（轮机工程专业论文）闭式循环柴油机水管理系统应用研究.pdf

闭式循环柴油机水管理系统应用研究捅要闭式循环柴油机是一种典型的a i p 设计方案，作为其重要组成部分，水管理系统不仅提供了一套进行海水吸入和排出的设备，同时创造了一种以较低能耗，在高低压区域间进行流体转换的方法。由于深海开发的不断发展，闭式循环柴油机及水管理系统不仅对于军事潜艇，同时对于民用研究或工作潜艇同样具有广泛的应用前景。本文针对闭式循环柴油机及水管理系统的工作原理、系统构成和运行特点主要完成了以下工作：1 提出了切实可行的闭式循环柴油机研究方案，以标准4 1 0 2 b g 型柴油机为研究对象，建立了包括二氧化碳吸收器和水管理系统的配置完整的闭式循环柴油机实验装置。针对柴油机闭式循环，完成了混合箱设计、供氧控制方案与算法的设计，进行了空载闭式循环试运行实验。2 在数学建模的基础上，构建了双转换器、三转换器和六转换器水管理系统仿真模块，通过仿真分析，明确了水管理系统的工作原理和工作过程。3 将液压缸缓冲结构的设计思想用于转换器结构设计，以气动球阀组为控制阀，建立了国内首个活塞式三转换器水管理系统原理样器。并将阀门关闭信号和活塞位置信号同时作为控制信号反馈给p l c 系统，确定了合适的控制时序，结合延时自动调整功能，编制了延时反馈控制程序。4 在常压条件下，进行了原理样器特性匹配实验、动态响应实验及运行实验。实验结果表明，其运行特性符合水管理系统的工作原理，在国内率先得到了水管理系统的流量和压力脉动曲线，流量的稳定性达到了国外同等水平。结合系统保护、卸压、流噪声控制等研究内容，提出了潜深模拟高压实验方案。5 定量分析了水管理系统的能量消耗与工作效率，首次以实验分析验证了水管理系统能耗低的突出优点，并计算得出消耗于克服管道及阀门阻力的能耗，对于优化系统设计，提高水管理系统的效率具有实际意义。6 初步分析了水管理系统的主要噪声源以及噪声控制方法，探讨了流量脉动对系统声学性能的影响。根据实验测量的压力脉动曲线，考查了消除流哈尔滨工程大学博士学位论文量脉动降低流体噪声的效果。结果表明，相比于双转换器水管理系统，三转换器水管理系统在流量稳定时，其压力脉动幅值可减小4 倍左右，降噪量近1 0 d b 。关键词：闭式循环柴油机；水管理系统；原理样器；效率；流噪声控制闭式循环柴油机水管理系统应用研究a b s tr a c tt h ec l o s e dc y c l ed i e s e l ( c c d ) s y s t e mi sat y p i c a ld e s i 弘h m 伽f o ra i ri n d e p e n d e n tp 如l p l l l s i o n ( a i p ) a sac n l c i a lc c m l p 彻e n to fc c d ，w 龇盯m a n a g e m e n ts y s t c m ( w m s ) 呻v i d 荡n o t 砌y 龃a p p a r a t u sf o rt a k i n g 幽a f d锄dd i s d 删西n go u t b o a r d a w a t c l , b 诫a l am 劬o do ft r a n s f e r r i n gl i q i | i db c s t - w l l lf e g i o n so fah i g ha n dal o w 呻s u r ew i 也m i l l i l n u l n 伽饼g y 口中e n m t u 坞f o rf l l l t h 盯d e v d o p m e n to fd c c ps e a , t h ec c ds y s t e mm t e g r a t e dw i t hw m $ w i l lb a v e 强t e m i v ea p p l i c a t i o np 茚s p e c d 、n 瞎f o rm i l i t a r ys u b m a r i n e s 鹪w 专u 舔c i v i l豫昭u h 髂甜w o r k i n g 蛳嘶噙r i 玎蠕a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gp r i n c i p l e s ，c o n s t n 埘o n sa n do p e r a t i n gc ：h 棚旧c k d s h 龉o fc c da n dw m s t h e 伽o w i n gw o 盘sf i l ee o m p l e t c da n de o n e l u s i o ma l e 酬a i ：n e d 1 a f i 盯p r o p o s i n ga p r a c t i c a lr e s e a r c h p l 孤o f c c ds y s t e m , as e l 6 c m t a j n e dc c ds y s t e mt e s tf i ge m p l o y i n gas t a n d a r dd i e s e l g i n et y p e4 1 0 2 b