель; 12 — струя воды противотока (сплошной конус); 13 — струя горючего (полый конус); 14 — отверстия для прохода воды; 15 — входной патрубок горючего; 16 — инжектор горючего.

Заключение.

Рассмотренные топлива на основе легких металлов имеют некоторые недостатки, к которым относятся: необходимость предварительного разогрева горючего, наличие твердой фазы в продуктах сгорания, низкая плотность горючего, снижающая удельные энергетические показатели горючего по объему. Однако в тех случаях, когда в проектируемых установках первостепенное значение имеет удельный расход горючего, эти недостатки, вероятно, будут рассматриваться как допустимые, а в результате применения именно расплавленного лития может быть создана энергетическая установка, обеспечивающая торпеде высокие пропульсивные свойства.

Топливо алюминий — морская вода.

С практической точки зрения наиболее перспективным по применению в качестве торпедного горючего является алюминий, поскольку он безопасен в обращении, имеется в большом количестве и недорог.

На рис. 31 приведена конструктивная схема энергетической установки подводного снаряда, позволяющая оценить взаимосвязь между компоновкой горючего, способом его подачи в камеру сгорания и особенностями процесса горения при впрыске морской воды.

Рис. 31. Схема установки на топливе алюминий—морская вода.

1 — пространство для размещения резервного горючего; 2 — трубопровод для вытесняющей воды; 3 — трубопровод для протяжки кабеля; 4 — зона расплавления; 5 — отверстие для подвода воды; 6 — водяной насос; 7 — гребной вал; 8 — зубчатая передача (редуктор); 9 — выхлопной патрубок турбины; 10 — турбинный двигатель; 11 — спиральный теплообменник (парогенератор); 12 — камера сгорания; 13 — зона выдавливания (вытеснения) алюминия; 14 — алюминиевые пластины (горючее); 15 — поршень

Средством минимизации падения кпд установки открытого цикла при увеличении глубины погружения является режим работы с очень высоким абсолютным давлением рабочего тела на входе в двигатель порядка 100 мН/м². Алюминий размещается в отсеке, представляющем собой резервуар высокого давления, наружная стенка которого служит оболочкой торпеды. Алюминий нагнетается в камеру сгорания под давлением забортной воды, которая подается по трубопроводу, проходящему через алюминиевую шашку в переднюю часть отсека горючего. Камера сгорания, где происходит реакция алюминия с водой, выполнена как одно целое с корпусом отсека горючего, и является его кормовой оконечностью, передняя часть которой соприкасается с горючим.

В установившемся режиме теплота передается от камеры сгорания к горючему в зоне контакта для образования расплавленного алюминия, который затем в жидком виде поступает в камеру сгорания.

Для обеспечения нормального процесса горения необходимо, чтобы большая часть теплоты, идущей от камеры сгорания к горючему передавалась бы вблизи контактной площадки и не расходовалась на нагрев всей массы алюминия. Однако желательна также передача теплоты и в радиальном направлении от контактной площадки. Горючее для обеспечения такого процесса теплопередачи представляет собой набор тонких контурных пластин, плотно упакованных в многослойный блок, общая плотность которого близка к плотности сплошного металла. При такой конструкции блока поток теплоты в осевом направлении уменьшается из-за наличия изолирующего слоя окиси алюминия на поверхностях пластин, а радиальный поток теплоты сохраняется постоянным.

Из-за меньшей теплопроводности пластин в осевом направлении местное расплавление алюминия не передает теплоту основной массе горючего, а из-за постоянной теплопроводности пластин в радиальном направлении их внешние части, центры которых находятся в контакте с горячей камерой сгорания, испытывают значительный нагрев. Постоянная теплопроводность в радиальном направлении, а следовательно, и значительный разогрев пластин приводят к уменьшению их прочности на разрыв по кромкам.

В результате внутреннее давление порядка 100 мН/м² оказывается достаточным для выдавливания жидкого алюминия в камеру сгорания. Таким образом, в установившемся режиме расплавленный металл, который впрыскивается в камеру сгорания, постоянно заменяется новым количеством алюминия из расплава за счет осевого перемещения блока в целом и поступления жидкого алюминия в радиальном направлении.

Предполагается, что реализация впрыска минимального количества жидкого алюминия не будет связана с какими-либо особыми затруднениями. Однако при выдавливании жидкого алюминия в камеру сгорания возникают осложнения, вызванные увеличением прочности металла на растяжение, скорости выдавливания, отношения приведенных площадей и поверхности трения.

Прочность на разрыв, которая определяет минимальное давление выдавливания жидкого алюминия, равна —13,8 мН/м², а минимальная расчетная температура на периферии пластин составляет 670 К; требуемая скорость выдавливания алюминия 0,76 мм/с и расчетное уменьшение площади от начальной до площади местного расплава около 10. При этих условиях и без учета трения давление выдавливания будет менее чем 34,5 мН/м².

Давление выдавливания с учетом сил трения не должно превышать возможное избыточное давление порядка 70 мН/м². Учет сопротивления трения вдоль блока пластин алюминия не вызывает трудностей, так как по мере удаления от камеры сгорания разогрев металла уменьшается, его прочность приближается к номинальной и радиальное расширение отсутствует.

