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常规潜艇AIP系统应用可行性分析.pdf

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资源描述

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

26、外界供给的反应物质的化学能直接转换成电能,是一类电化学发电机。3.4.1基本原理水解是一种基本的化学过程。该过程通过将水电解,从而使构成水的两类元素实现分离,即水与电能反应,生成H,和O2。而燃料电池可实现上述类型碱性燃料电池电解质KOH溶液燃料氢等氧化剂O2启动时间短优势效率高、性能好只能用纯氧当氧化剂、存在劣势节能论坛ENERGYSAVINGFORUM早在19 世纪初,就已提出了燃料电池的理念,经过多年的探索,曾于18 9 7 年首次制成了世界上第一款燃料电池,其功率为1.5kW,使燃料电池由设想变为现实。19 59 年8 月第一款实用的燃料电池问世,其功率为6 kW,并用作于起重机的动力

27、来源。从此,燃料电池由基础研究进入实用研制阶段。19 6 5年,燃料电池在宇宙空间领域获得成功应用 5,引起世界各国的关注,许多国家投入大量的人力、物力对燃料电池进行研制。数十年来,燃料电池技术有了显著发展。按电解质的不同,燃料电池可分为多种类型,如表1阐述了燃料电池的分类情况及其特点。上述各类燃料电池也可用于潜艇AIP系统,其中前景最好的是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。表1燃料电池的分类 6 质子交换膜燃料电池磷酸燃料电池质子交换膜浓磷酸液氢、甲醇等甲醇等O2空气02空气短长效率高、性能好、无腐蚀已投入广泛应用成本高成本高、启动时间长腐蚀现象熔融碳酸盐燃料电池碳酸钾、锂甲醇、柴油等02、

28、空气长效率高、成本较低成本高、启动时间长固体氧化物燃料电池ZrO2.Y2O3甲醇、柴油等02、空气长效率高工作温度高由于金属氢化物燃料电池笨重又昂贵,经济性较差;而甲醇重整燃料电池解决了这些问题,因此,甲醇重整燃料电池具有更好的发展前途。与金属氢化物燃料电池相比,甲醇重整燃料电池还具备重量较轻的优势,可增加氢的携带量,以此提升潜艇的水下续航能力。3.4.3甲醇重整燃料电池AIP系统甲醇重整燃料电池AIP系统主要组成部分有:甲醇重整装置、燃料器、气体净化器、电解槽等。1)甲醇重整装置。甲醇重整装置又称转化器用来产生燃料电池所需要的H2,其由甲醇转换器、分离器、重整反应器及蒸汽盘管等设备组成。来自

29、重整反应器的气体混合物主要包括H2、C O 2、蒸汽和少量的CO、甲醇及乙醇。混合气体通过预热器使之过热,通过气体净化器(钯薄膜)来滤除杂质,大部分H2直接供给燃料电池。剩下的混合气体流出钯薄膜后,又回到燃烧器与甲醇和氧一起参与燃烧。燃烧器内残留的气体几乎全是CO2,只有少量的氧、氩、水 7 。2)燃烧器。在燃烧器中,由净化器排出来的混合气体与甲醇及氧进行燃烧,并产生无害气体排出2023年第10 期1493SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAIENERGYSAVING艇外。3)净化器。净化器即为上文提到的钯薄膜,甲醇经过净化后,进入电解槽进行化学反应,以提高化学反

30、应质量。4)电解槽。电解槽可用来实现电解化学反应,由氢在阳极放出电子,同时氢离子会通过电解质传送到阴极,与氧进行化学反应,产生电能并生成水。甲醇重整燃料电池的不足之处主要是其成本较高,且燃料消耗量较大。燃料消耗较大的主要原因是甲醇的能量密度较低,仅为柴油的一半,且其容积密度也比柴油小。因此,甲醇重整燃料电池通常需要较大的燃料体积和重量。3.5小型核动力AIP系统(AMPS-AIP)3.5.1历史发展采用核动力装置,可显著提升潜艇水下的续航力,但由此会产生较大的噪声,不利于潜艇的隐蔽性。同时,核潜艇还存在着构造复杂、造价昂贵的问题。如单艘美国海狼级潜艇的造价高达2 4 亿美元,后续建造的弗吉尼亚