gw 鹳b i l i l t w h i c hc o 唧f i s 鹤o fa 出d i 帐i d e 西s o r b e ra n da 班o t o t y p ew m s f t h od o s e dc y c l eo fd i e s e l 锄g i n e , t h em i x i n gc h a m b e r , e o n 们ls t r a t 9 舀懿锄da l 群，r i t h m so f o x y g s u p p l y 缸ed 船i 弘e d ，a n dae l o s c dc y d er u n n i n gw 雒e a r r i e do u t 谢t l o l l ti o a d 2 b a s e du p o nm a m i 弛a t i c a lm o d e l s 咖1 m a 矗s y s t e m sw e e s t a b l i s h e df o rt w i nv 璐s dw a t e rm a n a g e m e n t 妁，s c e m t r i p l ev 鼯s dw a t c rm a n a g e m 蹦ts y s t e ma n ds i x - v 础1w a t e rm a n a g e m e n ts y s t e m t h es i m u 蜥v er e s u l t se l 撕f i e da n dc c 咀五= m 川t h ew o r k i n gp r i n c i p l e 扯dp r o c e s so f w m s 3 a p p l y i n g 也ed 黜i g ni d e ao fh y d r a t e 叫1 i n d 嚣f o r1 h ev e s s db l l f f 盯s t r u e t t t r ed 铭i g n , u s i n gp n 咖a t i cb a l lv a l v eg r o u p 鹊也ec o n t r o l 谢v c ，ap r o t o t y l w m s 丽t ht r i p l ee p i 渤ng t y l ev 髂& e l sw 鹬b u i l tf i r s t l y 诅c h i n a t h ev a l v ec l o s i n gs i g n a l sa n dp i s t 蚰l o c a t i o ns i g n a l sa 坞f e dba c ! kt op l c s ( p r o g r a ml 0 9 i cc o n t r o ls y s t e m ) ，ad e l a y 锄df e e d b kc o n 们1 呻彤吼w a sd e t e r m i n e d ,w b i c h _ i sm t e g r a t e dw i m 柏a p p r o p r i 砒eo p e r a t i n g q u 舳c eo fv e s s e l s ，a r i dm cd d a yt i m ei n 蚀峙御o g r a mc a nb ea d j u s t e da u t o m a t i e a l l y 4 mo r d e rt 0m a t c ht h eo p e r a 土i n gc h 棚鼍觚s d c so f v 鹤s 出a n dt op r o v et h ed y n a m i er c 印s ea b m 够勰w d l 越p e r f o r m a n c eo f 也ep r o t o t y p ew m s ，as 翻鹤哈尔滨工程大学博士学位论文o fc o m p r e h e n s i v et e s t sw e i oc o n d u c t e di na m b i e n tp r e s s u r e t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ec a p a b i l i t yo f t h es y s t e mm e e t st h er e q u i r e m e n t so f w o r k i n gp r i n c i p l e so fw m s 1 1 1 ef l u xa n dp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c sw e l em e a s 珊e df o rt h ef i r s tt i m e 缸h o m e r e s u l t i n gf l u xs t a b i l i t yp o s s e s s e sa ne q u a lp e r f o r m a n c ec o m p a r i n gt of o r e i g nr e f e r e n c e s at e s ts o l u t i o ni sp r e s e n t e dt ot a k et