李维维, 马为峰, 韩直亚, 张 强, 朱 强, 付英杰

锂/六氟化硫热源启动技术研究

李维维1, 马为峰2, 韩直亚1, 张 强1, 朱 强1, 付英杰1

(1. 中国船舶集团有限公司 第718研究所, 河北 邯郸, 056027; 2. 中国船舶集团有限公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077)

锂/六氟化硫热源的启动技术是制约闭式循环动力系统在无人水下航行器应用的关键技术之一。文中根据锂/六氟化硫启动过程的特点, 确定了启动剂的基础配方, 制备了小尺寸启动剂样品, 开展了启动剂的点火性能试验和小功率锅炉反应器快速启动试验。试验结果表明, 启动剂释放的热量在几秒内实现了金属锂的液化且锂液温度超过400℃, 点火后合理控制氧化剂和冷却水的进入时间次序和流量匹配方式可实现锅炉反应器的持续稳定工作。

无人水下航行器; 锂/六氟化硫; 闭式循环动力系统

0 引言

无人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)有着广泛而重要的军事和民用前景, 近年来受到国际上的充分重视, 并得到长足的发展。目前大多数UUV采用电动力系统, 电动力系统具有隐蔽性好、无尾迹、噪声低、对深度不敏感, 操作安全, 可重复使用等特点, 但是目前电池的比能不够高, 无法满足UUV对航程与航速的更高需求。随着UUV的快速发展和应用, 对动力推进性能提出了很高的要求, 体积小、质量轻、能量密度高、安全可靠的新型动力系统成为未来的发展趋势。基于锂/六氟化硫热源的水下闭式循环动力系统具有能量密度高、无外排气体等优点, 是一种极具发展潜力的UUV动力能源。

1 概述

1.1 工作原理和特点

锂/六氟化硫热源主要由氧化剂罐和锅炉反应器组成。锂在常温下以固态的形式储存于锅炉反应器内。点火后, 启动剂燃烧释放的能量将锂加热液化并达到启动温度(约550℃), 然后氧化剂罐向锅炉反应器中通入六氟化硫, 同时锅炉反应器换热管中通入水。锂与六氟化硫在锅炉反应器中发生反应, 产生的能量一部分将水加热成过热蒸气, 另一部分能量将锂加热到稳定工作温度(约950℃)。当锂液温度、蒸汽压力和温度均恒定后, 反应的能量全部用来加热水, 锅炉反应器进入稳定工作状态。

锂/六氟化硫热源具有以下优点:

1) 能量密度和比热能高, l kg锂燃料可产生热量13 kW·h, 即l kg锂反应热效应=-13 kW·h = -4.68×104kJ, 反应过程稳定、无噪声;

2) 反应物锂和六氟化硫安全、无毒、无腐蚀性、材料价格较低、系统易存放, 反应不受外界环境压强影响;

3) 反应后不产生排放物、无污染, 燃烧产物硫化锂和氟化锂不与锂液互溶。2种产物的密度皆大于液态锂, 产物体积比锂燃料的体积还少5％, 反应后产物会沉到反应器底层而与燃料分离, 能够在恒定容积下完成反应[1]。

锂/六氟化硫热源和汽轮机组成的水下闭式循环动力系统(见图1)应用在UUV上, 可有效提高UUV的航程、航深和隐蔽性等。美国宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室开发了UUV用锂/六氟化硫燃料热动力系统, 进行了连续长时间运行试验, 并设计了用于533 mm直径UUV的小型斯特林发动机进行试验, 我国对此研究尚少。

1.2 国内外研究现状

国内, 郑邯勇[2]描述了4种不同结构形式的锂/六氟化硫热反应器的工作原理及特点, 展望了其在航天和水下的广阔应用前景。王应时等[3]选用氯化氢气体与氨水溶液来模拟六氟化硫气体与液态金属锂的反应, 讨论了气液反应中高速射流的不稳定性。卜建杰[4]比较了锂/六氟化硫热源用铝、镁、锂3种启动剂, 并指出铝启动剂综合性能最佳。张文群等[5]基于吉布斯自由能法, 求解获得了锂/六氟化硫高能液体金属燃料的相平衡时的温度、密度和组分浓度等。李岩等[6]通过控制六氟化硫的流量对锂/六氟化硫缓慢燃烧的可行性做了研究, 验证在液面处的缓慢燃烧是可控的, 为表面喷射反应研究提供了理论支撑。白杰等[7]对以锂/六氟化硫为燃料的闭式循环系统建立了动态模型, 通过数值仿真获得了能够引起系统工质流量发生阶跃性变化的动态响应, 为UUV动力系统的设计和流量工质提供参考。