31、级核潜艇,尽管其性能比海狼级有所降低,造价仍高达13 亿美元。大多数国家的海军很难负担得起如此高昂的成本。对于核潜艇现有的问题,不少国家海军都曾进行过反复的试验、论证,并提出了一些解决方案。在众多的方案中,由加拿大渥太华的ECS联合公司提出的自主式船用动力系统(AMPS)方案最具特色,也较易实现。ECS公司提出,只要在常规潜艇中加入一个配备有小型核反应堆的舱段,就可通过核反应堆与柴油机两类动力装置,使一艘常规潜艇实现混合推进。在潜航时,潜艇既可使用核动力推进,也可使用蓄电池推进。采用核动力推进时,可以长时间地以10 kn左右的航速实现连续的水下航行。当潜艇蓄电池的电能耗尽时,可利用艇上的核动力

32、装置为潜艇蓄电池充电。在安全海域,也可使用通气管系统和柴油机对蓄电池进行快速充电8 。由此可见,由ECS公司提出的这类方案具有较好的实用性。该方案一经问世,便引起了世界各国海军的高节能论坛1494ENERGYSAVINGFORUMNo.102023度重视。3.5.2系统组成及工作原理小型核动力AIP系统由5个主系统及辅助设备组成,这些系统主要有核反应堆热源、能量转换装置、控制和监视系统、功率分配系统和连续供电系统(也称主蓄电池系统)8 。在小型核动力AIP系统中,最主要的部分是核反应堆热源。其中,核反应堆堆芯以氢化锆与浓缩铀作为燃料。该反应堆性能稳定,有着多年成功运行的实践经验。同时,用于反应

33、堆的核燃料具有较好的裂变产物抑制特性。在控制系统和监测系统的操纵下,可通过调节中子吸收器的位置来调节反应堆输出的功率。反应堆进行核反应时所产生的热量,经反应堆堆芯的轻水(冷却剂)带出,再经氟利昂蒸发器将热量转送到能量转换装置。核反应堆的主要元件,包括反应堆的堆芯、反射器、一次屏蔽设备,以及一回路冷却剂管道等都安装在一个较大的备用冷却水舱中。当一回路冷却剂的循环遭到破坏时,被动冷却机械就会在反应堆芯与备用冷却剂之间自动建立起冷却剂的对流流动。该AIP系统的反应堆采用了一种特殊的能量转换装置。该转换装置可将反应堆热源所生产的低温连续地转换成电功率。在进行能量转换时,所采取的能量转换设备主要是低温汽

34、轮机8 。在进行热量传递和转换过程中,氟利昂作为工质进行循环。在整个能量转换装置中,一回路将来自堆芯的高温水通过二回路的热交换器进行循环,而二回路蒸发器则充满氟利昂,氟利昂通过加热转换成气态,再通过单级径流式汽轮机及交流发电机组后,将热能转换为电能。完成能量转换后 8 ,氟利昂再流回到冷凝器中。作为反应堆的控制和监视系统,控制和监视系统以微处理机为基础。该系统所具有的功能可对核反应堆的参数进行扫描,并对输入信号偏离设定值的误差进行检验和校核,执行控制计算 8 ,产生报警信号,以驱动图像显示装置。上海节能常规潜艇AIP系统应用可行性分析SHANGHAIENERGY SAVING皆有现货可供,初期

35、购置费也较低。因此该系统所4常规潜艇AIP系统应用可行性分析耗费成本在各类AIP系统中最低,因而有着较高的4.1闭式循环柴油机AIP系统应用可行性分析效费比。在闭式循环柴油机AIP系统中,柴油机排出的4.1.4维修性好气体经处理后再送入柴油机进气口进行循环使用。该系统经过数十年的发展,经相关试验表明,闭式循环柴油机AIP系统有较强的实用性和较高的可靠性。当潜艇在水下航行时,该系统也可作于应急备用设备。4.1.1隐蔽性较好经实艇试验表明,闭式循环柴油机系统具有较低的辐射噪声和目标信号特征。辐射噪声是任何潜艇都会面临的关键问题。同时,以上几类AIP系统都涉及机械噪声和流体噪声。实践表明,与潜艇以通

