李大鵬，尉 斌，陳 鋁，唐成旺，肖常碩，董安輝

(海軍工程大學 動力工程學院, 武漢 430033)

基于U-212潛艇的第5代非核動力潛艇初步設計

李大鵬，尉 斌，陳 鋁，唐成旺，肖常碩，董安輝

(海軍工程大學 動力工程學院, 武漢 430033)

提出了斯特林發(fā)動機以其在潛艇AIP裝置上的綜合性能優(yōu)勢，將是第5代非核動力潛艇動力裝置的首要選擇。以德國U-212級潛艇為設計原型，對使用斯特林發(fā)動機的第5代非核動力潛艇進行初步設計，通過估算，得到了潛艇動力裝置功率與潛艇排水量、航速之間的關系，給出了在不同潛艇排水量下的動力裝置需求功率、最大水下航速、經濟航速、續(xù)航力等技戰(zhàn)術參數。

U-212 第5代非核動力潛艇 斯特林發(fā)動機 AIP 初步設計

0 引言

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

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

AIP潛艇使用情況表明：斯特林發(fā)動機對于其他類型AIP裝置具有綜合優(yōu)勢。瑞典、日本都選擇了斯特林發(fā)動機作為潛艇AIP裝置方案。2004年，德國“德國造船”公司并購了瑞典“考庫姆—耐威爾”造船系統公司，從而獲得了該公司的潛艇斯特林發(fā)動機技術。

德國海軍AIP發(fā)展路線已從電化學發(fā)電機轉向斯特林發(fā)動機，原因在于：1）電化學發(fā)電機裝置造價比斯特林發(fā)動機高8～10 倍；2）電化學發(fā)電機裝置AIP潛艇岸上儲氫和充注設施昂貴，而斯特林發(fā)動機使用傳統燃料，可使用現有的基地設施；3）斯特林發(fā)動機使用壽命可達80000 h，是最好的電化學發(fā)電機的12 倍；4）非核動力潛艇整個壽期內（一般為30 年），斯特林發(fā)動機無需更換，相比電化學發(fā)電機潛艇，潛艇數目可減少35～40 %；5）相同條件下，電化學發(fā)電機裝置質量要比斯特林發(fā)動機裝置大得多；6）如果第5代非核動力潛艇采用單一的電化學發(fā)電機裝置，裝置功率要在3 MW以上，這種潛艇的造價、岸上設施及使用費用將非常昂貴，甚至超過核動力潛艇；7）瑞典“哥特蘭”級斯特林發(fā)動機潛艇不間斷水下航行時間20 晝夜，而德國U-212A級電化學發(fā)電機潛艇僅為14 晝夜。

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

1 動力裝置功率估算

在其初始設計階段，動力裝置功率與排水量、航速關系是重點內容。艦船初始設計階段，使用海軍部系數，衡量所需功率與排水量、航速之間關系[1]

其中，N—動力裝置功率，kW；?—航速，kn；D—排水量，t；C—海軍部系數。

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

表1 各國現役AIP潛艇主要參數

U-212潛艇海軍部系數CM與航速VS關系見圖1。海軍部系數取值范圍，如表2。

圖1 海軍部系數與航速關系

國外潛艇設計時，一般設定參數如下：排水量2000 t、生活負載100 kW。新型潛艇水下排水量可設為1000 t、1500 t、2000 t和2500 t等4個型號，生活、輔機、無線電和電子設備等用戶消耗功率仍假設為100 kW。

表2 海軍部系數

圖2和圖3給出了不同排水量下，根據海軍部系數計算得到的水下最大航速和水下經濟航速與動力裝置需求功率之間的關系。

2 水下不間斷續(xù)航力

依據國外現役潛艇燃料攜載量與水下排水量的關系，可以得到燃料攜載量與水下排水量的關系，見表3[4,5]。

圖2 水下最大航速與需求功率關系

圖3 水下經濟航速與需求功率關系

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。減少斯特林機臺數，可為攜帶燃料和氧化劑節(jié)約空間。本文將第5代非核動力潛艇燃料搭載量設定為水下排水量的15 %。

