2000吨级斯特林发动机AIP潜艇方案论证研究

李大鹏，邵明臣,倪亚菲，赵　熙（海军工程大学,武汉 430033）



2000吨级斯特林发动机AIP潜艇方案论证研究

李大鹏，邵明臣,倪亚菲，赵熙
（海军工程大学,武汉 430033）

摘要:对采用斯特林发动机作为主动力装置的2000 t级排水量非核动力潜艇进行了方案论证研究，给出了潜艇动力装置功率、最大水下航速、经济航速、低噪声航速、水下不间断续航力、自持力等主要技战术性能指标，提出了不同的斯特林发动机动力装置方案并进行了比较。研究表明，2000 t级排水量非核动力潜艇采用斯特林发动机作为主动力装置，其主要技战术性能指标均超过现役非核动力潜艇。

关键词:潜艇;AIP斯特林发动机动力装置方案论证

0　前言

斯特林发动机作为潜艇AIP装置，相比其他类型AIP装置，具有综合优势[1，2，3]，可满足潜艇水下不间断续航力和航速等技战术性能需求，并可保证潜艇的航行隐蔽性，且可使用现有的岸上保障设施，提高潜艇的战斗稳定性和部署灵活性。

2000 t是非核动力潜艇最适合的排水量，也是各国研发和建造中的非核动力潜艇最多采用的排水量。

1　动力装置需求功率

在新型潜艇方案论证阶段，常使用海军部系数衡量动力装置功率与潜艇排水量、航速之间的关系

其中，N—动力装置功率，kW；ϑ—航速，kn；D—排水量，t；C—海军部系数。

可选取国外相近排水量的在役现代化非核动力潜艇作为设计母型。潜艇最大航速为16～21 kn时，C为250～360；水下经济航速为3～4 kn时，C为40～60。

包括机电设备和管道质量在内的潜艇动力装置质量Mp按下式估算其中mp—动力装置功率密度，kg/kW，一般随N增加而下降，这是由于N增大可以提高动力装置效率，此外，动力装置构成中含有质量随功率呈弱变化的设备。

表1给出了各国AIP潜艇主要技战术性能参数[1]。根据表中数据，可得到2000 t级排水量潜艇方案设计的海军部系数，进而可以估算在水下最大航速、水下经济航速等航行工况下的动力装置需求功率，在此基础上，确定所需的斯特林发动机功率及安装台数。

表1　各国AIP潜艇的技战术性能参数

图1给出了水下最大航速与动力装置需求功率之间的关系。动力装置需求功率随水下最大航速增大而迅速增加。

要实现16 kn水下最大航速，需要4 台500 kW功率斯特林发动机。要达到20 kn水下最大航速，需发展单机功率800 kW以上的斯特林发动机。

图1　水下最大航速下的动力装置需求功率

图2给出了经济航速与动力装置需求功率之间的关系。动力装置需求功率随经济航速的增大相对平缓地增加。

经济航速低于10 kn时，动力装置需求功率不到500 kW，2 台275 kW斯特林发动机可满足需要，这也是瑞典现役潜艇的AIP装置方案。经济航速12 kn时，动力装置需求功率大于1000 kW。

从斯特林发动机发展现状看，非核动力潜艇近期内达到10 kn“平衡航速”是可能的。“平衡航速”是指仅依靠AIP装置实现的水下持续航速，相当于潜艇到达部署海域使用的航渡速度。

评价AIP装置性能时，要求AIP潜艇至少具备12 kn“平衡航速”，相比现役的先进非核动力潜艇才具有竞争力，这就要求斯特林发动机具有更高的单机功率。

图3给出了低噪声航速与动力装置需求功率之间的关系。动力装置需求功率随低噪声航速增大而逐渐增加，均在500 kW以下。

图2　经济航速下的动力装置需求功率

3.5 kn航速下，动力装置需求功率为136 kW，2 台80 kW功率斯特林发动机可满足需要。5 kn航速下，动力装置需求功率为397 kW，2 台275 kW功率斯特林发动机可满足需要。

图3　低噪声航速下的动力装置需求功率

2　续航力和自持力

潜艇续航力是指潜艇满载燃料、滑油和给养，在给定航速下能够航行的最大距离。AIP潜艇的优势主要体现在水下不间断续航力上。

不同航速下的水下不间断续航力不同，且随航速提高而降低。改进艇体形状，减少航行阻力，可提高续航力。“基洛”级水下不间断续航力为400 海里/3 kn，“阿穆尔”级为650 海里/3 kn。

潜艇自持力是潜艇能够航行的最长时间。自持力主要取决于动力装置可靠运转时间和后勤供给能力，后者主要包括食物淡水储备以及极端条件下的氧气供应情况。

自持力决定潜艇连续作战能力，是评价潜艇远海大洋作战能力的重要指标。“海盗”级自持力336 h，“鮋鱼”级自持力228 h，“支持者”级480～720 h，U—214级300 h[1]。

自持力H按下式计算[4]

其中，Wp—消耗燃料发出的有效功，kW；W—消耗燃料发出的总功，kW；ηp—动力装置效率；Mr—燃料总装载量，kg；Mz—动力装置燃耗率，kg/（kW·h）。

排水量给定，潜艇水下不间断续航力和自持力与燃料装载量、动力装置功率和效率燃料耗量和效率等因素有关。

参考现役潜艇，估算2000 t级斯特林发动机潜艇的燃料装载量。“基洛”级水下排水量3050 t，最大燃料装载量为203 t。S级水下排水量2116 t，最大燃料装载量为230 t。

