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【转载】常规潜艇不依赖空气的动力装置AIP之热机类  

2012-12-20 10:20:45|  分类: 【╰☆Military】 |  标签: |举报 |字号 订阅

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常规潜艇不依赖空气的动力装置AIP之热机类

英文名称;Air Independent Plant for Conventional Submarine(AIP)

技术类别:船用特种动力;动力推进;

常规潜艇不依赖空气的动力装置AIP之热机类 - yofuze - 现在进行事 的博客

苍龙级潜艇使用了瑞典考库姆的斯特林热气机技术

[定义]

   不依赖空气的动力装置是指潜艇在水下不需要外界空气而依靠艇内所带的能量物质提供推进的动力装置,简称AIP系统。现在核潜艇的动力装置虽然是真正的不依赖空气的推进装置,但不在目前所称的常规潜艇不依赖空气动力装置的讨论范围之列。目前出现的各种常规潜艇AIP系统不是作为主推进的动力使用,而是在常规潜艇保留原有的柴油机电力推进系统的前提下,加装一套新型的AIP系统,作为其水下低速航行的动力,以达到增加常规潜艇低速潜航的能力、减少暴露率的目的。

  常规潜艇AIP系统主要由液氧等能量储存供给系统,能量转换装置、废气物排放处理系统、辅助系统、隔振装置和控制系统等组成。

  目前研制的AIP系统依能量转换装置的不同有多种形式,主要有斯特林发动机、闭循环柴油机、闭循环汽轮机、燃料电池和小型核动力装置。

 

[相关技术]

    液氧贮存技术;燃料处理技术;降噪技术;材料技术;密封技术

[技术难点]

   不依赖空气的动力装置能否在潜艇上使用主要取决于潜艇要求的技术性能。因此,其技术难点也表现在满足潜艇的这些技术要求上。这些技术要求主要是尺寸重量、对潜艇尺度的影响、振动、噪音、红外等特性信号、下潜深度,以及对潜艇性能的影响等。除此之外,所有不依赖空气的动力装置,除小型核动力装置外,在艇上使用时都需要解决液氧在艇上储存的安全问题,对燃料电池还需解决好氢气产生和安全问题。目前所有上述不依赖空气的动力装置,其单机功率均较小,只能满足水下低速航行的需要。提高单机功率,在比较经济的条件下解决好潜艇的潜航是AIP系统今后要解决的重要课题。

[国外概况]

  不依赖空气的动力装置(AIP)一般有热机类和电化学系统类多种类型。但当前研究得最多、且最容易在常规潜艇上使用的大概只有5种,即:

  (1)、斯特林发动机;

  (2)、闭循环柴油机(又称再循环柴油机);

  (3)、闭循环汽轮机;

  (4)、燃料电池;

  (5)、小型核动力装置。

   斯特林发动机又称热气机,它的基本特点是由外部供热并进行再生循环。它是一种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。斯特林发动机的原型诞生于1845年,但其后由于内燃机的迅速发展,以及斯特林发动机自身效率过低等原因,因此,长期未能得到发展。直到本世纪六、七十年代,世界上一些国家(美国、瑞典、联邦德国和日本)才开始逐渐恢复其研制。

中、日、韩新型潜艇的AIP动力形式差异 - 小马 - LostAngel的潜艇博客中、日、韩新型潜艇的AIP动力形式差异 - 小马 - LostAngel的潜艇博客

   斯特林热气机原理图                                                       斯特林热气机工作图

   德国MTU公司曾经完成了用于潜艇的斯特林发动机的设计,功率210千瓦,以六氟化硫(SF6)作氧化剂,以金属锂作燃料。

   通用汽车公司以此为基础制造出一台用于潜艇的外形尺寸为6×2.5×3.0米的斯特林发动机样机,进行了长达100小时的运行试验。传动机构为菱形结构,功率75千瓦,工作气体(氮或氩)的压力为11兆帕,转速1500转/分。

   英国也进行了斯特林发动机的研制,制定了对其部分零件进行试验的研制计划。

   瑞典考库姆公司1968年从荷兰菲利普公司取得了研制斯特林发动机的许可证,开始了斯特林发动机的研制,并取得了重大进展,先后研制出可用于潜艇和水下实验装置的多种型号的斯特林发动机,即:

