2000噸級(jí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)AIP潛艇方案論證研究

李大鵬，邵明臣,倪亞菲，趙　熙（海軍工程大學(xué),武漢 430033）

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2000噸級(jí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)AIP潛艇方案論證研究

李大鵬，邵明臣,倪亞菲，趙熙
（海軍工程大學(xué),武漢 430033）

摘要:對(duì)采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力裝置的2000 t級(jí)排水量非核動(dòng)力潛艇進(jìn)行了方案論證研究，給出了潛艇動(dòng)力裝置功率、最大水下航速、經(jīng)濟(jì)航速、低噪聲航速、水下不間斷續(xù)航力、自持力等主要技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)，提出了不同的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力裝置方案并進(jìn)行了比較。研究表明，2000 t級(jí)排水量非核動(dòng)力潛艇采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力裝置，其主要技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)均超過現(xiàn)役非核動(dòng)力潛艇。

關(guān)鍵詞:潛艇;AIP斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力裝置方案論證

0　前言

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為潛艇AIP裝置，相比其他類型AIP裝置，具有綜合優(yōu)勢(shì)[1，2，3]，可滿足潛艇水下不間斷續(xù)航力和航速等技戰(zhàn)術(shù)性能需求，并可保證潛艇的航行隱蔽性，且可使用現(xiàn)有的岸上保障設(shè)施，提高潛艇的戰(zhàn)斗穩(wěn)定性和部署靈活性。

2000 t是非核動(dòng)力潛艇最適合的排水量，也是各國研發(fā)和建造中的非核動(dòng)力潛艇最多采用的排水量。

1　動(dòng)力裝置需求功率

在新型潛艇方案論證階段，常使用海軍部系數(shù)衡量動(dòng)力裝置功率與潛艇排水量、航速之間的關(guān)系

其中，N—?jiǎng)恿ρb置功率，kW；?—航速，kn；D—排水量，t；C—海軍部系數(shù)。

可選取國外相近排水量的在役現(xiàn)代化非核動(dòng)力潛艇作為設(shè)計(jì)母型。潛艇最大航速為16～21 kn時(shí)，C為250～360；水下經(jīng)濟(jì)航速為3～4 kn時(shí)，C為40～60。

包括機(jī)電設(shè)備和管道質(zhì)量在內(nèi)的潛艇動(dòng)力裝置質(zhì)量Mp按下式估算其中mp—?jiǎng)恿ρb置功率密度，kg/kW，一般隨N增加而下降，這是由于N增大可以提高動(dòng)力裝置效率，此外，動(dòng)力裝置構(gòu)成中含有質(zhì)量隨功率呈弱變化的設(shè)備。

表1給出了各國AIP潛艇主要技戰(zhàn)術(shù)性能參數(shù)[1]。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，可得到2000 t級(jí)排水量潛艇方案設(shè)計(jì)的海軍部系數(shù)，進(jìn)而可以估算在水下最大航速、水下經(jīng)濟(jì)航速等航行工況下的動(dòng)力裝置需求功率，在此基礎(chǔ)上，確定所需的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)功率及安裝臺(tái)數(shù)。

表1　各國AIP潛艇的技戰(zhàn)術(shù)性能參數(shù)

圖1給出了水下最大航速與動(dòng)力裝置需求功率之間的關(guān)系。動(dòng)力裝置需求功率隨水下最大航速增大而迅速增加。

要實(shí)現(xiàn)16 kn水下最大航速，需要4 臺(tái)500 kW功率斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。要達(dá)到20 kn水下最大航速，需發(fā)展單機(jī)功率800 kW以上的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖1　水下最大航速下的動(dòng)力裝置需求功率

圖2給出了經(jīng)濟(jì)航速與動(dòng)力裝置需求功率之間的關(guān)系。動(dòng)力裝置需求功率隨經(jīng)濟(jì)航速的增大相對(duì)平緩地增加。

經(jīng)濟(jì)航速低于10 kn時(shí)，動(dòng)力裝置需求功率不到500 kW，2 臺(tái)275 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可滿足需要，這也是瑞典現(xiàn)役潛艇的AIP裝置方案。經(jīng)濟(jì)航速12 kn時(shí)，動(dòng)力裝置需求功率大于1000 kW。

從斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀看，非核動(dòng)力潛艇近期內(nèi)達(dá)到10 kn“平衡航速”是可能的?！捌胶夂剿佟笔侵竷H依靠AIP裝置實(shí)現(xiàn)的水下持續(xù)航速，相當(dāng)于潛艇到達(dá)部署海域使用的航渡速度。

評(píng)價(jià)AIP裝置性能時(shí)，要求AIP潛艇至少具備12 kn“平衡航速”，相比現(xiàn)役的先進(jìn)非核動(dòng)力潛艇才具有競(jìng)爭(zhēng)力，這就要求斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)具有更高的單機(jī)功率。

