Казарезов Проеектування пристроiв и систем пiдводных апаратiв

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

речовини (водень, кисень, водовмісні гази). Це менш дорогі і недефіцитні речовини. Тому ЕХГ у порівнянні з АБ і гальванічними елементами мають малу матеріало-місткість. Їх відрізняють високий ККД (60...80 %), який мало залежить від навантаження, анаеробність, компактність, хороші питомі показники, висока надійність і великий ресурс.

Сьогодні вже створена значна кількість конструкцій ЕХГ, що випробувані в лабораторних умовах та експлуатуються в ряді галузей автомобільної і космічної техніки, а також ПА.

Створені на базі ЕХГ установки для підводних човнів (ПЧ), що працюють без доступу атмосферного повітря, довели на практиці свою працездатність і ефективність.

Системи, що входять до складу ЕХГ, методи їхнього розрахунку, експериментальні дослідження описані в роботах [21, 26, 35, 40, 42]. З огляду на специфіку роботи ненаселених ПА очевидно, що кращою буде визнана система, яка має мінімальні масогабаритні характеристики, необхідний рівень надійності і малу вартість.

ЕХГ (паливні елементи) розрізняють за трьома основними ознаками: застосовуваними реагентами, умовами проведення електрохімічної реакції і принципом використання палива, а назви ЕХГ дають, як правило, за типом використовуваного палива.

Порівняльні характеристики ЕХГ, розроблених для населених ПА різними фірмами, наведені в табл. 2.15 [42, 46].

Таблиця 2.15. Характеристики ЕХГ

81

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

Продовж. табл. 2.15

Ведуться роботи зі створення малогабаритних джерел електроенергії з тепловими двигунами замкнутого типу, водно-металевими елементами, ядерними енергетичними установками [20–22, 26, 42, 46]. Однак на сьогоднішній день їх масогабаритні характеристики не дозволяють розмістити дані типи енергоджерел на більшості ненаселених ПА (за винятком великих робочих апаратів для ведення робіт на дні по прокладці кабелів, трубопроводів і видобутку корисних копалин).

Хімічні джерела струму (ХДС) набули широкого застосування в різних областях військово-морської техніки, включаючи радіоелектронне озброєння, засоби руху, системи зброї і т. д. Застосовуються ХДС різних типів: Zn – МnО2, Zn – Hg – водоактивовані з магнієвим анодом; Zn – Ag – термоактивовані; Zn – Ag, Mg – AgCl.

З усіх перспективних розробок ХДС до великомасштабного промислового виробництва доведені лише літієві первинні елементи з неводними електролітами, що зайняли досить міцне місце на світовому ринку.

Випускаються літієві елементи трьох типів: з електролітом на основі органічних розчинників; з електролітом на основі неорганічних розчинників; із твердим електролітом.

Металевий літій термодинамічно нестабільний практично у всіх електролітах, застосовуваних у хімічних джерелах струму. Однак утворення на поверхні літію, зануреного в електроліт, захисної плівки практично припиняє подальшу хімічну взаємодію, не перешкоджаючи перебігу електрохімічного процесу. Саме це явище дозволяє на практиці ефективно використовувати працюючий літієвий електрод і забезпечити його мінімальний саморозряд.

82

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

Низька розчинність в органічних розчинниках більшості неорганічних з'єднань дає можливість широкого вибору катодних матеріалів і відповідно створення на їхній основі елементів з характеристиками, що задовольняють різні вимоги, які ставляться споживачами щодо якості напруги, питомої ємності, потужності, умов експлуатації, вартості.

Виготовляються літієві елементи шістнадцяти електрохімічних систем. Найбільшого розвитку набули п'ять з них: літій – діоксид сірки (SO2), літій – фторований вуглець (CFх), літій – діоксид марганцю (МnО2), літій – оксид міді (CuО), літій – тіонілхлорид (SOCl2). За питомими характеристиками літієві ХДС значно перевищують такі гальванічні елементи, як нікель-кадмієві, марганцево-цинкові (сольові), марганцево-цинкові (лужні), ртутно-цинкові.