  (1)、功率为65-100千瓦的、用于潜艇的4-275型斯特林发动机;

  (2)、功率为25千瓦的、用于水下实验装置的4-95型斯特林发动机;

  (3)、功率为4-7千瓦的、用于水下实验装置和潜水作业的V-160型斯特林发动

机;

  (4)带有燃料罐和氧化剂罐用于水下设施和水下实验装置、功率为200千瓦的模块化斯特林发动机。

   1983年,考库姆公司成功地研制出功率为75千瓦的潜艇用斯特林发动机,并在实验室内进行了运行试验。1985年以后,又相继研制成功几种型号的潜艇用斯特林发动机并在浮动试验平台上进行了运行试验和性能鉴定。1987年,考库姆公司为法国"萨加"号商用潜艇制造了V4-275-1型斯特林发动机,并装于该艇使用。1988年,又将两台V4-275R型斯特林发动机装在瑞典海军排水量为1000吨的"水怪"号潜艇上,并进行了海上试验。试验持续了近一年,使用斯特林发动机航行共约5000小时。其后瑞典海军决定将斯特林发动机装在新造的3艘"哥得兰"级潜艇上。

目前,3艘装备斯特林发动机的"哥得兰"级潜艇均已入役。"哥得兰"级潜艇是世界上第一级在最初设计时就装备斯特林发动机的潜艇。

  目前,在实用的斯特林发动机主要有两型,两者均为考库姆公司研制:

(1)、V4-275R型斯特林发动机。此机有4个气缸,V型布置,有环状蓄热器和冷却器。每个气缸工作容积275 立方厘米。工作气体为氢或氦。当使用氢作工质时,持续功率85千瓦,转速2000转/分,氧耗量820 克/千瓦小时;当使用氦作工质时,持续功率65千瓦,转速2000转/分,氧耗量950克/千瓦小时。V4-275R型斯特林发动机重75公斤,外形尺寸为0.8×0.8×1.4米,主要用于1000-2500吨的潜艇。

   (2)、4-95S型斯特林发动机。此机有4个气缸,每缸工作容积95立方厘米,两根曲轴。工作气体为氢和氦。当以氢为工质时,持续功率10-25千瓦,转速1800转/分,耗氧量900克/千瓦小时;当以氦为工质时,持续功率10-20千瓦,转速1800 转/分,耗氧量1050 克/千瓦小时 。4-95S型斯特林发动机重350 公斤 ,外形尺寸为0.9×0.7×0.7米。主要用于水下实验装置。

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      瑞典装备与哥特兰级的V4-275R MKII式热气机

常规潜艇不依赖空气的动力装置AIP之热机类 - yofuze - 现在进行事 的博客

 最新的V4-275R MKIII型热气机  

使用斯特林发动机的下一级潜艇可能是瑞典海军的2000型潜艇。此级潜艇的排水量与"哥得兰"级相当,其中一种采用斯特林发动机的方案是全部采用斯特林发动机推进,艇上不再装备柴油机和蓄电池,即不再采用"哥得兰"级潜艇的混合推进方式。

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                                      装备在哥特兰级上的斯特林热气机AIP模块

日本防卫厅技术研究本部也积极开展潜艇用斯特林发动机的研制工作。1991年,日本采购了考库姆公司的V4-275R-Ⅱ型斯特林发动机,其后川崎重工又与考库姆公司合作完成了斯特林发动机的试验。日本对潜艇用斯特林发动机的要求是1997年达到装艇实用,并届时将其装入新型的2700吨潜艇。新型2700吨潜艇如装4台斯特林发动机,则可获得300千瓦的推进功率,将比目前在役的"春潮"级潜艇的水下活动时间增加5-7倍。

  闭循环柴油机用于潜艇的想法早在50多年前就已出现。1940年,德国的斯图加特大学在实验室中先后研制出一台53HP和一台1400HP的闭循环柴油机。战争阻止了装艇计划的实施。

