常规潜艇AIP系统应用可行性分析.pdf
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1、上海节能SHANGHAIENERGYSAVING常规潜艇AIP系统应用可行性分析No.102023伍赛特上海汽车集团股份有限公司摘要:由潜艇隐蔽性的重要性作为论题引入点,通过介绍核潜艇现有的技术问题,指出了常规潜艇发展不依赖空气推进(AIP)系统的重要性及必要性。重点介绍闭式循环柴油机、斯特林发动机、闭式循环汽轮机、燃料电池的AIP系统,以及小型核动力AIP系统的结构与组成,重点对其应用可行性进行了分析。由于目前核潜艇仍存在着成本较高、结构复杂等问题,因此针对常规潜艇AIP系统的研究与开发工作依然势在必行。关键词:潜艇;闭式循环;柴油机;斯特林发动机;汽轮机;燃料电池DOl:10.13770/
2、ki.issn2095-705x.2023.10.012Feasibility Analysis of AIP System Application in Conven-tional SubmarinesWUSaiteShanghai Automotive Industry Group Co.,Ltd.Abstract:By introducing the present technical problems of nuclear submarines,this paper points out the im-portance and necessity of developing air-i
3、ndependent propulsion(AlP)system for conventional submarines.Itfocuses on the introduction of AiP systems for closed-cycle diesel engines,Stirling engines,closed-cyclesteam turbines,fuel cells,and small nuclear-powered AiP systems,and analyzes their application feasibility.Due to the current problem
4、s of high cost and complex structure of nuclear submarines,the research and devel-opment of AlP systems for conventional submarines is stllimperative:Key words:Submarine;Closed Cycle;Diesel Engine;Stirling Engine;Steam Turbine;Fuel Cell收稿日期:2 0 2 2-12-0 1作者简介:伍赛特(19 9 0-0 2-),男,工学硕士,工程师、经济师,研究方向为内燃机
5、与动力装置节能论坛1488ENERGYSAVINGFORUM上海节能常规潜艇AIP系统应用可行性分析SHANGHAIENERGY SAVING这主要是因为核潜艇结构复杂,并且造价昂贵,使0引言部分中小国家难以承受 1。目前,世界上只有少数潜艇有着较强的水下隐蔽性,以海水为掩护对国家的海军装备有核潜艇。因此,核潜艇的出现并敌方进行攻击是其基本的作战方式。但是,潜艇因不能完全解决常规潜艇所面临的问题。自身能源的限制,无法长时间在水下活动,必须定随着时代的发展,技术也在不断优化。19 9 6期浮出水面为蓄电池充电。潜艇一旦浮出水面,就年,世界上首艘采用AIP系统的常规潜艇一一瑞典会使自身暴露,破坏了
