斯特林发动机应用于潜艇AIP动力装置的前景展望

2019-01-14伍赛特

装备制造技术 2019年1期

伍赛特

（上海汽车集团股份有限公司，上海200438）

0 引言

斯特林发动机是一种外部供热，气体在不同温度下周期性压缩和膨胀的往复式发动机，由英国物理学家罗伯特·斯特林于1816年发明，并以其名字命名。斯特林发动机属于外燃机中的一类[1]。本文阐述了斯特林发动机的工作过程、自身特点及其在潜艇AIP动力装置范畴的技术发展，对其应用前景进行了研究展望。通过参考斯特林发动机的实际应用现状及对其优劣势的分析，确认了在潜艇AIP系统范畴发展该类动力装置的前景及相应发展趋势，可为科学研究及工程应用提供相关理论依据。

1 斯特林发动机

斯特林发动机内部回路由冷腔、热腔、加热器、冷却器和回热器组成。热腔和冷腔容积变化由做功活塞和活塞式挤出器的协调运动实现。斯特林发动机活塞工作方式与其他活塞式发动机有所不同。加热气缸内，气体工质所需热量则由外部热源传入。通过工质在高温下膨胀和低温下压缩，实现发动机有用功率的输出[2]。

斯特林发动机在一些领域，如不具备大气空气供给情况下，具有的良好应用前景，如水下航行器和航天飞行器等，也是传统热力发动机不能使用的领域。这些应用场合下，斯特林发动机工作可不受周围环境条件的影响，不仅能够提供推进所需功率，还可满足其他动力或电力需求。这些情况下，对动力装置功率水平、工作持续时间、使用寿命等指标参数的要求具备非常广泛的范围。对于低功率和较短工作持续时间的应用场合，可使用蓄电池。但如果功率水平较高且需要长时间工作和较长的使用寿命，如潜艇动力装置，蓄电池无法完全满足要求[3]。尽管核动力装置无疑是最适宜的潜艇动力装置，但在中等功率水平下，从经济性、造价、功率密度等角度来看，斯特林发动机有其自身的优势。

2 斯特林发动机的优势

斯特林发动机之所以在一些特定领域占有一席之地，与其具有的一些特点分不开，包括：

（1）用外燃式加热或外热源供热，燃烧室在外部，燃烧过程与工质无关，几乎可以使用任何类型高温热源，如碳氢燃料化学能、太阳能辐射能、核能等。

（2）可使用多种碳氢燃料，对其品质没有严格要求，如含灰量、十六烷值、辛烷值等，燃料成本低。当使用传统柴一电动力潜艇燃料时，对于岸上油料保障没有特别要求。该点相比燃料电池动力装置而言具有无可比拟的优势，对于提高潜艇技术保障和战斗稳定性十分有利。

（3）运行时，由于燃料在气缸外燃烧室内连续燃烧，独立于燃气的工质通过加热器吸热，工质不参与燃烧且燃烧过程连续，避免了内燃机的爆震做功和间歇燃烧[4-5]，且无进、排气阀，可以实现高效、低噪和低排放运行。排气温度低、毒性小，主要成分是二氧化碳和水蒸气。

（4）在部分负荷工况下，依然有着较高的热效率。

（5）向潜艇舱室的散热小，优化了机组人员的工作环境。

（6）润滑油消耗少，并且润滑油不与燃烧产物接触，不会被氧化。

（7）整机结构简单，无需专门的点火系统，零件数目比内燃机少40%，维护成本低。

（8）寿命较长，比燃料电池动力装置高出3～8倍。

3 斯特林发动机的劣势

相比内燃机而言，斯特林发动机制造工艺及制造成本较高[6]、其密封件的密封性、可靠性及耐久性存在一定问题、功率调节控制系统较为复杂[7]、整机重量和尺寸偏大[8]，但上述问题可通过使用新材料和开发新技术加以解决，保证斯特林发动机在高温下可靠工作。

4 潜艇用斯特林发动机AIP装置

综上所述，斯特林发动机非常适合作为潜艇AIP动力装置发动机。斯特林发动机可用氢气、氮气、氦气或空气作为工质，氦气应用较多。废气首先进入排气冷却器，分离出水蒸汽，由于燃烧室压力高于周围海水压力，废气可以不经过压缩直接排向舷外[9]。

斯特林发动机潜艇水下续航力取决于液氧罐容积。斯特林发动机技术成熟、运转平稳、振动小、红外特征弱，但输出功率较低，只能保证潜艇水下低速航行。

国外曾对斯特林发动机动力装置对潜艇战斗性能的评估结果。相关评估是在潜艇满载柴油燃料和液氧，且蓄电池充满电的前提条件下进行的。评估结果为斯特林发动机可使潜艇以经济航速进行水下航行，确保全舰的机动性能[10]。