h ep r o t o t y p ew m st oo p f f f d t ou n d e rs i m u l a t i o np r e s s u r eo fd i v i n gd e p t h , w h i c hi n v o l v e ss e c u r i t ym e a s u r e s ，u n l o a dm e a n sa n df l u i db o r n en o i s ec o n t r 0 1 5 a c c o r d i n gt ot h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f e n e r g ye x p e n s e sa n de f f i c i e n c yo ft h ep r o t o t y p ew m s i tw a st h ef i r s tt i m et h a tt h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c ea l o n gw i ms m a l le n e r g ye x p e n s e so f t h ew m sw a sd e m o n s t r a t e db ym e a n so f t e s ti n t e r i o r l y 1 1 p o w e rl o s s e si nt h ev a l v e sa n di nt h ec o n d u i t sa l ec a l c u l a t e dw h i c hm a yp l a yi m p o r t a n tr o l ef o ri m p r o v e m e n to fe f f i c i e n c yb yf u r t h o l o p 血n i z a t i o no fw m sd e s i g n 6 m a i nn o i s es o u r c e sa n dn o i s ec o n t r o lm e t h o d sf o rw m sw f f l ea n a l y z e dp r i m a r i l y , t h ee f f e c t so ff l u xp u l s e sn oa c o u s t i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mw a sd i s c u s s e d a t t e n u a t i o no ff l u i db o r n en o i s ew a se x a m i n e db yv i r t u a l l ym e a s u r e dp r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c s n 坞r e s u l t ss h o w e dt h a t , t h ep e a kv a l u eo f p r e s s u r ep u l s e sr e s u l t i n gf r o mc o n t i n u o u sf l u xo ft h et r i p l ev e s s e lw m s 啪b er e d u c e d4t i m e sa p p r o x i m a t e l y , a n dn o i s er e d u c t i o n1 0d b c o m p a r e dt ot w i nv e s s e lw m s k e yw o r d s ：c l o s e dc y c l ed i e s e l ( c c d ) ；w a t e rm a n a g e m e n ts y s t e m ( w m s ) ；p r o t o t y p ew i v i s ；e f f i c i e n c y ；, f l u i db e r n en o i s ec o n t r o l哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者c 签名，：! 蔓：! 士! ：日期：o f 年厂月i f 日第1 章绪论第1 章绪论1 1a i p ( a i ri n d e p e n d e n tp r o p u l s l 0 n ) 系统概述军事与深海开发的需要，促进了潜艇自诞生以来的不断发展，作为潜艇的最主要特征，近一个多世纪以来，潜艇的设计者们一直在通过各种各样的努力提高潜艇的续航力。在核动力装置出现以前，常规动力是潜艇的主要动力形式，主要由柴油机、发电机、蓄电池组和推进装置组成，这些装置在水面或通气管状态下使用柴油机带动发电机给蓄电池组充电，在水下运行时，用蓄电池组储存的能量供给推进装置和舱室负载。这种能量供给形式受到了所安装的蓄电池组容量的制约，迫使潜艇要频繁( 一般约为l 2 天) 地靠近水面进行水面或通气管状态航行，以利用柴油机为蓄电池再充电，从而使其水下作业能力受到了极大的限制。