潛艇以柴油為燃料，以氧氣為氧化劑，氧采用液態(tài)方式儲存，根據經驗，設定斯特林發(fā)動機燃耗率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 %，氧耗與柴油消耗質量比3:1[1]。

計算得到不同排水量潛艇的燃料和液氧攜載量，見表4。進而得到潛艇水下不間斷續(xù)航力與航速之間的關系，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，但在經濟巡航航速時，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，相比大多數現役非核動力潛艇，不具備明顯優(yōu)勢。

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，相比現役非核動力潛艇，具有明顯的性能優(yōu)勢，且可搭載更多武器和電子設備，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)航力與航速關系

3 動力裝置功率需求分析

排水量和水下最大航速增大，需求功率相應增加，在所研究排水量范圍內不超過7000 kW，經濟航速下為200 kW左右。

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

圖5 總需求功率與水下最大航速、排水量關系

蓄電池組可達短時功率5000 kW，見表5。設定第五代非核動力潛艇裝備5000 kW蓄電池組，作為應急和水下最大航速航行時使用，可使水下航速短時達23 kn以上。

潛艇水下排水量1500 t，動力裝置需求功率3500 kW，航速22 kn；動力裝置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。

根據目前斯特林發(fā)動機的技術水平，若1500 t排水量潛艇安裝有4 臺單機功率75 kW斯特林發(fā)動機，同時裝備短時最大輸出功率3500 kW的蓄電池組，可以滿足潛艇動力需求，但當航速超過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 現役潛艇蓄電池組功率

1500 t排水量潛艇裝備4 臺單機功率300 kW斯特林發(fā)動機，可在只使用斯特林發(fā)動機、而不消耗蓄電池組電量情況下，達到15 kn的航速；如果安裝備4 臺單機功率100 kW斯特林發(fā)動機，可滿足潛艇10 kn航速長時間航行的需求；如果再裝備3500 kW蓄電池組，潛艇水下最大航速可達22 kn。

2000 t排水量潛艇，航速22kn，動力裝置需求功率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100 kW斯特林發(fā)動機，在非經濟航速下，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)動機且不消耗蓄電池組電量實現15 kn航速，需安裝4 臺單機功率380 kW斯特林發(fā)動機。

2000 t排水量潛艇安裝4 臺單機功率125 kW斯特林發(fā)動機，在只依靠斯特林發(fā)動機且不消耗蓄電池組電量的情況下，水下航速達10 kn，同時使用短時最大功率4000 kW蓄電池組，水下最大航速達22 kn。

潛艇排水量2500 t，航速22 kn，動力裝置需求功率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 臺單機功率430 kW斯特林發(fā)動機；若只依靠斯特林發(fā)動機組，且不消耗蓄電池組電量，航速10 kn，需要安裝4 臺單機功率150 kW斯特林發(fā)動機；若同時使用短時最大功率5000 kW蓄電池組，最大水下航速達22 kn。

丹麥、挪威和瑞典三國聯合研發(fā)的“維京”級潛艇將安裝單臺功率800 kW斯特林發(fā)動機。日本三菱公司為新型非核動力潛艇研制的新型斯特林發(fā)動機已完成測試，發(fā)動機功率超過600 kW。

德國MAN公司為新型非核動力潛艇設計的斯特林發(fā)動機功率為700 kW。此外，MTU公司還獲得了2 臺總功率2100 kW斯特林發(fā)動機裝置研發(fā)合同。

4 小結

隨著技術進步，斯特林發(fā)動機單機功率持續(xù)提高，在潛艇領域具有良好的應用前景。

第5代非核動力潛艇排水量選為2500 t，裝備4 臺單臺功率800 kW斯特林發(fā)動機，在只依靠斯特林發(fā)動機，且不消耗蓄電池組電量情況下，實現20 kn以上最大水下航速，同時配合使用短時功率5000 kW蓄電池組，可實現不低于24 kn最大水下航速，且機動性、水下不間斷續(xù)航力等技戰(zhàn)術性能指標遠超現役非核動力潛艇。

[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批歸國留學人員科研啟動基金”支持，教外司留（2013）第1792號

李大鵬(1972-)，男(漢)，博士后。研究方向：艦船動力裝置。