李大鹏，尉 斌，陈 铝，唐成旺，肖常硕，董安辉

(海军工程大学 动力工程学院, 武汉 430033)

基于U-212潜艇的第5代非核动力潜艇初步设计

李大鹏，尉 斌，陈 铝，唐成旺，肖常硕，董安辉

(海军工程大学 动力工程学院, 武汉 430033)

提出了斯特林发动机以其在潜艇AIP装置上的综合性能优势，将是第5代非核动力潜艇动力装置的首要选择。以德国U-212级潜艇为设计原型，对使用斯特林发动机的第5代非核动力潜艇进行初步设计，通过估算，得到了潜艇动力装置功率与潜艇排水量、航速之间的关系，给出了在不同潜艇排水量下的动力装置需求功率、最大水下航速、经济航速、续航力等技战术参数。

U-212 第5代非核动力潜艇 斯特林发动机 AIP 初步设计

0 引言

为延长潜艇水下不间断航行时间、提高隐蔽性，世界主要潜艇建造国家纷纷研发和使用了潜艇水下航行时不依赖外界空气供给的动力装置，简称“AIP（Air Independent Propulsion Power Plant）装置”。采用AIP装置的非核动力潜艇也称“AIP潜艇”。

目前，世界各国第4代非核动力潜艇基本都安装有AIP装置作为辅助动力装置，一些先进的潜艇建造国家已经开始研发第5代非核动力潜艇。第5代非核动力潜艇的最大特点，是水面和水下航行状态下都采用单一的全工况发动机，这表明AIP装置已经作为潜艇主动力装置，且是唯一的动力装置。

AIP潜艇使用情况表明：斯特林发动机对于其他类型AIP装置具有综合优势。瑞典、日本都选择了斯特林发动机作为潜艇AIP装置方案。2004年，德国“德国造船”公司并购了瑞典“考库姆—耐威尔”造船系统公司，从而获得了该公司的潜艇斯特林发动机技术。

德国海军AIP发展路线已从电化学发电机转向斯特林发动机，原因在于：1）电化学发电机装置造价比斯特林发动机高8～10 倍；2）电化学发电机装置AIP潜艇岸上储氢和充注设施昂贵，而斯特林发动机使用传统燃料，可使用现有的基地设施；3）斯特林发动机使用寿命可达80000 h，是最好的电化学发电机的12 倍；4）非核动力潜艇整个寿期内（一般为30 年），斯特林发动机无需更换，相比电化学发电机潜艇，潜艇数目可减少35～40 %；5）相同条件下，电化学发电机装置质量要比斯特林发动机装置大得多；6）如果第5代非核动力潜艇采用单一的电化学发电机装置，装置功率要在3 MW以上，这种潜艇的造价、岸上设施及使用费用将非常昂贵，甚至超过核动力潜艇；7）瑞典“哥特兰”级斯特林发动机潜艇不间断水下航行时间20 昼夜，而德国U-212A级电化学发电机潜艇仅为14 昼夜。

由上述分析可见，斯特林发动机将成为第5代非核动力潜艇动力装置的不二选择。

1 动力装置功率估算

在其初始设计阶段，动力装置功率与排水量、航速关系是重点内容。舰船初始设计阶段，使用海军部系数，衡量所需功率与排水量、航速之间关系[1]

其中，N—动力装置功率，kW；ϑ—航速，kn；D—排水量，t；C—海军部系数。

见表1[2,3]。本研究以U-212级潜艇为设计原型，取其海军部系数。通过艇型优化和提高制造工艺，海军部系数可选较大值。

表1 各国现役AIP潜艇主要参数

U-212潜艇海军部系数CM与航速VS关系见图1。海军部系数取值范围，如表2。

图1 海军部系数与航速关系

国外潜艇设计时，一般设定参数如下：排水量2000 t、生活负载100 kW。新型潜艇水下排水量可设为1000 t、1500 t、2000 t和2500 t等4个型号，生活、辅机、无线电和电子设备等用户消耗功率仍假设为100 kW。

表2 海军部系数

图2和图3给出了不同排水量下，根据海军部系数计算得到的水下最大航速和水下经济航速与动力装置需求功率之间的关系。

2 水下不间断续航力

依据国外现役潜艇燃料携载量与水下排水量的关系，可以得到燃料携载量与水下排水量的关系，见表3[4,5]。

图2 水下最大航速与需求功率关系

图3 水下经济航速与需求功率关系

表3 水下排水量与燃料携载量

燃料携载量一般为水下排水量的10 %左右。减少斯特林机台数，可为携带燃料和氧化剂节约空间。本文将第5代非核动力潜艇燃料搭载量设定为水下排水量的15 %。

潜艇以柴油为燃料，以氧气为氧化剂，氧采用液态方式储存，根据经验，设定斯特林发动机燃耗率0.293 kg/(kW·h)，燃料体积消耗率0.348 l/(kW·h)，氧耗率1.002 kg/(kW·h)，氧气体积消耗率0.894 l/(kW·h)，装置效率30 %，氧耗与柴油消耗质量比3:1[1]。