第二次世界大战后,苏联、英、美取得了德国研制潜艇用闭循环柴油机的资料,先后投入很大力量建造闭循环柴油机的潜艇,后来都由于核动力潜艇的研制成功而中断。

  至80年代,人们逐渐认识到常规潜艇与核动力潜艇相比,具有小而灵活、造价便宜等优点,因而一些国家仍然重视常规潜艇的研制和建造。潜艇用闭循环柴油机的研究因此又重新热了起来。

1982年,英国纽卡斯尔大学重新开展了闭循环柴油机的研究,建造了一台功率为25千瓦的闭循环柴油机。1984-1987年期间,德国蒂森公司北海船厂建造了模拟潜艇舱段的闭循环柴油机试验台。闭循环柴油机使用奔驰柴油机,输出功率在1800转/分时为150千瓦。试验持续进行了250小时,模拟的下潜深度为430米。

 1989年,该公司又建成了第二代闭循环柴油机装置,采用奔驰公司更大功率的柴油机,功率为500千瓦。模拟的下潜深度为500米。试验一直进行到1991年。

  1992年9月,蒂森公司北海船厂又将由MTU柴油机、吸收器和海水管理系统组成的闭循环柴油机装在U-1潜艇上,于1993年2-4月在波罗的海进行了广泛的海试,试验取得了成功。目前,蒂森公司继续致力于闭循环柴油机的发展工作,提出将闭循环柴油机用于改装209级潜艇和阿根廷的TR-1700型潜艇。

   德国布鲁克海洋技术公司与曼恩公司合作,在1982年研制成一种添加氧和氩的闭循环柴油机用于民用潜水器。1989年,装有闭循环柴油机的"海马-KD"潜水器成功地进行了试航。此潜水器排水量为50吨,可载4人,水下航速5节。柴油机为曼恩公司的6缸D2566E,输出功率在1500 转/分 转速时为118千瓦,在1800转/分时为144千瓦,油耗218-220克/千瓦小时,氧耗950 克/千瓦小时 。

  苏联也是开展闭循环柴油机比较早的国家之一。早在第二次世界大战前就开始了闭循环柴油机的研究。第二次世界大战后,苏联利用从德国获取的闭循环柴油机技术,结合本国的经验,设计了采用闭循环柴油机的615型潜艇(也称Q 级潜艇)。

此型潜艇的首艇于1952年建成。正常排水量400吨,下潜深度140米。使用两台功率各为700HP的M-50n型闭循环柴油机。M-50n以液氧为氧化剂,以氢氧化钙为二氧化碳吸收剂。

  在615型潜艇的基础上,苏联还设计了637型用闭循环柴油机的小型潜艇,但1958年由于苏联建成了第一艘核潜艇,因此,637型潜艇后来就停止了。

到60年代,苏联以闭循环柴油机为动力装置的潜艇研究工作全部停止。到70年代,所有约30艘615型(含改进型A615)潜艇都退役。

   英国是第二次世界大战后最早研制闭循环柴油机的国家之一。1957年,英国研制采用过氧化氢为氧源的150千瓦半闭循环柴油机系统,但当时未获成功。

   80年代初,英国重新开始了闭循环柴油机的研制。英国纽卡斯尔大学先后研制出以氩和氮为工质的闭循环柴油机,采用氢氧化钾溶液吸收排气中的二氧化碳。

1982年,纽卡斯尔大学建成了一台功率为25千瓦的、采用海水管理系统吸收和排除二氧化碳的闭循环柴油机。海水管理系统由卡尔顿深海系统公司研制。

   此后,英国建造了用闭循环柴油机的IM-135型潜水器。此器排水量80吨,1993年进行了海上试验。

   英国也对新型的"支持者"级潜艇(排水量2400吨)进行了采用闭循环柴油机的方案设计。

  荷兰也是在80年代积极参与闭循环柴油机研制的国家。1986年,荷兰鹿特丹干船坞公司建成了功率为150千瓦的闭循环柴油机试验台。柴油机采用德国奔驰公司的OM422型柴油机。此后,荷兰又建成了功率为450千瓦的闭循环柴油机试验台,并进行了试验。

荷兰正在研制一种名为"增大潜艇续航力的动力装置(SPECTRE)"的功率为600千瓦的闭循环柴油机系统(由两台300千瓦柴油机组成),准备装备排水量为1800吨的"海鳝"级潜艇。

