常规潜艇AIP动力系统简介

常规潜艇AIP动力系统简介 1前言为了增加常规柴电潜艇一次水下续航时间及距离，降低通气管暴露率，提高常规潜艇作战威力，世界各主要海军强国大力发展具有不依赖空气动力装置(AIP)的混合型柴电潜艇，如德、英、瑞典、荷兰等。纵观世界各国AIP发展历史和现状，我们可以选择的AIP有:闭式循环柴油机(CCD)AIP、斯特林发动机(SE)AIP以及燃料电池(FC)AIP。这三种AIP方案都已被各海军强国分别采用，如英国、荷兰等已采用CCDAIP方案，瑞典等已采用SEAIP方案，德国已采用FCAIP方案。本文介绍3种AIP装置的组成、工作原理，分析对比各种AIP方案特点，提出对发展我国常规潜艇AIP的看法。2各种AIP技术原理及装置的组成2.1闭式循环柴油机AIP(CCDAIP)该系统以闭式循环柴油机为发电机原动机。为使柴油机在没有空气供气状况下工作，必须提供模拟空气成份的进气气体，使柴油机发火燃烧工作。为此，将柴油机排出的废气经CO2吸收器吸收部分CO2气体，废气中未被吸收部分气体再加入适量氧气，即组成人造大气。但由于这种人造大气中CO2含量总比新鲜空气多，使人造空气的比热值低于正常空气，为保证一般标准柴油机在闭式循环状态下正常工作，一般在再循环的气体中加入适量单原子气体氩，使混合成的人造大气与正常空气比热比值一致。这样柴油机即可在闭式循环状态下正常工作，也可以在开式空气供应时正常工作，实现开、闭合用。为了高效地吸收柴油机废气中的CO2，应首先将温度为350~400?、压力为0.2~0.5 Mpa的废气喷淋冷却至80~100?。再将冷却后的废气送进CO2海水吸收器中，让海水充分溶解吸收CO2气体，而其他成分气体在吸收器中吸收量很少。经这种"洗涤"后的废气进入混合室与氧气、氩气混合后再循环。而溶有大量CO2的海水经海水处理系统(WMS)，排出舷外。海水处理系统利用深水能量，不需消耗较多能量而将较低压力的海水(2~5 bar)排放到深水中(如下潜300 m则为30 bar)，而水泵耗功只用于克服流动阻力，因此耗功少，整套装置效率较高。为使整个AIP系统协调工作，设置计算机控制系统，以控制水处理系统的海水流量，供氧量等，使整套系统适应柴油机负荷、潜艇下潜深度的变化，保证正常工作。为保证氧气供应，CCDAIP设置一个较大容量的液氧罐(液氧贮存温度-180?)。由于氩气消耗量很小，故AIP装置中只要几个较小容积的氩气瓶就足够了。2.2斯特林发动机AIP(SEAIP)斯特林发动机(SE)AIP以不依赖空气的斯特林机(Stirling Engine)为发电机原动机。 斯特林发动机是一种外部加热的连续燃烧发动机，它通过外部燃烧的高温气体经加热管加热内部循环的工质(船用斯特林机通常用氦气作循环工质)，内部循环工质受热膨胀推动活塞作功，使发动机输出轴功率。为了使发动机在无空气条件下连续运行，同样需要连续不断地供应氧气燃烧供应热量，因而SEAIP也装有较大容量的液氧罐。为了排除燃烧后废气，有两种方法可选择。一种是利 )，且未燃用废气压力直接排到舷外海水，这需要较高的燃烧压力(30 bar左右烧的O2会随废气直接排至舷外，导致未燃O2气和来不及溶解的CO2气冒至海面。另一种方法是象CCDAIP系统一样，装备排气冷却、CO2海水吸收器及水管理系统，这样装置会比直接排出废气的办法复杂些，但可使燃烧压力降低，燃烧不随潜深影响，不会产生气泡航迹，隐蔽性较好。2.3燃料电池FC(FCAIP)德国已装艇海试的燃料电池为氢氧燃料电池，其基本工作原理是靠氢和氧反应直接产生电能而工作的，它唯一的副产品为水，这个过程正好与通过电解分解水的过程相反。燃料电池必须源源不断地供应氢和氧，为此，AIP装置不仅要有较大容量的液氧罐，而且要有一个较大容量的液氢贮存罐，而液氢贮存的低温要求为零下250?，要比液氧贮存条件苛刻得多。