斯特林發動機應用于潛艇AIP動力裝置的前景展望

伍賽特

（上海汽車集團股份有限公司，上海200438）

0 引言

斯特林發動機是一種外部供熱，氣體在不同溫度下周期性壓縮和膨脹的往復式發動機，由英國物理學家羅伯特·斯特林于1816年發明，并以其名字命名。斯特林發動機屬于外燃機中的一類[1]。本文闡述了斯特林發動機的工作過程、自身特點及其在潛艇AIP動力裝置范疇的技術發展，對其應用前景進行了研究展望。通過參考斯特林發動機的實際應用現狀及對其優劣勢的分析，確認了在潛艇AIP系統范疇發展該類動力裝置的前景及相應發展趨勢，可為科學研究及工程應用提供相關理論依據。

1 斯特林發動機

斯特林發動機內部回路由冷腔、熱腔、加熱器、冷卻器和回熱器組成。熱腔和冷腔容積變化由做功活塞和活塞式擠出器的協調運動實現。斯特林發動機活塞工作方式與其他活塞式發動機有所不同。加熱氣缸內，氣體工質所需熱量則由外部熱源傳入。通過工質在高溫下膨脹和低溫下壓縮，實現發動機有用功率的輸出[2]。

斯特林發動機在一些領域，如不具備大氣空氣供給情況下，具有的良好應用前景，如水下航行器和航天飛行器等，也是傳統熱力發動機不能使用的領域。這些應用場合下，斯特林發動機工作可不受周圍環境條件的影響，不僅能夠提供推進所需功率，還可滿足其他動力或電力需求。這些情況下，對動力裝置功率水平、工作持續時間、使用壽命等指標參數的要求具備非常廣泛的范圍。對于低功率和較短工作持續時間的應用場合，可使用蓄電池。但如果功率水平較高且需要長時間工作和較長的使用壽命，如潛艇動力裝置，蓄電池無法完全滿足要求[3]。盡管核動力裝置無疑是最適宜的潛艇動力裝置，但在中等功率水平下，從經濟性、造價、功率密度等角度來看，斯特林發動機有其自身的優勢。

2 斯特林發動機的優勢

斯特林發動機之所以在一些特定領域占有一席之地，與其具有的一些特點分不開，包括：

（1）用外燃式加熱或外熱源供熱，燃燒室在外部，燃燒過程與工質無關，幾乎可以使用任何類型高溫熱源，如碳氫燃料化學能、太陽能輻射能、核能等。

（2）可使用多種碳氫燃料，對其品質沒有嚴格要求，如含灰量、十六烷值、辛烷值等，燃料成本低。當使用傳統柴一電動力潛艇燃料時，對于岸上油料保障沒有特別要求。該點相比燃料電池動力裝置而言具有無可比擬的優勢，對于提高潛艇技術保障和戰斗穩定性十分有利。

（3）運行時，由于燃料在氣缸外燃燒室內連續燃燒，獨立于燃氣的工質通過加熱器吸熱，工質不參與燃燒且燃燒過程連續，避免了內燃機的爆震做功和間歇燃燒[4-5]，且無進、排氣閥，可以實現高效、低噪和低排放運行。排氣溫度低、毒性小，主要成分是二氧化碳和水蒸氣。

（4）在部分負荷工況下，依然有著較高的熱效率。

（5）向潛艇艙室的散熱小，優化了機組人員的工作環境。

（6）潤滑油消耗少，并且潤滑油不與燃燒產物接觸，不會被氧化。

（7）整機結構簡單，無需專門的點火系統，零件數目比內燃機少40%，維護成本低。

（8）壽命較長，比燃料電池動力裝置高出3～8倍。

3 斯特林發動機的劣勢

相比內燃機而言，斯特林發動機制造工藝及制造成本較高[6]、其密封件的密封性、可靠性及耐久性存在一定問題、功率調節控制系統較為復雜[7]、整機重量和尺寸偏大[8]，但上述問題可通過使用新材料和開發新技術加以解決，保證斯特林發動機在高溫下可靠工作。