圖3給出了低噪聲航速與動(dòng)力裝置需求功率之間的關(guān)系。動(dòng)力裝置需求功率隨低噪聲航速增大而逐漸增加，均在500 kW以下。

圖2　經(jīng)濟(jì)航速下的動(dòng)力裝置需求功率

3.5 kn航速下，動(dòng)力裝置需求功率為136 kW，2 臺(tái)80 kW功率斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可滿足需要。5 kn航速下，動(dòng)力裝置需求功率為397 kW，2 臺(tái)275 kW功率斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可滿足需要。

圖3　低噪聲航速下的動(dòng)力裝置需求功率

2　續(xù)航力和自持力

潛艇續(xù)航力是指潛艇滿載燃料、滑油和給養(yǎng)，在給定航速下能夠航行的最大距離。AIP潛艇的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在水下不間斷續(xù)航力上。

不同航速下的水下不間斷續(xù)航力不同，且隨航速提高而降低。改進(jìn)艇體形狀，減少航行阻力，可提高續(xù)航力?！盎濉奔?jí)水下不間斷續(xù)航力為400 海里/3 kn，“阿穆爾”級(jí)為650 海里/3 kn。

潛艇自持力是潛艇能夠航行的最長(zhǎng)時(shí)間。自持力主要取決于動(dòng)力裝置可靠運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和后勤供給能力，后者主要包括食物淡水儲(chǔ)備以及極端條件下的氧氣供應(yīng)情況。

自持力決定潛艇連續(xù)作戰(zhàn)能力，是評(píng)價(jià)潛艇遠(yuǎn)海大洋作戰(zhàn)能力的重要指標(biāo)?！昂１I”級(jí)自持力336 h，“鮋魚”級(jí)自持力228 h，“支持者”級(jí)480～720 h，U—214級(jí)300 h[1]。

自持力H按下式計(jì)算[4]

其中，Wp—消耗燃料發(fā)出的有效功，kW；W—消耗燃料發(fā)出的總功，kW；ηp—?jiǎng)恿ρb置效率；Mr—燃料總裝載量，kg；Mz—?jiǎng)恿ρb置燃耗率，kg/（kW·h）。

排水量給定，潛艇水下不間斷續(xù)航力和自持力與燃料裝載量、動(dòng)力裝置功率和效率燃料耗量和效率等因素有關(guān)。

參考現(xiàn)役潛艇，估算2000 t級(jí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)潛艇的燃料裝載量?！盎濉奔?jí)水下排水量3050 t，最大燃料裝載量為203 t。S級(jí)水下排水量2116 t，最大燃料裝載量為230 t。

一般來說，可選取潛艇燃料裝載量占其水下排水量的11 %[4]。對(duì)于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)AIP潛艇，要實(shí)現(xiàn)更高的短時(shí)水下最大航速和水下不間斷續(xù)航力，要裝載更多的燃料。本研究中，燃料裝載量設(shè)定為水下排水量15 %，即2000 t排水量潛艇燃料搭載量為300 t。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃耗率設(shè)定為1.315kg/（kW·h），效率設(shè)定為35 %[4]。使用上述關(guān)系式，計(jì)算得到2000 t排水量潛艇的水下不間斷續(xù)航力和自持力，見圖4和圖5。

水下不間斷續(xù)航力隨航速增大而減少。3.5 kn航速下，水下不間斷續(xù)航為1761 海里。航速超過4.5 kn時(shí)，水下不間斷續(xù)航力不足1000 海里。高航速下，續(xù)航力變化比較緩慢，21 kn航速下，續(xù)航力僅為320 海里。

自持力隨航速增大而快速下降。16～21 kn航速下，自持力較小，且不如中、低航速下的變化顯著。3.5 kn航速下，自持力達(dá)21 晝夜。在遠(yuǎn)海大洋執(zhí)行任務(wù)，3周自持力難以滿足要求。21 kn航速下，續(xù)航力僅為16 h。

圖4　不同航速下的水下不間斷續(xù)航力

圖5　不同航速下的自持力

我國新軍事戰(zhàn)略指出，新海軍戰(zhàn)略為“近海防御、遠(yuǎn)海防衛(wèi)”。為此，潛艇在遠(yuǎn)海的快速部署能力愈發(fā)重要。

計(jì)算得到，若以23 kn航速航行400 海里，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率為5533 kW，需安裝4 臺(tái)1500 kW功率斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，自持力17.4 h，燃料裝載量422 t。

若需要水下不間斷航行500 海里，在不同航速下，所需要的燃料裝載量見圖6。燃料裝載量隨航速增大而快速增加。3.5 kn航速下，燃料裝載量?jī)H需85 t。

圖6　以不同航速航行500海里的燃料裝載量

3　總體方案

目前，在世界范圍內(nèi)看，800 kW單機(jī)功率的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)上已經(jīng)成熟。4 臺(tái)800 kW功率斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)2000 t級(jí)排水量潛艇19 kn的水下最大航速，且配合使用蓄電池組，水下最大航速還可進(jìn)一步提高。

在這種動(dòng)力裝置方案下，如果潛艇要實(shí)現(xiàn)15～20 天水下不間斷航行，水下持續(xù)航速必須低于10 kn。如果配合使用蓄電池組，水下不間斷續(xù)航力可進(jìn)一步提高。