图1 闭式循环动力系统组成示意图

国外, Parnell等[8]对熔融锂中喷入六氟化硫进行了试验, 采用侵入性和非侵入性技术来确定羽流大小、稳定性及增长速度, 并研究了射流角度的影响。Lyu等[9]发表了对锂/六氟化硫燃料毛细燃烧的研究成果, 对其反应产物硫化锂在液相和固相时不同的物性参数进行了对比。Harby等[10]发现喷嘴的直径和角度对浸没射流的影响很大, 会导致气液界面很不稳定, 射流局部颈缩, 甚至断流情况, 并通过试验照相技术进行了验证。Zabamick等[11]在对航空航天燃料的总结综述中介绍到锂/六氟化硫燃料作为动力的优势, 高能量密度和独特的闭式循环体系是理想推进剂能源的首选。

国内外关于锂/六氟化硫能源的公开资料和报道很少, 主要集中在对锂与六氟化硫反应的理论计算和数值仿真方面, 试验研究则更少。锂/六氟化硫作为一种先进的水下能源, 国外只有美国、英国、日本等少数国家开展了相关的技术研究, 主要用于军事领域。20世纪90年代, 美国在MK50鱼雷上实现了锂/六氟化硫能源的应用, 且该鱼雷不对外出口, 技术处于高度保密状态。未见锂/六氟化硫能源在其他领域或产品上有实际应用。国内, 中国船舶718所从80年代开始, 在锂与六氟化硫的反应机理、产物热力学性质、快速启动技术等方面开展了相关研究, 解决了锂与六氟化硫稳定反应等关键技术难题[12]。

1.3 研究内容

由于水下环境的特殊性, 动力系统需要在很短的时间内(十几秒甚至几秒)完成启动。锂/六氟化硫热源在启动阶段, 需要实现点火、启动剂燃烧、金属锂液化、氧化剂注入反应、水工质换热等一系列复杂过程, 而在十几秒甚至几秒内完成上述过程具有很大的技术难度。启动技术作为锂/六氟化硫热源的关键技术之一, 是急需攻克的难题。文中通过研究启动剂的配方、建立点火性能测试流程、开展性能验证试验, 为最终解决锂/六氟化硫热源的快速启动提供参考。

2 启动剂配方研究

针对锂/六氟化硫热源的工作特点, 对启动剂有以下几点要求。

1) 燃烧热值高

锅炉反应器的主要装填物为金属锂和启动剂。熔化金属锂所需热量为定值时, 启动剂的燃烧热值越高, 其所需的质量和体积就越小。采用高热值的启动剂可有效降低锅炉反应器的质量和长度, 提高整个热源系统的能量密度。

2) 燃速快

闭式循环动力系统要在几十秒甚至几秒内完成整个启动过程, 启动剂必须具备快速燃烧能力。

3) 点火压力低

锅炉反应器内部是一个密闭的空间, 且80%以上的空间用来装锂。启动剂燃烧时产生的气体无法排出, 在被锂吸收前会产生一个压力峰。较低的点火压力可有效降低锅炉反应器的设计难度。

4) 燃烧产物的相容性

为保证锅炉反应器的稳定工作, 其内部必须保持一个恒定低压。启动剂的燃烧产物必须为固态或液态, 并且与金属锂、氟化锂、硫化锂发生进一步反应的产物为固态或液体。

从功能和特性上分析, 启动剂与火工品中的微气体延期药类似。微气体延期药是由金属和金属氧化物组成, 燃速可调, 工作时产生大量热和少量气体, 主要技术参数包括燃速、发火点和输出。参照微气体延期药的设计原理, 启动剂的主要组分确定为高热值的金属和分解产物为氧气的氧化剂。启动剂的性能评价参数主要包括热值、燃速、点火压力和相容性。

1) 热值

启动剂的热值越高, 性能越优异。表1[13]列出了火工品中常用氧化剂的部分物化参数和供氧性能, 其中高氯酸钾的单位质量和单位体积供氧能力都是最高的。表2列出的金属中, 钛、锆、铁的单位质量热值明显偏低, 铝的单位质量热值和体积热值都比镁高, 但镁粉的活性比铝粉高, 点火性能优于铝粉。综合以上分析, 选取高氯酸钾和镁粉为启动剂的基础配方。

2) 燃速

表1 氧化剂物化参数和供氧性能

表2 金属物化参数和燃烧热值

启动剂的燃速主要与药剂配比、粒度、装药密度和添加剂有关。金属粉和氧化剂的比例按照零氧平衡计算所得的启动剂配方的燃速最大; 粒度对燃速的影响主要表现在金属粉上, 金属粉的粒度越小, 启动剂的燃速越快; 装药密度越大, 启动剂的燃速越慢; 添加剂可实现燃速的调节, 如二氧化硅可降低燃速等。

3) 点火压力

一般来说, 对于同一配方启动剂, 其燃速越快点火压力越高, 反之亦然。研究过程中, 可根据实际需求, 在燃速和点火压力中选取最优值。

4) 相容性

由前面确定的基础配方可知, 启动剂的燃烧产物为氯化钾和氧化镁, 其熔点分别为770℃和2 852℃。在锅炉反应器工作温度下, 氯化钾为液态, 氧化镁为固态, 密度均远远大于金属锂, 可沉积在反应器底部, 对锅炉反应器内的化学反应和换热影响较小。另外, 氯化钾和氧化镁与金属锂、氟化锂、硫化锂可能发生进一步反应的产物也均为固态或液态, 满足系统对启动剂相容性的要求。

