常规潜艇的AIP装置

时间:2019-10-06  点击次数:   

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  其有闭式循环柴油机(CCD)AIP、斯特林发动机(SE)AIP、燃料电池(FC)AIP以及小型核动力(AMPS)AIP等四种种方案。四种方案的优劣如下:

  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0.2~0.5Mpa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30bar),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。

  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,菲律宾外长罕见对华示好 外媒称菲方有事想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),且未燃烧的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?O2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。

  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,而液氢要比液氧贮存条件苛刻得多。

  小型核动力AIP系统又称为自持式船用核反应堆发电装置,加拿大ECSA公司从80年代初即开始了小型核动力AIP系统的研究工作,至今已先后研究成三种型号。该公司计划将AMPS-400型系统装于1000吨级潜艇,AMPS-1000型装于2000吨潜艇上。

  CCD-AIP中,柴油机本身几乎无需作重大改进,买了弹子石江景房的赚到了!对面的江北,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, 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 核电混合推进系统(SSN/AIP)的研制工作也在不断推进和深入,加拿大在此类AIP系统的研究方面走在了世界各国的前面,其研制的AMPS型核电混合推进系统即将迈入实用阶段。但必须指出的是,目前无论哪种AIP系统,其输出功率均不能满足常规潜艇水下最大航速航行的需求。只有将AIP系统与当前潜艇的“柴电”动力装置组合在一起,构成混合推进装置才具备实用价值。


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