氫氧能源在魚雷動力系統的應用途徑與前景展望

趙 軍, 單曉亮

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氫氧能源在魚雷動力系統的應用途徑與前景展望

趙 軍, 單曉亮

(海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

氫氧能源是魚雷能源最具發展潛力的方向之一。結合現代魚雷發展趨勢, 提出了氫氧能源在魚雷熱動力系統和電動力系統上的應用途徑, 并在效率、可靠性、經濟性等方面對這2種應用途徑進行了比較, 討論了這2種應用途徑均面臨的問題——氫氣和氧氣的制取方法, 最后對采用氫氧能源動力系統的安全和調節問題進行了分析。由分析可知, 氫氧能源動力系統不僅可以提高魚雷的航速、航程和適應大的航深變化, 而且可以改善魚雷的隱身性和可靠性, 具有廣闊的發展前景。

魚雷; 氫氧能源; 動力系統; 氫氣; 氧氣; 制取方法

0 引言

魚雷在反潛領域擁有不可替代的地位, 但隨著科學技術的發展, 潛艇的航速不斷提升, 現代潛艇的航速已達40 kn左右[1], 魚雷航速需達到60 kn左右才能有效對抗。同時, 對魚雷航行深度的要求也隨著潛艇航深的不斷增加而逐漸提高。另外, 魚雷發射艇戰斗行動的基本原則之一是快速反應, 力爭先敵發現, 先敵機動, 奪取攻防行動的主動權和戰術優勢, 潛用魚雷的航程應與發射艦艇探測距離相適應, 努力實現在盡量遠的距離上發射魚雷, 至少也應在目標聲納有效探測距離之外發射魚雷, 一方面可以保證發射艇的安全, 另一方面可領先發射魚雷, 達到先機制敵、保護自身的目的。再者, 隨著聲納技術和反魚雷技術的發展, 魚雷隱身已成為關系到魚雷作戰效能的重要問題。目前提高魚雷隱身的主要途徑是降低魚雷噪聲, 低噪聲不僅可以提高魚雷的隱身性, 還可以提高魚雷制導系統的導引精度和作用距離。正是基于以上考慮, 當今魚雷發展的幾個重點就是高航速、大航深、遠航程和高隱身性。在動力系統方面, 為實現大航深可采取閉式循環的熱動力系統或電動力系統; 為提高魚雷隱身性亦可采用電機推進或低噪聲發動機; 為實現高航速遠航程, 可以采取的措施很多, 其中之一就是使用高能量密度的能源。氫氧能源作為一種新型能源, 因其能量密度高、無腐蝕性而得到了日益重視。同時, 由于氫氧能源系統不受背壓影響和零排放, 避免了航深變化對動力系統的影響。本文從氫氧能源的應用途徑、氫氣(H2)和氧氣(O2)的制取以及其他關鍵技術方面進行了分析, 探討了氫氧能源在魚雷上應用的可能性。

1 氫氧能源的應用途徑

氫氧能源的2個組元分別是H2和O2。一般來說, H2和O2產生能量的形式有2種: 一是H2和O2的直接燃燒反應, 這種反應是將化學能轉換為熱能; 一是將H2和O2分別通入燃料電池的陽極和陰極進行電離反應, 這種反應是將化學能轉換為電能。H2和O2產生能量的2種形式直接導致了氫氧能源在魚雷上2種不同的應用途徑。

1.1 氫氧能源在熱動力魚雷上的應用

如果采用H2和O2產生能量的第1種形式, 則必須采用熱機來利用H2和O2反應產生的熱能, 如此便產生了利用氫氧能源的熱動力魚雷。圖1是一種利用氫氧能源的熱動力系統, 其工作原理: H2發生器依靠某種物質與水(H2O)反應產生H2, 同時釋放出大量熱量, 使得進入H2發生器的液態水吸熱變成水蒸氣。O2發生器產生的O2與H2一同進入燃燒室進行燃燒反應, 燃燒產物為H2O, 并釋放出大量熱量。燃燒反應生成的H2O和由H2發生器產生的蒸氣吸收燃燒熱, 變成過熱水蒸氣, 進入渦輪機做功, 將熱能轉換成推動魚雷前進所需要的機械能。由渦輪機出來的低溫低壓水蒸氣(稱為廢氣)被冷凝成液態水, 通過水泵輸送到氫氣發生器中參與制氫, 從而實現了閉式循環。為減少能量損失, 在液態水進入H2發生器前, 液態水吸收了廢氣的部分熱量。

