ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА АТОМНОГО СУДНА Российский патент 2000 года по МПК B63H21/18 

Изобретение относится к судостроению, преимущественно к энергетическим установкам атомных подводных лодок (ПЛА), плавучих атомных электростанций, атомных кораблей и судов (далее - судов).

Известна ядерная энергетическая установка (ЯЭУ) атомной подводной лодки, содержащая реакторную установку (РУ) водо-водяного типа и источники электроэнергии, включающие в себя турбогенераторы, аварийный дизель-генератор (АДГ) и/или аккумуляторную батарею (АБ) (см. Просалов С.Н., Амитин М.Б. Устройство подводных лодок. - М.: Воениздат, 1973, с. 295, 302).

При нормальной работе известной ЯЭУ аварийный источник электроэнергии (АИЭ) не работает или находится в ждущем режиме, а при аварии ЯЭУ, приводящей к потере работоспособности основных источников электроэнергии, включаются АИЭ и обеспечивается малая скорость судна и электропитание ответственных потребителей.

АДГ - источник длительного действия (время ограничено только запасами топлива) - это его главное достоинство; его принципиальные недостатки: запускается и подключается под нагрузку с задержкой по времени (десятки секунд - минуты), имеет вполне определенную вероятность незапуска или отказа во время работы, то есть имеет сравнительно низкую надежность, характерную для любых динамических преобразователей энергии, а также невозможность применения АДГ при подводном ходе судна.

АБ - высокая надежность, мгновенное подключение под нагрузку (характерные положительные качества статических преобразователей энергии), возможность работы в подводном и надводном положениях судна; недостаток - малая энергоемкость, ограничивающая время ее работы.

Известны схемы ЯЭУ объектов, где в качестве преобразователя тепловой энергии ядерного реактора или изотопного источника используют термоэлектрический генератор (ТЭГ) - прямой статический преобразователь тепловой энергии в электрическую энергию (ЯЭУ-ТЭГ). Такие установки применялись, например, на космических аппаратах (необитаемых, для дальнего космоса) (см. Фаворский О.Н. и др. Основы теории космических электрореактивных двигательных установок. М. , ВШ, 1970, с. 339-362), в морских автономных, необитаемых "буях" (см. Поздняков Б.С., Коптелов Е.А. Термоэлектрическая энергетика. - М.: Атомиздат, 1974, с. 244-249).

Достоинства ЯЭУ-ТЭГ: мгновенность подключения под нагрузку (в прогретом состоянии), высокая надежность с ресурсом не менее 10-15 лет непрерывной работы без обслуживания, стойкость к механическим, циклическим и ударным воздействиям, бесшумность работы, возможность компоновки и работы в герметичном контейнере, как в надводном, так и в подводном положении судна, высокая ремонтопригодность (агрегатная замена контейнера).

Параметрические достоинства ЯЭУ-ТЭГ: по уровням горячих и холодных температур ТЭГ хорошо согласуется с водо-водяными корабельными реакторами и забортной водой, что позволяет отказаться от собственного реактора для ТЭГ вместе с его системами, оборудованием и блоком биологической защиты и использовать для ТЭГ штатную РУ судна и тем самым сократить вес и габариты АИЭ и повысить безопасность судовой ЯЭУ путем использования ТЭГ как дополнительный энергетически автономный канал расхолаживания штатной РУ при возможных аварийных ситуациях на ней.

Главный недостаток применения ТЭГ в составе ЯЭУ судна (типовые значения температур теплоносителей: горячего 250^oC, охлаждающего 40-60^oC) - коэффициент полезного действия (КПД) не более 5-7%. Но, так как предполагается использовать ТЭГ в качестве источника аварийного электроснабжения судна, низкий КПД становится не определяющим критерием в сравнении с возможностью напрямую использовать практически неограниченный запас тепловой энергии (в том числе за счет утилизации тепла при расхолаживании) для целей АИЭ и его превосходными эксплуатационными характеристиками, приведенными выше.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности работы АИЭ в подводном и надводном положениях судна без ограничений по времени, готовности к мгновенному включению на питание электропотребителей, повышение ядерной безопасности судовой ЯЭУ, непрерывной работы без обслуживания не менее 10 - 15 лет, стойкости к механическим, циклическим и ударным воздействиям, компактности, бесшумности, возможности компоновки и работы в герметичном контейнере.

Это достигается тем, что в известную ядерную энергетическую установку судна, преимущественно атомной подводной лодки, содержащую реакторную установку водо-водяного типа и источники электроэнергии, включающие в себя турбогенераторы, аварийный дизель-генератор и/или аккумуляторную батарею, дополнительно включен термоэлектрический генератор, размещенный в герметичном контейнере вне прочного корпуса подводной лодки в заполняемых забортной водой объемах легкого корпуса или внутри прочного корпуса, при этом термоэлектрический генератор имеет два замкнутых теплопередающих контура с рабочей незамерзающей жидкостью в качестве теплоносителя, первый контур, подводящий тепло к "горячим" спаям термоэлектрического генератора, включает в себя теплообменник, подключенный к первому контуру реакторной установки, а второй, отводящий тепло от "холодных" спаев термоэлектрического генератора, включает в себя теплообменник, установленный на магистрали забортной воды.