4 潛艇用斯特林發動機AIP裝置

綜上所述，斯特林發動機非常適合作為潛艇AIP動力裝置發動機。斯特林發動機可用氫氣、氮氣、氦氣或空氣作為工質，氦氣應用較多。廢氣首先進入排氣冷卻器，分離出水蒸汽，由于燃燒室壓力高于周圍海水壓力，廢氣可以不經過壓縮直接排向舷外[9]。

斯特林發動機潛艇水下續航力取決于液氧罐容積。斯特林發動機技術成熟、運轉平穩、振動小、紅外特征弱，但輸出功率較低，只能保證潛艇水下低速航行。

國外曾對斯特林發動機動力裝置對潛艇戰斗性能的評估結果。相關評估是在潛艇滿載柴油燃料和液氧，且蓄電池充滿電的前提條件下進行的。評估結果為斯特林發動機可使潛艇以經濟航速進行水下航行，確保全艦的機動性能[10]。

5 斯特林發動機AIP裝置的具體應用及技術發展

早期，民主德國“透平發動機綜合設備”公司曾研制了2 100 kW功率潛艇用斯特林發動機。氧化劑使用六氟化硫（SF6），剛性容器儲存在耐壓殼體外。處于舷外水溫度和壓力下的氧化劑蒸汽壓力足夠高，自可保證向燃燒室巾輸送氧化劑，無需泵和蒸發器。燃料使用金屬鋰。

美國通用動力公司研制了與類似的潛艇斯特林發動機動力裝置，實驗時間長達100 h。動力裝置長為6 m，寬為2.5 m，高為3 m。斯特林發動機為75 kW功率的斜盤傳動式斯特林發動機，氦氣或氬氣工質工作壓力為11 MPa，轉速為1 500 r/min。動力裝置有6個直徑為210 mm、長為1 250 mm的不銹鋼化學反應器，每臺裝填15 kg鋰。系統總能量容量為1 200 kW·h。通過工質平均壓力和轉速，調節斯特林發動機輸出功率。

在英國，根據海軍部要求，對執行不同任務潛艇的動力裝置進行了結構方案設計和實驗研究，參加斯特林發動機研究的組織和機構有英國科學研究委員會、斯特林發動機工程研究中心等。研究認為，斯特林發動機不僅可作為潛艇主動力和輔助動力裝置，也可用于水面艦艇和使用煤炭為燃料的陸上動力裝置。但是根據英國專家的觀點，這種動力裝置需要大量改進以提高其效率和可靠性。

英國制定了很廣泛的研究計劃，對定型的斯特林發動機及其零部件進行了實驗臺架研究，

對斯特林發動機的熱力過程進行數學建模，尋找新型結構材料。這些研究工作都是在現有的用作發電機原動機的瑞典P-40型斯特林發動機上進行的。P-40型斯特林發動機為立式雙缸型式，使用15 MPa壓力下氦氣為工質。加熱器進行保溫處理，熱量由加熱器傳熱管輸入，傳熱管內填充金屬鈉。

目前，在斯特林發動機設計、制造和應用領域最為成功的是瑞典考庫姆公司、薩伯·巴烏埃勒公司和聯合斯特林公司，其中，1968年成立的瑞典聯合斯特林公司在斯特林發動機裝置研制方面最負盛名。該公司從購買荷蘭飛利浦公司的專利開始。為給潛艇和水下航行器動力裝置研制斯特林發動機，公司與考庫姆公司合作，組建了合資企業——“薩伯·巴烏埃勒”公司，研制生產了多種型號斯特林發動機。

1983年，考庫姆公司成功研制了75 kW功率潛艇斯特林發動機，并進行了運行試驗[11]。1985年后，又相繼研制成功幾種型號潛艇用斯特林發動機，并在浮動實驗平臺上進行了運行試驗和性能鑒定。1988年。兩臺V4-275R型斯特林發動機被安裝在瑞典海軍排水量為1 000 t的“水怪”級潛艇上，并進行了海試，試驗持續近1年，潛艇航行總計5 000 h。

日本防衛廳技術研究部也積極開展潛艇用斯特林發動機研制工作。1991年，日本采購了V4-275R-II型斯特林發動機。之后，川崎重工義與考庫姆公司合作完成了斯特林發動機的試驗，將其安裝在排水量2 700 t的“蒼龍”級新型潛艇上。新型潛艇如果安裝4臺斯特林發動機，可獲得300 kW推進功率，比在役的“春潮”級水下活動時間延長5～7倍。