魚雷一般采用軸流式部分進氣短葉片沖動式渦輪機。采用軸流式可以簡化渦輪機結構, 減小渦輪機的體積和重量, 便于渦輪機在魚雷內部布置。魚雷渦輪機的工質秒耗量較低, 但進入工作葉片通道內的氣體流速很大(一般為超音速), 由連續方程知, 渦輪級通流部分的總截面積必然很小, 因而采用短葉片。同時, 由于氣體的秒流量小, 如果實行全周進氣, 勢必使單個噴嘴的高度過小, 從而使噴嘴的損失急劇增加, 嚴重影響渦輪機的效率, 為提高噴嘴高度而改善渦輪機的工作質量, 必須采用部分進氣。再者, 為保證葉輪安全運轉, 工作葉片和機殼之間的間隙是必需的, 如果采用反力式葉片, 因葉輪前后有壓差, 故會通過徑向間隙產生漏氣, 且葉片越短, 相對漏氣量越大, 從而使得渦輪機效率下降, 所以為保證渦輪機的經濟性, 通常采用沖動式葉片。另外, 根據工質能量的實際轉換效果和對魚雷戰術技術指標的要求, 可采用單級或多級渦輪機。

圖1 使用氫氧能源的魚雷熱動力系統

渦輪機雖然具有極大的功率潛力, 但是其對背壓敏感, 因此最好采用閉式循環熱動力。而圖1所示系統正是一種閉式循環。另外, 由于渦輪機自身的平衡性能良好, 有利于降低動力系統的噪聲。

1.2 氫氧能源在電動力魚雷上的應用

如果采用H2和O2產生能量的第2種形式, 則需要用電機來實現由電能到機械能的轉換。圖2是一種利用氫氧能源的電動力系統, 其工作原理: H2發生器產生的H2和O2發生器產生的O2分別通到燃料電池的陽極和陰極, 在電離反應的作用下產生電流, 將輸送至推進電機使之運轉, 驅動推進器工作。在燃料電池產生電流的同時, 在陽極或陰極(由采用的電解質決定)會生成H2O, 其中包含部分水蒸氣。這些水可經水泵輸送到H2發生器中用于生成H2。

圖2 使用氫氧能源的魚雷電動力系統

依據目前燃料電池的發展水平, 可利用氫氧能源的燃料電池有很多種, 根據其使用的電解質的不同, 分別有質子交換膜燃料電池(proton ex-change membrane fuel cell, PEMFC)、堿性燃料電池(alkaline fuel cell, AFC)、磷酸燃料電池(phos- phoric acid fuel cell, PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(molten carbonate fuel cell, MCFC)和固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC)。但PAFC, MCFC和SOFC是適于工作在高溫環境(200℃以上)的燃料電池, 并且燃料電池排放的高溫氣體只有被渦輪機利用(即底循環), 才能使整個系統發揮較高的效率。鑒于魚雷電池艙還要安裝其他組件(比如接線盒、穿艙電纜等), 考慮到高溫對各電子組件和密封件性能的影響, 以及受魚雷內部空間限制, 不便于布置底循環所用的渦輪機, 故PAFC, MCFC和SOFC不適合用作魚雷燃料電池, 而PEMFC和AFC是低溫燃料電池, 并且具有更高的最大理論效率, 故可考慮用作魚雷燃料電池。

PEMFC的電解質由離子導電聚合物構成。聚合物中的可移動離子是H＋(質子), 可在低溫的條件下工作, 因此PEMFC具有低溫快速啟動的優點。另外, 由于該電解質可以制成非常薄的膜(低于50 μm), 所以電池結構非常緊湊。同時由于不使用腐蝕性液態電解質, 電池可在任何方位、角度運行。H2和O2分別在PEMFC的陽極和陰極的發生如下反應。