Кроме того, в энергетической установке теплообменник первого контура термоэлектрического генератора размещен в защитной оболочке реакторной установки.

Кроме того, в энергетической установке теплообменник второго контура термоэлектрического генератора размещен выше последнего, предпочтительно в проницаемом ограждении рубки подводной лодки.

Для предотвращения радиоактивного загрязнения обитаемых помещений судна и каналов ТЭГ, а также загрязнения ТЭГ ингредиентами морской забортной воды применяют разделительные теплообменники и замкнутые промежуточные контуры.

Для экономии электроэнергии на привод насосов и обеспечения бесшумности ЯЭУ в режиме АИЭ в замкнутых контурах, передающих тепловую энергию от реактора к ТЭГ и далее - к охлаждающей забортной воде, создают и поддерживают режим естественной циркуляции теплоносителей.

Для ускорения процессов прогрева теплоносителей и элементов конструкции контуров и ТЭГ и запуска режима естественной циркуляции принудительное движение теплоносителей в контурах на стартовом этапе побуждают штатными циркуляционными насосами РУ (ЦНПК) и дополнительными электронасосами - для контуров ТЭГ, которые после прогрева контуров после выхода АИЭ на стационарный тепловой режим выключают и шунтируют байпасами.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображена энергетическая установка атомной подводной лодки.

Энергетическая установка подводной лодки включает в себя реакторную установку водо-водяного типа с реактором 1 и аварийные источники электроэнергии: аварийный дизель-генератор, аккумуляторную батарею (не показаны) и ТЭГ 9. ТЭГ 9 размещен в герметичном контейнере вне прочного корпуса ПЛА в заполняемых в подводном положении забортной водой объемах 10 легкого корпуса. ТЭГ 9 имеет два замкнутых теплопередающих контура 8 и 11 с рабочей незамерзающей жидкостью в качестве теплоносителя. Реакторный контур ТЭГ включает в себя теплообменник 4, который подъемной магистралью 3 подключен к выходному патрубку 2 реактора 1, а опускной магистралью 5 - к входному патрубку 6 реактора 1.

Теплообменник 4 размещен в верхней части защитной оболочки 7 реакторного отсека, а теплообменник 12 размещен выше ТЭГ 9, предпочтительно в проницаемом ограждении рубки 13 ПЛА. Контур 11 установлен на магистрали 15 забортной воды. Магистраль 15 забортной воды снабжена входными патрубками 14 и 17 и выпускными устройствами 16 и 19. При работе ТЭГ 9 в надводном положении ПЛА входной патрубок 17 магистрали забортной воды находится под ватерлинией, гораздо ниже теплообменника 12, а выпускной патрубок 19 расположен непосредственно над теплообменником 12. Для подачи забортной воды к теплообменнику 12 в этом случае на магистрали забортной воды установлен насос 18. Тракт забортной воды для надводного положения обозначен на чертеже пунктирными линиями.

Для ускорения запуска режима естественной циркуляции в контурах 8 и 11 установлены электронасосы 20 и байпасные клапаны 21, с помощью которых осуществляется принудительная циркуляция. Для подключения теплообменника 4 к первому контуру реактора 1 используются клапаны 23 и 24. Для компенсации замкнутых объемов контуров 8 и 11 при изменении плотности теплоносителей в зависимости от их температуры установлена система 25 компенсации объемов. Для питания потребителей, использующих переменный ток, к ТЭГ 9 подключен статический преобразователь 26 тока. Все агрегаты и магистрали, обеспечивающие работу ТЭГ 9 и расположенные вне прочного корпуса ПЛА, имеют теплоизоляцию и размещены в герметичном контейнере, выдерживающем забортное давление погруженной ПЛА на предельную глубину.

Энергетическая установка работает следующим образом.

При запуске ТЭГ 9 разогрев контуров 8 и 11 производят одновременно с вводом реакторной установки на энергетический режим.

Последовательность действий при запуске АИЭ:
- вводят в действие систему 25 компенсации объемов контуров 8 и 11;
- закрывают байпасные клапаны 21;
- открывают клапаны 23 и 24, соединяющие теплообменник 4 с первым контуром реактора 1;
- включают циркуляционные насосы 18 (для надводного положения) и 20, расположенные внутри прочного корпуса ПЛА.

Начинается процесс разогрева ТЭГ. По оценкам постоянная времени контуров ТЭГ значительно меньше (в 3 - 5 раз), чем допустимые темпы изменения температуры реактора, а потому ТЭГ в процессе запуска будет непрерывно отслеживать температуру теплоносителя реактора. С окончанием вывода реактора на заданный энергетический режим (не менее 2 - 5% от его номинала) ТЭГ будет готов к выдаче электроэнергии потребителям.

