李維維, 馬為峰, 韓直亞, 張 強(qiáng), 朱 強(qiáng), 付英杰

鋰/六氟化硫熱源啟動技術(shù)研究

李維維1, 馬為峰2, 韓直亞1, 張 強(qiáng)1, 朱 強(qiáng)1, 付英杰1

(1. 中國船舶集團(tuán)有限公司 第718研究所, 河北 邯鄲, 056027; 2. 中國船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

鋰/六氟化硫熱源的啟動技術(shù)是制約閉式循環(huán)動力系統(tǒng)在無人水下航行器應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。文中根據(jù)鋰/六氟化硫啟動過程的特點(diǎn), 確定了啟動劑的基礎(chǔ)配方, 制備了小尺寸啟動劑樣品, 開展了啟動劑的點(diǎn)火性能試驗(yàn)和小功率鍋爐反應(yīng)器快速啟動試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明, 啟動劑釋放的熱量在幾秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)了金屬鋰的液化且鋰液溫度超過400℃, 點(diǎn)火后合理控制氧化劑和冷卻水的進(jìn)入時(shí)間次序和流量匹配方式可實(shí)現(xiàn)鍋爐反應(yīng)器的持續(xù)穩(wěn)定工作。

無人水下航行器; 鋰/六氟化硫; 閉式循環(huán)動力系統(tǒng)

0 引言

無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)有著廣泛而重要的軍事和民用前景, 近年來受到國際上的充分重視, 并得到長足的發(fā)展。目前大多數(shù)UUV采用電動力系統(tǒng), 電動力系統(tǒng)具有隱蔽性好、無尾跡、噪聲低、對深度不敏感, 操作安全, 可重復(fù)使用等特點(diǎn), 但是目前電池的比能不夠高, 無法滿足UUV對航程與航速的更高需求。隨著UUV的快速發(fā)展和應(yīng)用, 對動力推進(jìn)性能提出了很高的要求, 體積小、質(zhì)量輕、能量密度高、安全可靠的新型動力系統(tǒng)成為未來的發(fā)展趨勢。基于鋰/六氟化硫熱源的水下閉式循環(huán)動力系統(tǒng)具有能量密度高、無外排氣體等優(yōu)點(diǎn), 是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ腢UV動力能源。

1 概述

1.1 工作原理和特點(diǎn)

鋰/六氟化硫熱源主要由氧化劑罐和鍋爐反應(yīng)器組成。鋰在常溫下以固態(tài)的形式儲存于鍋爐反應(yīng)器內(nèi)。點(diǎn)火后, 啟動劑燃燒釋放的能量將鋰加熱液化并達(dá)到啟動溫度(約550℃), 然后氧化劑罐向鍋爐反應(yīng)器中通入六氟化硫, 同時(shí)鍋爐反應(yīng)器換熱管中通入水。鋰與六氟化硫在鍋爐反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng), 產(chǎn)生的能量一部分將水加熱成過熱蒸氣, 另一部分能量將鋰加熱到穩(wěn)定工作溫度(約950℃)。當(dāng)鋰液溫度、蒸汽壓力和溫度均恒定后, 反應(yīng)的能量全部用來加熱水, 鍋爐反應(yīng)器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。

鋰/六氟化硫熱源具有以下優(yōu)點(diǎn):

1) 能量密度和比熱能高, l kg鋰燃料可產(chǎn)生熱量13 kW?h, 即l kg鋰反應(yīng)熱效應(yīng)=-13 kW?h = -4.68×104kJ, 反應(yīng)過程穩(wěn)定、無噪聲;

2) 反應(yīng)物鋰和六氟化硫安全、無毒、無腐蝕性、材料價(jià)格較低、系統(tǒng)易存放, 反應(yīng)不受外界環(huán)境壓強(qiáng)影響;

3) 反應(yīng)后不產(chǎn)生排放物、無污染, 燃燒產(chǎn)物硫化鋰和氟化鋰不與鋰液互溶。2種產(chǎn)物的密度皆大于液態(tài)鋰, 產(chǎn)物體積比鋰燃料的體積還少5％, 反應(yīng)后產(chǎn)物會沉到反應(yīng)器底層而與燃料分離, 能夠在恒定容積下完成反應(yīng)[1]。

