中国AIP潜艇的动力源泉详细解读斯特林发动机系统

众所周知,根据动力系统的不同,潜艇通常分为核动力潜艇和常规动力潜艇。核潜艇采用核能作为主要的动力来源,做到了不依赖大气而能在水下进行长时间活动,因此发展比较迅速,受到一些国家的推崇,比如美国海军装备的全部都是核动力潜艇。但是核潜艇由于技术复杂、造价昂贵、吨位受限等原因,并不能完全取代常规动力潜艇。常规动力潜艇具有吨位较小、适航性好、机动灵活、价格便宜等优点,因此仍然被很多国家所使用。常规动力潜艇一般在水面或通气管状态航行时采用柴油机推进,在潜航时采用蓄电池作为动力来源,必须要经常浮到水面利用柴油发电机组对蓄电池进行充电,所以常规潜艇无法做到长时期潜航。经过不断研究,可应用在常规潜艇上的不依赖空气推进系统(AIP)应运而生。

不依赖空气推进系统(AIP)的英文全称是“Air Independent Propulsion”,是指潜艇在水下不依赖外界的空气也能提供推进动力和其他动力的能源系统。AIP系统主要利用自身携带的氧气,为热机或电化学发电装置提供燃烧条件,完成能量转换,提供水下航行所需的推进动力。AIP技术的应用,能够使常规潜艇的潜航时间由几天增加到几周,提高了它的隐蔽能力和水下续航能力。目前世界上比较成熟而且进入应用阶段的AIP技术主要分为三大类,分别是热机系统、电化学系统和小堆系统(核动力AIP系统)。其中热机系统包括斯特林发动机、闭式循环柴油机、闭式循环涡轮机等形式,电化学系统主要是以燃料电池为主要形式,小堆系统是基于低功率核动力装置的动力系统。中国海军的039A/B型AIP潜艇,采用的是斯特林发动机系统。那么,斯特林发动机有什么特点呢?下面就为大家详细解读一下斯特林发动机系统。

斯特林发动机AIP系统简称SE/AIP,主要是由斯特林发动机、发电机、液氧系统、供油系统、冷却系统、工质系统和控制系统等组成。SE/AIP系统的工作过程是:在燃烧室内,氧气和燃油持续燃烧,燃烧的火焰将加热器加热,由加热器把热能不断地传递给流经其内部的工作介质,介质吸收热量膨胀做功,推动活塞运动,再通过曲柄、连杆机构变往复运动为旋转运动,使曲轴旋转并输出功率。瑞典是最早将斯特林发动机技术应用到常规潜艇上的国家,1996年服役的A-19级潜艇的第一艘“哥特兰”号,是世界上第一艘实用型AIP潜艇。“哥特兰”号潜艇搭载了两台MTU柴油发电机,一组主推进电机和两组蓄电池组成的主动力系统;辅助动力系统是两台MK2(V4-275R)斯特林发动机,额定功率65kw,最大功率75kw。两者共同构成了独特的闭式循环混合动力系统。

斯特林发动机AIP系统的核心是斯特林发动机,是一种外部加热闭式循环活塞式发动机。19世纪初,英国苏格兰牧师罗伯特·斯特林发明了热气机,后来被称为斯特林发动机。热气机由加热器、冷却器、回热器等组成,使工质在高温下膨胀做功,在较低温度下压缩,膨胀结束后的工质不排至外界而是被循环使用。通过密封在回路中的炽热气体周期性地膨胀压缩,热气机将热能转化为机械功。斯特林发动机的理想循环是斯特林循环。斯特林发动机的主要结构特点是具有两个温度不同而容积作周期性变化的腔室,并用热换器把这两个腔室联结起来。从本质上看,斯特林发动机就是一个由冷腔室、冷却器、回热器、加热器和热腔室所组成的闭式循环系统。斯特林发动机主要有三种类型:单作用式热气机、配气活塞式热气机、双作用式热气机,配气活塞式热气机又分为单缸配气活塞式热气机和双缸配气活塞式热气机。

以单作用式热气机为例,其工作原理是:在一个气缸中装有两个对置活塞,在两个活塞间安装加热器、回热器和冷却器。回热器填充了载热体,回热器和活塞之间形成两个空间,靠加热器一侧为热腔室,靠冷却器一侧为冷腔室,在回热器的两端存在一个温度梯度差。循环开始时,首先是定温压缩过程,热活塞在內止点保持不动,冷活塞向內止点运动,工作腔容积逐渐变小,工质被压缩,压力也随之逐渐增加。其次是定容吸热过程,两个活塞同时运动,冷活塞继续向内止点运动,而热活塞则离开內止点,待冷活塞到达內止点时,两活塞之间的工作腔容积保持不变,工质通过回热器从冷腔室转移到热腔室,工质流经回热器时从其中的载热体中获得热量,实现了定容加热。在定温膨胀过程中,冷活塞停留在內止点不动并紧靠冷却器,热活塞继续朝远离换热器的方向运动,一直到达外止点。最后是定容冷却过程,两活塞同时运动,热活塞从外止点到內止点,冷活塞从內止点到外止点,整个循环结束。