一般来说，可选取潜艇燃料装载量占其水下排水量的11 %[4]。对于斯特林发动机AIP潜艇，要实现更高的短时水下最大航速和水下不间断续航力，要装载更多的燃料。本研究中，燃料装载量设定为水下排水量15 %，即2000 t排水量潜艇燃料搭载量为300 t。

斯特林发动机燃耗率设定为1.315kg/（kW·h），效率设定为35 %[4]。使用上述关系式，计算得到2000 t排水量潜艇的水下不间断续航力和自持力，见图4和图5。

水下不间断续航力随航速增大而减少。3.5 kn航速下，水下不间断续航为1761 海里。航速超过4.5 kn时，水下不间断续航力不足1000 海里。高航速下，续航力变化比较缓慢，21 kn航速下，续航力仅为320 海里。

自持力随航速增大而快速下降。16～21 kn航速下，自持力较小，且不如中、低航速下的变化显著。3.5 kn航速下，自持力达21 昼夜。在远海大洋执行任务，3周自持力难以满足要求。21 kn航速下，续航力仅为16 h。

图4　不同航速下的水下不间断续航力

图5　不同航速下的自持力

我国新军事战略指出，新海军战略为“近海防御、远海防卫”。为此，潜艇在远海的快速部署能力愈发重要。

计算得到，若以23 kn航速航行400 海里，斯特林发动机需求功率为5533 kW，需安装4 台1500 kW功率斯特林发动机，自持力17.4 h，燃料装载量422 t。

若需要水下不间断航行500 海里，在不同航速下，所需要的燃料装载量见图6。燃料装载量随航速增大而快速增加。3.5 kn航速下，燃料装载量仅需85 t。

图6　以不同航速航行500海里的燃料装载量

3　总体方案

目前，在世界范围内看，800 kW单机功率的斯特林发动机在技术上已经成熟。4 台800 kW功率斯特林发动机可实现2000 t级排水量潜艇19 kn的水下最大航速，且配合使用蓄电池组，水下最大航速还可进一步提高。

在这种动力装置方案下，如果潜艇要实现15～20 天水下不间断航行，水下持续航速必须低于10 kn。如果配合使用蓄电池组，水下不间断续航力可进一步提高。

“苍龙”级排水量3300 t，水下最大航速21 kn，蓄电池组最大功率5910 kW。“阿戈斯塔”级排水量1760 t，水下最大航速20 kn，蓄电池组最大功率3887 kW。“阿穆尔”级排水量2000 t，水下最大航速21 kn，蓄电池组最大功率4900 kW。“哥特兰”级排水量1494 t，水下最大航速20 kn，蓄电池组最大功率4033 kW。

可以参照上述潜艇，选择新型潜艇蓄电池组。2000 t级斯特林发动机潜艇可选择3200～6000 kW功率蓄电池组。

水下最大航速是潜艇非常重要的技战术性能指标。潜艇水下高速航行时的需求功率见图7。

配合使用蓄电池组，图示的水下最大航速可以实现，且水下不间断续航力也可有较大幅度的提高，见图8。3.5 kn航速下，续航力可达2348 海里，自持力4周；21 kn航速下，水下不间断续航力为462海里，自持力近1 昼夜。

图7　潜艇在水下高速航行时的需求功率

图8　配合使用蓄申池组，潜艇水下不间断续航力

对于2000 t级排水量潜艇，4300 kW动力装置功率可实现21 kn水下最大航速。3.5 kn航速下，136 kW动力装置功率可实现503 h自持力和1761 海里水下不间断续航力。蓄电池组仍然是必需的。3300 kW功率蓄电池组，即可保证短时水下最大航速19 kn。

若安装2 台150 kW斯特林发动机，不依靠蓄电池组情况下，潜艇可以4.5 kn航速航行1067海里。若配合使用4300 kW蓄电池组，短时水下最大航速可达21 kn。

若安装4 台150 kW斯特林发动机，要实现短时水下最大航速21 kn，蓄电池组功率为3600 kW。

若安装2 台500 kW斯特林发动机，不依靠蓄电池组情况下，潜艇可以12 kn航速航行748海里；若配合使用3000 kW蓄电池组，短时水下最大航速可达20 kn以上。

若安装4 台500 kW斯特林发动机，潜艇可以16 kn航行592 海里；若配合使用3500 kW蓄电池组，短时水下最大航速可达23 kn。

若安装4 台800 kW或2 台1500 kW斯特林发动机，不依靠蓄电池组情况下，潜艇可以19 kn航行418 海里；若分别配合使用2500和5000 kW蓄电池组，短时水下最大航速分别可达23和25 kn。

MTU公司竞标获得了2 台2100 kW斯特林发动机研制合同。斯特林发动机单机功率增大，可减少安装台数，有利于提高传动和推进效率、降低机械噪声。

4　结束语

2000 t级排水量非核动力潜艇使用斯特林发动机作为朱动力装置，在水下最大航速、水下不间断续航力等技战术性能指标上，都已超过现役非核动力潜艇。随着技术发展，斯特林发动机的单机功率不断增大，为在新型非核动力潜艇上使用创造了条件，具有非常良好的应用前景。

参考文献:

[1] 李大鹏.潜艇AIP装置[M].国防工业出版社,2015.

[2] 金东寒.斯特林发动机技术[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,2009.

[3] 李大鹏,尉斌,陈铝等.基于U-212潜艇的第5代非核动力潜艇初步设计[J].船电技术,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

作者简介：李大鹏（1972-），男，博士后。研究方向：舰船动力装置。

基金项目：教育部第47批归国留学人员科研启动基金，教外司留（2013）第1792号

收稿日期：2015-09-09

中图分类号：U664

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）01-0001-04