6 斯特林發動機AIP裝置的應用前景展望

6.1 斯特林發動機AIP裝置的應用前景展望

現代非核動力潛艇是可以攜帶多種武器裝備的高效海上作戰平臺。隨著潛艇技術的發展，各國傳統非核動力潛艇的技戰術性能越來越接近。各國都在發展安裝AIP裝置的非核動力潛艇。據專家預測，未來5～7年內，如果非核動力潛艇未裝備AIP裝置，在日益增強的反潛力量威脅下。非核動力潛艇將不能有效履行自身的戰術使命。相應地，世界潛艇市場上，未裝備AIP裝置的非核動力潛艇出口前景也不容樂觀[12]。

目前主要的幾類AIP裝置中，斯特林發動機由于自身技術特點，有望成為21世紀AIP潛艇的首選動力裝置。目前，國外相關公司已就建造基于斯特林發動機的非核動力潛艇開展研究與合作，表現在為現有潛艇加裝斯特林發動機AIP裝置，以及第五代非核動力潛艇的研制上，尤其是對于以采用全工況（水面航行和水下航行）單一發動機為動力裝置特征的第五代非核動力潛艇。斯特林發動機由于其功率水平、造價、功率密度、噪聲指標等參數全面優于其他AIP裝置，成為第五代非核動力潛艇動力裝置的不二選擇，并且誕生了“斯特林潛艇”這一專屬名詞。

考慮到作為世界潛艇市場主要供貨商的西歐國家，其大部分潛艇在武器系統、無線電電子設備等都處于相似或相同的情況，未來潛艇競爭力主要取決于其動力裝置，要點在于其是否采用AIP裝置。在已知可作為AIP動力的動力裝置中，斯特林發動機以其特有的優點，成為現在和未來非核動力潛艇動力裝置的最佳選擇，主要體現在：

（1）斯特林發動機氣缸中沒有爆燃過程，不需氣體分配閥門機構，工質流動過程平穩，工作過程中噪聲水平很低，聲學隱蔽性很好，這是作為潛艇實現其隱蔽性的重要指標。

（2）斯特林發動機效率高達40%，高于大部分動力裝置。

（3）作為外燃機的斯特林發動機可使用多種燃料，如柴油、液化天然氣、煤油等均可。

（4）使用傳統燃料工作的斯特林發動機無需岸上專用設施，與采用燃料電池的AIP潛艇不同，斯特林發動機AIP潛艇可以使用海軍基地的現有設施，且在必要情況下，還可以使用設施不健全的海軍基地或民用港口，這就有效提高了潛艇的機動性和戰斗穩定性。

（5）當前斯特林發動機使用壽命較長，比燃料電池等高出3～8倍。

（6）潛艇全壽命使用周期內（25～30年），與采用電化學發電機AIP裝置潛艇相比，采用斯特林發動機AIP裝置的潛艇可減小35%～40%的潛艇保有量。

由此可見，斯特林發動機是非核動力潛艇AIP裝置最有競爭力的選擇。目前，斯特林發動機AIP潛艇經濟航速下水下自持力已經可以達到30～45晝夜，在不遠的將來，斯特林發動機可作為單一全工況（包括水面和水下航行工況）發動機，保證所有工況范圍內的動力和電力需求。

由于在其他類型動力裝置面前斯特林發動機所表現出的優勢，可以采用斯特林發動機作為種類型非核動力潛艇動力裝置，包括小排水量、中排水量和大排水量非核動力潛艇，以及各種用于海洋地理、資源勘探、生態研究、海難調查等用途的水下航行器動力裝置。

6.2 斯特林發動機AIP裝置所使用的燃料展望

經過多年理論和實驗研究，在船用斯特林發動機及其相關設備設計和使用上已經取得了顯著進步，獲得了大量經驗。在不遠的將來，采用斯特林發動機的AIP潛艇將可以水下不問斷安全航行達數月之久。對于AIP潛艇斯特林發動機所使用的燃料和氧化劑儲存與制備方面也進行了大量研究。燃料和氧化劑可首選天然氣和氧。如果斯特林發動機在工作中使用諸如液化天然氣和氧這類燃料和氧化劑，就不應將其歸屬為傳統潛艇動力裝置，在其使用和工作以及保障動力裝置工作的燃料和氧化劑岸上儲存與制備過程中，應給予一定的技術重視。

