氢氧能源在鱼雷动力系统的应用途径与前景展望

赵 军, 单晓亮



氢氧能源在鱼雷动力系统的应用途径与前景展望

赵 军, 单晓亮

(海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉, 430033)

氢氧能源是鱼雷能源最具发展潜力的方向之一。结合现代鱼雷发展趋势, 提出了氢氧能源在鱼雷热动力系统和电动力系统上的应用途径, 并在效率、可靠性、经济性等方面对这2种应用途径进行了比较, 讨论了这2种应用途径均面临的问题——氢气和氧气的制取方法, 最后对采用氢氧能源动力系统的安全和调节问题进行了分析。由分析可知, 氢氧能源动力系统不仅可以提高鱼雷的航速、航程和适应大的航深变化, 而且可以改善鱼雷的隐身性和可靠性, 具有广阔的发展前景。

鱼雷; 氢氧能源; 动力系统; 氢气; 氧气; 制取方法

0 引言

鱼雷在反潜领域拥有不可替代的地位, 但随着科学技术的发展, 潜艇的航速不断提升, 现代潜艇的航速已达40 kn左右[1], 鱼雷航速需达到60 kn左右才能有效对抗。同时, 对鱼雷航行深度的要求也随着潜艇航深的不断增加而逐渐提高。另外, 鱼雷发射艇战斗行动的基本原则之一是快速反应, 力争先敌发现, 先敌机动, 夺取攻防行动的主动权和战术优势, 潜用鱼雷的航程应与发射舰艇探测距离相适应, 努力实现在尽量远的距离上发射鱼雷, 至少也应在目标声纳有效探测距离之外发射鱼雷, 一方面可以保证发射艇的安全, 另一方面可领先发射鱼雷, 达到先机制敌、保护自身的目的。再者, 随着声纳技术和反鱼雷技术的发展, 鱼雷隐身已成为关系到鱼雷作战效能的重要问题。目前提高鱼雷隐身的主要途径是降低鱼雷噪声, 低噪声不仅可以提高鱼雷的隐身性, 还可以提高鱼雷制导系统的导引精度和作用距离。正是基于以上考虑, 当今鱼雷发展的几个重点就是高航速、大航深、远航程和高隐身性。在动力系统方面, 为实现大航深可采取闭式循环的热动力系统或电动力系统; 为提高鱼雷隐身性亦可采用电机推进或低噪声发动机; 为实现高航速远航程, 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。氢氧能源作为一种新型能源, 因其能量密度高、无腐蚀性而得到了日益重视。同时, 由于氢氧能源系统不受背压影响和零排放, 避免了航深变化对动力系统的影响。本文从氢氧能源的应用途径、氢气(H2)和氧气(O2)的制取以及其他关键技术方面进行了分析, 探讨了氢氧能源在鱼雷上应用的可能性。

1 氢氧能源的应用途径

氢氧能源的2个组元分别是H2和O2。一般来说, H2和O2产生能量的形式有2种: 一是H2和O2的直接燃烧反应, 这种反应是将化学能转换为热能; 一是将H2和O2分别通入燃料电池的阳极和阴极进行电离反应, 这种反应是将化学能转换为电能。H2和O2产生能量的2种形式直接导致了氢氧能源在鱼雷上2种不同的应用途径。

1.1 氢氧能源在热动力鱼雷上的应用

如果采用H2和O2产生能量的第1种形式, 则必须采用热机来利用H2和O2反应产生的热能, 如此便产生了利用氢氧能源的热动力鱼雷。图1是一种利用氢氧能源的热动力系统, 其工作原理: H2发生器依靠某种物质与水(H2O)反应产生H2, 同时释放出大量热量, 使得进入H2发生器的液态水吸热变成水蒸气。O2发生器产生的O2与H2一同进入燃烧室进行燃烧反应, 燃烧产物为H2O, 并释放出大量热量。燃烧反应生成的H2O和由H2发生器产生的蒸气吸收燃烧热, 变成过热水蒸气, 进入涡轮机做功, 将热能转换成推动鱼雷前进所需要的机械能。由涡轮机出来的低温低压水蒸气(称为废气)被冷凝成液态水, 通过水泵输送到氢气发生器中参与制氢, 从而实现了闭式循环。为减少能量损失, 在液态水进入H2发生器前, 液态水吸收了废气的部分热量。

