李大鵬，尉 斌，陳 鋁，唐成旺，肖常碩，董安輝

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院, 武漢 430033)

基于U-212潛艇的第5代非核動(dòng)力潛艇初步設(shè)計(jì)

李大鵬，尉 斌，陳 鋁，唐成旺，肖常碩，董安輝

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院, 武漢 430033)

提出了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)以其在潛艇AIP裝置上的綜合性能優(yōu)勢(shì)，將是第5代非核動(dòng)力潛艇動(dòng)力裝置的首要選擇。以德國(guó)U-212級(jí)潛艇為設(shè)計(jì)原型，對(duì)使用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的第5代非核動(dòng)力潛艇進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，通過估算，得到了潛艇動(dòng)力裝置功率與潛艇排水量、航速之間的關(guān)系，給出了在不同潛艇排水量下的動(dòng)力裝置需求功率、最大水下航速、經(jīng)濟(jì)航速、續(xù)航力等技戰(zhàn)術(shù)參數(shù)。

U-212 第5代非核動(dòng)力潛艇 斯特林發(fā)動(dòng)機(jī) AIP 初步設(shè)計(jì)

0 引言

為延長(zhǎng)潛艇水下不間斷航行時(shí)間、提高隱蔽性，世界主要潛艇建造國(guó)家紛紛研發(fā)和使用了潛艇水下航行時(shí)不依賴外界空氣供給的動(dòng)力裝置，簡(jiǎn)稱“AIP（Air Independent Propulsion Power Plant）裝置”。采用AIP裝置的非核動(dòng)力潛艇也稱“AIP潛艇”。

目前，世界各國(guó)第4代非核動(dòng)力潛艇基本都安裝有AIP裝置作為輔助動(dòng)力裝置，一些先進(jìn)的潛艇建造國(guó)家已經(jīng)開始研發(fā)第5代非核動(dòng)力潛艇。第5代非核動(dòng)力潛艇的最大特點(diǎn)，是水面和水下航行狀態(tài)下都采用單一的全工況發(fā)動(dòng)機(jī)，這表明AIP裝置已經(jīng)作為潛艇主動(dòng)力裝置，且是唯一的動(dòng)力裝置。

AIP潛艇使用情況表明：斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于其他類型AIP裝置具有綜合優(yōu)勢(shì)。瑞典、日本都選擇了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)作為潛艇AIP裝置方案。2004年，德國(guó)“德國(guó)造船”公司并購(gòu)了瑞典“考庫(kù)姆—耐威爾”造船系統(tǒng)公司，從而獲得了該公司的潛艇斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。

德國(guó)海軍AIP發(fā)展路線已從電化學(xué)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)向斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，原因在于：1）電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置造價(jià)比斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)高8～10 倍；2）電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置AIP潛艇岸上儲(chǔ)氫和充注設(shè)施昂貴，而斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)使用傳統(tǒng)燃料，可使用現(xiàn)有的基地設(shè)施；3）斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命可達(dá)80000 h，是最好的電化學(xué)發(fā)電機(jī)的12 倍；4）非核動(dòng)力潛艇整個(gè)壽期內(nèi)（一般為30 年），斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)無需更換，相比電化學(xué)發(fā)電機(jī)潛艇，潛艇數(shù)目可減少35～40 %；5）相同條件下，電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置質(zhì)量要比斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)裝置大得多；6）如果第5代非核動(dòng)力潛艇采用單一的電化學(xué)發(fā)電機(jī)裝置，裝置功率要在3 MW以上，這種潛艇的造價(jià)、岸上設(shè)施及使用費(fèi)用將非常昂貴，甚至超過核動(dòng)力潛艇；7）瑞典“哥特蘭”級(jí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)潛艇不間斷水下航行時(shí)間20 晝夜，而德國(guó)U-212A級(jí)電化學(xué)發(fā)電機(jī)潛艇僅為14 晝夜。

由上述分析可見，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)將成為第5代非核動(dòng)力潛艇動(dòng)力裝置的不二選擇。

1 動(dòng)力裝置功率估算

在其初始設(shè)計(jì)階段，動(dòng)力裝置功率與排水量、航速關(guān)系是重點(diǎn)內(nèi)容。艦船初始設(shè)計(jì)階段，使用海軍部系數(shù)，衡量所需功率與排水量、航速之間關(guān)系[1]

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)。

見表1[2,3]。本研究以U-212級(jí)潛艇為設(shè)計(jì)原型，取其海軍部系數(shù)。通過艇型優(yōu)化和提高制造工藝，海軍部系數(shù)可選較大值。

表1 各國(guó)現(xiàn)役AIP潛艇主要參數(shù)