在瑞典考庫姆公司的斯特林發動機AIP裝置技術基礎上，采用液化天然氣作為燃料具有較好的前景。由于其獨特的物理化學特性，液化天然氣被稱為“21世紀的非核動力潛艇燃料”。使用液化天然氣作為斯特林發動機AIP潛艇燃料，具有儲量豐富、蘊藏分布廣、價格便宜、運輸便捷、儲存方便、燃燒產物易于處理、潛艇排氣尾跡小、發動機冷卻回路的冷卻劑溫度低于潛艇舷外海水的溫度（全艦熱特征小）、循環效率高等優點。

如果斯特林發動機AIP裝置采用低溫液化燃料（液化天然氣）和低溫液化氧化劑（液氧），則需配備有專門的岸上制備、儲存和加注設施。該方面的技術較為成熟，工業設施齊備。另外一種技術方案是采用斯特林制冷機。斯特林制冷機用于在外部冷卻過程中壓縮氣體。天然氣壓縮過程可以在大氣壓力下進行，不需要進行預壓縮。使用斯特林制冷機壓縮天然氣可使得壓縮裝置有效簡化，且有較高的緊湊性。

海軍采用斯特林制冷機壓縮天然氣的意義在于可以將低壓天然氣進行100%的壓縮，這樣就可以利用廣泛分布的民用低壓天然氣輸氣和供氣網絡，從大型海軍基地到小的補給場站都可以為AIP潛艇加注液化天然氣。岸上液化天然氣制備設施應與AIP潛艇部隊配套建設。液化天然氣制備設施可采用模塊化設計，使用串聯式多缸斯特林制冷機。根據潛艇AIP裝置對液化天然氣的加注流量要求，在加注模塊中使用3～10臺斯特林制冷機，可保證高達1 m3/h的加注流量。

6.3 斯特林發動機AIP裝置的產業化展望

斯特林發動機動力裝置的技術經濟效率分析，可借鑒成熟的動力裝置技術經濟效率分析方法。動力裝置費用主要由制造和使用費用組成。裝置造價包含了以下部分：結構研制費用、設備投資費用、生產成本、材料費用、使用費用和技術服務費用等，其中很多組成項目都與生產規模有關。要實現斯特林發動機制造的產業化，國家的支持與扶植是不可成缺的。斯特林發動機大規模生產可通過以下途徑實現：

（1）通過國家預算對斯特林發動機項目直接資助，或采取股份制投資；

（2）從稅收、用地、貸款等方面對斯特林發動機項目間接支持。

7 斯特林發動機AIP裝置的未來研究方向及配套領域發展趨勢

為21世紀非核動力潛艇制造斯特林發動機AIP裝置，提高國際市場競爭力，需在以下方面開展工作：

（1）研發采用不同燃料的斯特林發動機AIP裝置；

（2）非核動力潛艇斯特林發動機動力裝置的軍事——經濟分析與選型優化；

（3）確定斯特林發動機動力裝置主要設備、燃料裝載的重量尺寸特性以及斯特林發動機動力裝置在非核動力潛艇模塊化AIP艙段中布置；

（4）斯特林發動機供貨、安裝、維護、修理；

（5）斯特林發動機AIP裝置設備和部件的生產與采購；

（6）斯特林發動機AIP裝置使用方法研究。

8 結論

本文經研究得出如下結論：

（1）斯特林發動機以其高效、燃料適應性好、靜音性優越、配套設施要求低、耐久性出眾等顯著優勢，非常適合用于未來的潛艇AIP裝置；

（2）斯特林發動機當前面臨的技術難點主要為其密封性較差、整機輸出功率有限、功率調節較為復雜、外形尺寸較大，以及制造工藝及成本較高等問題，隨著相關技術的不斷發展與完善，其終將得到妥善解決；

（3）不同于內燃機等常規熱力發動機，斯特林發動機目前仍未實現產業化，考慮到其制造成本等相關問題，如要進行大規模投產，仍需國家層面的大力支持與推動。