6、其赖以生存的隐蔽性。纵观“哥特兰”号建成服役,标志着常规潜艇的技术水平潜艇的技术发展史,不少潜艇就是因为浮出水面充进入一个新阶段,由此也为常规潜艇的发展指明了电,而遭到了敌方反潜兵力的攻击。方向。“哥特兰”号潜艇配装有2 台V4-275R型斯特在第二次世界大战期间,各国为改善充电问题林发动机,可使潜艇以6 kn的最高航速在水下航对潜艇隐蔽性的影响,采用了多种方案。19 4 2 年,行。如果以该航速持续航行,“哥特兰”号潜艇可在德国首先在潜艇上使用了通气管,潜艇使用通气管水下连续航行达数个星期,且不必上浮水面。后,充电时无需浮出水面,从而能有效增强全艇的继瑞典之后,德国海军研发出了2 12 A级
7、潜隐蔽性。艇。该潜艇配装有燃料电池AIP系统,于19 9 8 年开但通气管的使用并不能彻底解决潜艇的隐蔽工建造,并于2 0 0 3 年建成服役。法国海军也研发问题。随着探测技术的进步,尤其是反潜直升机的出了采用闭式循环汽轮机AIP系统的潜艇,并用于出现,使用通气管的潜艇依然会被敌方反潜兵力发阿戈斯塔9 0 B级潜艇上,并出口至巴基斯坦。除上现。因此,有必要采用其他方案,以进一步提升潜述几个国家外,还有部分国家也在开展AIP系统的艇的隐蔽性。研制,其中有俄罗斯、英国及荷兰等国家。目前,各类AIP系统已由研制阶段向实用阶段1常规潜艇AIP系统的发展简史转变,技术逐渐趋向成熟,部分国家的AIP潜艇已
8、建二战后,为延长潜艇的水下续航力,世界各国成服役,有的正在建造过程中。从这些国家的技术开展了一系列研发工作。对于常规潜艇而言,可将实践表明,AIP系统对减少潜艇通气管航行时间,延不依赖空气的推进(AIP)系统作为其水下动力来长潜艇水下续航力,降低潜艇暴露率具有重要意源。潜艇既不需要上浮至水面进行充电,也不需要义。AIP系统的出现推动了常规潜艇技术的发展。使用通气管充电,可大幅提升潜艇水下续航力,进2常规潜艇AIP系统的类型与功能一步优化全艇的隐蔽性。早在2 0 世纪2 0 年代,德国方面就曾提出过设计方案,将过氧化氢动力装置作为潜艇推进动力。尽管因过氧化氢消耗量过大,该类动力装置并未成功推广,
9、但为潜艇AIP系统的后续发展提供了宝贵的经验。1945年,随着首颗原子弹的成功爆炸,人类步入核能时代,一定程度上也推动了潜艇动力的发展。19 54 年,世界首艘核潜艇“鹦鹉螺”号即告建成。核潜艇的运行不依赖外界空气,因此具有较强的续航力及隐蔽性。但核潜艇的出现并没有完全取代常规潜艇。节能论坛ENERGYSAVINGFORUM自2 0 世纪8 0 年代以来,不少国家海军对潜艇AIP系统的研制给予了较高关注,并相继投入大量的财力和人力 2 ,已经取得了不少成果。其中有的已装备实艇使用,有的正在建造过程中,现对现有AIP系统的作用、类型及其特点进行研究。2.1AIP系统的作用依据能量转换装置的不同,
10、现有已装艇或在研的AIP系统主要可分为闭式循环柴油机AIP系统、斯特林发动机AIP系统、闭式循环汽轮机AIP系统、燃料电池AIP系统、小型核动力AIP系统5大类。2023年第10 期1489SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAIENERGYSAVING尽管世界各国海军对潜艇航行性能和使用的要求不同,但研制AIP系统的目的是一致的,潜艇AIP系统主要有如下特点:1)提高常规潜艇的水下续航力,增强潜艇的水下自持力。2)降低潜艇在巡航区航行时的暴露率,提高潜艇的隐蔽性。3)为潜艇提供足够的水下短时高航速通过以上几点可知,潜艇AIP系统最主要的作用就是减少潜艇对通气管的依