对于军事应用而言，大大增加了常规动力潜艇的暴露特征，更加易于被反潜力量的雷达、红外探测等手段探测，使其极易受到攻击。在民用深海开发领域，这种潜器水下自持能力的限制，在很大程度上影响了海洋开发与研究工作的进程【1 h 引。“不依赖空气的推进装置”，关于这一问题的研究工作最早可以追溯到十九世纪六十年代。1 8 6 4 年，潜艇还以蒸汽机为动力，德国第一艘潜艇的制造者砌m e l mb a u e r ，就提出了名为“k u s t e n b r a n d 盯”的计划，旨在制造一台在船上使用过氧化锰制造氧气的l o o 马力的蒸汽发动机。同期，西班牙、美国都曾做过以蒸汽机为研究对象的a i p 研究。内燃机诞生以后，采用不同解决方案的内燃机a i p 设计分别由法国、德国、意大利、瑞士在1 9 0 1 年至1 9 1 3年间进行了不同程度的研究与实验。1 9 3 3 年，德国著名工程师h e l l m u mw a l t e r向德国海军提出了一个名为“潜艇f p b ”的计划，此潜艇以柴油机为动力并且以过氧化氢作为氧气的载体，其主要设计目标除追求长期的耐久力外，更主要的是水下高航速，该设计的第一艘样艇v 8 0 在1 9 4 0 年的试航中，航速达到了2 8 1 节，远高于当时常规动力潜艇l o 节的最高航速。但v 8 0 潜艇艇长只有2 2 米，排水7 6 吨，仅仅用于早期实验以研究高速潜艇的动力学与控哈尔滨工程大学博士学位论文制问题。二次世界大战后，核动力装置的出现，作为潜艇主要的动力形式，在相当长的一段时间内，使人们探寻常规动力潜艇解决方案的愿望相形见绌。1 9 5 5年，核动力装置在潜艇上成功应用以后，英国、美国、前苏联等海军强国迅速转向发展核动力潜艇。核动力装置潜在能量巨大，水下航速高，工作时不需空气，具有名义无限续航力，因此核动力装置的应用在很大程度上解决了潜艇续航力的问题，并使潜艇的水下航速、活动半径和隐蔽性等战术技术指标得到了极大的改进，从而确立了其在大型( 2 0 0 0 吨级以上，续航力1 0 0 0 0公里以上) 战略潜艇上不可动摇的地位。但是，核动力装置体积和重量均较庞大，建设周期长，建造、使用和维护费用昂贵，要求船员具有较高的技术水平。鉴于以上特点，一般中小国家往往不愿意也没有能力接受以追求长期续航力和大范围活动半径而采用核动力所带来的高昂费用。相比之下，常规动力潜艇造价低，机动性好，建造周期短，特别适合于近海防御作战。在民用海洋开发领域，常规动力潜艇比核动力潜艇更能迎合用户的需要。因此，近年来，常规动力潜艇的发展受到越来越多的重视，取得了长足的进步。比如，1 9 1 1 年德国u 系列“u 9 ”级潜艇的续航能力为：在5 节航速下可持续航行8 0 英里；3 3 年后，1 9 4 4 年，同系列潜艇“x x i ”的续航力已达到：在5节航速可持续航行3 6 5 英里；到2 0 0 0 年，俄罗斯现代化的“k i l o ”级潜艇和法国“a g o s t a 9 0 b ”级潜艇可在3 5 节航速下持续航行4 0 0 英里。当代采用柴电机组作为推进装置的顶级常规动力潜艇，如德国的2 0 9 级潜艇和俄罗斯的“豇l o ”级潜艇，在低航速下通过蓄电池提供能量，可在水下航行3 5 天。a i p 系统的研制是常规动力潜艇从动力装置方面解决续航力和隐蔽性的重要手段。尽管常规动力潜艇在续航力方面无法与核动力潜艇相比拟，但通过采用a l p 技术，使常规动力潜艇原主推进系统与a 口系统组成混合推进动力装置，就可使常规动力潜艇的低速续航力提高到3 周至1 个月，比一般常规动力潜艇的续航力提高了近l o 倍，极大地改善了常规动力潜艇的隐蔽性，提升了常规动力潜艇的水下性能，因此，a l p 技术成为各国海军日益关心的重要研究课题。尽管当代进入工程应用阶段的典型a l p 装置最大输出功率仅为4 0 0马力( 3 0 0 k w ) 左右，相比之下，u 2 1 2 级常规动力潜艇柴电机组的推进功率2第1 章绪论为3 0 0 0 马力，而典型的核动力装置可产生的功率达2 0 0 0 0 马力，但由于潜艇所需的推进功率与速度成三次方关系，显然，在低航速下，a i p 装置在提高常规动力潜艇水下续航力方面具有很高的应用价值。特别是在近海、冰带边缘、海峡及其它全球“阻塞点”，配备a i p 系统的潜艇将具有强大的威慑力。根据工作原理的不同，a i p 系统可分为闭式循环斯特林系统( s e ) 、燃料电池系统( f c ) 、闭式循环蒸汽轮机系统( m e s m a ) 、闭式循环柴油机系统( c c d ) 和小型核动力装置等形式，针对不同的a i p 系统，不同国家有不同程度的研究。其中，进入工程应用的a i p 系统主要有闭式循环热气机系统、燃料电池系统和闭式循环柴油机系统。1 1 1 闭式循环斯特林系统( s e )由斯特林( s t i r r i n g ) 设计的热气机可追溯到1 8 1 6 年，后来在瑞典重新获得生机，并取得成功，现已运行使用并商业化。闭式循环斯特林系统主要由斯特林发动机、发电机、液氧系统、供油系统、冷却系统、工质系统及控制系统等组成。