5 斯特林发动机AIP装置的具体应用及技术发展

早期，民主德国“透平发动机综合设备”公司曾研制了2 100 kW功率潜艇用斯特林发动机。氧化剂使用六氟化硫（SF6），刚性容器储存在耐压壳体外。处于舷外水温度和压力下的氧化剂蒸汽压力足够高，自可保证向燃烧室巾输送氧化剂，无需泵和蒸发器。燃料使用金属锂。

美国通用动力公司研制了与类似的潜艇斯特林发动机动力装置，实验时间长达100 h。动力装置长为6 m，宽为2.5 m，高为3 m。斯特林发动机为75 kW功率的斜盘传动式斯特林发动机，氦气或氩气工质工作压力为11 MPa，转速为1 500 r/min。动力装置有6个直径为210 mm、长为1 250 mm的不锈钢化学反应器，每台装填15 kg锂。系统总能量容量为1 200 kW·h。通过工质平均压力和转速，调节斯特林发动机输出功率。

在英国，根据海军部要求，对执行不同任务潜艇的动力装置进行了结构方案设计和实验研究，参加斯特林发动机研究的组织和机构有英国科学研究委员会、斯特林发动机工程研究中心等。研究认为，斯特林发动机不仅可作为潜艇主动力和辅助动力装置，也可用于水面舰艇和使用煤炭为燃料的陆上动力装置。但是根据英国专家的观点，这种动力装置需要大量改进以提高其效率和可靠性。

英国制定了很广泛的研究计划，对定型的斯特林发动机及其零部件进行了实验台架研究，

对斯特林发动机的热力过程进行数学建模，寻找新型结构材料。这些研究工作都是在现有的用作发电机原动机的瑞典P-40型斯特林发动机上进行的。P-40型斯特林发动机为立式双缸型式，使用15 MPa压力下氦气为工质。加热器进行保温处理，热量由加热器传热管输入，传热管内填充金属钠。

目前，在斯特林发动机设计、制造和应用领域最为成功的是瑞典考库姆公司、萨伯·巴乌埃勒公司和联合斯特林公司，其中，1968年成立的瑞典联合斯特林公司在斯特林发动机装置研制方面最负盛名。该公司从购买荷兰飞利浦公司的专利开始。为给潜艇和水下航行器动力装置研制斯特林发动机，公司与考库姆公司合作，组建了合资企业——“萨伯·巴乌埃勒”公司，研制生产了多种型号斯特林发动机。

1983年，考库姆公司成功研制了75 kW功率潜艇斯特林发动机，并进行了运行试验[11]。1985年后，又相继研制成功几种型号潜艇用斯特林发动机，并在浮动实验平台上进行了运行试验和性能鉴定。1988年。两台V4-275R型斯特林发动机被安装在瑞典海军排水量为1 000 t的“水怪”级潜艇上，并进行了海试，试验持续近1年，潜艇航行总计5 000 h。

日本防卫厅技术研究部也积极开展潜艇用斯特林发动机研制工作。1991年，日本采购了V4-275R-II型斯特林发动机。之后，川崎重工义与考库姆公司合作完成了斯特林发动机的试验，将其安装在排水量2 700 t的“苍龙”级新型潜艇上。新型潜艇如果安装4台斯特林发动机，可获得300 kW推进功率，比在役的“春潮”级水下活动时间延长5～7倍。

6 斯特林发动机AIP装置的应用前景展望

6.1 斯特林发动机AIP装置的应用前景展望

现代非核动力潜艇是可以携带多种武器装备的高效海上作战平台。随着潜艇技术的发展，各国传统非核动力潜艇的技战术性能越来越接近。各国都在发展安装AIP装置的非核动力潜艇。据专家预测，未来5～7年内，如果非核动力潜艇未装备AIP装置，在日益增强的反潜力量威胁下。非核动力潜艇将不能有效履行自身的战术使命。相应地，世界潜艇市场上，未装备AIP装置的非核动力潜艇出口前景也不容乐观[12]。

目前主要的几类AIP装置中，斯特林发动机由于自身技术特点，有望成为21世纪AIP潜艇的首选动力装置。目前，国外相关公司已就建造基于斯特林发动机的非核动力潜艇开展研究与合作，表现在为现有潜艇加装斯特林发动机AIP装置，以及第五代非核动力潜艇的研制上，尤其是对于以采用全工况（水面航行和水下航行）单一发动机为动力装置特征的第五代非核动力潜艇。斯特林发动机由于其功率水平、造价、功率密度、噪声指标等参数全面优于其他AIP装置，成为第五代非核动力潜艇动力装置的不二选择，并且诞生了“斯特林潜艇”这一专属名词。

考虑到作为世界潜艇市场主要供货商的西欧国家，其大部分潜艇在武器系统、无线电电子设备等都处于相似或相同的情况，未来潜艇竞争力主要取决于其动力装置，要点在于其是否采用AIP装置。在已知可作为AIP动力的动力装置中，斯特林发动机以其特有的优点，成为现在和未来非核动力潜艇动力装置的最佳选择，主要体现在：