11、赖和需求,以减少在航行过程中被发现的几率。常规潜艇利用艇上的柴油机,并以通气管状态进行水下航行的时间被称为潜艇的暴露时间。常规潜艇利用通气管航行的时间与利用蓄电池进行水下航行时间的比值称为“暴露率”。也就是说AIP最基本的目的是降低常规潜艇的暴露率,或减少潜艇利用通气管航行的时间 3 。2.2AIP系统的总体优势及劣势如2.1中所述,在现代潜艇设计中较成熟的AIP系统主要有闭式循环柴油机、斯特林发动机、闭式循环汽轮机、燃料电池以及小型核动力AIP系统。以上几类AIP系统虽然其原理不同、系统组成不同、性能也有所不同,但是都有一些相同的特点,主要如下。2.2.1隐蔽性较好现有几类AIP系统均能为潜
12、艇提供较好的隐蔽性,主要是由于以上AIP系统所产生的排放物较少并且经过处理,具有无泡、无噪声的特点,使潜艇的航行过程基本处于无迹状态。其次,这些AIP系统机械振动较低,噪声也较低。尤其是燃料电池,基本不会产生噪声,具有较好的静音性。通过采用AIP系统,有助于增强潜艇的隐蔽性,提升全艇作战性能。2.2.2降低潜艇暴露率各类AIP系统虽然工作机理不同,但均有着共No.102023同的出发点,即降低潜艇暴露率。常规潜艇最大的缺陷是对通气管有较高的依赖性,因为潜艇要经常上浮到水面附近来进行充电,为了增加水下航行续航力,并降低潜艇暴露率,就需要尽量延长两次通气管航行之间的时间间隔。通过采用AIP系统,潜
13、艇两次通气管航行之间的间隔时间,已从数小时增加到数日,甚至数个星期。2.2.3对氧的依赖在现有的几类AIP系统中,除了小型核动力AIP系统外,均离不开氧。因此,潜艇水下续航力主要由潜艇的氧储备量决定。为了提高艇上的氧储备量,各种AIP系统均使用液氧,其氧浓度明显高于大气中的气态氧。由于对氧有较高的依赖性,如果无法及时供给足够的氧,AIP系统就难以维持运行。2.2.4功率有待提升除了小型核动力AIP系统之外,其他几类AIP系统面临主要的问题是功率有待提升,这包括水下长时间航行用电,以及艇上生活用电。由于各类AIP系统在能量供给方面存在一定的局限性,因此其通常只能作为常规潜艇的水下辅助动力系统。所
14、谓辅助动力系统是指艇上所装备的AIP系统通常只能用于潜艇低速巡航(2 6 kn)和低负荷工况下的能量需求。当潜艇在水下高速航行时,通常仍需要使用柴电动力推进系统。3常规潜艇AIP系统的技术特点现代常规潜艇AIP系统主要分为以下几类:闭式循环柴油机AIP系统、斯特林发动机AIP系统、闭式循环汽轮机AIP系统、燃料电池AIP系统,以及小型核动力AIP系统。3.1闭式循环柴油机AIP系统(CCD-AIP)闭式循环柴油机AIP系统是以柴油机作为能量转换装置的AIP系统,其可通过控制普通柴油机系统的进气与排气,从而实现相对意义上的闭式循环 4 。节能论坛1490ENERGYSAVINGFORUM上海节能
15、常规潜艇AIP系统应用可行性分析SHANGHAIENERGY SAVING性管接头和电缆接头。3.1.1基本原理2)吸收器。吸收器可用来吸收CO2并经海水溶闭式循环柴油机AIP系统的基本原理是将柴油解,将净化后的废气加入氧和微量Ar再送入燃烧机排出的废气中的CO2和蒸汽提取出来,经冷却后室。吸收器是一类以低速旋转的机械设备。废气进入吸收器,并用海水溶解。随后,在气体中加入经水冷却后,通过分离器后,再进入吸收器。CO2会O2和微量Ar,经闭路循环再进入燃烧室,供柴油机溶于吸收器内的海水中。在充入O2和Ar后,剩余再次使用。的废气会经分离器处理后重新返回柴油机。CO2和蒸汽的处理方法是采用化学清除