36、气管状态航行时所产生的噪声相比,闭式循环柴油机所产生的噪声明显更低。因为闭式循环柴油机不会将过多废气排出艇外,对排气系统的要求较低。通常而言,可将闭式循环柴油机封装在隔声罩内,与艇体采用双重弹性支架连接,使其噪声得以进一步降低。从吸收器排出的海水几乎处于饱和状态,因此在潜艇伴流中几乎不会产生气泡。在实际应用中,海水压力总是高于CO2饱和压力。由于不会产生气泡,该系统可实现无迹航行,降低敌方探测效能。4.1.2安全且可靠闭式循环柴油机可采用通用柴油机,因此有着较高的可靠性。运行时,只需为系统定期补充少量氧气,因此也有着较高的安全性。4.1.3研制及运行费用低闭式循环柴油机AIP系统可充分利用现有

37、的柴油机技术。该AIP系统中所包含的部分设备(如吸收器及水处理系统等),皆为通用性较高的机械设备。因此,该AIP系统的研制开发费用较低。由于在大部分情况下,该系统可采用民用产品,市场上节能论坛ENERGYSAVINGFORUM总体而言,闭式循环柴油机AIP系统结构较为简易,技术较为成熟,配套产品、备用产品在市场皆有现货供应,技术人员无需专门训练。因此,该系统有着较好的维修性,有利于长期运行。4.2斯特林发动机AIP系统应用可行性分析斯特林发动机AIP系统是世界上第一款用在潜艇上的AIP系统,19 9 6 年7 月,世界上首艘配装有斯特林发动机AIP系统的瑞典海军潜艇“哥特兰”号建成服役,标志着

38、常规潜艇的发展进入新阶段,引起了世界上拥有常规潜艇国家的关注。“哥特兰 号潜艇水下排水量为14 9 0 t,配装有2台功率7 5kW的V4-275R型斯特林发动机,每台发动机可以输出约6 5kW的功率。2 台斯特林发动机所输出的功率主要用于两个领域:一是用于艇内的生活负载,如照明、烹调、空调等生活设施,约消耗7 5 8 0 kW;二是用于潜艇航行时的动力来源,约消耗4 5 50 kW,从而可使潜艇能以5kn的航速在水下航行。当潜艇以该航速航行时,艇上所携带液氧的储存量可使潜艇在水下连续航行几个星期,且无需浮出水面。实践表明,斯特林发动机AIP系统有着较高实用性,与其他AIP系统相比,具有如下优

39、点:1)斯特林发动机AIP系统结构紧、技术简单、成熟,并已投入使用。2)斯特林发动机AIP系统振动较小、噪声较低,排出的燃烧废气易溶于水,不会留下明显航迹。实测表明,该系统在高速工作状态时,其噪声等级比尺寸相近的潜艇柴油机的低约15 2 5dB,在低速工况下,其噪声级别也低8 10 dB。3)斯特林发动机AIP系统具有较高的使用灵活性,通过增减艇上的斯特林发动机台数,即可改变功率的大小。通过调整独立舱段的长度,可以改2023年第10 期1495SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAIENERGYSAVING变艇上储存液氧的数量,从而可以适用于不同国家海军的不同舰艇,

40、并实现其作战目的,满足其作战需求。4)斯特林发动机AIP系统具有较高的效费比,不仅造价相对较低,运行和维护费用同样较低。5)斯特林发动机AIP系统可与艇上的蓄电池实现并联运行。因此,当潜艇在水下航行时,即使在该AIP系统出现故障的情况下,蓄电池仍能为潜艇提供必要的推进功率,使潜艇维持正常航行。除上述优点外,斯特林发动机AIP系统还有一些不足和缺陷,主要有以下两点:1)从工作原理上来说,斯特林发动机AIP系统属于一种外燃式热力发动机,其利用外部热源产生热量,并以此加热封闭系统中的工质,通过工质与机构之间的作用来实现能量转换。这种将燃料的燃烧所产生的热量传递给工质的方法,从某种意义上来说效果并不好