鋰/六氟化硫熱源和汽輪機(jī)組成的水下閉式循環(huán)動力系統(tǒng)(見圖1)應(yīng)用在UUV上, 可有效提高UUV的航程、航深和隱蔽性等。美國賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了UUV用鋰/六氟化硫燃料熱動力系統(tǒng), 進(jìn)行了連續(xù)長時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn), 并設(shè)計(jì)了用于533 mm直徑UUV的小型斯特林發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗(yàn), 我國對此研究尚少。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi), 鄭邯勇[2]描述了4種不同結(jié)構(gòu)形式的鋰/六氟化硫熱反應(yīng)器的工作原理及特點(diǎn), 展望了其在航天和水下的廣闊應(yīng)用前景。王應(yīng)時(shí)等[3]選用氯化氫氣體與氨水溶液來模擬六氟化硫氣體與液態(tài)金屬鋰的反應(yīng), 討論了氣液反應(yīng)中高速射流的不穩(wěn)定性。卜建杰[4]比較了鋰/六氟化硫熱源用鋁、鎂、鋰3種啟動劑, 并指出鋁啟動劑綜合性能最佳。張文群等[5]基于吉布斯自由能法, 求解獲得了鋰/六氟化硫高能液體金屬燃料的相平衡時(shí)的溫度、密度和組分濃度等。李巖等[6]通過控制六氟化硫的流量對鋰/六氟化硫緩慢燃燒的可行性做了研究, 驗(yàn)證在液面處的緩慢燃燒是可控的, 為表面噴射反應(yīng)研究提供了理論支撐。白杰等[7]對以鋰/六氟化硫?yàn)槿剂系拈]式循環(huán)系統(tǒng)建立了動態(tài)模型, 通過數(shù)值仿真獲得了能夠引起系統(tǒng)工質(zhì)流量發(fā)生階躍性變化的動態(tài)響應(yīng), 為UUV動力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和流量工質(zhì)提供參考。

圖1 閉式循環(huán)動力系統(tǒng)組成示意圖

國外, Parnell等[8]對熔融鋰中噴入六氟化硫進(jìn)行了試驗(yàn), 采用侵入性和非侵入性技術(shù)來確定羽流大小、穩(wěn)定性及增長速度, 并研究了射流角度的影響。Lyu等[9]發(fā)表了對鋰/六氟化硫燃料毛細(xì)燃燒的研究成果, 對其反應(yīng)產(chǎn)物硫化鋰在液相和固相時(shí)不同的物性參數(shù)進(jìn)行了對比。Harby等[10]發(fā)現(xiàn)噴嘴的直徑和角度對浸沒射流的影響很大, 會導(dǎo)致氣液界面很不穩(wěn)定, 射流局部頸縮, 甚至斷流情況, 并通過試驗(yàn)照相技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。Zabamick等[11]在對航空航天燃料的總結(jié)綜述中介紹到鋰/六氟化硫燃料作為動力的優(yōu)勢, 高能量密度和獨(dú)特的閉式循環(huán)體系是理想推進(jìn)劑能源的首選。

國內(nèi)外關(guān)于鋰/六氟化硫能源的公開資料和報(bào)道很少, 主要集中在對鋰與六氟化硫反應(yīng)的理論計(jì)算和數(shù)值仿真方面, 試驗(yàn)研究則更少。鋰/六氟化硫作為一種先進(jìn)的水下能源, 國外只有美國、英國、日本等少數(shù)國家開展了相關(guān)的技術(shù)研究, 主要用于軍事領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代, 美國在MK50魚雷上實(shí)現(xiàn)了鋰/六氟化硫能源的應(yīng)用, 且該魚雷不對外出口, 技術(shù)處于高度保密狀態(tài)。未見鋰/六氟化硫能源在其他領(lǐng)域或產(chǎn)品上有實(shí)際應(yīng)用。國內(nèi), 中國船舶718所從80年代開始, 在鋰與六氟化硫的反應(yīng)機(jī)理、產(chǎn)物熱力學(xué)性質(zhì)、快速啟動技術(shù)等方面開展了相關(guān)研究, 解決了鋰與六氟化硫穩(wěn)定反應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)難題[12]。