鱼雷一般采用轴流式部分进气短叶片冲动式涡轮机。采用轴流式可以简化涡轮机结构, 减小涡轮机的体积和重量, 便于涡轮机在鱼雷内部布置。鱼雷涡轮机的工质秒耗量较低, 但进入工作叶片通道内的气体流速很大(一般为超音速), 由连续方程知, 涡轮级通流部分的总截面积必然很小, 因而采用短叶片。同时, 由于气体的秒流量小, 如果实行全周进气, 势必使单个喷嘴的高度过小, 从而使喷嘴的损失急剧增加, 严重影响涡轮机的效率, 为提高喷嘴高度而改善涡轮机的工作质量, 必须采用部分进气。再者, 为保证叶轮安全运转, 工作叶片和机壳之间的间隙是必需的, 如果采用反力式叶片, 因叶轮前后有压差, 故会通过径向间隙产生漏气, 且叶片越短, 相对漏气量越大, 从而使得涡轮机效率下降, 所以为保证涡轮机的经济性, 通常采用冲动式叶片。另外, 根据工质能量的实际转换效果和对鱼雷战术技术指标的要求, 可采用单级或多级涡轮机。

图1 使用氢氧能源的鱼雷热动力系统

涡轮机虽然具有极大的功率潜力, 但是其对背压敏感, 因此最好采用闭式循环热动力。而图1所示系统正是一种闭式循环。另外, 由于涡轮机自身的平衡性能良好, 有利于降低动力系统的噪声。

1.2 氢氧能源在电动力鱼雷上的应用

如果采用H2和O2产生能量的第2种形式, 则需要用电机来实现由电能到机械能的转换。图2是一种利用氢氧能源的电动力系统, 其工作原理: H2发生器产生的H2和O2发生器产生的O2分别通到燃料电池的阳极和阴极, 在电离反应的作用下产生电流, 将输送至推进电机使之运转, 驱动推进器工作。在燃料电池产生电流的同时, 在阳极或阴极(由采用的电解质决定)会生成H2O, 其中包含部分水蒸气。这些水可经水泵输送到H2发生器中用于生成H2。

图2 使用氢氧能源的鱼雷电动力系统

依据目前燃料电池的发展水平, 可利用氢氧能源的燃料电池有很多种, 根据其使用的电解质的不同, 分别有质子交换膜燃料电池(proton ex-change membrane fuel cell, PEMFC)、碱性燃料电池(alkaline fuel cell, AFC)、磷酸燃料电池(phos- phoric acid fuel cell, PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cell, MCFC)和固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell, SOFC)。但PAFC, MCFC和SOFC是适于工作在高温环境(200℃以上)的燃料电池, 并且燃料电池排放的高温气体只有被涡轮机利用(即底循环), 才能使整个系统发挥较高的效率。鉴于鱼雷电池舱还要安装其他组件(比如接线盒、穿舱电缆等), 考虑到高温对各电子组件和密封件性能的影响, 以及受鱼雷内部空间限制, 不便于布置底循环所用的涡轮机, 故PAFC, MCFC和SOFC不适合用作鱼雷燃料电池, 而PEMFC和AFC是低温燃料电池, 并且具有更高的最大理论效率, 故可考虑用作鱼雷燃料电池。

PEMFC的电解质由离子导电聚合物构成。聚合物中的可移动离子是H＋(质子), 可在低温的条件下工作, 因此PEMFC具有低温快速启动的优点。另外, 由于该电解质可以制成非常薄的膜(低于50 μm), 所以电池结构非常紧凑。同时由于不使用腐蚀性液态电解质, 电池可在任何方位、角度运行。H2和O2分别在PEMFC的阳极和阴极的发生如下反应。

