150KW、75KW、320:瑞典、日本、中国斯特林发动机的功率水平

斯特林发动机是一种不依赖空气的闭式循环动力装置,其工作过程是:先是加热作为工质的惰性气体,使其膨胀驱动活塞往复运动,再由活塞带动曲轴旋转,惰性气体在冷气室被冷却后,再次被加热,开始下一个循环。斯特林发动机就是通过反复进行这样的工作循环来输出动力的。其作为工质的惰性气体一直保存在气缸内,可以往复使用,因此才被称为闭式循环发动机。

斯特林发动机属于外燃机,外燃机是一种通过加热循环工质,使热能转化为机械能的发动机。蒸汽轮机就是一种典型的外燃机,它先是加热锅炉中的水产生高温高压的水蒸汽,再用这种水蒸汽来驱动涡轮。外燃机的工质加热和能量转换是分开的,这种机理的好处是对燃料不挑食,无论是液态、气态或固态的燃料都可以用,甚至木柴都能行。但正因为如此,外燃机有一个高温高压工质传输的过程,在这个过程中很多热量以热传递和热辐射的形式损失掉了,再加上斯特林发动机不能像内燃机那样采取增压措施,只能进行常压燃烧。因此,虽然斯特林发动机的理论热效率很高,但实际热效率却要低得多。

瑞典考库姆公司从上世纪60年代末就开始研制斯特林发动机,但却一直未能解决其功率难以做大的问题,如瑞典考库姆公司早期的V4-275R型斯特林发动机功率才75/110千瓦(75千瓦型出口,110千瓦型瑞典自用),即使是该公司最新的斯特林MK4型发动机,功率也只有150千瓦,要知道,我国2021款长安CS75 PLUS搭载的是蓝鲸2.0T发动机,最大功率就达171kW,作为尖端高科技装备,斯特林发动机功率还不如一台民用汽油发动机。这就导致3台斯特林MK4才能使A26型常规潜艇达到6节的水下航速,6节大约相当于11公里/小时,堪称龟速。因此斯特林发动机只能充当潜艇的辅助动力装置,在需要隐蔽部署的时侯慢慢潜行。

日本最新的“苍龙”级常规潜艇用的也是引进自瑞典的斯特林发动机,只不过是早期的V4-275R型,最大单机功率只有75千瓦,苍龙级用了4台总功率才300千瓦,但它的排水量又远大于A26的1900吨,达4200吨,这就导致在斯特林发动机的驱动下,“苍龙”级潜艇的水下速度只有4节,这个速度还比不上人类的步行速度,对潜艇来说比龟速还龟速。

跟日本一样,我国同样引进了斯特林V4-275R型发动机,但中船重工711所却在对其技术充分消化吸收的基础上,连续获得重大突破,自行发展了两代新型号。第一代斯特林发动机的功率比V4-275R提高了117%,由75千瓦增加为162千瓦,青出于蓝而胜于蓝,一举超越了瑞典。新一代斯特林发动机的功率在此基础上又增加到320千瓦,是目前已知斯特林发动机的世界最高水平。这是非常了不起的,因为要想增加斯特林发动机的功率是非常困难的,基于外燃机的特点,其加热器和膨胀腔需要长时间保持在较高的温度下,这就对材料提出了很高要求,否则号称先进的日本也不会研究这么多年都没什么成果了。更牛的是,通过采取一系列减少热量损失的措施,我国新一代斯特林发动机的热效率达到了40%,已经接近柴油机的水平。

那么以新一代斯特林发动机的功率和效率水平,我国潜艇又能达到什么样的水下航速呢?潜艇水下航速主要取决于航行阻力和发动机输出功率两个方面。

先看航行阻力。潜艇的水下航行阻力有摩擦阻力、旋涡阻力和突出体阻力三种。以我国039C型潜艇为例,它采用了国际上流行的拉长水滴形艇体,指挥台围壳与艇体的前后连接处都有圆滑过渡的填角,围壳上部还进行了圆角处理,围壳整体构型呈梯形,以上设计将水下航行摩擦阻力降到了最低。且039C艇体表面非常干净利落,除了舵面几乎没有什么凸起,这又显著降低了突出体阻力。此外,039C的新型“盖帽”形围壳不但能减小“马蹄涡”产生的激流噪音,也能使潜艇在接近水面的区域航行时阻力减小。

再看发动机输出功率。如果039C装备四台大缸径斯特林发动机,总功率将高达1280千瓦,也就是1740马力。实验证明,潜艇在水下航行时,其受到的阻力大小与其速度的二次方成正比,还以“苍龙”级潜艇为例,它用3900马力的柴油机功率实现了20节的水下航速,那么,如果其航速从20节降为10节,受到的阻力将减为原来的四分之一。而039C四台斯特林发动机的总功率已接近“苍龙”级主机功率的一半,再加上它的排水量仅为3600吨,长宽高为77.6米×8.4米×5.5米,远小于“苍龙”级的4200吨和84米×9.1米×10.3米,因此其总的阻力会小得多。结论就是039C采用四台新一代大功率斯特林发动机后,完全可以达到十几节的水下航速。

如果达到12节,就是苍龙级航速的3倍,原来要6天才能完成的部署,现在2天就够了。而核潜艇保持静音的水下巡航速度也不过十几节,这意味着采用新一代斯特林发动机后,039C首次具备了与核潜艇编队的能力。如果说此前常规潜艇与核潜艇是两条平行线的话,现在它们终于相交了,这在潜艇发展史上可谓意义非凡。

但即使是320千瓦的单机功率也远不是我国斯特林发动机的进化终点,随着一系列关键技术和制造工艺的突破,我国兆瓦级斯特林发动机的横空出世并非遥不可及。

发表回复

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注