Крім високих питомих енергетичних характеристик і розрядних напруг, літієві елементи з органічними електролітами мають низку експлуатаційних переваг: широкий діапазон робочих температур (від –55 до +150 °С); високу збережність заряду (від 5 до 10 років); цілком герметичні.

Літієві елементи з твердими катодними матеріалами відносяться до малопотужних. Питома потужність таких елементів (традиційних конструкцій), як правило, не перевищує 10...20 Вт/дм3. Для підвищення потужнісних характеристик використовуються спіральні конструкції елементів, у яких виконані у вигляді стрічок катод і анод із прокладеним між ними сепаратором скручуються в рулон і вміщуються в циліндричний корпус. Така технологія дозволяє виготовляти елементи зі значно більшою робочою площею поверхні електродів у порівнянні з традиційною конструкцією і відповідно забезпечити великі розрядні струми. Електрохімічна система Li – SO2, що використовує як активний катодний матеріал розчинений в електроліті діоксид сірки, дозволяє досягати значних потужностей. Так, наприклад, елемент типорозміру 373 спіральної конструкції фірми ”Sandia” (США) має питому потужність до 500 Вт/кг при питомій енергії 100 Вт·год/кг.

Елемент літій – діоксид сірки специфічний за конструкцією й умовами експлуатації. Оскільки як активний компонент використовується газоподібна (за нормальних умов) речовина, розчинена в електроліті, під час розігрівання елемента, викликаного форсованими струмами чи розрядом короткого замикання, у корпусі елемента зростає тиск, що може призвести до розгерметизації або

83

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

вибуху елемента. Тому елементи системи Li – SO2 обладнуються запобіжними клапанами для скидання тиску, а під час їхньої експлуатації рекомендується забезпечувати захист від короткого замикання. Крім того, герметизацію елемента здійснюють не завальцюванням із застосуванням пружної прокладки (як елементів інших систем), а за допомогою скляно-металевого вузла герметизації. Спеціально розроблене корозійно-стійке скло зі зниженим вмістом оксиду кремнію (типу ТА-23) забезпечує герметичність корпусу до 5 років і більше.

Останніми роками намітилися перспективи створення перезаряджуваних літієвих джерел струму. При десятикратному надлишку літію на електроді відносно до того, що витрачається при одиничному розряді, ресурс елемента складає 500 циклів.

У ХДС використовуються полімери, які мають іонну (поліефіри) та електронну (поліацетилен) провідність. Питома енергія поліацетиленових акумуляторів у залежності від складу електроліту і способу виготовлення електродів змінюється від 300 до 700 Вт·год/кг (у розрахунку на масу активних матеріалів електродів і електроліту) при напрузі розряду близько 3,0 В, наробіток – від 200 до 500 і більше циклів. Питомі характеристики акумулятора з урахуванням масогабаритних показників усієї конструкції виявляються нижчими описаних вище "звичайних" літієвих джерел струму. Акумулятори з поліацетиленом можуть мати високий саморозряд (від 7 до 35 % за 48 год витримки в зарядженому стані).

Завдяки високим питомим показникам і експлуатаційним властивостям хімічні джерела струму на основі літію стають одними з перспективних видів. ХДС удало доповнюють можливості традиційних акумуляторів і електрохімічних генераторів, а іноді заміняють їх цілком.

Створені літієві ХДС охоплюють самий широкий діапазон потужностей:

малогабаритні елементи з електролітами на основі органічних розчинників ємністю кілька ампер-годин (А год);

літій-тіонілхлоридні елементи великої ємності (кілька тисяч ампер-годин).

Особливі можливості існують у перспективних високоефективних літієвих акумуляторів із твердими електролітами, так званих твердотільных батарей.

Американська фірма створила аварійне (резервне) джерело живлення з використанням літій-тіонілхлоридних елементів G3066

84

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

ємністю 17000 А год (для навантаження 7 кВт і напруги 30 ± 2 В), випробування яких [35] показали їхню працездатність і безпеку. Нижче наведені характеристики таких елементів:

Застосування надійного скляно-металевого вузла герметизації при виготовленні літій-тіонілхлоридних елементів у сполученні з високим очищенням активних компонентів електродів і електроліту, що забезпечує низький саморозряд літієвого анода, дозволяє прогнозувати досяжну збережність зарядженості елементів до 20 років. У теперешній час фірмою Altus уже випускаються батареї серії AL6-C системи Li – SOCI2 з терміном збережності заряду 10 років.