“蒼龍”級(jí)排水量3300 t，水下最大航速21 kn，蓄電池組最大功率5910 kW?！鞍⒏晁顾奔?jí)排水量1760 t，水下最大航速20 kn，蓄電池組最大功率3887 kW?！鞍⒛聽枴奔?jí)排水量2000 t，水下最大航速21 kn，蓄電池組最大功率4900 kW?！案缣靥m”級(jí)排水量1494 t，水下最大航速20 kn，蓄電池組最大功率4033 kW。

可以參照上述潛艇，選擇新型潛艇蓄電池組。2000 t級(jí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)潛艇可選擇3200～6000 kW功率蓄電池組。

水下最大航速是潛艇非常重要的技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)。潛艇水下高速航行時(shí)的需求功率見圖7。

配合使用蓄電池組，圖示的水下最大航速可以實(shí)現(xiàn)，且水下不間斷續(xù)航力也可有較大幅度的提高，見圖8。3.5 kn航速下，續(xù)航力可達(dá)2348 海里，自持力4周；21 kn航速下，水下不間斷續(xù)航力為462海里，自持力近1 晝夜。

圖7　潛艇在水下高速航行時(shí)的需求功率

圖8　配合使用蓄申池組，潛艇水下不間斷續(xù)航力

對(duì)于2000 t級(jí)排水量潛艇，4300 kW動(dòng)力裝置功率可實(shí)現(xiàn)21 kn水下最大航速。3.5 kn航速下，136 kW動(dòng)力裝置功率可實(shí)現(xiàn)503 h自持力和1761 海里水下不間斷續(xù)航力。蓄電池組仍然是必需的。3300 kW功率蓄電池組，即可保證短時(shí)水下最大航速19 kn。

若安裝2 臺(tái)150 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，不依靠蓄電池組情況下，潛艇可以4.5 kn航速航行1067海里。若配合使用4300 kW蓄電池組，短時(shí)水下最大航速可達(dá)21 kn。

若安裝4 臺(tái)150 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，要實(shí)現(xiàn)短時(shí)水下最大航速21 kn，蓄電池組功率為3600 kW。

若安裝2 臺(tái)500 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，不依靠蓄電池組情況下，潛艇可以12 kn航速航行748海里；若配合使用3000 kW蓄電池組，短時(shí)水下最大航速可達(dá)20 kn以上。

若安裝4 臺(tái)500 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，潛艇可以16 kn航行592 海里；若配合使用3500 kW蓄電池組，短時(shí)水下最大航速可達(dá)23 kn。

若安裝4 臺(tái)800 kW或2 臺(tái)1500 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，不依靠蓄電池組情況下，潛艇可以19 kn航行418 海里；若分別配合使用2500和5000 kW蓄電池組，短時(shí)水下最大航速分別可達(dá)23和25 kn。

MTU公司競(jìng)標(biāo)獲得了2 臺(tái)2100 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)研制合同。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)功率增大，可減少安裝臺(tái)數(shù)，有利于提高傳動(dòng)和推進(jìn)效率、降低機(jī)械噪聲。

4　結(jié)束語

2000 t級(jí)排水量非核動(dòng)力潛艇使用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為朱動(dòng)力裝置，在水下最大航速、水下不間斷續(xù)航力等技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)上，都已超過現(xiàn)役非核動(dòng)力潛艇。隨著技術(shù)發(fā)展，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的單機(jī)功率不斷增大，為在新型非核動(dòng)力潛艇上使用創(chuàng)造了條件，具有非常良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn):

[1] 李大鵬.潛艇AIP裝置[M].國防工業(yè)出版社,2015.

[2] 金東寒.斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社,2009.

[3] 李大鵬,尉斌,陳鋁等.基于U-212潛艇的第5代非核動(dòng)力潛艇初步設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù),2015,35（4）:22-25.

Scheme Demonstration of A 2000-ton Class Stirling Engine AIP Submarine

Li Dapeng，Shao Mingchen，Ni Yafei，Zhao Xi
（Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China）

Abstract:The demonstration of a 2000-ton class Stirling engine AIP submarine is presented in this thesis.Required power of submarine power plant,maximum underwater navigation velocity,economic underwater navigation speed,low noise underwater navigation speed,continuous underwater navigation distance and self-persistence on the sea and other technical-tactical parameters are provided,and different designs are given and compared.Research shows,when 2000-ton class no-nuclear submarine uses Stirling engine as primary power plant,its main technical-tactical parameters are better than the present no-nuclear submarine.

Keywords:submarine;AIP;Stirling engine;power plant;scheme demonstration

作者簡(jiǎn)介：李大鵬（1972-），男，博士后。研究方向：艦船動(dòng)力裝置。

基金項(xiàng)目：教育部第47批歸國留學(xué)人員科研啟動(dòng)基金，教外司留（2013）第1792號(hào)

收稿日期：2015-09-09

中圖分類號(hào)：U664

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）01-0001-04