AFC的电解质是一种碱性溶液。氢氧化钠和氢氧化钾溶液, 以其成本低、易溶解、腐蚀性低等优点, 成为AFC的首选电解质。AFC的优点是阴极活化过电压低, 每个碱性电池的工作电压可以高达0.875 V, 明显高于其他燃料电池的工作电压; 因为AFC所用的电解质成本很低, 并且其电极, 尤其是阴极, 可以由非贵金属材料制成, 所以AFC的成本比其他燃料电池成本低很多。H2和O2分别在AFC的阳极和阴极发生如下反应。

具体采用哪种燃料电池, 应从鱼雷动力系统功率要求、分配给燃料电池的空间大小, 以及燃料电池系统本身的复杂性、安全性、可靠性、维修性等方面加以综合考虑。但不管采用哪种燃料电池, 其总反应式均是相同的, 即

1.3 2种应用途径的对比

文献[2]给出了使用氢氧能源的燃料电池最大理论效率与热机最大理论效率(卡诺循环热效率)的对比曲线, 如图3所示。

图3 燃料电池最大效率与卡诺循环效率对比曲线

由图3可知, 由于燃料电池直接把化学能转换成电能, 因而其效率通常远远高于热机效率。另外, 燃料电池结构中只有极少数的运动部件, 所以与热机相比, 燃料电池具有更好的可靠性和安静性, 这正是鱼雷动力系统设计时非常值得重视的技术指标。还需指出的是, 燃料电池允许在功率(由燃料电池尺寸决定)和容量(由燃料存储尺寸决定)之间随意缩放, 其可以在数瓦级和兆瓦级之间实现大范围的应用, 这样就便于根据鱼雷动力系统的功率需求和鱼雷的内部空间对燃料电池结构作出方便的调整。

从上述分析来看, 利用氢氧能源的电动力鱼雷应较利用氢氧能源的热动力鱼雷在效率上更具有优势。然而, 燃料电池也存在一些不足。首先, 燃料电池的成本高, 正因为此, 燃料电池只在几个特殊的领域(如航天飞行器上)具有经济竞争力; 其次, 燃料电池的体积功率密度通常低于热机的体积功率密度; 再者, 我国在燃料电池方面的研究和商业化生产还处于非常落后的阶段, 短时间内难以生产出适于鱼雷使用的氢氧燃料电池, 而在鱼雷燃烧室和鱼雷涡轮机设计、试验和使用方面已积累了相对较多的经验。

2 氢氧能源的供应

不论是采用上文提到的2种应用途径中的哪一种, 均需要为鱼雷动力系统提供H2和O2, 下面将分别讨论H2和O2的制取方法。

2.1 H2的制取方法

结合目前制氢技术的发展水平和鱼雷动力系统的特殊要求, 在鱼雷上具有较大应用可能性的制氢技术有2种: 金属置换制氢和金属氢化物制氢[3]。

金属置换制氢是利用活泼金属与水反应, 将水中的氢原子以H2的形式置换出来。部分常见金属与水反应的能量密度如表1所示[4]。

表1 部分金属水反应燃料能量密度

表中所列金属中, Be和B的能量密度较高, 但因较为活泼且有一定毒性, 故一般不考虑其作为制氢的原料。Mg和Li的体积密度过低, 通常也不考虑将其作为鱼雷动力系统的制氢原料。一般选择Al与H2O反应来制取H2。Al具有较高的体积能量密度, 且存放稳定无毒, 资源丰富, 成本较低, 其与水反应制取H2的反应式为

但在反应启动前, Al的表面就存在着一层Al2O3, 这直接导致最初的反应就难以进行, 即使反应开始后, Al与H2O的反应产物Al2O3仍能牢固地附着在Al的表面, 从而阻碍了反应的持续进行。文献[5]中介绍了一种漩涡燃烧器, 通过该燃烧器可以解决反应启动难和持续难的问题, 从而为Al与H2O制氢技术的推广奠定了基础。

另外一种制氢技术是金属氢化物制氢, 即通过金属氢化物与水反应制取H2。具有储氢作用的金属氢化物按结构可分为3类: 储氢合金、离子氢化物和配位氢化物。而硼氢化钠(NaBH4)是最重要的一种配位硼氢化物, 其与H2O反应可以生成H2, 反应式为