У табл. 2.16 наведені порівняльні характеристики АБ з електрохімічною системою літій – сірка зі свинцево-кислотними і срібноцинковими АБ з такими вихідними параметрами: ємність – 500 А год, вихідна енергія – 600 кВт год, потужність – 50 кВт [26].

Таблиця 2.16. Основні характеристики декількох типів АБ, призначених

для використання на ПЧ

85

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

При однакових об'ємах літій-сірчана АБ має ємність у 4 рази більшу, ніж свинцево-кислотна батарея, при цьому її маса становить 67 % від свинцево-кислотної АБ. При однакових масах літійсірчана АБ має ємність у 6,2 разу більшу, ніж свинцево-кислотна.

2.8. Електродвигуни і мотор-редуктори

Як привод різних пристроїв на ПА використовуються електродвигуни постійного і змінного струму в герметизованому чи заглибному виконанні (рис. 2.46). Розрізняють три типи конструктивного виконання заглибних електродвигунів [40]: закрите з компенсатором тиску, коли корпус двигуна розміщений усередині герметичної тонкостінної капсули і заповнений діелектриком (найчастіше гасом Т1 чи маслом типу АМГ-10); екрановане, при якому обмотка статора закрита металевим екраном, що охороняє її від безпосереднього контакту з морською водою; відкрите із заповненням внутрішніх порожнин двигуна забортною водою, що охолоджує залізо і змащує підшипники.

Рис. 2.46. Варіанти виконання електричних двигунів:

а – з герметичним корпусом; б –заглибний закритого типу; в – заглибний відкритого типу з екранованими обмотками збудження; 1 – ротор двигуна; 2 – статорні котушки; 3 – корпус електродвигуна; 4 – ущільнення вала;

5 – компенсатор тиску

86

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

Діапазон потужностей електродвигунів, установлюваних на підводних апаратах, досить широкий – від 0,075 кВт на розвідувальному апараті "Скат-гео" до 15,0 кВт на великих робочих ПА типу

"Dolpheen 3D", "Trojan", "Consub-2", "Curv-1" та ін.

Рід струму найчастіше визначається типом апарата і його призначенням. Так, більшість автономних ПА оснащені двигунами постійного струму, які потребують додаткових пристроїв для перетворення енергії.

На всіх типах ПА широко застосовують синхронні одно- і трифазні машини з робочою частотою 400...100000 Гц, що мають більш високий ККД у порівнянні з колекторними двигунами постійного струму.

Подібні системи електроруху використані на населених підводних апаратах "Осмотр", "Shinkaj-2000", ненаселених "RCV-225", "Curv-1", "Scorpio", "Манта 1,5", "Scorpio", "Атлеш", "Помор", "По-

лярная звезда" та ін.

Найбільш поширені серед перерахованих типів електродвигунів машини заглибного типу закритого виконання, що дозволяють використовувати звичайні проводи в емалевій ізоляції і стандартні підшипники кочення, що значно спрощує технологію їхнього створення і переробки.

Для рушійно-рульового комплексу часто використовують електродвигуни із вбудованим редуктором, що забезпечує сприятливе сполучення ККД рушія і швидкості обертання ротора електродвигуна.

Тип виконання електродвигуна – герметичний чи заглибний – визначається глибиною занурення апарата. Герметичне виконання має такі переваги: можливість використання стандартних двигунів промислового призначення і забезпечення нормальних умов їхньої роботи. Однак зі зростанням глибини швидке збільшення масогабаритних показників міцного корпусу електродвигуна і прогресуючі втрати через тертя в ущільнювальних елементах до 30...50 % зводять на "ні" зазначені переваги. На практиці електродвигуни в герметичному виконанні використовуються на глибинах до 250...300 м. Більш глибоководні конструкції електродвигунів у більшості випадків виконують заглибними.