Последовательность действий при установлении ждущего и рабочего режимов ТЭГ:
- открывают байпасные клапаны 21;
- выключают циркуляционные насосы 20 и, если ПЛА находится в подводном положении, то и насос 18.

В данном положении АИЭ находится в течение всего времени работы в ждущем режиме и в случае выхода из строя (аварии) основной электроэнергетической системы (ЭЭС) будет готов к мгновенной (без перерыва) выдачи электропитания на выделенную группу ответственных потребителей.

При работе ТЭГ нагретый в реакторе теплоноситель через штатный выходной патрубок 2 поступает в подъемную магистраль 3. Отдав тепло в теплообменнике 4, охлажденный теплоноситель по опускной магистрали 5 через штатный входной патрубок возвращается в реактор 1. Нагретый в теплообменнике 4 теплоноситель контура 8 подводит тепло к "горячим" спаям ТЭГ 9. Теплообменник 12 контуром 11 отводит тепло от "холодных" спаев ТЭГ 9 к забортной воде. При работе ТЭГ 9 в подводном положении ПЛА забортная вода через входной патрубок 14 магистрали 15 забортной воды поступает в теплообменник 12, нагревается и далее поднимается по магистрали 15 и выходит за борт через выпускное отверстие 16, расположенное в верхней части ограждения рубки ПЛА. При работе ТЭГ 9 в надводном положении естественную циркуляцию в магистрали забортной воды реализовать не удается, входное отверстие для этого случая находится под ватерлинией, гораздо ниже теплообменника 12. В этом случае, закрыв кингстон на входном патрубке 14 и открыв кингстон на входном патрубке 17, забортная вода поступает через входной патрубок 17, поднимается насосом 18, использующим энергию ТЭГ 9, и после нагрева в теплообменнике 12 сливается через патрубок 16.

ТЭГ 9, находясь в рабочем положении, при необходимости может выполнять функцию дополнительного канала аварийного расхолаживания реактора 1, повышая тем самым его ядерную безопасность.

Останов АИЭ происходит естественным образом до полного расхолаживания РУ и вывода реактора в подкритическое состояние.

Заключительные операции по останову ТЭГ:
- закрывают клапаны 23 и 24;
- сбрасывают статическое давление подпора теплоносителей в контурах 8 и 11 с помощью системы 25 компенсации объемов;
- останавливают насос 18 и открытием кингстона на входном патрубке 14 сливают забортную воду с тракта забортной воды.

Изобретение относится к судостроению, преимущественно к энергетическим установкам атомных подводных лодок, атомных кораблей и судов, плавучих атомных электростанций. Энергетическая установка атомного судна, преимущественно атомной подводной лодки, содержит реакторную установку водо-водяного типа и источники электроэнергии, включающие в себя турбогенераторы, аварийный дизель-генератор и/или аккумуляторную батарею и термоэлектрический генератор. Термоэлектрический генератор размещен в герметичном контейнере вне прочного корпуса подводной лодки в заполняемых забортной водой объемах легкого корпуса или внутри прочного корпуса. Он имеет два замкнутых теплопередающих контура с рабочей незамерзающей жидкостью в качестве теплоносителя. Первый контур, подводящий тепло к "горячим" спаям термоэлектрического генератора, включает в себя теплообменник, подключенный к первому контуру реакторной установки, а второй, отводящий тепло от "холодных" спаев термоэлектрического генератора, включает в себя теплообменник, установленный на магистрали забортной воды. Обеспечивается возможность работы термоэлектрического генератора в подводном и надводном положении подводной лодки без ограничения по времени, с готовностью к мгновенному включению на электропитание ответственных потребителей, повышения ядерной безопасности корабельной ядерной энергетической установки, непрерывной работы без обслуживания 10-15 лет. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Энергетическая установка атомного судна, преимущественно атомной подводной лодки, содержащая реакторную установку водо-водяного типа и источники электроэнергии, включающие в себя турбогенераторы, аварийный дизель-генератор и/или аккумуляторную батарею, отличающаяся тем, что в ее состав дополнительно включен термоэлектрический генератор, размещенный в герметичном контейнере вне прочного корпуса подводной лодки в заполняемых забортной водой объемах легкого корпуса или внутри прочного корпуса, при этом термоэлектрический генератор имеет два замкнутых теплопередающих контура с рабочей незамерзающей жидкостью в качестве теплоносителя, первый контур, подводящий тепло к "горячим" спаям теплоэлектрического генератора, включает в себя теплообменник, подключенный к первому контуру реакторной установки, а второй, отводящий тепло от "холодных" спаев термоэлектрического генератора, включает в себя теплообменник, установленный на магистрали забортной воды. 2. Энергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что теплообменник первого контура термоэлектрического генератора размещен в защитной оболочке реакторной установки. 3. Энергетическая установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что теплообменник второго контура термоэлектрического генератора размещен выше последнего, предпочтительно в проницаемом ограждении рубки подводной лодки.