3种AIP特点分析CCD-AIP中，柴油机本身几乎无需作重大改进，主机技术成熟，其他辅助系统问题，如再循环气体混成、废气的喷淋冷却、CO2海水吸收原理、水处理系统的原理，有关单位已有研究，不存在较大技术风险。因而开发CCDAIP能在技术风险小，投资少(例如引进一台CCD只需150万美元)，且可在我们工艺、工业水平能达到的情况下早日获得。当然，相对来说，柴油机本身结构噪声和空气噪音较大，但现代隔振技术完全可使柴油机经隔振后噪声指标达到要求。由于水处理系统耗能少，因此CCDAIP系统效率可达35%。SE-AIP主机即斯特林发动机，外部连续燃烧加热工质作功，因此结构噪声及空气噪音比柴油机小，这是它一大特点。目前，我国已研制出75 kW斯特林原理样机，其效率为35%。与柴油机相比，效率稍低，而其技术成熟程度存在较大差距，工作可靠性有待进一步考验。目前存在较大难度的技术问题尚需进一步解决，如高性能加热器材料、加热器头工作温度均匀、工质流动均匀、工质密封、功率调控、压力燃烧等。因此，研制SEAIP必然投资较大(例如引进一台热气机需300万美元，一个舱段需要1亿美元)，技术风险也比CCDAIP高。据称，韩国引进瑞典斯特林发动机后认为40~70%零部件不能自己生产，结果否定了SEAIP方案。另据消息，澳大利亚从瑞典购买热气机做评估试验，3个月未达到额定功率，被否定。SEAIP研制周期相应也会较长。燃料电池具有最高的能量与重量比，效率高(达50~60%)，而且 几乎是不产生废气，可无声航行。但在潜艇上贮存液态氢是有很大的技术难度。同时因为氢气易爆易燃，对使用氢的安全有严格要求，装置中的膜要依赖美国进口，国内尚无生产能力。由此可见燃料电池技术难度大，工业基础要求较高，要使燃料电池上艇作AIP动力，需要很高的技术储备，而我国对燃料电池的研 据估计，至少需要究水平还比较低。所以，如果研制FCAIP，则研制周期较大( 10~15年)，投入经费也很大，例如引进5 kW燃料电池，需3万美元，自己研制至少需要1亿元人民币，同时技术风险也大。将上述3种AIP作全面的各性能指标评价，如果某项性能最好的定"好"，相比较居中者为"中等"，相比较性能较差者为"较差"(说明:"较差"并不意味这个性能达不到潜艇用要求，而仅表示三者相比为"较差")。如果两种或三种AIP性能分不出明显优势，则同为"好"或"中等"。比较结果列表如下:表1 3种AIP的性能指标评价AIP方案性能指标CCDAIP SEAIP FCAIP航程中等中等好潜水深度中等中等好低噪声级较差中等好散发至舷外热量中等中等好研制费用好中等较差运行费用好中等较差研制周期好中等较差装置安全性好好中等维修性能好中等好研制风验好中等较差4评论因为CCDAIP柴油机技术十分成熟，振动噪音经减振降噪后能满足常规潜艇"安静"性要求，而且研制费用低、周期短、风险小、见效快，因此深入研究CCDAIP，并向实用化迈进，是我们应该重点抓好的大事，应优先发展。SEAIP在我国也具有一定的技术基础，技术成熟后装艇性能较好，因而也是有发展前途的AIP。燃料电池，由于研制风险大、费用高、周期长、尽管其性能优良，但近期应用前景毕竟因现实条件制约而受到很大限制，但它是今后发展的主要方向，我们应做好技术跟踪工作。可以设想，若利用现有柴油机主机技术，作CCDAIP实验研究，那么不仅闭式循环柴油机可较快研制成功，而且辅助系统如CO2吸收器、水处理系统等均可随之试验研制，这样主机和辅机系统能同步发展，实现AIP潜艇将不是一件遥远的事情了。还应看到，尽快发展CCDAIP能促进SEAIP的研究工作，因为CCDAIP的CO2溶解排出技术、液氧贮存技术等均可移植至SEAIP中。因此CCDAIP在较短时间内研制成功可促进SEAIP的研制开发工作。总之，根据国际及周边环境国家的常规潜艇AIP现状，常规潜艇装备AIP是必然的发展趋势。但AIP属高新尖端技术，完全依赖进口则很可能受制于人。所以应加速研究开发我国AIP特别是CCDAIP，尽快加大投入，加紧AIP系统研究，以期早日装备实艇，充分发挥常规潜艇的威力。