   意大利马利塔利亚公司二十多年来一直从事闭循环柴油机的研究。1978年和1982年,他们先后研制出两艘完全由闭循环柴油机推进的小型潜艇,排水量分别为120吨和80吨。两艘潜艇的闭循环柴油机的贮氧均采用在两层艇体之间加装盘绕的螺旋形钢管贮氧设计,贮氧压力为280巴。

   意大利泛安科纳公司研制了采用闭循环柴油机的S-300CC型潜艇。闭循环柴油机采用4台170千瓦的柴油机。贮氧也用了两层艇体间装盘绕螺旋钢管方式。

   意大利Sub-Sea Oil Service公司建造了3艘装有闭循环柴油机的小型潜艇。有两艘艇的闭循环柴油机的功率各为420HP。贮氧也用盘绕螺旋钢管方式。

  日本日立造船公司从70年代开始研究半闭循环和闭循环柴油机系统。1975年建成了HIRUP-30E型闭循环柴油发电机组,输出功率16千瓦,由于采用高压压缩气态氧,装置的性能指标欠先进。

日本三井公司建成了一台300千瓦的闭循环柴油机陆上试验装置。吸收二氧化碳采用Alkanolamine(商标)。三井公司还研制出一型水下机器人R1用的闭循环柴油机系统,并进行了水下试验,柴油机功率5千瓦,可使R1连续工作24小时。

   闭循环汽轮机以法国舰艇建造局研制的最为成熟。法国称此种装置为潜艇自主式能源系统(MESMA)。

   法国自1988年以来,一直使用400千瓦燃烧室试验平台和10千瓦的汽轮机进行闭循环汽轮机的试验。1992年1月,法国舰艇建造局的安德莱研究试验中心开始设计全尺寸的闭循环汽轮机系统,并计划于1996年将该系统安装在一个独立的潜艇舱段中进行试验。法国目前还在开发功率为600千瓦的闭循环汽轮机,并计划将功率进一步提高到1300千瓦。首艘使用这种能源装置的潜艇将是巴基斯坦海军的“汉扎”号潜艇,目前正在法国“阿戈斯塔90B”型潜艇基础上根据许可在卡拉奇造船厂建造。巴基斯坦最初的首批两艘“阿戈斯塔90B”型潜艇使用的是常规柴电能源装置,根据计划,今后将为这两艘潜艇装配辅助性汽轮机能源装置,从而提高使潜艇自持力提高2-4倍。

常规潜艇不依赖空气的动力装置AIP之热机类 - yofuze - 现在进行事 的博客

 

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 “阿戈斯塔90B”型潜艇

[影响]

常规潜艇采用不依赖空气的动力装置,将对常规潜艇带来深远的影响,甚至是革命性的变化。长期以来,人们最为头痛的是常规潜艇需要采用通气管航行方式来解决航渡时的航行问题。不依赖空气的动力装置的出现,可使常规潜艇的通气管航行方式得以减少,极大地减少了潜艇的暴露率。增加了潜艇的隐蔽性,从而提高了常规潜艇的战术技术价值。另外,不依赖空气的动力装置的使用,也提高了潜艇的水下续航力,当然反过来也增加了潜艇的隐蔽性。这正是常规潜艇使用不依赖空气的动力装置的最大意义之所在,也体现了常规潜艇在生命力和战术性能上的重要价值。不过,目前的不依赖空气的动力装置,不论是那种类型,均不能非常充分地极大地体现隐蔽性的提高,只能一定程度的改进。因为当前已经实用的或即将装艇的各种不依赖空气的动力装置由于受技术的限制,都采用与柴油机、蓄电池相结合的形式与它们混合使用,起所谓"辅助的AIP系统"的作用,即只能用于潜艇作低速巡航(2-6节)和满足艇上低生活负载的需要,艇在高速航行仍需要使用柴油机电力推进系统。在21世纪初,潜艇使用不依赖空气的动力装置将由这种混用过渡到完全使用,即单一地使用不依赖空气的动力装置,此时潜艇对通气管航行的依赖将会极大减少,极大地减少暴露率,极大地提高水下续航力。

 

 

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