U-212潛艇海軍部系數(shù)CM與航速VS關(guān)系見圖1。海軍部系數(shù)取值范圍，如表2。

圖1 海軍部系數(shù)與航速關(guān)系

國(guó)外潛艇設(shè)計(jì)時(shí)，一般設(shè)定參數(shù)如下：排水量2000 t、生活負(fù)載100 kW。新型潛艇水下排水量可設(shè)為1000 t、1500 t、2000 t和2500 t等4個(gè)型號(hào)，生活、輔機(jī)、無線電和電子設(shè)備等用戶消耗功率仍假設(shè)為100 kW。

表2 海軍部系數(shù)

圖2和圖3給出了不同排水量下，根據(jù)海軍部系數(shù)計(jì)算得到的水下最大航速和水下經(jīng)濟(jì)航速與動(dòng)力裝置需求功率之間的關(guān)系。

2 水下不間斷續(xù)航力

依據(jù)國(guó)外現(xiàn)役潛艇燃料攜載量與水下排水量的關(guān)系，可以得到燃料攜載量與水下排水量的關(guān)系，見表3[4,5]。

圖2 水下最大航速與需求功率關(guān)系

圖3 水下經(jīng)濟(jì)航速與需求功率關(guān)系

表3 水下排水量與燃料攜載量

燃料攜載量一般為水下排水量的10 %左右。減少斯特林機(jī)臺(tái)數(shù)，可為攜帶燃料和氧化劑節(jié)約空間。本文將第5代非核動(dòng)力潛艇燃料搭載量設(shè)定為水下排水量的15 %。

潛艇以柴油為燃料，以氧氣為氧化劑，氧采用液態(tài)方式儲(chǔ)存，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)燃耗率0.293 kg/(kW·h)，燃料體積消耗率0.348 l/(kW·h)，氧耗率1.002 kg/(kW·h)，氧氣體積消耗率0.894 l/(kW·h)，裝置效率30 %，氧耗與柴油消耗質(zhì)量比3:1[1]。

計(jì)算得到不同排水量潛艇的燃料和液氧攜載量，見表4。進(jìn)而得到潛艇水下不間斷續(xù)航力與航速之間的關(guān)系，見圖4。

可見，最大水下航速下的水下不間斷續(xù)航力沒有明顯差別，但在經(jīng)濟(jì)巡航航速時(shí)，水下不間斷續(xù)航力的差距明顯，且最大水下不間斷續(xù)航力時(shí)的航速也有所不同。

潛艇排水量1000～1500 t，自持力2～3周，最大水下不間斷續(xù)航力2000海里，相比大多數(shù)現(xiàn)役非核動(dòng)力潛艇，不具備明顯優(yōu)勢(shì)。

潛艇排水量2000～2500 t，自持力4～5周，最大水下不間斷續(xù)航力2000 海里，相比現(xiàn)役非核動(dòng)力潛艇，具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，且可搭載更多武器和電子設(shè)備，人員工作和生活條件好，具有更高的作戰(zhàn)潛力。

表4 不同排水量潛艇的燃料和液氧攜載量

圖4 水下不間斷續(xù)航力與航速關(guān)系

3 動(dòng)力裝置功率需求分析

排水量和水下最大航速增大，需求功率相應(yīng)增加，在所研究排水量范圍內(nèi)不超過7000 kW，經(jīng)濟(jì)航速下為200 kW左右。

水下最大航速為潛艇最重要的技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)之一。為保證第5代非核動(dòng)力潛艇水下最大航速不低于21 kn，動(dòng)力裝置短時(shí)最大發(fā)出功率不應(yīng)低于4000 kW。見圖5。

圖5 總需求功率與水下最大航速、排水量關(guān)系

蓄電池組可達(dá)短時(shí)功率5000 kW，見表5。設(shè)定第五代非核動(dòng)力潛艇裝備5000 kW蓄電池組，作為應(yīng)急和水下最大航速航行時(shí)使用，可使水下航速短時(shí)達(dá)23 kn以上。

潛艇水下排水量1500 t，動(dòng)力裝置需求功率3500 kW，航速22 kn；動(dòng)力裝置150 kW功率，可使?jié)撏б?～5 kn航速，水下不間斷續(xù)航力1900 海里；潛艇10 kn航速下，需求功率400 kW，水下不間斷續(xù)航力1300 海里；潛艇15 kn航速下，需求功率1200 kW。

根據(jù)目前斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)水平，若1500 t排水量潛艇安裝有4 臺(tái)單機(jī)功率75 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)裝備短時(shí)最大輸出功率3500 kW的蓄電池組，可以滿足潛艇動(dòng)力需求，但當(dāng)航速超過10 kn，蓄電池組電量消耗較快，水下不間斷續(xù)航力大大降低。

表5 現(xiàn)役潛艇蓄電池組功率

1500 t排水量潛艇裝備4 臺(tái)單機(jī)功率300 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，可在只使用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、而不消耗蓄電池組電量情況下，達(dá)到15 kn的航速；如果安裝備4 臺(tái)單機(jī)功率100 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，可滿足潛艇10 kn航速長(zhǎng)時(shí)間航行的需求；如果再裝備3500 kW蓄電池組，潛艇水下最大航速可達(dá)22 kn。