16、器,但3)水处理系统。水处理系统可用来向吸收器这必然会影响潜艇的可用容积和总排水量。另外,提供海水,将溶解有CO2的海水从吸收器排入海将这些排放物排出艇外,必须要克服海水的背压,中。水处理系统由带自由浮动活塞的三套水缸组随着潜航深度的增大,海水背压也会相应增加,从成,其中一套水缸与吸收器连接,其余水缸则通向而会加速柴油机功率的消耗。为此,可通过采用增潜艇外。水从吸收器送入低压水缸,把淡水推向加CO2浓度的办法用来适应海水背压的变化。活塞另一侧并进入吸收器,同时向高压水缸内注入柴油机的燃烧过程不会使2 全部耗尽。将海水。由于海水处于流动状态,水处理系统可能会柴油机排气中的2 提取出来并加以利用也
17、是一产生噪声。经测定,该系统噪声源主要有两种:流类可取的方法,但这将使柴油机的热效率有所降体噪声和设备噪声。为了降低水流噪声,在水处理低。此外,CO,和蒸汽的吸收过程也面临着一些系统中并联安装三套控制阀,并对阀的启动和关闭难题。进行控制。N2起着传递热量和维持效率的作用,在柴油机4)控制系统。控制系统可用来对O,和氩的流燃烧过程中,N2会逐渐消耗,从而影响动力系统的量进行控制,以确保AIP系统的正常工作,并可将控热效率。为此,需要在被净化的废气中加入N2,以制系统集成到监控系统数据总线上,以实现自动化确保工作过程的可持续性。除此以外,也可在经净操作。化后的气体中加入微量Ar。A r 是一种惰性
18、气体,不3.2斯特林发动机AIP系统(SE-AIP)受燃烧的影响,它能起到与N2相似的作用。通过加入Ar,可使柴油机的热效率保持恒定。3.1.2系统组成闭式循环柴油机AIP系统主要由高压柴油机、吸收器、水处理系统、控制系统等组成。1)高压柴油机。当普通柴油机以理论上的闭式循环运行时,会对管道的总压力产生限制。通过使用高压柴油机,可提高气体回路内的总压力,从而使柴油机保有较高的效率。高压柴油机面临的主要问题是其噪声较大,必须采取综合降噪和隔声措施来降低水下辐射噪声。除对柴油机结构进行修改以降低声源的噪声级之外,可采用隔声系统。该隔声系统包括一个全封闭的隔声罩、一个双层的弹性橡胶垫安装系统,以及与
19、其他产生系统连接的挠节能论坛ENERGYSAVINGFORUM斯特林发动机AIP系统以斯特林发动机作为能量转换装置,它的基本特点是由外部供热并进行再生循环,是一类利用气体在内部回路中进行高温膨胀和低温压缩的差异来取得有效功的活塞式发动机。3.2.1基本原理斯特林发动机AIP系统是一种采用外部加热的闭式循环发动机。实际上,斯特林发动机与普通的内燃机相似,也借助于压缩和膨胀进行工作。但是,它与内燃式发动机有两个不同之处:一是斯特林发动机的动力活塞在一个闭合的系统中工作,并会采用He等物质作为工质;二是斯特林发动机的热量可通过一个热交换器连续传递到循环中。2023年第10 期1491SHANGHAI
20、 ENERGY SAVING上海节能SHANGHAIENERGYSAVING在位于发动机上方的燃烧室中,O2和柴油燃烧产生的热量传递给工质,工质受热后,体积膨胀并推动活塞运动,拖动发电机发电,并为电机提供电能,以驱动螺旋桨运转。燃烧产生的废气主要包含CO和蒸汽。其中,蒸汽经过冷却后排入海水中,其余的废气通过海水冷却系统,由专门的混合设备将CO2吸收。由于使用了必要的冷却措施,排出的气体温度较低,能使红外辐射降到最低程度。3.2.2系统组成斯特林发动机AIP系统由能源转换系统、控制系统、液氧储存系统及电力系统等主要系统组成。1)能源转换系统。能源转换系统又称水下燃烧系统,即斯特林发电机组,可用于