AFC的電解質是一種堿性溶液。氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液, 以其成本低、易溶解、腐蝕性低等優點, 成為AFC的首選電解質。AFC的優點是陰極活化過電壓低, 每個堿性電池的工作電壓可以高達0.875 V, 明顯高于其他燃料電池的工作電壓; 因為AFC所用的電解質成本很低, 并且其電極, 尤其是陰極, 可以由非貴金屬材料制成, 所以AFC的成本比其他燃料電池成本低很多。H2和O2分別在AFC的陽極和陰極發生如下反應。

具體采用哪種燃料電池, 應從魚雷動力系統功率要求、分配給燃料電池的空間大小, 以及燃料電池系統本身的復雜性、安全性、可靠性、維修性等方面加以綜合考慮。但不管采用哪種燃料電池, 其總反應式均是相同的, 即

1.3 2種應用途徑的對比

文獻[2]給出了使用氫氧能源的燃料電池最大理論效率與熱機最大理論效率(卡諾循環熱效率)的對比曲線, 如圖3所示。

圖3 燃料電池最大效率與卡諾循環效率對比曲線

由圖3可知, 由于燃料電池直接把化學能轉換成電能, 因而其效率通常遠遠高于熱機效率。另外, 燃料電池結構中只有極少數的運動部件, 所以與熱機相比, 燃料電池具有更好的可靠性和安靜性, 這正是魚雷動力系統設計時非常值得重視的技術指標。還需指出的是, 燃料電池允許在功率(由燃料電池尺寸決定)和容量(由燃料存儲尺寸決定)之間隨意縮放, 其可以在數瓦級和兆瓦級之間實現大范圍的應用, 這樣就便于根據魚雷動力系統的功率需求和魚雷的內部空間對燃料電池結構作出方便的調整。

從上述分析來看, 利用氫氧能源的電動力魚雷應較利用氫氧能源的熱動力魚雷在效率上更具有優勢。然而, 燃料電池也存在一些不足。首先, 燃料電池的成本高, 正因為此, 燃料電池只在幾個特殊的領域(如航天飛行器上)具有經濟競爭力; 其次, 燃料電池的體積功率密度通常低于熱機的體積功率密度; 再者, 我國在燃料電池方面的研究和商業化生產還處于非常落后的階段, 短時間內難以生產出適于魚雷使用的氫氧燃料電池, 而在魚雷燃燒室和魚雷渦輪機設計、試驗和使用方面已積累了相對較多的經驗。

2 氫氧能源的供應

不論是采用上文提到的2種應用途徑中的哪一種, 均需要為魚雷動力系統提供H2和O2, 下面將分別討論H2和O2的制取方法。

2.1 H2的制取方法

結合目前制氫技術的發展水平和魚雷動力系統的特殊要求, 在魚雷上具有較大應用可能性的制氫技術有2種: 金屬置換制氫和金屬氫化物制氫[3]。

金屬置換制氫是利用活潑金屬與水反應, 將水中的氫原子以H2的形式置換出來。部分常見金屬與水反應的能量密度如表1所示[4]。

表1 部分金屬水反應燃料能量密度

表中所列金屬中, Be和B的能量密度較高, 但因較為活潑且有一定毒性, 故一般不考慮其作為制氫的原料。Mg和Li的體積密度過低, 通常也不考慮將其作為魚雷動力系統的制氫原料。一般選擇Al與H2O反應來制取H2。Al具有較高的體積能量密度, 且存放穩定無毒, 資源豐富, 成本較低, 其與水反應制取H2的反應式為

但在反應啟動前, Al的表面就存在著一層Al2O3, 這直接導致最初的反應就難以進行, 即使反應開始后, Al與H2O的反應產物Al2O3仍能牢固地附著在Al的表面, 從而阻礙了反應的持續進行。文獻[5]中介紹了一種漩渦燃燒器, 通過該燃燒器可以解決反應啟動難和持續難的問題, 從而為Al與H2O制氫技術的推廣奠定了基礎。