1.3 研究內(nèi)容

由于水下環(huán)境的特殊性, 動力系統(tǒng)需要在很短的時(shí)間內(nèi)(十幾秒甚至幾秒)完成啟動。鋰/六氟化硫熱源在啟動階段, 需要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火、啟動劑燃燒、金屬鋰液化、氧化劑注入反應(yīng)、水工質(zhì)換熱等一系列復(fù)雜過程, 而在十幾秒甚至幾秒內(nèi)完成上述過程具有很大的技術(shù)難度。啟動技術(shù)作為鋰/六氟化硫熱源的關(guān)鍵技術(shù)之一, 是急需攻克的難題。文中通過研究啟動劑的配方、建立點(diǎn)火性能測試流程、開展性能驗(yàn)證試驗(yàn), 為最終解決鋰/六氟化硫熱源的快速啟動提供參考。

2 啟動劑配方研究

針對鋰/六氟化硫熱源的工作特點(diǎn), 對啟動劑有以下幾點(diǎn)要求。

1) 燃燒熱值高

鍋爐反應(yīng)器的主要裝填物為金屬鋰和啟動劑。熔化金屬鋰所需熱量為定值時(shí), 啟動劑的燃燒熱值越高, 其所需的質(zhì)量和體積就越小。采用高熱值的啟動劑可有效降低鍋爐反應(yīng)器的質(zhì)量和長度, 提高整個(gè)熱源系統(tǒng)的能量密度。

2) 燃速快

閉式循環(huán)動力系統(tǒng)要在幾十秒甚至幾秒內(nèi)完成整個(gè)啟動過程, 啟動劑必須具備快速燃燒能力。

3) 點(diǎn)火壓力低

鍋爐反應(yīng)器內(nèi)部是一個(gè)密閉的空間, 且80%以上的空間用來裝鋰。啟動劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的氣體無法排出, 在被鋰吸收前會產(chǎn)生一個(gè)壓力峰。較低的點(diǎn)火壓力可有效降低鍋爐反應(yīng)器的設(shè)計(jì)難度。

4) 燃燒產(chǎn)物的相容性

為保證鍋爐反應(yīng)器的穩(wěn)定工作, 其內(nèi)部必須保持一個(gè)恒定低壓。啟動劑的燃燒產(chǎn)物必須為固態(tài)或液態(tài), 并且與金屬鋰、氟化鋰、硫化鋰發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)的產(chǎn)物為固態(tài)或液體。

從功能和特性上分析, 啟動劑與火工品中的微氣體延期藥類似。微氣體延期藥是由金屬和金屬氧化物組成, 燃速可調(diào), 工作時(shí)產(chǎn)生大量熱和少量氣體, 主要技術(shù)參數(shù)包括燃速、發(fā)火點(diǎn)和輸出。參照微氣體延期藥的設(shè)計(jì)原理, 啟動劑的主要組分確定為高熱值的金屬和分解產(chǎn)物為氧氣的氧化劑。啟動劑的性能評價(jià)參數(shù)主要包括熱值、燃速、點(diǎn)火壓力和相容性。

1) 熱值

啟動劑的熱值越高, 性能越優(yōu)異。表1[13]列出了火工品中常用氧化劑的部分物化參數(shù)和供氧性能, 其中高氯酸鉀的單位質(zhì)量和單位體積供氧能力都是最高的。表2列出的金屬中, 鈦、鋯、鐵的單位質(zhì)量熱值明顯偏低, 鋁的單位質(zhì)量熱值和體積熱值都比鎂高, 但鎂粉的活性比鋁粉高, 點(diǎn)火性能優(yōu)于鋁粉。綜合以上分析, 選取高氯酸鉀和鎂粉為啟動劑的基礎(chǔ)配方。

2) 燃速

表1 氧化劑物化參數(shù)和供氧性能

表2 金屬物化參數(shù)和燃燒熱值

啟動劑的燃速主要與藥劑配比、粒度、裝藥密度和添加劑有關(guān)。金屬粉和氧化劑的比例按照零氧平衡計(jì)算所得的啟動劑配方的燃速最大; 粒度對燃速的影響主要表現(xiàn)在金屬粉上, 金屬粉的粒度越小, 啟動劑的燃速越快; 裝藥密度越大, 啟動劑的燃速越慢; 添加劑可實(shí)現(xiàn)燃速的調(diào)節(jié), 如二氧化硅可降低燃速等。

3) 點(diǎn)火壓力

一般來說, 對于同一配方啟動劑, 其燃速越快點(diǎn)火壓力越高, 反之亦然。研究過程中, 可根據(jù)實(shí)際需求, 在燃速和點(diǎn)火壓力中選取最優(yōu)值。