计算得到不同排水量潜艇的燃料和液氧携载量，见表4。进而得到潜艇水下不间断续航力与航速之间的关系，见图4。

可见，最大水下航速下的水下不间断续航力没有明显差别，但在经济巡航航速时，水下不间断续航力的差距明显，且最大水下不间断续航力时的航速也有所不同。

潜艇排水量1000～1500 t，自持力2～3周，最大水下不间断续航力2000海里，相比大多数现役非核动力潜艇，不具备明显优势。

潜艇排水量2000～2500 t，自持力4～5周，最大水下不间断续航力2000 海里，相比现役非核动力潜艇，具有明显的性能优势，且可搭载更多武器和电子设备，人员工作和生活条件好，具有更高的作战潜力。

表4 不同排水量潜艇的燃料和液氧携载量

图4 水下不间断续航力与航速关系

3 动力装置功率需求分析

排水量和水下最大航速增大，需求功率相应增加，在所研究排水量范围内不超过7000 kW，经济航速下为200 kW左右。

水下最大航速为潜艇最重要的技战术性能指标之一。为保证第5代非核动力潜艇水下最大航速不低于21 kn，动力装置短时最大发出功率不应低于4000 kW。见图5。

图5 总需求功率与水下最大航速、排水量关系

蓄电池组可达短时功率5000 kW，见表5。设定第五代非核动力潜艇装备5000 kW蓄电池组，作为应急和水下最大航速航行时使用，可使水下航速短时达23 kn以上。

潜艇水下排水量1500 t，动力装置需求功率3500 kW，航速22 kn；动力装置150 kW功率，可使潜艇以3～5 kn航速，水下不间断续航力1900 海里；潜艇10 kn航速下，需求功率400 kW，水下不间断续航力1300 海里；潜艇15 kn航速下，需求功率1200 kW。

根据目前斯特林发动机的技术水平，若1500 t排水量潜艇安装有4 台单机功率75 kW斯特林发动机，同时装备短时最大输出功率3500 kW的蓄电池组，可以满足潜艇动力需求，但当航速超过10 kn，蓄电池组电量消耗较快，水下不间断续航力大大降低。

表5 现役潜艇蓄电池组功率

1500 t排水量潜艇装备4 台单机功率300 kW斯特林发动机，可在只使用斯特林发动机、而不消耗蓄电池组电量情况下，达到15 kn的航速；如果安装备4 台单机功率100 kW斯特林发动机，可满足潜艇10 kn航速长时间航行的需求；如果再装备3500 kW蓄电池组，潜艇水下最大航速可达22 kn。

2000 t排水量潜艇，航速22kn，动力装置需求功率4300 kW；3～5 kn航速，需求功率160 kW，最大水下不间断续航力2400 海里；10 kn航速，需求功率500 kW，水下不间断续航力1500 海里；15 kn航速，需求功率1500 kW。

2000 t排水量潜艇装备4 台100 kW斯特林发动机，在非经济航速下，水下不间断续航力过小；而要使潜艇在只依靠斯特林发动机且不消耗蓄电池组电量实现15 kn航速，需安装4 台单机功率380 kW斯特林发动机。

2000 t排水量潜艇安装4 台单机功率125 kW斯特林发动机，在只依靠斯特林发动机且不消耗蓄电池组电量的情况下，水下航速达10 kn，同时使用短时最大功率4000 kW蓄电池组，水下最大航速达22 kn。

潜艇排水量2500 t，航速22 kn，动力装置需求功率5000 kW；3～5节航速下，需求功率180 kW，最大水下不间断续航力2850 海里；10 kn航速，需求功率600 kW，水下不间断续航力1670海里；15 kn航速，需求功率1700 kW。

在不消耗蓄电池组电量的情况下，2500 t排水量潜艇水下航速15 kn，需要安装4 台单机功率430 kW斯特林发动机；若只依靠斯特林发动机组，且不消耗蓄电池组电量，航速10 kn，需要安装4 台单机功率150 kW斯特林发动机；若同时使用短时最大功率5000 kW蓄电池组，最大水下航速达22 kn。

丹麦、挪威和瑞典三国联合研发的“维京”级潜艇将安装单台功率800 kW斯特林发动机。日本三菱公司为新型非核动力潜艇研制的新型斯特林发动机已完成测试，发动机功率超过600 kW。

德国MAN公司为新型非核动力潜艇设计的斯特林发动机功率为700 kW。此外，MTU公司还获得了2 台总功率2100 kW斯特林发动机装置研发合同。

4 小结

随着技术进步，斯特林发动机单机功率持续提高，在潜艇领域具有良好的应用前景。

第5代非核动力潜艇排水量选为2500 t，装备4 台单台功率800 kW斯特林发动机，在只依靠斯特林发动机，且不消耗蓄电池组电量情况下，实现20 kn以上最大水下航速，同时配合使用短时功率5000 kW蓄电池组，可实现不低于24 kn最大水下航速，且机动性、水下不间断续航力等技战术性能指标远超现役非核动力潜艇。

[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批归国留学人员科研启动基金”支持，教外司留（2013）第1792号

李大鹏(1972-)，男(汉)，博士后。研究方向：舰船动力装置。