因为NaBH4的水溶液很稳定, 所以上述反应一般需要加入催化剂才能进行, 因此该反应的可控性比较好; 另外, NaBH4的水溶液不易燃(固态NaBH4是易燃的), 储运和使用安全; 在空气中可稳定存在数月, 为提高其稳定性, 可添加约3％的氢氧化钠; 反应产物只有H2一种气体, 且纯度高, 不需纯化即可作为燃料电池的原料, 因不含CO, 不会引起电极催化剂中毒; 如果系统温度高于常温, 那么H2O就会蒸发并与H2混合, 这非常有利于PEMFC的工作。

图4所示是一种利用NaBH4溶液的制氢系统, 其工作原理: 将NaBH4溶液装在橡胶袋内, 靠橡胶袋外侧的挤代液将其挤出, 通过水泵输送到装有催化剂的反应器内。在反应器内发生如式(3)所示的反应, 产生的H2通入到燃料电池的正极板, 反应后的废液进入橡胶袋的外侧空间, 一方面及时填充因NaBH4溶液的消耗而减小的空间, 有利于避免鱼雷质心的明显变化; 另一方面可以充当挤代液, 将NaBH4溶液继续挤出橡胶袋。

图4 利用NaBH4溶液的制氢系统

2.2 O2的制取方法

由于鱼雷在水下航行, 其内部空间完全与外界隔绝, 不能利用空气中的O2, 因此必须采用化学法来制氧。化学法制氧时, 常用富氧化物作为氧源。常见的氧源有碱金属氯酸盐、过氯酸盐以及碱金属和碱土金属的过氧化物、超氧化物两大类。碱金属和碱土金属的过氧化物、超氧化物很容易与环境中的湿气发生反应, 不易在雷内储存, 且价格较碱金属氯酸盐、过氯酸盐昂贵, 又因为碱金属过氯酸盐的有效氧含量较氯酸盐的高, 所以通常选择碱金属过氯酸盐作为鱼雷动力系统的氧源。

常见的碱金属过氯酸盐有LiClO4, KClO4和NaClO4, 其中LiClO4有效氧含量最高, 达60.1％, 故目前行业内均倾向于将LiClO4作为氢氧鱼雷动力系统的氧源。利用LiClO4制氧的化学反应式为

为保证反应启动, 需要在O2发生器中增加启动剂。在反应的初始时刻, 启动剂被点燃, 其产生的热量促使制氧反应进行, 因为制氧反应是放热反应, 故反应一经开始便能自持进行下去。为防止反应温度过高而导致生成Cl2的副反应发生, 可在配方中加入少量的抑氯剂和催化剂。生成的O2需经过纯化处理方能送到燃料电池的阴极。

3 其他关键问题

3.1 H2和O2的安全问题

在所有气体中, H2分子量最小, 平均分子速率最大, 粘度与密度也为最小, 这直接导致H2通过小孔泄漏的几率比其他任何气体要高。另外, H2是易燃易爆气体, 按可燃气体的火灾危险性分类属于甲类, 且爆炸浓度范围较大。动力系统中的H2输送管道也存在一定的危险性, 因为在高压作用下, H2能渗透到金属的碳素中, 使储存舱和输送管道的塑性和强度急剧下降, 导致储存系统和输送系统的损坏, 从而引发泄漏。同时, 泄漏的高压H2高速喷出时会产生静电, 当静电荷达到一定值时便会引发火灾或爆炸。此外, H2的带电性致使H2储存舱的出口处及输送管道处易发生静电积聚放电现象, 这会成为H2火灾爆炸事故的隐患, 故必须对H2储存舱及输送管道可靠接地。所以, 针对动力系统中H2的供应系统, 其安全防范的重点是防泄漏和防静电。

