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舰船新型动力技术研究及展望

已有 2984 次阅读 2019-8-25 11:25 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 舰船, 新型动力, AIP系统, 电力推进, 永磁技术 |文章来源:转载

舰船新型动力技术研究及展望

伍赛特

 

0 引言

动力系统和装置是舰船的动力源,也是舰船的“心脏”,其技术的先进性对舰船装备和技术的发展具有关键性的意义。舰船动力技术无可置疑地是舰船的关键技术之一。因此,从现代舰船问世以来,人们一直极其重视舰船动力系统和技术的发展,曾经并持续对新型的舰船动力技术和系统(装置)作了多方面、不懈的探索、研究和努力,推动着舰船动力技术和系统(装置)永不停息地向前发展

如前所述,在当今世界各国的舰船中,动力系统的配置比较多样化,核动力、蒸汽动力、燃气轮机、柴油机、柴燃联合等形式共同存在。潜艇主采用核动力、柴电动力和AIP系统;驱护舰主要采用柴油机、蒸汽动力燃气轮机、柴燃联合等形式;航空母舰主要采用蒸汽动力和核动力等。随着时代的变迁、科技的进步和舰船技术及装备发展的需求,舰船动力技术正向着以采用综合电力系统技术为主的高效化、高密化、全电化发展,从而给舰船动力系统(装置)带来革命性的进步。下面简述舰船动力技术未来主要发展趋势和创新重点。

 

1水面舰艇新型动力技术

现代水面舰艇动力有柴油机、蒸汽轮机燃气轮机、核动力和联合动力装置等多种形式,未来的水面舰船动力系统将以采用综合电力系统为主,向高效化、高比功率、全电化方向发展。

传统的舰船动力系统与电力系统共同构成动力推进系统。动力系统是指为舰船提供动力的系统和设备,而电力系统是指为舰船提供电能的输配电网等。将动力系统与电力系统结合构成舰船综合电力系统则是未来舰船动力的发展方向。

舰船综合电力系统从电能的产生分配、管理调度、功率变换、舰载设备和高能武器负载直到电力推进系统各个方面进行综合优化和系统集成现代舰船采用舰船综合电力系统技术的优势和动因如下。

 

1.1 作为舰载高能武器的能量支撑

舰船的高能武器如激光武器、电磁炮、电热化学武器等高能新概念武器在不远的将来达到实用阶段,这些武器的电力需求将呈现几何级数增长,如何合理地控制能量的配置使用,既保证推进、辅机用电,又能提供作战状态下的高能电力,科学地分配、控制各用电设备的电力,是传统的动力系统或推进系统无法从根本上解决的问题。而技术将成为解决上述问题最行之有效的技术途径。

 

1.2 提高动力系统的可靠性以及舰船生命力和综合作战能力

在综合电力系统中,主动力系统与供电系统合并,舰船驱动采用电力推进,大大优化了发动机的配置,“主机推进,辅机发电”的概念将成为历史;采用集成化发电技术、环形电网和区域配电方式,减少了舰船特种装置所需发电机组、变流机组的种类和数量,有利于简化舰船动力系统的结构和配置,显著提高舰船生命力和作战效能。

 

1.3 有利于舰船总体设计的优化和减少舰船的噪声

传统的动力系统设计方法在发供电、电力推进和舰载设备用电等系统之间是相互分离和

割裂的,这不利于总体优化和对动力设备采取减振降噪措施,而I技术可以实现动力装置的灵活布置方式,使舰船总体结构更加合理,同时可对动力系统的设备采取有效的减振降噪措施。

 

1.4 运行灵活、经济性好,便于现代化改装

随着超导技术、电子技术和整个工业技术水平的发展,尤其是逆变技术和永磁电机技术的发展,可以预料综合电力推进系统将会在今后的大中型军用舰艇与民用船舶上有较大的发展美、英、法等国海军都相继制订了开发水面舰船综合电力推进计划,瓦锡兰等公司也在大力研究开发这项新技术。

 

2 潜艇新型动力技术

目前,潜艇上的动力系统体积和重量几乎占据了潜艇总重量及其部空间的40%50%,潜艇动力系统挤占了极为宝贵的艇上空间和重量,影响着潜艇其他相关技术的发展和应用。为了摆脱或减少动力系统对潜艇技术发展的影响或制约,世界各潜艇强国均花费巨大的财力、人力资源,持续不断地探索、艇动力技术和动力系统(装置),并已取得令人瞩目的