另外一種制氫技術是金屬氫化物制氫, 即通過金屬氫化物與水反應制取H2。具有儲氫作用的金屬氫化物按結構可分為3類: 儲氫合金、離子氫化物和配位氫化物。而硼氫化鈉(NaBH4)是最重要的一種配位硼氫化物, 其與H2O反應可以生成H2, 反應式為

因為NaBH4的水溶液很穩定, 所以上述反應一般需要加入催化劑才能進行, 因此該反應的可控性比較好; 另外, NaBH4的水溶液不易燃(固態NaBH4是易燃的), 儲運和使用安全; 在空氣中可穩定存在數月, 為提高其穩定性, 可添加約3％的氫氧化鈉; 反應產物只有H2一種氣體, 且純度高, 不需純化即可作為燃料電池的原料, 因不含CO, 不會引起電極催化劑中毒; 如果系統溫度高于常溫, 那么H2O就會蒸發并與H2混合, 這非常有利于PEMFC的工作。

圖4所示是一種利用NaBH4溶液的制氫系統, 其工作原理: 將NaBH4溶液裝在橡膠袋內, 靠橡膠袋外側的擠代液將其擠出, 通過水泵輸送到裝有催化劑的反應器內。在反應器內發生如式(3)所示的反應, 產生的H2通入到燃料電池的正極板, 反應后的廢液進入橡膠袋的外側空間, 一方面及時填充因NaBH4溶液的消耗而減小的空間, 有利于避免魚雷質心的明顯變化; 另一方面可以充當擠代液, 將NaBH4溶液繼續擠出橡膠袋。

圖4 利用NaBH4溶液的制氫系統

2.2 O2的制取方法

由于魚雷在水下航行, 其內部空間完全與外界隔絕, 不能利用空氣中的O2, 因此必須采用化學法來制氧。化學法制氧時, 常用富氧化物作為氧源。常見的氧源有堿金屬氯酸鹽、過氯酸鹽以及堿金屬和堿土金屬的過氧化物、超氧化物兩大類。堿金屬和堿土金屬的過氧化物、超氧化物很容易與環境中的濕氣發生反應, 不易在雷內儲存, 且價格較堿金屬氯酸鹽、過氯酸鹽昂貴, 又因為堿金屬過氯酸鹽的有效氧含量較氯酸鹽的高, 所以通常選擇堿金屬過氯酸鹽作為魚雷動力系統的氧源。

常見的堿金屬過氯酸鹽有LiClO4, KClO4和NaClO4, 其中LiClO4有效氧含量最高, 達60.1％, 故目前行業內均傾向于將LiClO4作為氫氧魚雷動力系統的氧源。利用LiClO4制氧的化學反應式為

為保證反應啟動, 需要在O2發生器中增加啟動劑。在反應的初始時刻, 啟動劑被點燃, 其產生的熱量促使制氧反應進行, 因為制氧反應是放熱反應, 故反應一經開始便能自持進行下去。為防止反應溫度過高而導致生成Cl2的副反應發生, 可在配方中加入少量的抑氯劑和催化劑。生成的O2需經過純化處理方能送到燃料電池的陰極。

3 其他關鍵問題

3.1 H2和O2的安全問題

在所有氣體中, H2分子量最小, 平均分子速率最大, 粘度與密度也為最小, 這直接導致H2通過小孔泄漏的幾率比其他任何氣體要高。另外, H2是易燃易爆氣體, 按可燃氣體的火災危險性分類屬于甲類, 且爆炸濃度范圍較大。動力系統中的H2輸送管道也存在一定的危險性, 因為在高壓作用下, H2能滲透到金屬的碳素中, 使儲存艙和輸送管道的塑性和強度急劇下降, 導致儲存系統和輸送系統的損壞, 從而引發泄漏。同時, 泄漏的高壓H2高速噴出時會產生靜電, 當靜電荷達到一定值時便會引發火災或爆炸。此外, H2的帶電性致使H2儲存艙的出口處及輸送管道處易發生靜電積聚放電現象, 這會成為H2火災爆炸事故的隱患, 故必須對H2儲存艙及輸送管道可靠接地。所以, 針對動力系統中H2的供應系統, 其安全防范的重點是防泄漏和防靜電。

