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国产大功率斯特林发动机研制成功,引发AIP潜艇技术革命

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据《中国船舶报》12月21日消息,由707所牵头研发的国产大功率斯特林机取得成功,这是我国首台大口径斯特林发动机原型机,以320千瓦的额定单机功率坐稳了世界第一的位置,同时还有40%的热功转换效率。众所周知斯特林机最常见的用途就是常规潜艇的AIP动力,在大功率斯特林机上取得突破也意味着我军在常规潜艇的动力系统上,也夺下了全球最强的桂冠。
据《中国船舶报》12月21日消息,由707所牵头研发的国产大功率斯特林机取得成功,这是我国首台大口径斯特林发动机原型机,以320千瓦的额定单机功率坐稳了世界第一的位置,同时还有40%的热功转换效率。众所周知斯特林机最常见的用途就是常规潜艇的AIP动力,在大功率斯特林机上取得突破也意味着我军在常规潜艇的动力系统上,也夺下了全球最强的桂冠。

 

 

斯特林发动机是英国物理学家罗巴特斯特林(Robert Stirling) 于1816年发明的,所以命名为“斯特林发动机”(Stirlingengine)。斯特林发动机是通过气缸内工作介质(氢气或氦气)经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力,因此又被称为热气机。

 

斯特林发动机作为一种闭式循环往复式动力机械,其理论效率与卡诺循环效率相等,为所有热力循环所能达到的最高效率。同时,作为一种外部供热的闭式循环动力机械,斯特林发动机可与常规能源、核能等任意热源相结合,结构形式灵活多变,在兆瓦功率等级范围内具有结构紧凑、系统简单、启动迅速、可模块化布置等显著优势。特别是与钠冷快堆等金属堆相结合,可从根本上杜绝传统钠冷快堆发电系统中钠水反应的风险,具有本质上的高安全性。

 

斯特林发动机AIP系统简称SE/AIP,主要是由斯特林发动机、发电机、液氧系统、供油系统、冷却系统、工质系统和控制系统等组成。SE/AIP系统的工作过程是:在燃烧室内,氧气和燃油持续燃烧,燃烧的火焰将加热器加热,由加热器把热能不断地传递给流经其内部的工作介质,介质吸收热量膨胀做功,推动活塞运动,再通过曲柄、连杆机构变往复运动为旋转运动,使曲轴旋转并输出功率。

 

 

不依赖空气推进系统(AIP)的英文全称是“AirindependentPropulsion”,是指潜艇在水下不依赖外界的空气也能提供推进动力和其他动力的能源系统。AIP系统主要利用自身携带的氧气,为热机或电化学发电装置提供燃烧条件,完成能量转换,提供水下航行所需的推进动力。AIP技术的应用,能够使常规潜艇的潜航时间由几天增加到几周,提高了它的隐蔽能力和水下续航能力。目前世界上比较成熟而且进入应用阶段的AIP技术主要分为三大类,分别是热机系统、电化学系统和小堆系统(核动力AIP系统)。其中热机系统包括斯特林发动机、闭式循环柴油机、闭式循环涡轮机等形式,电化学系统主要是以燃料电池为主要形式,小堆系统是基于低功率核动力装置的动力系统。中国海军的039A/B型AIP潜艇,采用的是斯特林发动机系统。

 

瑞典是最早将斯特林发动机技术应用到常规潜艇上的国家,1996年服役的A-19级潜艇的第一艘“哥特兰”号,是世界上第艘实用型AIP潜艇。“哥特兰”号潜艇搭载了两台MTU柴油发电机,一组主推进电机和两组蓄电池组成的主动力系统;辅助动力系统是两台MK2 (V4-275R)斯特林发动机,额定功率65kw,最大功率75kw。两者共同构成了独特的闭式循环混合动力系统。

 

AIP动力在潜艇上的优势就在于,他能显著的提升常规潜艇在水下的续航时间;过去常规潜艇如果不冒险升起通气管只靠电池,那就只有两三天的水下低速航行能力;而换上了以斯特林机为代表的AIP系统后,水下续航时间能提升到2周水平;都知道现代海上作战当中,潜艇只有在下潜时才有战斗力与生存能力,斯特林机对常规潜艇的战斗力水平的提升当然是显著的,能在水下呆的更久。同时,斯特林发动机上面能够产生声音的部件,只有活塞和转动的飞轮,只要轴承的性能好,声音理论上可以做到无限小。

 

此外,斯特林发动机在航空航天领域内的应用前景也非常可观。我们都知道,

航天器在太空中运行所面临的最大难题,就是电力能源的补给问题。如今绝大多数航天器所使用的电力,都来自太阳能电池板进行循环转变获取的,但是太阳能帆板仍旧面临着一大限制,那就是面积小。这种限制像座大山一般摆在眼前无法跨越。导致它对太阳能进行转换后所产生的电能极为有限,只能勉强维持航天器的日常消耗。如果使用通过结合小堆反应装置的斯特林发动机,再配上小型发电机组合成一套动力达到兆瓦级的动力系统,就能够完全满足我国航天器以及空间站航天员的日常电能消耗。

 

近年来,能源成本普遍开始上涨,开始出现能源短缺和全球暖化之类的环境问题,斯特林发动机的优点愈来愈显著,据悉还有将斯特林发动机运用在了车辆实验上。此外,通过单台或多台斯特林发电机组的组合,可满足百千瓦至几兆瓦等级的供电需求,特别适用于可移动式微堆发电场景,在极地、海岛、戈壁等特殊环境条件下具有较好的应用前景。

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