上述分析表明, 以高氯酸钾和镁粉为基础配方的启动剂可满足系统快速启动的要求。按照零氧平衡计算, 每克启动剂可产生10.41 kJ的能量; 需要液化的金属锂为1 kg, 启动前金属锂与启动剂的温度为20℃; 启动后金属锂与启动剂燃烧产物(氯化钾和氧化镁)的温度为550℃, 忽略反应器壳体吸热和对外热损失。根据表1～3中的物化参数, 计算所需启动剂的质量和体积以及占比, 结果如表4所示。启动剂燃烧前后所占体积均低于7%, 对于系统而言是可以接受的。

表3 锂与燃烧产物的物化参数

表4 启动剂计算结果

3 试验研究

在启动过程中, 启动剂的性能主要体现在锂液化时间、锂液温度和点火压力3个方面。根据锂/六氟化硫热源启动过程的特点, 启动试验研究分2个阶段进行: 第1阶段进行金属锂的液化试验, 研究启动剂配方、制备工艺和装填方式等对点火压力和金属锂液化时间的影响; 第2阶段进行小功率锅炉反应器的快速启动试验, 探索点火后氧化剂和冷却水的进入时间次序和流量匹配方式等。

3.1 金属锂液化试验

为了降低点火压力和缩短金属锂的液化时间, 金属锂与启动剂均设计为圆片状, 并在一定压力下紧密贴合在一起。采取上述结构形式, 可有效增大启动剂与金属锂的接触面积, 有利于金属锂迅速吸收启动剂释放的热量, 实现在低点火压力下金属锂的快速液化。根据试验需求, 建立了金属锂液化试验装置, 主要包括不锈钢反应器壳体、压力传感器、温度传感器、点火电源、电点火头等, 如图2所示。

图2 金属锂液化试验反应器示意图

金属锂液化试验曲线如图3所示,图中为锂液温度,为反应器内部压力。

图3 金属锂液化试验曲线

由图可知: 从点火到反应器内压达到峰值0.302 MPa的时间间隔为0.056 s, 即启动剂的燃烧时间; 从反应器内压峰值点到锂液最高温度值446℃的时间间隔为3.488 s, 即金属锂吸热并达到温度均一的时间; 金属锂的液化时间为两段时间之和即3.544 s; 点火压力达到峰值后迅速下降至1个大气压以下。由于温度传感器的位置靠近反应器内壁, 因此温度测量值低于锂液的平均值。温度传感器的响应时间也远大于压力传感器, 因此金属锂液化的实际时间应比3.544 s更短。

3.2 小功率锅炉反应器试验

为了研究点火后氧化剂和冷却水的进入时间次序和流量匹配方式、测试启动剂产物对化学反应和换热的影响, 设计了小功率锅炉反应器, 并搭建了测试试验系统如图4所示, 主要包括六氟化硫储罐、气体流量控制器、锅炉反应器、水罐、水泵、压力传感器和温度传感器等。启动试验曲线如图5所示。图中曲线1为反应器内锂液温度;2为反应器出口蒸汽温度;为反应器出口蒸汽压力;为反应器输出热功率;为水工质流量。

图4 启动试验系统示意图

图5 启动试验曲线

由图5可知: 点火后, 启动剂释放的热量将金属锂快速液化且温度超过400℃; 反应器换热管内少量水吸热后气化产生了一个约200℃、0.7 MPa的波峰; 反应器同时通入氧化剂和水工质后, 锂液温度、蒸汽温度与压力迅速上升并进入稳定工作状态; 反应器稳定工作时间约150 s, 出口蒸汽的平均压力为7.12 MPa, 平均温度为570℃, 输出的平均热功率为101 kW。

4 结论

针对锂/六氟化硫热源的启动技术开展研究, 总结了启动剂的技术要求, 确定了启动剂的基础配方为镁和高氯酸钾, 搭建了金属锂液化试验和小功率锅炉反应器试验系统, 通过试验验证了启动剂的性能和快速启动的可行性。

试验结果表明: 1) 金属锂液化试验中, 启动剂释放的热量在4 s内将金属锂加热至400℃以上, 点火压力峰值约为0.3 MPa, 且随后下降至1个大气压以下; 2) 小功率锅炉反应器试验中, 实现了稳定工作约150 s, 出口蒸汽的平均压力为7.12 MPa, 平均温度为570℃, 输出的平均热功率为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

李维维, 马为峰, 韩直亚, 等. 锂/六氟化硫热源启动技术研究[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(6): 674-679.

2021-08-31;

2021-12-18.

李维维(1982-), 男, 硕士, 高级工程师, 主要研究方向为水下金属能源动力技术.

(责任编辑: 许 妍)