（1）斯特林发动机气缸中没有爆燃过程，不需气体分配阀门机构，工质流动过程平稳，工作过程中噪声水平很低，声学隐蔽性很好，这是作为潜艇实现其隐蔽性的重要指标。

（2）斯特林发动机效率高达40%，高于大部分动力装置。

（3）作为外燃机的斯特林发动机可使用多种燃料，如柴油、液化天然气、煤油等均可。

（4）使用传统燃料工作的斯特林发动机无需岸上专用设施，与采用燃料电池的AIP潜艇不同，斯特林发动机AIP潜艇可以使用海军基地的现有设施，且在必要情况下，还可以使用设施不健全的海军基地或民用港口，这就有效提高了潜艇的机动性和战斗稳定性。

（5）当前斯特林发动机使用寿命较长，比燃料电池等高出3～8倍。

（6）潜艇全寿命使用周期内（25～30年），与采用电化学发电机AIP装置潜艇相比，采用斯特林发动机AIP装置的潜艇可减小35%～40%的潜艇保有量。

由此可见，斯特林发动机是非核动力潜艇AIP装置最有竞争力的选择。目前，斯特林发动机AIP潜艇经济航速下水下自持力已经可以达到30～45昼夜，在不远的将来，斯特林发动机可作为单一全工况（包括水面和水下航行工况）发动机，保证所有工况范围内的动力和电力需求。

由于在其他类型动力装置面前斯特林发动机所表现出的优势，可以采用斯特林发动机作为种类型非核动力潜艇动力装置，包括小排水量、中排水量和大排水量非核动力潜艇，以及各种用于海洋地理、资源勘探、生态研究、海难调查等用途的水下航行器动力装置。

6.2 斯特林发动机AIP装置所使用的燃料展望

经过多年理论和实验研究，在船用斯特林发动机及其相关设备设计和使用上已经取得了显著进步，获得了大量经验。在不远的将来，采用斯特林发动机的AIP潜艇将可以水下不问断安全航行达数月之久。对于AIP潜艇斯特林发动机所使用的燃料和氧化剂储存与制备方面也进行了大量研究。燃料和氧化剂可首选天然气和氧。如果斯特林发动机在工作中使用诸如液化天然气和氧这类燃料和氧化剂，就不应将其归属为传统潜艇动力装置，在其使用和工作以及保障动力装置工作的燃料和氧化剂岸上储存与制备过程中，应给予一定的技术重视。

在瑞典考库姆公司的斯特林发动机AIP装置技术基础上，采用液化天然气作为燃料具有较好的前景。由于其独特的物理化学特性，液化天然气被称为“21世纪的非核动力潜艇燃料”。使用液化天然气作为斯特林发动机AIP潜艇燃料，具有储量丰富、蕴藏分布广、价格便宜、运输便捷、储存方便、燃烧产物易于处理、潜艇排气尾迹小、发动机冷却回路的冷却剂温度低于潜艇舷外海水的温度（全舰热特征小）、循环效率高等优点。

如果斯特林发动机AIP装置采用低温液化燃料（液化天然气）和低温液化氧化剂（液氧），则需配备有专门的岸上制备、储存和加注设施。该方面的技术较为成熟，工业设施齐备。另外一种技术方案是采用斯特林制冷机。斯特林制冷机用于在外部冷却过程中压缩气体。天然气压缩过程可以在大气压力下进行，不需要进行预压缩。使用斯特林制冷机压缩天然气可使得压缩装置有效简化，且有较高的紧凑性。

海军采用斯特林制冷机压缩天然气的意义在于可以将低压天然气进行100%的压缩，这样就可以利用广泛分布的民用低压天然气输气和供气网络，从大型海军基地到小的补给场站都可以为AIP潜艇加注液化天然气。岸上液化天然气制备设施应与AIP潜艇部队配套建设。液化天然气制备设施可采用模块化设计，使用串联式多缸斯特林制冷机。根据潜艇AIP装置对液化天然气的加注流量要求，在加注模块中使用3～10台斯特林制冷机，可保证高达1 m3/h的加注流量。

6.3 斯特林发动机AIP装置的产业化展望

斯特林发动机动力装置的技术经济效率分析，可借鉴成熟的动力装置技术经济效率分析方法。动力装置费用主要由制造和使用费用组成。装置造价包含了以下部分：结构研制费用、设备投资费用、生产成本、材料费用、使用费用和技术服务费用等，其中很多组成项目都与生产规模有关。要实现斯特林发动机制造的产业化，国家的支持与扶植是不可成缺的。斯特林发动机大规模生产可通过以下途径实现：

（1）通过国家预算对斯特林发动机项目直接资助，或采取股份制投资；

（2）从税收、用地、贷款等方面对斯特林发动机项目间接支持。