斯特林发动机是一种外燃机，其燃料在发动机外部燃烧室燃烧将热能转化为机械能，驱动发电机为潜艇的直流电源发电。热源可以采用包括核、储备热化学能转化或燃料的常规燃烧等形式，外部热源连续供给闭路循环系统。热效率约4 0 ，尺寸与柴油机相差不大，但由于斯特林发动机不存在间断爆炸燃烧，也没有进气阀，从而使其噪声比柴油机低得多。加之低振动、低辐射及相对良好的燃料经济性，溶解在海水中的废气可直接排出艇外等特点，使斯特林发动机成为一种很有发展前途的潜艇动力形式9 】【1 0 1 1 1 】。1 9 8 5 年初，瑞典科库姆( k o c k u m s ) 公司研制的斯特林发动机达到实用阶段，1 9 8 8 年，瑞典皇家海军的1 0 0 0 吨攻击型潜艇“水怪”号( n a e c h e n ) 安装了斯特林发动机系统，并于1 9 8 9 年进行了使用和战术性能海上试验，瑞典皇家海军证实，它已成为可供使用的a i p 系统。自1 9 8 9 年起，“水怪”号潜艇一直参与瑞典海军的正常活动，其运行时间与其它潜艇一样，在此期间，“水怪”号用a i p 方式已运行了5 0 0 0 , , 时，未出现任何影响a i p 正常工作的技术故障。1 9 9 5 年2 月，世界上第一艘装备斯特林发动机的a i p 潜艇“哥特兰”号下3哈尔滨工程大学博士学位论文水，排水量近1 5 0 0 吨。1 9 9 6 年7 月，该艇正式服役于瑞典皇家海军。艇上装备有两台功率各为7 5 k w 的v 4 - - 2 7 5 r s u b l 型斯特林发动机。可使其获得大约6 节左右的水下航速，并可保持该航速连续航行1 5 天。发动机上的废气吸收装置可把废气与水充分搅和后排出艇外，不会在周围环境中形成气泡，从而减少尾迹，提高了隐蔽性。瑞典在研的2 0 0 0 型潜艇也采用斯特林发动机，功率为1 0 0 k w ，可支持潜艇连续潜航1 4 个昼夜。我国开发斯特林发动机的工作始于7 0 年代中期，上海7 1 1 所在1 9 8 0 年完成基础研究课题后，经过多年研究，于1 9 9 3 年底将功率为7 0 k w 的4 缸双作用4 r 7 0 斯特林发动机在实验台上热试车成功，目前，已完成斯特林系统的工程研制工作并投入使用运行。斯特林发动机是一种颇具竞争力的水下动力源。但由于斯特林发动机的加热器在高温高压的环境下工作，因而对材料和加工要求很高。过多耗用高级耐热合金钢和奥氏体不锈钢，使其生产成本远高于柴油机。另外，活塞杆密封困难，工作腔内作为工质的氦气或氢气存在泄漏损失，以及加热管使用寿命较短等问题都限制了斯特林发动机的大量生产。1 1 2 燃料电池系统( f c )燃料电池系统是另一种发展较为成熟的a l p 系统，由固态聚合物燃烧装置、液氧系统、氢系统、热交换器、海水冷却器、淡水冷却泵、冷却水箱、催化剂罐、造水箱等装置和燃料电池组成的电器设备构成。燃料电池是6 0 年代兴起的一种新麓源，一般按电解质分为：碱性燃料电池、酸性燃料电池、熔融盐燃料电池和固体电解质燃料电池。与普通蓄电池不同，燃料电池电极上的活性物质不是预先涂敷在电极上，而是由外界供给的。燃料电池的效率在满载时高达6 0 。所有燃料电池都需要氢作为燃料，氢可以是低温储存的氢化物，也可以从烃( 甲烷、甲醇等) 中提取，其最常见的储存形式是金属氢化物。现在最受欢迎的燃科电池是固态聚合物电解质燃料电池( s p e ) 和碱性燃料电池( a f c ) 。燃料电池有如下优点：装置中无转动机械部件，因而没有噪音辐射；无机械能和电能辐射，度低，工作环境较安全，过载能力大，4电能转换效率高达7 0 ；能量转换温易于控制，可靠性好。其存在的问题第1 章绪论是：辅助系统复杂庞大，价格昂爿1 2 】【1 3 1 。自1 8 3 9 年w i l l i a mr g r o v e 发现反向电解后，燃料电池的概念就已萦绕于发明者的脑海。德国是最早研究燃料电池的国家之一，处于世界领先水平。世界上第一个在潜艇上成功完成实验的燃料电池是1 9 8 8 年由德国h d w 公司制造的。1 9 8 0年进入产品研制阶段，1 9 8 8 年改装了一艘2 0 5 级潜艇并成功进行了海试。在德国新一代2 1 2 级潜艇上采用了由燃料电池和柴电动力组成的混合动力装置。燃料电池系统中每个燃料电池模块单元的输出功率为3 4 k w 。试验证明，用燃料电池作为动力，可使2 1 2 级潜艇的水下最大航速达n 8 节以上，并可持续航行7天以上。1 9 8 8 年1 0 月，前苏联海军进行了装备燃料电池的“卡特兰”号潜艇的试验。1 9 9 1 年俄罗斯海军又在“比拉鱼”型潜艇上试验成功低温氢氧燃料电池。俄罗斯下一步将正式向外推出的一种新型“阿穆尔”级a l p 潜艇上采用了碱性燃料电池系统，同时还有一套柴电动力装置。整套燃料电池动力装置的功率为3 0 0 k w ，能保证以水下3 5 节的航速持续航行2 0 天。目前，许多国家正积极开发s p e 燃料电池，德国、英国、加拿大是主要的开发者。英国v i c k e r s 船舶工程公司与加拿大b a l l a r d 动力系统公司、英国c j b开发公司合作设计了一个适合1 4 0 0 吨潜艇的s p e 燃料电池a 口系统。