AIP潜艇采用的燃料电池或者是斯科林发动机各有什么优劣?

如题所述

AIP动力装置包括闭式循环柴油机、闭式循环汽轮机、斯特林发动机、燃料电池。核电混合推进系统也可以算是AIP动力装置。


1.燃料电池
主要技术优点:
        能量转换效率很高,燃料电池通过电化学方式直接将化学能转变为电能,省去了热机发电时所必须经过的复杂的转换过程,减少了能量损耗,理论上的能量转换效率可以达到100%,实际效率可达到70%;对外热辐射较少。
        由于能量转换过程中能量损耗较少,所以相应的散热也少,这就有效的降低了潜艇的热辐射,减小被敌红外探测仪器发现的几率.
        噪声较小,燃料电池系统由于直接进行能量转换,因此本身并无机械运动部件,因此工作过程中非常安静,可以使得潜艇在航行时获得极佳的隐蔽性。
        系统维护保养、制造加工很方便,由于系统无机械运动部件,因此就没有磨损造成的故障,同时对于零部件的加工要求低,也便于制造加工,通过集中控制装置可以实现对各个辅助系统的控制,便于实现自动化。
        过载能力强,燃料电池的短时过载能力可达额定功率的2倍,而柴油机等热机却没有这么大的过载能力,因此装备燃料电池AIP系统的潜艇可进行短时的加速航行。
        系统配置灵活,便于安装,燃料电池是由若干个电池单元串、并联而成,可根据潜艇内部布置的需要,灵活选择燃料电池的配置方式。
        效率随输出功率变化特性较好,特别适合潜艇对于动力装置需要功率范围宽而效率高的要求。

 

缺点和不足:
        燃料危险性非常大,易发生险情,目前的燃料电池只能用纯氢作燃料,纯氢的加工提取工作异常复杂,且在潜艇狭小空间内,纯氢一旦发生泄漏,浓度超过极限易发生爆炸,危险性很大。
        系统比功率较小,目前质子膜燃料电池的比功率只有100瓦/公斤,比之柴油机的300瓦/公斤相差较远,要想达到相同功率,燃料电池所需重量要大于柴油机等。
        工作寿命短、价格较高,目前的质子膜燃料电池的工作寿命只有5000小时,距离40000小时的目标寿命相距较远,同时其价格也是柴油发电机组的3-6倍,约为3000美元/千瓦,不是一般国家海军可以承受了的。
        燃料难以补给,目前全球港口大部分都能补给液氧,但是很少有港口储备液氢。

 

2.斯特林发动机
主要技术优点:
       机械噪声与振动较小,因为斯特林发动机是一种从外部对内部气体工质连续加热使之做功的活塞式往复发动机,燃烧过程中没有柴油机的爆燃现象,燃烧过程平稳,因此发动机的噪声与振动较小,但是有些斯特林发动机的部件依然采用往复式运动机械,所以在装备潜艇时仍要加装双层隔振系统以减小水下噪声。
        废气排放方便,当热气机的燃烧压力为22公斤/平方厘米时,废气水下排放不需要闭式循环柴油机系统的庞大水管理系统,在潜深200米内可以自主排放,即使增加潜深也只需要小型压缩机协助。当燃烧压力小于20公斤/平方厘米时,废气水下自主排放的深度要相应减小。这种发动机的废气排放深度与燃烧压力有关,这也是技术实现的一个难点。

 

缺点和不足:
        功率较低,斯特林发动机由于其自身固有的低功率密度的特点,因而决定了整个AIP系统的功率密度小于CCD/AIP系统。如果要加大功率,需要配几台发动机,但这又影响到整个潜艇的布局与使用,实现功率突破难度较大。
        能量转化率低,因此燃油消耗量较大,目前要高于普通柴油机。

 

3. 闭式循环柴油机
主要的技术优点:
       柴油机技术成熟,性能比较可靠,寿命长,目前此AIP系统所用柴油机可以使用原有的潜艇柴油机,简化设备,制造和装配技术非常成熟,工作寿命要比其他AIP系统的主机时间长。
        所用柴油与普通常规潜艇所用的一样,可广泛采购,不存在后勤供应问题。
        随时可以在闭式循环和开式循环两种工况下进行自由转换,因为该系统所用柴油机与普通柴油机一样,这增加了潜艇使用的灵活性。
        由于可以使用大量成熟技术,且水上、水下均可使用,耗油率较低,维修费用相对较低,因此是AIP系统中最经济的一种形式;工作不受潜艇下潜深度影响。

 

存在的缺点和不足:
        排出的热量多,不利于隐身,工作效率低,氧气消耗量大,需要携带更多的液氧和柴油。
        产生的噪声大,闭式循环柴油机采用的是普通柴油机,系统的运动部件较多,工作过程中机械运动产生的噪声较大,虽然可以采取降噪技术将噪声降低到安静航行时的水平,但是总体上比采用燃料电池噪声要大。
        系统输出功率受到限制,因为受到潜艇的噪声控制指标的限制,一般要求每台普通柴油机的输出功率≤500千瓦,因此闭式循环柴油机的输出功率很难再增加。

 

4.闭式循环汽轮机
主要技术优点:
       功率大,可满足潜艇水下航行需要,法国在为巴基斯坦建造的“阿戈斯塔”90B级潜艇上所安装的 MESMA/AIP系统的功率为200千瓦。
        燃烧产物的排放非常隐蔽,由于燃烧时的压力较大,燃烧产物的压力也较大,不需要使用其他机械系统加压就能自动排出艇外,相应也就减少了潜艇的自噪声。
        另外可以使用气泡分裂系统使排出的二氧化碳气泡减小,提高废气的海水溶解度,如果情况危急,可将燃烧产物进行冷凝储存在艇内,此举将大大提高潜艇的隐蔽性。

 

缺点和不足:
       整个系统非常庞大,辅助机械设备较多,此AIP系统主要部件有燃烧室、蒸汽发生器、二氧化碳冷凝器、蒸汽冷凝器、涡轮交流发电机、各类泵,所以系统安装布置比较困难,需较大舱室空间,这直接影响此AIP系统的实用性。
        热效率低、经济性较差,此AIP系统的氧消耗量比闭式循环柴油机(CCD/AIP)系统还要高15%左右,同时在相同水下续航力的条件下,乙醇所占容积要比CCD/AIP系统多一倍,而且所有系统部件都需要特殊的设计,投资较大,经济性差。

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第1个回答  2013-12-13
燃料电池 闭式循环
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