Поскольку расплавленный алюминий поступает в камеру сгорания в виде жидкости, то могут быть выбраны оптимальные схемы впрыска для получения эффективной химической реакции. Следует также отметить, что расплавленный металл значительно быстрее вступает в реакцию, чем твердый. Однако можно полагать, что разработка эффективной камеры сгорания для топлива алюминий—вода станет главной проблемой при создании торпедных установок нового типа. По этой причине в камере сгорания (см. рис. 31) часть воды, которая поступает в стехиометрическом соотношении с алюминием, также подогревается при прохождении через плоский спиральный теплообменник до состояния пара для повышения скорости реакции воды с алюминием. Плоский теплообменник делит камеру сгорания на переднюю зону, где происходит стехиометрическая реакция с высокой температурой, которая используется для расплава очередной порции алюминия с помощью теплопередачи через заднюю стенку камеры, и заднюю зону, где впрыскиваемая вода разбавляет продукты сгорания, охлаждая их до более низкой температуры в соответствии с требованиями прочности, предъявляемыми к двигателю.

Для образования расплава алюминия теплопередача через стенку камеры сгорания должна быть такой, чтобы температура горючего поднялась до 950 К Расчеты параметров необходимого теплового потока были проведены применительно к переднему торцу камеры сгорания, стенка которого изготовлена из молибденового сплава, содержащего 5% титана, и имела двустороннее графитовое покрытие. Поскольку точное определение коэффициента теплопроводности графитной пленки внутри горячей части камеры сгорания было невозможно из-за попадания в нее расплавленной окиси алюминия А1₂О₃, газообразного водорода и некоторой части непрореагировавшего металла, то расчет был выполнен по крайним точкам разброса экспериментальных данных, на основании которых возможный диапазон температур в камере сгорания составил 6300—7200 К. Указанные температуры ниже, чем теоретическая стехиометрическая, потому что, как видно из рис. 32, температура реакции алюминий—вода 10 800 К.

Рис. 32. Зависимость теоретической температуры горения в установке на топливе алюминий—морская вода от числа молей воды η.

Для организации процесса горения используется небольшое количество твердого ракетного топлива. Теплота, полученная при сгорании этого топлива, приводит к повышению температуры, в результате чего алюминий плавится, а газообразные продукты сгорания начинают обеспечивать запуск двигателя и связанных с ним насосов системы, подачи воды.

Поскольку дальность хода торпеды пропорциональна объему транспортируемого топлива, то толщина стенки отсека горючего выбирается минимальной за счет применения металла высокой прочности Толщина донышек отсека горючего практически не влияет на объем, отводимый под горючее. Так как заднее донышко подвергается нагреву, то его изготовляют из специальных материалов, например из молибденового сплава, содержащего 5% титана, толщиной до 63,5 мм.

При расчете свойств газообразного рабочего тела предполагался равновесный состав твердых частиц А1₂О₃. Поскольку для выполнения этого допущения необходимы твердые частицы очень малых размеров, то при проектировании камеры сгорания учет этого обстоятельства следует рассматривать как основную задачу.

Наличие твердых частиц в газообразном рабочем теле может привести к серьезным последствиям, главным образом в турбине — вызвать засорение сопел и эрозию рабочих лопаток. (Турбина может играть и вспомогательную роль как элемент ТНА для подачи воды.)

Обычная энергетическая установка

В обычной энергетической установке значительная часть мощности турбины расходуется на нагнетание воды под высоким давлением. Затраты мощности на привод водяного насоса возрастают по мере повышения рабочего давления в установке, что, в свою очередь, приводит к увеличению выходной мощности на валу двигателя. А при максимальной выходной мощности на валу двигателя рабочее давление в установке также достигает своего максимального значения. Этот факт отражен на графиках рис. 33, которые получены [3] на основе приближенных расчетов с кпд турбины, равным 55%, кпд водяного насоса, равным 70% и давлении 103,5 мН/м².

Рис. 33. Зависимость удельной выходной мощности установки на топливе алюминий—морская вода от давления (избыточного) в камере сгорания Р₀ на различных глубинах.

Расчетная температура горения достигается при соотношении молей компонентов топлива как 2А1 к 10,8 Н₂О. На рис. 34 приведен график изоэнтропического изменения энтальпии при расширении продуктов сгорания топлива от давления 103,5 мН/м² до давления окружающей среды при различных глубинах погружения.

Рис. 34. График, иллюстрирующий изознтропический перепад (падение) энтальпии Е при расширении продуктов сгорания топлива алюминий—морская вода (2А1 + 10,8 Н₂О) от давления 10,344 мН/м² до давления окружающей среды на различных глубинах погружения H.

Зависимость относительных дальностей хода высокоскоростной торпеды на топливе алюминий—вода и других топливах от глубины погружения приведена на рис. 35. Графики показывают, что эксплуатационные характеристики торпеды с установкой, работающей на топливе алюминий—вода, значительно превосходят характеристики торпед с установками, работающими на топливах других типов.

Рис. 35. Зависимость относительных дальностей хода D при высоких скоростях от глубины погружения Н для размещенных в стандартной (серийной) торпеде некоторых (избранных) установок

1 — на алюминии и морской воде, 2 — на жидком металле, 3 — комбинированная на жидком металле, 4 — обычного типа, 5 — с использованием пара высокой энергии по тому или иному циклу

Заключение.

Использование в торпедной турбоэнергетической установке топлива алюминий—морская вода делает возможным повысить значения характеристик торпед на умеренных глубинах в два раза и улучшить их примерно на 25% на больших глубинах.