1 1 3 闭式循环蒸汽轮机系统( m e s 从)1 9 6 2 年，美国戴维泰勒研究中心论证了一个3 k w 的b r a y t o n 闭式循环涡轮机。1 9 7 2 年，美国空间信号联合公司( a s a c ) 研制了一个3 0 k w 的b r a y t o n 系统。世界上唯一进入实用研究的闭式循环蒸汽轮机系统是法国的m e s m a( m o d u l ed - e n e r g i es o u s - m a r i na u t o n o m e ) 系统【习。该系统的热量是由乙醇和氧气燃烧后提供的，热效率为2 0 ，系统压力可达6 m p a ，排气无需压缩可直接排出艇外，该闭式循环使用一种二级透平，工作气体在热交换器受热膨胀后通过一级透平，经散热器，由二级透平压缩再预热后，重新进入热交换器，完成一个循环。与柴油机相比，涡轮机具有振动小、噪音辐射少的特点。试5哈尔滨工程大学博士学位论文验取得初步成功后，样机安装在法国“蝎子”级a m 2 0 0 0 型潜艇上。在法国为巴基斯坦海军建造的每一条a g o s t a9 0 b 级潜艇上，均装备有一套2 0 0 k w 的m e s m a 系统，从而使该艇的续航力在4 节航速下提高到原来的3 - - 5 倍。1 。1 4 小型核动力装置小型核动力装置的优点是航速高、续航力大。这种系统是以低温、低压、反应堆热源与低温有机兰金( r a n k i n e ) 循环发动机为基础，将低温热能转换成电能的动力装置。由于小型核动力装置造价很高，一些关键技术尚未解决，所以研究和应用的国家并不岁6 】。加拿大e c s 公司以5 0 年代的s l o w p o k e 反应堆为蓝本，开发出了海上自主核动力源( a m p s ) ，a m p s 与主推进负载之间存在一组大型蓄电池，蓄电池起缓冲动力瞬间需求的作用。e c s 的一系列a m p s 系统自主电力输出功率从1 0 0 k w 到1 7 删，可以满足不同的需求。理论上一台1 7 0 0k w 的a m p s 系统可以为2 3 0 0 吨级潜艇提供航速1 4 节时的无限水下续航力。法国也开发了一个类似的a m p s 系统。1 1 5 闭式循环柴油机系统( c c d )典型闭式循环柴油机系统如图1 1 所示。该系统以闭式循环柴油机为发电机的原动机。为使柴油机能够在没有空气供给的状况下工作，将柴油机排出的废气经c 0 2 吸收器吸收部分c 0 2 气体后，将废气中末被吸收的部分气体再加入适量氧气，组成“人造空气”。为了使“人造空气”的比热比值接近于正常空气，一般还需在再循环的气体中加入适量单原子气体氩。闭式循环柴油机系统既可在闭式循环状态下正常工作，也可以在开式供气时正常运行，实现开、闭两用。因此，采用闭式循环柴油机a i p 系统的潜艇，在水上水下都可以用柴油机航行，不需设置专为水下航行用的大功率电机和大容量蓄电池，也称单一发动机动力装置。水下动力由于其工作的特殊性，在性能指标方面有较高的要求。主要包括：安全可靠性，初投资经济性，运行经济性，技术成熟程度，水下技术适6第1 章绪论图1 1 闭式循环柴油机系统框图f i g 1 1b l o c kd i a 跚o f n l t ec c ds y s t e m合性( 操作、控制、维修简便性) ，重量比能量，体积比能量等指标。当今大量研究结果表明，在所有可用的a i p 能源中，从重量、体积和补给方面考虑，最为有效的是柴油和液氧；而现有的能量转换装置中，最有前途的是柴油机，簸经济性比其它a i p 系统好。这主要是因为柴油机本身技术成熟，性能正在不断完善。柴油机的主要特点是油耗低、大修期长，得到广泛应用且维护操纵十分方便。用于闭式循环系统的柴油机甚至于不需要任何改进，实现起来相对容易。但是，闭式循环柴油机系统在使常规动力潜艇的续航力获得大幅度提高的同时，会带来噪声、体积及隐蔽性等方面的不良影响，这也是国外闭式循环柴油机研究大多涉及的问题之一。相关研究结果表明，在采取适当措旋的情况下，可以将其不良影响控制在较低水平，如采用隔声罩可有效抑制发动机噪声等【1 4 h 1 舯。表1 1 常规潜艇和加装- c c d 潜艇性能对比t a b l 1c o m l , a r i s o no f t h ep e r f o r m a n c eb e t w e e nc o n v e n t i o n a la n ds u b m a 汹、“山c c d排水量最大航速水下续航力隐蔽性常规潜艇1 0 0 1 0 0 l o o 1 0 0 c c d 潜艇1 1 5 1 0 0 5 0 0 7 0 1 2g o d 的发展历史及研究现状1 9 0 1 年7 月法国人j a u b o r t g f 最先申请了闭式循环柴油机专利，随后的7哈尔滨工程大学博士学位论文十几年中，法国、德国、美国、瑞士均提出了有关闭式循柴油机的研究方案，并进行了相关的陆上实验，但由于第一次世界大战的爆发和潜艇柴电机组推进装置的成功搁置了有关闭式循环柴油机的研究计划1 1 9 1 - 翊。在第二次世界大战前及二战期间，德国海军有些闭式循环内燃机的计划处于开发状态，主要应用于鱼雷和潜艇。但是，由于优先发展w a l t e r 汽轮机以及战争的延续，对于潜艇的应用受到延误。