创新成果,促使新型的舰船动力技术和系统不断出现。这些新型的舰船动力技术和系统,不仅被应用在相应的系统(装置)和潜艇上,从而还促使传统的直接传动推进方式向电力推进的间接传动方式转变。这也体现了现代舰船动力技术向高效化、高密化、电力化发展的大趋向。潜艇动力技术发展的趋向和重点主要体现在以下几方面。

 

2.1 核动力

核动力装置被应用于潜艇已有半个世纪了。在核动力潜艇的发展过程中,美国、苏联/俄罗斯、英国、法国、中国等核大国均对潜艇用核动力装置进行了大量的研发工作。潜艇核动力装置和技术的主要发展方向为:

1)不断提升功率水平和功率密度;

2)不断提高核动力装置的固有安全性;

3)系统和设备配置简化,布置形式由分散型向紧凑型、一体化和集成化发展;

4)不断探索新型核动力装置;

5)研制性能燃料元件,延长堆芯寿命;

6)反应自然循环能力不断增强;

7)运用减振降噪措施,降低核动力装置的噪声;

8)积极发展和应用电力推进及综合电力技术。

当代核潜艇普遍用压水堆核动力装置,这种动力装置已在世界各国的核潜艇上占据统治地位达半个世纪之久,其技术发展方向是向“一体化”、“集成化”的自然循环反应堆发展。但是,压水反应堆功率密度增加的潜力似乎已不大,开展更安静、体积小、重量轻、效率更高的新型核动力装置已势在必行。

美国战略究所、国家航空与航天局、空军及国防部防卫办公室曾联合成功地制了采用热离子和热电系统的SP100型空间反应堆系统;在此基础上,美国通用核能公司正研发一种(5005000kW功率的用热离子和热电系统的反应堆,它可用于驱动30级的艇。这种新型的反应堆无需使用传统核反应堆的一回路和二回路等热交换回路,可直接把反应堆的高温转变为电能,而且具有很长的运行寿命。同时,这种新型的技术简化了反应堆的结构,减轻了反应堆的重量,具有更强的抗冲性能,从而大幅度减少了潜艇动力系统在艇内占据的空间和重量。因而,国外潜艇专家把装备这种热离子和热电系统核反应堆的未来潜艇,称为潜艇技术发展的第六个里程碑。

20世纪90年代前后,人们还提出了一种热效率比压水堆或液态金属冷却反应堆更高的气冷核反应堆。米歇尔戈雷等曾在19904月号的《科学美国人》杂志上发表“先进的轻水反应堆”论文中说:“气冷核反应堆的主要优点是理论工作温度为700 ℃以上,比压水堆和液态金属冷却反应堆各自达到的30 ℃和350 ℃要高得多。气冷核反应堆通常可以将其热能的40%转换成电力,而压水堆的转换效率却为33%”。虽然,这种反应堆近期内还不能取代

目前绝大多数核潜艇使用的压水堆,但是气冷核反应堆极有可能会成为未来压水堆的又一个取代者。同时,未来核潜艇也将向采用综合电力推进系统发展,以替代汽轮机直接驱动推进器的直接传动推进方式。

 

2.2 AIP技术

常规潜艇采用AIP系统,极大地提高了潜艇的水下续航力,吸收了常规动力潜艇和核动力潜艇的长处,必将对常规潜艇的发展带来革命性的影响,可以预料,加装AIP系统必将是21世纪常规动力潜艇的标志性技术。由于各个国家的潜艇活动区域不同,技术水平、拥有的产品专利各异,以及对常规潜艇任务需求也不一样,因此形成了世界上常规潜艇AIP系统百花齐放的局面,在众多的AIP系统中,热气机、小型核动力装置和燃料电池三种AIP系统脱颖而出,均已达到了实艇应用阶段,但真正具有“无限长”水下续航力的AIP系统为低功率小型核动力AIP系统( LLNP/AIP)。

采用LINP/AIP技术,将彻底解决常规潜艇水下续航力短的问题,使其暴露率接近零。研究和发展水下持续时间长、高效率、安全可靠的LNP/AIP系统装备常规潜艇,将是常规潜艇动力技术跨越式发展的一条有效途径。而非核AIP技术中应以燃料电池AIP系统(FC/AI)作为发展方向,用于未来安静型新概念常规潜艇,使常规潜艇隐蔽性更好、作战能力和生存能力更强。

应该说明的是,当前常规潜艇存在直接传动的推进方式和电力推进的间接传动方式两种形式。如同未来舰船的动力系统(装置)将向综合电力系统技术发展一样,未来常规潜艇的动力系统也将以电力推进取代直接传动方式。