Процеси, що відбуваються усередині двигуна під час роботи у заглибному стані, істотно відрізняються від умов роботи в повітряному середовищі. Насамперед це відноситься до появи додаткових гідродинамічних утрат при обертанні якоря у в'язкому діелект-

87

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

рику, порівнянних з магнітними втратами в сталі якоря електродвигуна.

Основні втрати потужності в заглибному електроприводі в загальному вигляді визначаються залежністю [46, 56]

∆ Pe = f [n3ν D4lSщ (δ q)]Вт,

де п – число обертів електродвигуна, с–1; v – кінематична в'язкість робочої рідини, м2/с; D, l – діаметр і довжина ротора, м; Sщ – площа щіток, м2; δ – зазор між статором і ротором, м; q – чистота обробки ротора, м; f – емпіричний коефіцієнт( f = 1,12…1,18).

ККД двигуна значно знижується зі зростанням частоти обертання і збільшенням в'язкості робочої рідини. І навпаки, зменшення діаметра ротора, в'язкості рідини і чистоти обробки ротора збільшують ККД машини.

До позитивних моментів, пов'язаних з використанням заглибного електропривода, варто віднести поліпшення теплового режиму двигуна через інтенсивну циркуляцію рідини діелектрика всередині капсули, що дозволяє збільшити його питомі навантаження. Таким чином, спеціально створювані для підводної техніки двигуни в порівнянні з традиційним виконанням для одержання максимального ККД повинні мати збільшене відношення довжини ротора до діаметра, знижене число обертів (не більше 50 с–1) і мінімальне число виступаючих частин на обертових деталях для зниження гідродинамічних утрат.

Для запобігання утруднень, пов'язаних з використанням колекторних машин постійного струму в заглибному виконанні, останніми роками стали застосовувати безколекторні двигуни з напівпровідниковими системами керування.

Роль колектора виконує транзисторний комутатор. Положення ротора відслідковується датчиками, заснованими на ефекті Холла або оптронах. У США розроблена серія подібних електродвигунів з 12 найменувань з рухомим ротором-індуктором, напругою 120 В і потужністю від 0,38 до 8,25 кВт при частоті обертання 25...100 с–1 [46, 56]. Близькими за конструкцією є синхронні двигуни серії ДБМ. Вибір напруги живлення електродвигунів визначається конструктивними особливостями ПА й умовами його експлуатації.

Для автономних ненаселених ПА з двигунами постійного струму

88

ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ І СИСТЕМ ПІДВОДНИХ АПАРАТІВ

малої потужності найчастіше використовують напругу 24...28 В, рідше – до 120 В. На автономних населених ПА робоча напруга становить від 120 до 240 В.

Для прив'язних апаратів з подачею енергії по кабелю робоча напруга вища і становить 220...600 В, а в окремих випадках – до 3000 В. Часто користуються інверторами для перетворення змінного струму в постійний і навпаки.

Ці напівпровідникові імпульсні регулятори працюють за принципом частотно-імпульсної модуляції (ЧІМ) і відрізняються відсутністю рухомих частин і надійністю.

Характеристики деяких електродвигунів постійного і змінного струму наведені в табл. 2.17 за даними [8, 55, 56].

Таблиця 2.17. Основні характеристики електродвигунів постійного

і змінного струму, використовуваних на ненаселених ПА

89

А.Я. Казарєзов, А.Ф. Галь, С.М. Пишнєв

Продовж. табл. 2.17

Примітка. * Існують модифікації двигунів серії ДБМ із форсованим режимом роботи, що становить 0,45, 0,8 і 1,2 кВт. Роторні і статорні частини окремих машин

можуть агрегатуватися, збільшуючи потужність на валу в 2, 3, 4 і більше разів.

2.9. Виконавчі пристрої зворотно-поступального руху

Виконавчі пристрої застосовуються для забезпечення зворотнопоступального руху елементів систем ПА, технологічного устаткування. Використовуються гідравлічні, електромеханічні й електричні приводи різної потужності [47].

Гідравлічні приводи, що перетворюють енергію робочої рідини в поступальний рух робочого органа, називають гідроциліндрами

(ГЦ) (рис. 2.47).

За конструкцією робочої камери виконавчі пристрої поділяють на поршневі, плунжерні, телескопічні і сильфонні. За умовами екс-

90