法国斯图加特( s t u t t g a r t ) 大学实验室从1 9 4 0 年开始，继续开始闭式循环柴油机的研究，1 9 4 1 年，开发了两台分别为5 3 马力和1 4 0 0 马力的闭式循环柴油机。到1 9 4 4 年中期，5 3 马力的发动机已经具备了装艇条件，但是战事的变化阻碍了它的实际应用。作为研制a l p 潜艇的先驱者，前苏联很早就对a 口潜艇进行了深入的研究，从1 9 5 3 年到1 9 5 7 年他们建造了3 0 艘“魁北克”级潜艇，但这种以过氧化氢和柴油为燃料的阂式循环柴油机作为主推进动力的潜艇在海军服役时并不令人满意。出现过爆炸、着火，甚至有潜艇损伤。考虑到安全因素。前苏联在2 0 世纪7 0 年代中期放弃了闭式循环柴油机a i p 系统的研究。德国对闭式循环柴油机的研究工作开展得很早，在二战结束前就提出了建造以闭式循环柴油机为主动力的“海狗”小型潜艇并在1 9 4 4 年建成，而且进行了台架试验，测出了一些重要参数。但由于战后核电技术得到了迅猛发展，虽然当时闭式循环柴油机已发展到了比较高的水平，但核能潜在的优越性，特别是应用在大型潜艇上无可比拟的续航力吸引了各国海军及潜艇设计者们的注意力，对于闭式循环柴油机的研究工作就没有深入下去，这种情况一直持续到7 0 年代。自7 0 年代以来，由于海洋发展、特别是近海浅水范围内作业的需要，从经济观点出发需要配备非核动力。同时，核潜艇在发展过程中也暴露出不少问题，如造价高、安全性差及核废料难以处理等，特别是军事与深海开发对中小型潜艇的应用需求，掀起了闭式循环柴油机研究的又一轮高潮。目前，英国和德国关于闭式循环柴油机的研究处于世界领先地位，意大利、荷兰、日本、加拿大等国也都进行了大量的研究工作。德国的蒂森公司北海船厂( 1 n s w ) 从1 9 8 3 年起就同英国的纽卡斯尔大学( n e w c a s t l e ) 和科斯沃思工程公司( c o s w o r t he n g i n e e r i n g ) 联手开发了一第1 章绪论种c c d 系统。1 9 8 6 年他们合作建造了第一台功率为1 2 0 k w 的样机，1 9 8 9年6 月该样机正式在模拟舱室内进行了安装和试验。另外，德国的布鲁克一梅尔斯( b r u k e r - m e e r e s t e e l m i k ) 海洋技术公司与曼恩( m a n ) 公司合作，于8 0年代中期研制成功一种添加氩气的闭式循环柴油机，1 9 9 0 年使用这种氩氧c c d 系统的“海马一k d ”试验潜艇下水试航成功。目前，它们已生产多艘“海马一k d ”型载人潜水器。蒂森公司于1 9 8 6 8 7 年在德国的埃姆登( e m d e n ) 建立了一个闭式循环柴油机潜艇试验舱段，该舱段装备了一台1 5 0 k w 的梅塞德斯一奔驰( m e r c e d e sb e n z ) 柴油发动机，此发动机在1 8 0 0 r r a i n 时的功率为1 5 0 k w ，一台直流发电机可提供1 2 0 k w 功率。从1 9 8 7 年到1 9 8 9 年，该c c d 样机在那里成功地进行了测试和耐久实验，其中包括2 5 0 小时连续运转实验，深度模拟到4 3 0 米。在第一个全尺寸试验经验的基础上，在c d s s 公司监控下建立了第二个试验台架。这个试验台架建立于1 9 8 9 年，装备有改进和更新的c c d 部件，以及一台更大功率的发动机( m e r c e d e sb e n z5 咖) ，测试一直进行到1 9 9 1 年。与第一次试验程序相似，进行了长期连续运行实验与模拟潜深5 0 0 米试验。1 9 9 1 年，德国海军第一艘2 0 5 级潜艇u 1 退役。这艘4 5 0吨的潜艇在指挥塔前安装有一个3 8 5 米长的插入舱段，该舱段曾安装有燃料电池并一直实验到1 9 8 9 年。该艇于1 9 9 1 年9 月在埃姆登退役后，u 1 被命名为“e x - u 1 ”，并成为一条民用试验艇。在这个额外的舱段内安装了所有c c d 部件后，该艇于1 9 9 2 年9 月下水，于1 9 9 3 年2 月在波罗的海开往埃克弗尔德( e c k e r f o r d e ) ，进行海上试验。1 9 9 3 年5 月2 日，“e x _ u 1 ”潜艇第一次成功地用c c d 装图1 2 安装在e x - u l 上的c c d 元件置完成了不依赖空气的下潜航行。后来，蒂森f i g 1 2c c dc o m p o n e n t si n s t a l l e d公司将其用于改装的2 0 9 级潜艇和阿根廷的i n e x - u 19哈尔滨工程大学博士学位论文n o l 7 0 d 型潜艇上。意大利马利塔里亚( m a r i t a l i a ) 研究发展公司近二十年来一直致力于发展柴油机a r i a 系统。他们研制了几种供海上作业使用的c c d 发动机，采用c 0 2 为惰性循环气体。该公司还研制出两艘完全由闭式循环柴油机推进的小型潜艇，排水量分别为1 2 0 吨和8 0 吨。意大利泛安科纳公司研制了装有闭式循环柴油机的s - - 3 0 0 c c 型潜艇。