常规潜艇不依赖空气的动力装置AIP之热机类

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;

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。

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。

瑞典装备与哥特兰级的V4-275R MKII式热气机