常规潜艇不依赖空气的推进系统

关键词
1 前言
潜艇由于其隐蔽性好、 攻击力强, 在海战和海 防中都起着重要的、 不可替代的作用。但是由于常 规潜艇必须频繁地处于通气管航态 , 先进的探测技 术正在使常规潜艇的效能日益降低 , 特别是近些年 来, 由于科学技术的进步 , 尤其是卫星、 声纳和红外 等探测技术的不断提高, 对常规潜艇的技术性能指 标提出了更高的要求。要求其具备更长的水下持 续能力 , 尽量减少通气管状态航行的时间和次数 ; 降低潜艇噪声, 而潜艇动力装置的结构噪声是主要 噪声源之一。 因此, 需要一种不依赖空气、 安静、 振动小、 低 红外线辐射的推进系统。安静型、 水下持续力长的 潜艇也是当今世界常规潜艇的发展方向。西方主 要常规潜艇的拥有国都非常重视新型推进动力系 统的研究与开发 , 提出了 混合推进 的新概念 , 并 很快地被人们接受, 成为常规潜艇推进动力的发展 方向[ 1] 。 所谓 混合推进 是指在基本保留现有柴电装 置的前提下, 增加一套新颖的不依赖空气的推进系 统 ( Air Independend Pow er Syst em, 简称 AIP 系 统) , 潜艇在水面和通气管航态工作时, 利用现有的 柴油机组充电、 航行, 在水下状态时除了可应用原 有的蓄电 池推进 外, 还 可以应 用 AIP 系统 航行。 混合推进 动力系统由三部分组成 : 1) 不依赖空气的小功率持续动力源 , 用于逃避 探测的水下巡航状态 ; 2) 大功率铅酸电池组 , 作水下高航速动力 ; 3) 大功率柴油机动力装置 , 在通气管状态下 , 用于蓄电池组再充电及小规模反潜战的长距离高 航速。
武
汉 造
船
No. 3. 1998
图 3 闭式循 环柴油机工作原理图
120 kW 的 柴油发 电机组 , 它 所 储备的燃油、 氧气、 氩 气能提 供 50 000 kW 的能 量, 能使 2 000 t 级的常规潜艇在水下以 7 kn 的航 速航行 17 天。另外, 英国纽卡斯尔大学研制了一 台 ARGO 闭式循环柴油机为动力的潜艇, 水下工 作深度为 450 m, 水下航速 8. 5 mile/ h 。意大利研 制的采用闭式循环柴油机为动力的小型潜艇 , 排水 量为 100 t 左右, 后来发展成 400 t 级 , 其中 100 t 级潜艇可以 5 kn 的水下航速连续航行 66 天。 3. 3 热气机( 斯特林机) 期特林发动机的基本原理不同于一般的内燃 机, 工作原理见图 4。该机是一种外燃机, 将外部 热源产生的热作用于闭式循环系统中的工作气体。 这样, 发动机将外 部热源产生的热 能转化为机械 能, 再将机械能转化为电能。而系统要求的热能是 由燃烧室的高压燃烧提供的。燃烧的热能通过发 动机的加热头传给工作气体, 燃烧产生的废气经过
图1
加装 AIP 系统前后的性能比较
2 AIP 系统介绍
2. 1 AIP 系统类型 AIP 系统一般分为热机系统和电化学系统。
热机 AIP 系统有 : 闭式循环柴油机、 斯特林发 动机、 再循环燃气轮机、 蒸气兰金循环、 有机流体兰 金循环。目前比较成熟的是斯特林发动机和闭式 循环柴油机。 电化学 AIP 系统有 : 铅酸蓄电池、 高能可充电 蓄电池、 碱性燃料电池、 质子交换膜燃料电池、 铝动 力电池。其中质子交换膜燃料电池和碱性燃料电 池是目前比较成熟的电化学 AIP 系统。 2. 2 燃料和氧化剂 不同的 AIP 系统使用不同的 燃料, 但氧 化剂
1998 年第 3 期