 

2.3 永磁电机技术

严格地说,永磁电机的概念早就提出来了,但是由于永磁材料的问題尚未解决,所以技术上的可行性未能实现,随着磁稳定性时间长、抗冲击、振动和高温的高导磁率磁体的出现,此项技术得以实现。与传统的舰船推进用电机相比,永磁电机具有的诸多优点使其在舰船推进领域具有广阔的发展前景

目前,永磁技术已应用于潜艇上,德国“U212”级潜艇采用了西门子公司的永磁电机作为推进电机。新一代柴电——全电力推进舰船肯定会考虑采用永磁电机。

 

2.4 泵喷推进和磁流体推进技术

英、美、法等国新型核潜艇广泛釆用泵喷推进,使其全艇辐射噪声已经降到海洋背景量级,俄罗斯的“台风”级核潜艇也准备采用泵喷推进技术。美国于1980年完成了300kW的磁流体推进船海上试验,并制造了220 kW的样机。日本在这一领域进展很快,于1985年成立了“磁流体推进开发委员会”,开始从事磁流体推进船的开发。

1992年,世界上第一艘载人磁流体推进船“大和一号”在日本神户港正式试航成功,标志着磁流体推进技术进入实用阶段。我国有关研究单位从20世纪70年代初即开始了磁流体推进(MHD)方式的研究,并取得初步成果:近十年来,我国已将MHD研究列入国家863高技术研究发展计划中,以中科院电工所为主开展深入研究,已取得相应研究成果。

磁流体推进器是一种全新的推进装置。它利用海水的导电性能,让海水通过一定形状的槽道,槽道与海水形成电的回路,槽道外面由超导磁场产生高强度的永久磁场,当电流在槽道内的海水中流动时,在磁场的作用下,海水会产生洛伦兹力将海水推向船后或船首,使船产生向前或向后的推力。超导磁场是这种推进技术的必要因素,因为它们以较小的电损耗提供高磁场,而超导磁场需要深冷能量维持低温。

磁流体推进由于不需要螺旋桨和轴系等运动部件,而是直接将电磁能转换成推力,因此不会产生“空泡”现象,也不存在传动轴振动造成的噪声,所以速度快、效率高、隐蔽性好,它在潜艇、超高速客货轮等方面有着很好的应用前景。

 

2.5 仿生推进技术

仿生推进是潜艇推进技术的革命,这种推进方式是仿生学和潜艇推进结合在一起的产品,这种推进方式跳出了传统推进的理念,不存在单纯的推进机构和推进器,采用仿生推进方式,

需要整个艇体的配合,目前的刚性艇体的概念将成为历史。要实现仿生推进,需要在艇体材料、结构和控制等方面取得突破性进展。仿生推进技术不仅对潜艇的推进技术是一个跳跃式发展,对潜艇艇体设计、潜艇控制等都是一个全新的设计概念。

 

3舰船动力系统网络化与智能技术

随着计算机技术和电子技术的飞速发展,舰船动力系统控制的发展也越来越快,动力系统控制的概念也会越来越新。未来的舰船动力系统控制将会由单纯的遥控、微机自控向网络集中控制发展;由程序化控制向智能化控制发展;由动力系统本身自成体系的控制系统向全艇分布总线式控制系统发展,并成为潜艇全艇信息网络的重要构成部分;由控制、监测、自动记录向控制系统性能监测、故障定位和专家系统方向发展。

 

参考文献

[1] 邵开文,马运义. 舰船技术与设计概论[M]. 北京:国防工业出版社, 2009.07.

[2] 伍赛特.高性能船舶动力装置发展前景[J].水运管理,2019,41(06):21-25.

[3] 伍赛特.基于潜艇AIP动力装置的热力发动机闭式循环特征研究[J].内燃机,2018(06):54-57+62.

[4] 伍赛特.斯特林发动机应用于潜艇AIP动力装置的前景展望[J].装备制造技术,2019(01):107-110+114.

[5] 伍赛特.燃料电池应用于船舶动力装置的可行性及展望[J].内燃机与动力装置,2018,35(04):87-90+94.

[6] 伍赛特.核动力舰船发展前景展望[J].节能,2019,38(03):117-120.

[7] 伍赛特.船舶电力推进系统的技术特点及发展趋势研究[J].机电信息,2019(15):159-160.

[8] 伍赛特.潜艇用闭式循环柴油机AIP装置研究综述[J].中国水运(下半月),2019,19(02):94-95.




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1 范振英

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