4) 相容性

由前面確定的基礎(chǔ)配方可知, 啟動劑的燃燒產(chǎn)物為氯化鉀和氧化鎂, 其熔點(diǎn)分別為770℃和2 852℃。在鍋爐反應(yīng)器工作溫度下, 氯化鉀為液態(tài), 氧化鎂為固態(tài), 密度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬鋰, 可沉積在反應(yīng)器底部, 對鍋爐反應(yīng)器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)和換熱影響較小。另外, 氯化鉀和氧化鎂與金屬鋰、氟化鋰、硫化鋰可能發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)的產(chǎn)物也均為固態(tài)或液態(tài), 滿足系統(tǒng)對啟動劑相容性的要求。

上述分析表明, 以高氯酸鉀和鎂粉為基礎(chǔ)配方的啟動劑可滿足系統(tǒng)快速啟動的要求。按照零氧平衡計(jì)算, 每克啟動劑可產(chǎn)生10.41 kJ的能量; 需要液化的金屬鋰為1 kg, 啟動前金屬鋰與啟動劑的溫度為20℃; 啟動后金屬鋰與啟動劑燃燒產(chǎn)物(氯化鉀和氧化鎂)的溫度為550℃, 忽略反應(yīng)器殼體吸熱和對外熱損失。根據(jù)表1～3中的物化參數(shù), 計(jì)算所需啟動劑的質(zhì)量和體積以及占比, 結(jié)果如表4所示。啟動劑燃燒前后所占體積均低于7%, 對于系統(tǒng)而言是可以接受的。

表3 鋰與燃燒產(chǎn)物的物化參數(shù)

表4 啟動劑計(jì)算結(jié)果

3 試驗(yàn)研究

在啟動過程中, 啟動劑的性能主要體現(xiàn)在鋰液化時(shí)間、鋰液溫度和點(diǎn)火壓力3個(gè)方面。根據(jù)鋰/六氟化硫熱源啟動過程的特點(diǎn), 啟動試驗(yàn)研究分2個(gè)階段進(jìn)行: 第1階段進(jìn)行金屬鋰的液化試驗(yàn), 研究啟動劑配方、制備工藝和裝填方式等對點(diǎn)火壓力和金屬鋰液化時(shí)間的影響; 第2階段進(jìn)行小功率鍋爐反應(yīng)器的快速啟動試驗(yàn), 探索點(diǎn)火后氧化劑和冷卻水的進(jìn)入時(shí)間次序和流量匹配方式等。

3.1 金屬鋰液化試驗(yàn)

為了降低點(diǎn)火壓力和縮短金屬鋰的液化時(shí)間, 金屬鋰與啟動劑均設(shè)計(jì)為圓片狀, 并在一定壓力下緊密貼合在一起。采取上述結(jié)構(gòu)形式, 可有效增大啟動劑與金屬鋰的接觸面積, 有利于金屬鋰迅速吸收啟動劑釋放的熱量, 實(shí)現(xiàn)在低點(diǎn)火壓力下金屬鋰的快速液化。根據(jù)試驗(yàn)需求, 建立了金屬鋰液化試驗(yàn)裝置, 主要包括不銹鋼反應(yīng)器殼體、壓力傳感器、溫度傳感器、點(diǎn)火電源、電點(diǎn)火頭等, 如圖2所示。

圖2 金屬鋰液化試驗(yàn)反應(yīng)器示意圖

金屬鋰液化試驗(yàn)曲線如圖3所示,圖中為鋰液溫度,為反應(yīng)器內(nèi)部壓力。

圖3 金屬鋰液化試驗(yàn)曲線

由圖可知: 從點(diǎn)火到反應(yīng)器內(nèi)壓達(dá)到峰值0.302 MPa的時(shí)間間隔為0.056 s, 即啟動劑的燃燒時(shí)間; 從反應(yīng)器內(nèi)壓峰值點(diǎn)到鋰液最高溫度值446℃的時(shí)間間隔為3.488 s, 即金屬鋰吸熱并達(dá)到溫度均一的時(shí)間; 金屬鋰的液化時(shí)間為兩段時(shí)間之和即3.544 s; 點(diǎn)火壓力達(dá)到峰值后迅速下降至1個(gè)大氣壓以下。由于溫度傳感器的位置靠近反應(yīng)器內(nèi)壁, 因此溫度測量值低于鋰液的平均值。溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間也遠(yuǎn)大于壓力傳感器, 因此金屬鋰液化的實(shí)際時(shí)間應(yīng)比3.544 s更短。