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汉 造
船Hale Waihona Puke No. 3. 1998常规潜艇不依赖空气的推进系统
黄国华 张建华 唐 滢 ( 中国船舶工业总公司第 701 研究所)
摘 要 介绍目前世界上几种比较成熟的 A IP 系 统 , 分析其特点、 工作性能以及对常规潜艇的影响。 潜艇 AI P 系统 斯特林发动机 闭式循环柴油机 燃料电 池
多为氧气或过氧化氢。一般的热机 AIP 系统以柴 油为燃料 , 以氧气为氧化剂; 电化学 AIP 系统以氢
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1998 年第 3 期 ( 或铝 ) 为燃料, 以氧气或过氧化氢为氧化剂。
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450 t 级 205 型潜艇上安装 了一套碱 性燃料电 池 ( AFC) 。燃料电池以一个 3. 8 m 长舱段的形式添 加在指挥台围壳的前方。氧气储存在艇体插入分 段的外部。氢气以氢化物的形式储存在两根长 6 m、 直径 0. 25 m 的侧管中。在约 55 天的海上试航 期间 , 该燃料电池总的运行时间为 600 h。 许多国家正在积极开发质子交换膜燃料电池 , 德国、 英国、 加拿大组成的联合体是西方世界中主 要的开发者。已经计划在德国 212 型 1 800 t 级潜 艇上安装一套 PEM 燃料电池。理论上 , 对于 212 型潜艇, 执行水下持续 15 天的任务需要 14 t 液态 氧和 1. 7 t 来自金属氢化物系统的氢气。PEM 燃 料电池的工作原理图如图 2 所示。 3. 2 闭式循环柴油机 闭式循环柴油机 ( CCD) 基本上是应用人工大 气的标准柴油机。人工大气是由 氧气、 惰性 气体 ( 诸如氩、 氮) 与重新循环并经处理的废气混合后形 成的混合气体。惰性气体是保持柴油机工质比热 比基本不变所必需的。 CCD 系统的原理图见图 3。 以闭式循环方式运行时 , 柴油机产生的废气达 到 350~ 400 ! , 压力为 3 ∀ 105 Pa, 废气主要成分为 CO 2 、 氮气、 水蒸气和少量未燃尽的氧气。废气被 喷淋冷却到 80~ 100 ! 之间后 , 被送到一个由旋转 洗涤器组成的吸收系统中 , 在这里 , 废气和海水混 合, 从而除 去其 中的 CO 2 , 这 一工 作 是通 过英 国 CDSS 公司开发的水管理系统( WM S) 来完成的, 吸 收了 CO2 的海水再通过水管理系统排到艇外。由 于 CCD 系统排出艇外的是溶解于海水中的 CO2 , 没有其它不溶于海水的气体 ( 如氧气、 氮气等 ) , 所 以不会造成任何航迹。 闭式循环柴油机在德国、 英国、 意大利及日本 等国发展很快, 一些关键技术已取得突破性进展 , 并装艇使用。经过试用表明, 闭式循环柴油机, 虽 然机械噪声稍高, 最大航速也稍有下降, 但它的水 下续航力比使用燃料电池还是要长, 特别是成本大 大降低。例如德国 BMG 公司一直从事建造用于 研究和探测的潜艇即海马 # 型 , 并在此基础上改 型设计, 又建造了海马 KD 型潜艇, 该艇水下工作 深度为 310 m, 输出功率为 100 kW( 1 500 r/ m in) 。 潜艇在水面、 水下航行时 , 柴油机的运行可相互切
收稿日期 : 1998 01 06