斯特林发动机装置的主要组成部分是:外部供热系统或燃烧系统、闭式循环系统(热能转换系统)、动力传动系统、调节控制系统(负荷调控)、辅助设备系统。其中闭式循环系统是斯特林发动机的核心,外部供热系统和调节控制系统也十分重要。斯特林发动机的工作过程是:空气由鼓风机送入空气预热器,将燃烧所需要的空气预热后送入燃烧室,与燃油喷雾器喷出的细小油粒混合后进行燃烧,从而产生高温气体。高温燃烧气体流经加热器管组,在很大的温度梯度下对加热器管内的工质进行加热。从加热器管组流出的燃气进入空气预热器,对参与燃烧的空气进行预热后,从预热器流出排到外界。工质通过加热器从高温燃气中获得热能,使工质在膨胀腔(热腔)中进行膨胀做功。在压缩过程中,工质的压缩热由工质冷却器导至冷却介质。循环功由动力传动系统输出。

下面简要介绍一下斯特林发动机的各个系统。外部供热系统主要是给闭式循环系统提供热源,常见的是各种油料。以柴油作为燃料的外部燃烧系统,主要组件包括燃烧空气鼓风机、空气预热器、燃烧器组、燃油泵、燃油与空气的调控装置等。闭式循环系统是斯特林发动机的主要组成部分,其作用是将工质密封在回路中,使工质在较低的温度和压力下压缩,在较高的温度和压力下膨胀,将工质能量转化为机械功。闭式循环系统主要由气缸体、加热器、回热器、冷却器、活塞组和密封装置等组成。动力传动系统能够使活塞按照一定的规律运动,还负责将活塞的机械功输出。常见的动力传动系统包括菱形传动机构、曲柄连杆机构和斜盘传动机构。斯特林发动机的调节控制系统分为燃烧控制和功率控制两部分,前者是使热气机在整个负载范围内保持最高的效率和稳定的燃烧,后者主要负责调控热气机的功率。

常规潜艇搭载的斯特林发动机AIP系统,使用液态氧和柴油在加压燃烧室进行燃烧,产生的热能持续供给加热循环系统,推动气缸中的活塞运动,使热能转换成机械能,再由发电机组转换成直流电。斯特林发动机可在潜艇水下续航状态下工作,与蓄电池并联,向推进电机、辅助电机及其他设备供电。与普通的柴油机相比,斯特林发动机的运转平稳、振动小、噪音低,工作噪音比柴油机小40分贝,空气噪音降低20分贝。为了使发动机废气能够在不压缩的情况下排出潜艇,燃烧室的压力必须要高于海水的压力。将废气与集成在斯特林发动机模块中的废气冷却系统中的冷却水混合,温度从800摄氏度降低至25摄氏度,和周围的海水接近,还不会产生气泡,然后通过散热片顶部排出。这样的处理方式不但解决了发动机废气的排出问题,还降低了污染,不会留下潜艇航迹,降低了被发现的几率。斯特林发动机系统的造价要低于电化学发电机,使用寿命可达80000小时,是电化学发电机的12倍。此外,采用斯特林发动机系统的潜艇的水下续航时间更长一些,比如瑞典“哥特兰”号可不间断水下航行20昼夜。

由于斯特林发动机本身的功率密度较低,所以造成整个斯特林发动机AIP系统的功率也比较小。如果要增加功率的话,就要多安装发动机,但这会影响到潜艇的结构布局,增大投入。所以,斯特林发动机系统的外燃式发动机的瞬间提速或减速能力较差。另外,斯特林发动机的油耗也比较大,要高于普通柴油机。采用斯特林发动机系统的潜艇,虽然水下续航时间要大于老式的柴油潜艇,但是和核潜艇相比,仍存在很大差距。而且斯特林发动机并不能为潜艇提供足够充沛的动力,使潜艇保持较高航速,目前AIP潜艇的最大航速仍无法赶上核动力潜艇。在吨位和武器系统等方面,采用斯特林发动机系统的AIP潜艇也远不如核潜艇。此外,斯特林发动机对材料、结构和装配精度的要求很高,造成整个AIP系统的成本较高。目前斯特林发动机系统仍存在很多的不足,需要进一步的改进和完善。