O2雖然本身不可燃, 但是良好的助燃劑, 且純度愈高, 氧化性愈強, 而輸送O2的管道材質一般是碳素鋼或不銹鋼, 屬可燃性材料, 當O2被急劇壓縮, 或受外界熱源影響, 或受靜電感應, 就會發生爆燃。另外, 高速流動的O2與油脂摩擦也會發生爆炸, 所以O2管道及配件在安裝前必須進行脫脂處理, 以便把管道及其配件中的油脂清洗干凈。重要裝置的零件和操作所用的工具以及充氣接頭等要定期用專用溶劑清洗。魚雷上重要部位尤其是接觸氧氣的部位只能用專用的潤滑脂。

H2和O2雖然具有一定的危險性, 但這種危險不足以過于恐懼, 因為生活中有很多燃料具有類似的危險性, 比如天然氣、甲烷等。只要在操作車間、輔助設備、工具等各方面達到安全要求, 嚴格按照安全規程操作, 就完全能保證氫氧動力系統的安全使用。俄羅斯O2魚雷幾十年來的安全使用實踐就是最好的證明。

3.2 動力系統的調節問題

現代魚雷多為多速制大航深魚雷, 意味著魚雷在航行過程中會發生換速和變深。為實現魚雷換速和變深的目的, 需要動力系統工況作出相應的變化。因為使用氫氧能源的熱動力系統和電動力系統均可實現閉式循環, 故動力系統的調節主要針對換速問題。

對于采用渦輪機的氫氧熱動力系統, 主要通過調節噴嘴喉部面積和進氣壓力來實現渦輪機輸出功率的變化。調節噴嘴進氣壓力可實現渦輪機的無級變速, 但速度大范圍變化時, 經濟性損失較大, 因此, 在進行速度大跨度變化時, 最好采用調節噴嘴喉部面積的方法。通過調節進入燃燒室的H2和O2的流量來實現調節渦輪機噴嘴進氣壓力。

對于氫氧電動力系統, 可通過接觸器實現2組燃料電池的串、并聯狀態的切換來實現魚雷高、低速制的切換。

4 結束語

氫氧能源作為一種新型能源, 在魚雷上具有巨大的應用潛力, 其在魚雷上的成功應用不僅可以提高魚雷的航速、航程，而且可以改善魚雷的隱身性和可靠性, 同時采用該能源的動力系統可以很好地適應大航深, 對提高魚雷的戰斗力具有顯著的作用。一種新型能源在魚雷上的應用需要從系統設計的角度進行綜合考慮, 因此, 氫氧能源在魚雷上的應用不能僅僅考慮動力系統方面的可能性, 而應與其他分系統(如控制系統、自導系統、總體設計等)的設計相結合, 還要充分考慮到部隊保障的簡便性、可維修性和可靠性等諸多方面的因素, 所以氫氧能源在魚雷上的應用是一個復雜的系統工程。長期以來, 我國在魚雷設計、試驗等方面積累了豐富的經驗, 并擁有深厚的技術儲備, 因此實現該能源在魚雷上的應用仍具有較強的可行性。

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Applications and Prospect of Hydrogen-Oxygen Energy in Torpedo Power System

ZHAO Jun, SHAN Xiao-liang

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Hydrogen-oxygen energy is one of the most potential energy to a torpedo. According to development trend of a torpedo, applications of hydrogen-oxygen energy to torpedo′s thermal power system and electric power system are discussed and compared in efficiency, reliability and cost. The generation methods of hydrogen and oxygen are introduced. And the security and adjustability of the torpedo power system with hydrogen-oxygen energy are analyzed. Conclusion is drawn that the hydrogen-oxygen energy power system will be further developed because it can improve torpedo′s speed, range, running depth, stealth, and reliability.

torpedo; hydrogen-oxygen energy; power system; hydrogen; oxygen; generation method

TJ630. 32

A

1673-1948(2011)04-0290-05

2011-05-09;

2011-07-06.

趙 軍(1967-), 男, 碩士, 副教授, 研究方向為水下航行器總體技術.

(責任編輯: 陳 曦)