O2虽然本身不可燃, 但是良好的助燃剂, 且纯度愈高, 氧化性愈强, 而输送O2的管道材质一般是碳素钢或不锈钢, 属可燃性材料, 当O2被急剧压缩, 或受外界热源影响, 或受静电感应, 就会发生爆燃。另外, 高速流动的O2与油脂摩擦也会发生爆炸, 所以O2管道及配件在安装前必须进行脱脂处理, 以便把管道及其配件中的油脂清洗干净。重要装置的零件和操作所用的工具以及充气接头等要定期用专用溶剂清洗。鱼雷上重要部位尤其是接触氧气的部位只能用专用的润滑脂。

H2和O2虽然具有一定的危险性, 但这种危险不足以过于恐惧, 因为生活中有很多燃料具有类似的危险性, 比如天然气、甲烷等。只要在操作车间、辅助设备、工具等各方面达到安全要求, 严格按照安全规程操作, 就完全能保证氢氧动力系统的安全使用。俄罗斯O2鱼雷几十年来的安全使用实践就是最好的证明。

3.2 动力系统的调节问题

现代鱼雷多为多速制大航深鱼雷, 意味着鱼雷在航行过程中会发生换速和变深。为实现鱼雷换速和变深的目的, 需要动力系统工况作出相应的变化。因为使用氢氧能源的热动力系统和电动力系统均可实现闭式循环, 故动力系统的调节主要针对换速问题。

对于采用涡轮机的氢氧热动力系统, 主要通过调节喷嘴喉部面积和进气压力来实现涡轮机输出功率的变化。调节喷嘴进气压力可实现涡轮机的无级变速, 但速度大范围变化时, 经济性损失较大, 因此, 在进行速度大跨度变化时, 最好采用调节喷嘴喉部面积的方法。通过调节进入燃烧室的H2和O2的流量来实现调节涡轮机喷嘴进气压力。

对于氢氧电动力系统, 可通过接触器实现2组燃料电池的串、并联状态的切换来实现鱼雷高、低速制的切换。

4 结束语

氢氧能源作为一种新型能源, 在鱼雷上具有巨大的应用潜力, 其在鱼雷上的成功应用不仅可以提高鱼雷的航速、航程，而且可以改善鱼雷的隐身性和可靠性, 同时采用该能源的动力系统可以很好地适应大航深, 对提高鱼雷的战斗力具有显著的作用。一种新型能源在鱼雷上的应用需要从系统设计的角度进行综合考虑, 因此, 氢氧能源在鱼雷上的应用不能仅仅考虑动力系统方面的可能性, 而应与其他分系统(如控制系统、自导系统、总体设计等)的设计相结合, 还要充分考虑到部队保障的简便性、可维修性和可靠性等诸多方面的因素, 所以氢氧能源在鱼雷上的应用是一个复杂的系统工程。长期以来, 我国在鱼雷设计、试验等方面积累了丰富的经验, 并拥有深厚的技术储备, 因此实现该能源在鱼雷上的应用仍具有较强的可行性。

[6] 查志武. 鱼雷热动力技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006.

[7] 詹姆斯×拉米尼, 安德卢×迪克斯. 燃料电池系统-原理×设计×应用[M]. 北京: 科学出版社, 2006.

[8] 周洁, 郑颖平, 谢吉虹. 制氢技术研究进展及在燃料电池中的应用前景[J]. 化工时刊, 2007, 21(5): 71-75. Zhou Jie, Zheng Ying-ping, Xie Ji-hong. Recent Advances in Hydrogen Generation Methods and Its Prospects for Applications in Fuel Cell[J]. Chemical Industry Times, 2007, 21(5): 71-75.

[9] 孙展鹏, 乐发仁. 铝水反应机理初探[J].化学推进剂与高分子材料, 2006, 4(2): 37-39. Sun Zhan-peng, Yue Fa-ren, Reaction Mechanism of Al- uminum/Water[J]. Chemical Propellants & Polymeric Ma- terials, 2006, 4(2): 37-39.

[10] 郑邯勇. 铝水推进系统的现状与发展前景[J]. 舰船科学技术, 2003, 10(5): 24-25. Zheng Han-yong. Development of the Aluminum-water Power System[J]. Ship Science and Technology, 2003, 10(5): 24-25.

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.

赵 军(1967-), 男, 硕士, 副教授, 研究方向为水下航行器总体技术.

(责任编辑: 陈 曦)