3.2 小功率鍋爐反應(yīng)器試驗(yàn)

為了研究點(diǎn)火后氧化劑和冷卻水的進(jìn)入時(shí)間次序和流量匹配方式、測試啟動劑產(chǎn)物對化學(xué)反應(yīng)和換熱的影響, 設(shè)計(jì)了小功率鍋爐反應(yīng)器, 并搭建了測試試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示, 主要包括六氟化硫儲罐、氣體流量控制器、鍋爐反應(yīng)器、水罐、水泵、壓力傳感器和溫度傳感器等。啟動試驗(yàn)曲線如圖5所示。圖中曲線1為反應(yīng)器內(nèi)鋰液溫度;2為反應(yīng)器出口蒸汽溫度;為反應(yīng)器出口蒸汽壓力;為反應(yīng)器輸出熱功率;為水工質(zhì)流量。

圖4 啟動試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖5 啟動試驗(yàn)曲線

由圖5可知: 點(diǎn)火后, 啟動劑釋放的熱量將金屬鋰快速液化且溫度超過400℃; 反應(yīng)器換熱管內(nèi)少量水吸熱后氣化產(chǎn)生了一個(gè)約200℃、0.7 MPa的波峰; 反應(yīng)器同時(shí)通入氧化劑和水工質(zhì)后, 鋰液溫度、蒸汽溫度與壓力迅速上升并進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài); 反應(yīng)器穩(wěn)定工作時(shí)間約150 s, 出口蒸汽的平均壓力為7.12 MPa, 平均溫度為570℃, 輸出的平均熱功率為101 kW。

4 結(jié)論

針對鋰/六氟化硫熱源的啟動技術(shù)開展研究, 總結(jié)了啟動劑的技術(shù)要求, 確定了啟動劑的基礎(chǔ)配方為鎂和高氯酸鉀, 搭建了金屬鋰液化試驗(yàn)和小功率鍋爐反應(yīng)器試驗(yàn)系統(tǒng), 通過試驗(yàn)驗(yàn)證了啟動劑的性能和快速啟動的可行性。

試驗(yàn)結(jié)果表明: 1) 金屬鋰液化試驗(yàn)中, 啟動劑釋放的熱量在4 s內(nèi)將金屬鋰加熱至400℃以上, 點(diǎn)火壓力峰值約為0.3 MPa, 且隨后下降至1個(gè)大氣壓以下; 2) 小功率鍋爐反應(yīng)器試驗(yàn)中, 實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定工作約150 s, 出口蒸汽的平均壓力為7.12 MPa, 平均溫度為570℃, 輸出的平均熱功率為101 kW。

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Start-up Technology of Lithium/Sulfur Hexafluoride Heat Source

LI Wei-wei1, MA Wei-feng2, HAN Zhi-ya1, ZHANG Qiang1, ZHU Qiang1, FU Ying-jie1

(1. The 718 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Handan 056027, China; 2. The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China)

The start-up technology of a lithium/sulfur hexafluoride heat source is one of the key technologies restricting the application of closed-cycle power systems in unmanned undersea vehicles. According to the characteristics of the lithium/sulfur hexafluoride start-up process, the basic composition of the start-up reagent is determined, the small-size start-up reagent sample is prepared, and the ignition performance test of the start-up reagent and the fast start-up experiment of the small-power boiler reactor are carried out. The test results show that the heat released by the start-up reagent liquefied lithium metal in a few seconds and the lithium liquid temperature exceeded 400℃. Reasonable control of the entry time sequence and flow matching mode of the oxidant and cooling water after ignition can realize continuous and stable operation of the boiler reactor.

unmanned undersea vehicle; lithium/sulfur hexafluoride; closed-cycle power system

TJ630.32; TK16

A

2096-3920(2021)06-0674-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.06.005

李維維, 馬為峰, 韓直亞, 等. 鋰/六氟化硫熱源啟動技術(shù)研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(6): 674-679.

2021-08-31;

2021-12-18.

李維維(1982-), 男, 碩士, 高級工程師, 主要研究方向?yàn)樗陆饘倌茉磩恿夹g(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)