由于应用 AIP 系统, 可使 潜艇水下持续 力大 为增加 , 暴露率大为降低 , 增加了隐蔽性。结合其 他技术的改进 , 可望发展成 安静型 常规动 力潜 艇。加装 AIP 系 统前 后, 潜艇的 排水 量、 最大 航 速、 水下续航力和暴露率对比如图 1 所示。
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结束语
常规潜艇加装 AIP 系统是发展趋势, 西方许多
国家竞相研究 AIP 系统就说明了这一点。由于各个 国家的潜艇活动区域不同, 技术水平、 拥有的产品专 利各异, 对常规潜艇的需求也不一样, 因此形成了世界上常规潜艇 AIP 系统 百花齐放的局面 , 但随着时间的推移以 及对 AIP 系统的深入研究, 现在形势比 较明朗, 在众多的 AIP 系统中斯特林发 动机、 闭式循环柴油机和燃料电池三种 AIP 系统脱颖而出, 均已达到了实用的 阶段, 取得了预期的效果。 常规潜艇采用 AIP 系 统, 极大 地 提高了潜艇的水下 续航力 , 吸收了 常 规动力潜艇和核动 力潜艇 的长处, 必 将对常规潜艇的发展带来革命性的影 响, 可以预料 , 加装 AIP 系统必 将是 21 世纪 常规 动力潜艇的标志性技术。
不同的燃料有不同的能量储存密度 , 根据燃料 和氧化合的比例和所储存的氧化剂而具有不同的 能量值。 潜艇所处的环境特殊 , 对柴油的储存没有特别 的要求, 而氢和氧的储存则要注意许多问题。目前 潜艇的氧化剂都是以液氧的方式储存在绝热的液 氧储罐中, 气化后供给 AIP 系统使用 , 因此潜艇所 携带的液氧量就决定了潜艇的水下续航力。 氢气储存和运输都不方便 , 因此现在用于电化 学 AIP 系统的氢一般从金属氢化物或甲醇重整而 获得, 但会造成整个系统重量增加, 而且分解成氢 气过程中需要消耗一定的能量。对于大的续航力 , 最紧凑、 具有中性浮力的氢供应系统实际上是甲醇 重整系统 , 需要一定的能量、 水催化剂, 并会产生 CO2 等气体。
为了控制柴油加压力燃烧中使用纯氧产生 4 000 ! 的绝热火焰温度 , 使用了废气再循环 , 使火 焰温度降低到 2 000 ! 可接受的水平。微处理机监 测发动机的基本工况和过程变化。 从潜艇热气机 AIP 系统排出的燃烧产物温度 是很低的 , 这样红外幅射量很小。与往复式内燃机 比较。斯特林循环能保证扭矩周期变化小和噪声、 振动级很低。因此斯特林发动机的热辐射量很低 , 这对军用是很重要的。从燃烧系统释放出来的排 气仅含有燃烧产物, 而不含稀释剂 , 因此这些燃烧 产物流量小, 能排出艇外。
3 几种实用的 AIP 系统
3. 1 燃料电池 燃料电池能在很低的温度下实现能量转换、 不
需要中间机械、 可直接产生直流电, 它突出的优点 是效率高、 噪声小。其效率在满负载时高达 60% , 在部分负载时可达到 70% 或更多。 可以用于 潜艇推进的燃料 电池有几 种类型。 最 受欢 迎 的 燃 料 电 池 是 质 子 交 换 膜 燃 料电 池 ( PEM) 和碱性燃料电池 ( AF C) 。
参 考 文 献 1 黄国华 . 未 来常 规潜 艇动 力装 置探 讨 . 船舶 工程 研 究 , 1993. 4
图4
斯特林发动机工作原理图
一定处理后在 200 m 水深以内可以排到艇外 ( 2 ∀ 106 P a) , 即不使用排气压缩机可在 200 m 以内潜 航。燃烧产物为易溶于周围海水的二氧化碳 , 对于 较大的工作深潜, 比方说 600 m, 则通过增加压比 为 3: 1 的排气压缩机即可实现 , 因此机械功率消耗 较低。 46