41、。因为,当热量和氧在外部燃烧之后,再将热能传递给工质,将需要一个较长的热交换时段,意味着斯特林发动机难以对负载的变化作出迅速响应,从而不可避免地对潜艇的航速及水下机动性造成负面影响。2)从使用上来说,斯特林发动机AIP系统在潜艇上的持续工作时间主要受艇上携带液氧量的制约。由于潜艇内部空间有限,潜艇不能无限制携带液氧,即使嵌加舱段,其长度也不能过大,否则同样会对潜艇的航行性能带来不利影响。4.3闭式循环汽轮机AIP系统应用可行性分析闭式循环汽轮机AIP系统由法国舰艇建造局和贝尔坦公司共同研制,已达到实用装艇的程度,并已用于由巴基斯坦订购的阿戈斯塔9 0 B级潜艇上。实践表明,该系统主要有如下优点

42、。4.3.1燃烧产物排放具有较高的隐蔽性闭式循环汽轮机AIP系统燃烧产物具有较高的压力,在排放时,不需要任何压缩设备就可以直接排放到艇外海水中。另外,CO2在排出艇外海水之前,可利用一种分裂气泡系统,使CO2气泡尽量变No.102023小,提高气泡溶解度,达到无泡排放,使潜艇实现无迹航行。因此,该系统的一项突出优点是其燃烧排放特性较好,并具有较好的隐蔽性。4.3.2以水为工质,安全且可靠由于以水作为工质,该AIP系统较为安全可靠,且腐蚀性较低,并能确保循环管路的清洁。4.3.3单机功率较高闭式循环汽轮机AIP系统单机功率较高。1992年对一款闭式循环汽轮机AIP系统开展了实验,其功率可达4 0

43、 0 kW,后续已开发出功率为6 0 0 kW的动力系统。该AIP系统的不足之处主要是其体系庞大、辅助机械多、布置难度较大。其次,该AIP系统仍存在效率较低、经济性较差的问题。对于以上不足之处仍需进一步改进。4.4燃料电池AIP系统应用可行性分析德国海军2 12 A级潜艇是世界上首款使用燃料电池AIP系统的潜艇,该艇装有西门子公司研发的燃料电池堆,由16 个功率为2 5kW的单体燃料电池组成,可使潜艇在水下以8 kn的航速航行,并可为艇上蓄电池供电。该潜艇总排水量为13 50 t,并于2003年建成服役。在各类AIP推进装置中,燃料电池AIP系统具有如下优点。4.4.1效率高、尺寸小燃料电池A

44、IP系统的效率可达7 0%,明显高于其他以热力发动机为动力来源的AIP系统。其重量轻、容积小,O2消耗量较低。4.4.2噪声低燃料电池AIP系统的一项突出优点是噪声低,该特点基本与铅酸电池一致,没有斯特林发动机AIP系统的机械噪声,只是在泵入甲醇时会产生较低的噪声,这种噪声完全可为潜艇所产生的其他噪声所覆盖。节能论坛1496ENERGYSAVINGFORUM上海节能常规潜艇AIP系统应用可行性分析SHANGHAIENERGY SAVING进行现场监控和管理的情况下,小型核动力AIP系4.4.3下潜深度不受限制统可以实现自动运行。从该角度而言,小型核动力燃料电池AIP系统不会产生排放物质,不受背

45、AIP系统常规潜艇不会使艇员人数大量增加,也不压影响,因此,该系统可以在水下以任意深度航行,会降低随艇人员的居住性,同样不会为全艇的总布不受下潜深度限制,可充分发挥立体作战的优势。局带来新的困难。4.4.4反应生成的水可用于确保潜艇压载平衡4.5.3核反应堆结构简单、操作容易该系统反应生成物是无害的水,不必排出艇与传统的核反应堆相比,小型核动力AIP系统外,可用于保持潜艇压载平衡,有利于潜艇水下作的核反应堆结构简单,且成本低廉。同时,与传统战和航行。反应堆相比,小型核动力AIP系统反应堆内部的压力和温度都较低,因而也简化了反应堆的运作过4.5小型核动力AIP系统应用可行性分析程。运行人员和维修