自从瑞典在第一艘AIP潜艇“哥特兰”号上使用斯特林发动机系统之后,该系统逐渐发展开来,成为很多国家常规潜艇的选择。“哥特兰”号上搭载的V4-275R Mk2型斯特林发动机,也成为一款热门装备。除了在3艘A-19级潜艇上使用斯特林发动机系统外,瑞典还对2艘A-17级潜艇进行了升级,换装了经过改进的V4-275R型斯特林发动机。瑞典还推出了V4-275R Mk2型斯特林发动机的后续版本Mk3型,主要改进包括发动机效率、输出功率、下潜深度、隐身性能等方面,并将其应用到了正在建造的A26型常规潜艇上。A26型潜艇项目在新世纪之后正式提出,2015年6月签署的合同显示,瑞典投入80多亿瑞典克朗为海军建造2艘AIP潜艇,搭载Mk3型斯特林发动机系统,预计将于2022年和2024年交付。2019年初,瑞典将2艘A26型潜艇分别命名为“布莱金厄”号和“斯科讷”号,交付时间分别推迟到了2024年和2025年。

日本很早就关注AIP潜艇的发展,经过多方比较之后,在多种AIP系统中选择了瑞典的斯特林发动机作为其新型AIP潜艇的动力装置。早在1990年代,日本就从瑞典购买了多台斯特林发动机,开始了对AIP技术的研究。2000年12月,日本在“亲潮”级潜艇“朝潮”号上安装了斯特林发动机,并且进行了一系列的测试。“朝潮”号在居住舱和主机舱之间加装了一个AIP舱段,将斯特林发动机嵌入其中,另外还安装了液氧储存罐等辅助设备。2005年7月,日本从瑞典引进了最新的斯特林发动机技术,并获取授权在国内生产Mk3型斯特林发动机。日本将斯特林发动机应用在了“苍龙”级潜艇上,首艘“苍龙”号于2007年下水,2009年服役。“苍龙”级潜艇采用单轴柴电加AIP推进方式,搭载两台12V25S柴油机、两台交流发电机、一台推进电动机和四台斯特林发动机。斯特林发动机系统的应用,使“苍龙”级成为全世界最先进的AIP常规潜艇之一。

除了斯特林发动机系统外,其他类型的AIP系统也在不断向前发展。德国在燃料电池AIP系统方面进行了多年的研究,早在1980年就研制了第一代潜艇燃料电池装置,采用质子交换膜燃料电池,后来又研制出了单块功率达34kw的质子交换膜燃料电池。此后德国将燃料电池技术批量应用到了常规动力潜艇上,建造了全世界第一艘装有燃料电池AIP系统的212A级潜艇。该级潜艇的首艘U-31号安装了9组PEM燃料电池模块,AIP功率超过300kw。在此基础上,德国又建造了214型潜艇,装备了两组BZM120型质子交换膜燃料电池系统模块,输出功率240kw。214型潜艇采用了第二代低速永磁电机,噪音更低,效率更高。214型潜艇的水下续航时间可达三周,在通气管状态6节航速时的续航力高达12000海里,续航时间长达12周,显示了燃料电池AIP系统的极大优势。

近年来,随着潜艇用锂电子技术的不断进步,越来越多的国家开始进行这方面的研究。早在1990年代德国就开展了潜艇用锂离子电池动力系统的研制,2010年后在“行星太阳”号上测试了大型锂离子电池动力系统。德国新一代AIP潜艇216型用锂离子电池取代了此前的铅酸电池,可在潜航状态下保持约四周,超过了214型潜艇。此外法国研制了潜艇用VL45E型锂离子电池,日本也在最新的“苍龙”级潜艇上安装了锂离子电池模块,还有多个国家推出了潜艇用锂离子电池项目。相比此前的燃料电池,锂离子电池具有单电池电压高、电池容量大、自放电能力低、使用寿命长等优点。潜艇用锂离子电池模块的应用,能够增强AIP潜艇的续航力和机动性,减少了上浮充电频率,提高了隐蔽性。所以,以锂离子电池为代表的燃料电池系统是未来AIP潜艇的一个重要发展方向。

和燃料电池AIP系统等相比,斯特林发动机系统仍具有很多优势,有着良好的发展前景。斯特林发动机气缸中没有燃爆过程,不需气体分配阀门机构,工质流动过程平稳,噪音很低,有利于潜艇的隐身。斯特林发动机的效率要高于大部分潜艇用动力装置,还可以使用多种燃料,除了柴油,瑞典还尝试用天然气当作斯特林发动机的燃料。和燃料电池系统相比,斯特林发动机的使用寿命也要更长一些。而且,采用斯特林发动机系统的AIP潜艇的潜航时间也更长,可以达到30~45昼夜。因此综合分析的话,斯特林发动机系统仍是潜艇AIP装置的热门选择之一,在未来仍有长足的发展空间。

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