2000 t排水量潛艇，航速22kn，動(dòng)力裝置需求功率4300 kW；3～5 kn航速，需求功率160 kW，最大水下不間斷續(xù)航力2400 海里；10 kn航速，需求功率500 kW，水下不間斷續(xù)航力1500 海里；15 kn航速，需求功率1500 kW。

2000 t排水量潛艇裝備4 臺(tái)100 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，在非經(jīng)濟(jì)航速下，水下不間斷續(xù)航力過??；而要使?jié)撏г谥灰揽克固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)且不消耗蓄電池組電量實(shí)現(xiàn)15 kn航速，需安裝4 臺(tái)單機(jī)功率380 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。

2000 t排水量潛艇安裝4 臺(tái)單機(jī)功率125 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，在只依靠斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)且不消耗蓄電池組電量的情況下，水下航速達(dá)10 kn，同時(shí)使用短時(shí)最大功率4000 kW蓄電池組，水下最大航速達(dá)22 kn。

潛艇排水量2500 t，航速22 kn，動(dòng)力裝置需求功率5000 kW；3～5節(jié)航速下，需求功率180 kW，最大水下不間斷續(xù)航力2850 海里；10 kn航速，需求功率600 kW，水下不間斷續(xù)航力1670海里；15 kn航速，需求功率1700 kW。

在不消耗蓄電池組電量的情況下，2500 t排水量潛艇水下航速15 kn，需要安裝4 臺(tái)單機(jī)功率430 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)；若只依靠斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)組，且不消耗蓄電池組電量，航速10 kn，需要安裝4 臺(tái)單機(jī)功率150 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)；若同時(shí)使用短時(shí)最大功率5000 kW蓄電池組，最大水下航速達(dá)22 kn。

丹麥、挪威和瑞典三國(guó)聯(lián)合研發(fā)的“維京”級(jí)潛艇將安裝單臺(tái)功率800 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。日本三菱公司為新型非核動(dòng)力潛艇研制的新型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)已完成測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)功率超過600 kW。

德國(guó)MAN公司為新型非核動(dòng)力潛艇設(shè)計(jì)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)功率為700 kW。此外，MTU公司還獲得了2 臺(tái)總功率2100 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)裝置研發(fā)合同。

4 小結(jié)

隨著技術(shù)進(jìn)步，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)單機(jī)功率持續(xù)提高，在潛艇領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

第5代非核動(dòng)力潛艇排水量選為2500 t，裝備4 臺(tái)單臺(tái)功率800 kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，在只依靠斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，且不消耗蓄電池組電量情況下，實(shí)現(xiàn)20 kn以上最大水下航速，同時(shí)配合使用短時(shí)功率5000 kW蓄電池組，可實(shí)現(xiàn)不低于24 kn最大水下航速，且機(jī)動(dòng)性、水下不間斷續(xù)航力等技戰(zhàn)術(shù)性能指標(biāo)遠(yuǎn)超現(xiàn)役非核動(dòng)力潛艇。

[1] Кормилицин Ю.Н., Хализев О.А. Проектирование подводных лодок[M]. СПб: СПбГМТУ, 1998.

[2] Дядик А.Н. Корабельные воздухонезависимые энергетические установки[M]. СПб: Судостроение, 2006.

[3] Худяков Л.Ю. Подводные лодки XXI века[M]. СПб.: Изд. СПМБМ Малахит, 1994.

[4] Кормилицин Ю.Н. Подводная лодка проект 877[J]. Военный парад, июль-август, 1994.

[5] Платонов В.А. подводные лодки[M]. СПб: Полигон, 2002.

Preliminary Design of the Fifth Generation of No-nuclear Submarine Based on Class U-212 Submarine

Li Dapeng, Wei Bin, Chen Lyu, Tang Chenwang, Xiao Changshuo, Dong Anhui
(Naval university of engineering, Hubei Wuhan 430033, China)

With comprehensive characteristic advantages, Stirling engine AIP plants became the first choice of fifth generation of no-nuclear submarine power plant. Germany U-212 submarine is used as design prototype. By the estimation, relationships between the power of submarine power plant and submarine mass and navigation speed are obtained. Technical and tactical parameters of fifth of generation of no-nuclear submarine, such as required power of submarine power plant, maximal underwater navigation speed, economical underwater navigation speed, underwater no-interrupted navigation distance and others are proposed.

U-212; 5th generation of no-nuclear submarine; Stirling engine; AIP; preliminary design

U 674

A

1003-4862（2015）04-0022-04

2014-12-09

本文受“教育部第47批歸國(guó)留學(xué)人員科研啟動(dòng)基金”支持，教外司留（2013）第1792號(hào)

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