21、将高温燃气的热能转换成电能。该系统主要有两个特点,一是以可在纯氧环境中燃烧的碳氢化合物(如柴油等)作为燃料;二是燃料需要在高压下进行燃烧。2)控制系统。控制系统采用微机对水下燃烧系统进行远距离监测和操纵,控制系统可对燃烧系统进行控制,对主发动机附属系统进行控制,并对所有的报警系统进行控制。斯特林发动机的输出功率主要由燃料的流量所决定。可以在控制台上由手动方式设定燃料的流量,流入燃烧室的2 量可实现自动调节,以便平衡进入加热器的热量,使加热器保持在7 0 0 的恒温水平上。此外,控制步骤还包括斯特林发动机的启动、停机及功率变化的顺序等。3)液氧储存系统。液氧储存系统可用于储存液氧,以确保发动机燃
22、烧过程的进行。一般情况下,液氧在罐中的储存压力需要与环境压力实现平衡。4)电力系统。电力系统即斯特林发动机AIP系统中的发电机组,可用于输出电能,并通过传输线缆将电能提供给潜艇推进电机。该发电系统配备有励磁控制同步发电机。发电机可与艇上蓄电池实现并联运行,并以预先设定的恒速进行工作,当电负荷发生变化时,将会影响发电机的转速。此时,可通过控制励磁来改变发电机的输出功率,以节能论坛1492ENERGYSAVINGFORUMNo.102023此进行补偿。5)辅助系统。斯特林发动机AIP系统还配备有一些辅助系统,包括冷却系统、空调系统等。3.3闭式循环汽轮机AIP系统(CCST-AIP)闭式循环汽轮机
23、AIP系统又称自主式潜艇动力系统(MESMA),它是一类以汽轮机作为能源转换装置的AIP系统。3.3.1基本原理该动力系统主要分为两个回路,一回路即燃气回路,是产生高温、高压燃气的回路,一回路中高温、高压燃气的热量通过热交换器传递给二回路。二回路即蒸汽回路,内部充满着流动的淡水,通过热量将淡水加热为高温、高压的蒸汽,用以驱动汽轮机,带动发电机发电,再驱动潜艇推进电机转动。3.3.2系统组成该动力系统由两个回路组成,即燃气回路和蒸汽回路。燃气回路包括燃烧室、热交换器和冷却装置等,蒸汽回路包括蒸汽发生器、汽轮机、冷凝器和循环泵等。1)燃烧室。燃烧室是一类用于产生高温、高压的燃气设备。经过加热器加热
24、后,气态氧进入燃烧室与作为热量的乙醇混合燃烧,可产生温度高达700、压力为6 MPa的气体。通过对燃烧生成物的分析表明,燃料的燃烧率可达9 9.7%。2)热交换器。由燃烧室产生的高温、高压燃气被导入热交换器之后,会将热量传给二回路,即蒸汽回路,并在二回路中产生过热蒸汽。3)冷却装置。高温、高压气体经热交换器将热量传递给二回路后,燃气温度降低到约2 0 0。随后,这种燃气被导入冷却装置,由海水冷却;与此同时,也会将热量传给液态氧,使液态氧加热升温,再经过海水冷却,燃气的温度会大幅降低。4)蒸汽发生器。一回路高温、高压燃气传来的热量可将蒸汽发生器管路内的水加热成蒸汽。试验表明,通过采用这种热交换方
25、式,大幅提升了系上海节能常规潜艇AIP系统应用可行性分析SHANGHAIENERGY SAVING统的热效率,热效率可达到9 0%9 5%。原理的逆向过程,使H2和O2这两类元素产生反应,5)汽轮机。汽轮机是一类可将蒸汽能量转换并生成水和电能。成电能的转换装置。该系统使用两级汽轮机,并与3.4.2燃料电池类型交流发电机联结,发电机输出的电能作为潜艇推进电机的动力来源,以供潜艇航行。过热蒸汽通过汽轮机之后便进入冷凝器,在海水冷却后,蒸汽被冷凝成水再被送回蒸汽发生器进行循环。3.4燃料电池AIP系统(FC-AIP)燃料电池AIP系统是以燃料电池为能量转换装置的潜艇AIP系统,它可通过电化学方法,将
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