46、人员经过一般的技术培训即目前,小型核动力AIP系统主要具有如下特点。可上岗操作,也降低了培训成本。4.5.1输出功率范围宽广4.5.4核燃料安全可靠小型核动力AIP系统的净输出功率,根据使用小型核动力AIP系统采用的核燃料是仅含对象不同,可在10 0 kW1MW的范围内进行调19.7%浓缩的低浓度核燃料。在采用这种低浓缩整,具有广阔的应用范围。核燃料后,即使偶然出现核反应堆功率升高的情输出功率为10 0 kW的小型核动力AIP系统可况,核燃料自身所具有的补偿特性仍可使核反应堆应用在排水量为10 0 0 t的潜艇上;输出功率为的功率上升速度得以减缓 8 。从安全标准来看,浓400kW和1MW的小

47、型核动力AIP系统,可用于排缩率为2 0%的核燃料可满足安全要求,并已得到国水量为2 0 0 0 t的或更大吨位的潜艇上 8 。际公认。经过多年运行实践,充分证明了其安全性及可靠性。4.5.2具有自动停堆能力4.5.5核燃料工作寿命较长小型核动力AIP系统所使用的反应堆是一个不加压的或轻度加压的轻水冷却型,该反应堆所使用的冷却剂的压力约为17 个大气压,一回路冷却剂的输出温度约为16 0,反应堆的堆芯既无高压又无高温。另外,该反应堆使用一种被动式冷却系统。这种冷却系统具有一种独特的功能,当反应堆出现突发性故障时,可以在多个部位对燃料棒进行冷却从而避免发生危险。而且该冷却系统中没有运动部件,即使

48、操作人员不在现场,或在艇内电源被切断的情况下,冷却系统仍能发挥作用,继续对反应堆内部进行冷却。由于具有自动停堆的能力,因此自诞生以来,该反应堆就广受关注。这意味着在没有操作人员节能论坛ENERGYSAVINGFORUM小型核动力AIP系统所使用的核燃料工作寿命较长,一般可达8-10 年。这样的寿命周期与潜艇的大修周期基本同步,因而,核反应堆核燃料的更换可与潜艇的大修同时进行,既可减少大修和维修的费用,也可增加潜艇的在航率。4.5.6核反应堆应用性强从设计角度而言,小型核动力AIP系统核反应堆的尺寸与世界上绝大多数在役常规潜艇的主尺度相匹配,可以装入2 0 0 0 t级常规潜艇的耐压壳体内(直径

49、约为7 m)。因此,小型核动力AIP系统核反应堆既可用于新建潜艇,也可用于改装后的在役潜艇 8 ,扩大了系统的应用领域,并提高了应用的灵2023年第10 期1497SHANGHAI ENERGY SAVING上海节能SHANGHAIENERGYSAVING活性。小型核动力AIP系统尽管有着显著优势,但在使用时,还必须注意以下问题:1)虽然是小型核反应堆,但其重量仍然较大。就总布置方面而言,小型核动力AIP系统应尽可能布置在潜艇重心附近,其屏蔽设施的重量约占系统总重量的4 0%,因此,如何将屏蔽重量进行有效合理分配,以及如何进行科学合理的设计、布局,均有AIP系统闭式循环柴油机AIP系统类型主要

50、优点(1)柴油机技术成熟,性能可靠,寿命长(2)燃料通用(3)经济性好,维修费用低(4)工作过程受下潜深度影响小主要缺点(1)效率低、氧消耗量大、排出热量多(2)噪声大(3)输出功率受限(4)废气处理系统复杂技术难点(1)废气中CO2的吸收与排放(2)使用循环气体时,需确保燃烧质量No.102023着较高重要性。2)装备了小型核动力AIP系统的常规潜艇,其工作噪声虽然较低,但是还需采取降噪措施,使其综合噪声降至最低水平。4.6几类AIP系统的性能对比综上所述,各类AIP系统的性能对比如表2 所示。表2 各类AIP系统的性能对比 9 闭式循环汽轮机斯特林发动机AIP系统AIP系统(1)运行平稳,

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