意大利深海石油公司建造了3 艘装有闭式循环柴油机的小型潜艇，其中两艘c c d 的功率均为4 2 0 马力。早在1 9 8 0 年，英国新堡大学就与发明c c d 技术的深海系统公司合作研制了一台功率为2 5k w 的c c d 系统。8 0 年代以后，英国纽卡斯尔( n e w c a s t l e )大学相继开发了以氮气( n i t r o d i e s e l ) 和氩气( a r g o d i e s e l ) 为循环工质的c c d 系统。针对c 0 2 吸收这一关键技术，科斯沃思工程公司( c o s w o r t he n g i n e e r i n g ) 开发出一种先进的海水吸收c 0 2 系统，该系统仅用一个功率很小的低压差水泵来维持艇内外海水的循环，与下潜深度无关。此技术一经发表，立即引起国际上的广泛关注。荷兰r d m 公司开发的潜艇采用的是闭式循环柴油机a i p 和电力推进组成的混合推进系统。a l p 系统包括两台4 0 0 k w 的闭式循环柴油机；电力推进系统包括3 台柴油发电机组，一台主推进电机及两组蓄电池。排水量为1 8 0 0吨。r d m 船厂估计，一艘装有混合动力的“海鳝”级潜艇在以2 节速度巡航时，能保持在水下航行2 0 天。混合推进系统大大增加了该级潜艇的潜航时间，提高了隐蔽性和作战能力。日本在7 0 年代就开始了h i r o pc c d 计划，日立公司开发了1 6k w 的c c d 机，三田瑞船舶公司开发了2 3 5k w 的c c d 系统，三井公司己制造出3 0 0 k w 的c c d 系统并进行了试验。韩国于1 9 8 8 年2 月订购了3 艘德国设计的2 0 9 级1 4 0 0 型装有闭式循环柴油机的潜艇，该艇装备了4 台被改装为a i p的m r u l 2 v 4 9 3 a z 一8 0 柴油机，海水管理系统由英国科斯沃思公司设计制造。此后，韩国也拟购买闭式循环柴油机系统装于大宇船厂自己建造的2 0 9 级潜艇上。经过几十年发展，国外c c d 技术相对比较成熟，已进入实际装艇的工程应用阶段。我国在闭式循环柴油机a n 系统方面的研究工作始于8 0 年代中1 0第1 章绪论期，上海7 1 1 研究所、华中理工大学和海军工程大学都做过有关闭式循环柴油机的研究工作。其中，上海7 1 1 研究所后来的研究工作主要转移到闭式循环斯特林系统，并取得了成功。华中理工大学的张煜盛在德国做访问学者期间对德国闭式循环柴油机的研究工作进行了实地考察，发表了不少介绍闭式循环柴油机系统的文章，并对其工作过程进行了模拟计算，还做过不同的循环工质对其性能影响的试验，得出了一些重要结论。海军工程大学的张卫东在攻读博士学位期间曾进行过闭式循环柴油机及其控制系统的仿真实验研究，并于2 0 0 4 年完成了闭式循环柴油机的配氧实验，在以s 1 9 5 柴油机为主机的闭式循环柴油机试验台上进行了闭式循环初运行。哈尔滨工程大学内燃机教研室自1 9 9 2 年开始闭式循环柴油机的相关研究，先后完成了闭式循环柴油机工作过程仿真，进排气和喷油定时的优化，并于2 0 0 2 年建成了以4 1 0 2 b g柴油机为主机的闭式循环柴油机实验台架，完成了空载闭式循环运行。9 0 年代以后，闭式循环柴油机a i p 动力装置成为常规动力潜艇提高续航力的发展趋势。无论作为潜艇的主推进动力，还是与常规动力组成混合推进动力，闭式循环柴油机以其能量密度高、经济性好、主体发动机技术成熟等优点，在当今的a i p 系统的应用中，明显优于其它各种a i p 形式。尽管在装备闭式循环柴油机a m 系统后，常规动力潜艇的体积重量、振动噪声略有增加，但相对于增加了近4 倍的续航力而言，这些都显得微不足道。因此，闭式循环柴油机的发展，不仅对增强海军装备有着巨大的推进作用，而且还会对深海开发产生显著的经济与社会效益。尽管我国对闭式循环柴油机的研究还没有形成规模，所做的工作还处于工程应用研究的初期阶段，但积极开展对闭式循环柴油机的研究工作，对于提高我国潜艇a i p 系统的研究水平、提高我国海军装备水平、加强国防建设具有深远的战略意义。1 3w m s ( w a t e rm a n a g e m e n ts y s t e m ) 研究背景1 3 1a i p 系统排气中c 0 ：的处理方法在上文陈述的几种a i p 系统中，除燃料电池系统( f c ) 和小型核动力装哈尔滨工程大学博士学位论文置外，其它几种a l p 形式：闭式循环斯特林系统( s e ) 、闭式循环蒸汽轮机系统( m e s m a ) 和闭式循环柴油机系统( c c d ) 都面临着如何处理排气中c 0 2的问题。研究结果表明，a l p 系统排气中c 0 2 的处理方式在很大程度上影响着a l p 系统的性能。由于斯特林发动机采用高压燃烧，燃烧压力在2 m p a 以上，因此，对于闭式循环斯特林系统( s e ) ，在水下2 0 0 米范围以内，可依靠排气自身的压力把部分废气直接排出艇外。若再增加潜深( 科库姆公司在1 9 9 0 年“萨加”号潜艇上，采用闭式循环斯特林a l p 系统已证明其最大下潜深度可达6 0 0 米) ，则需要增设排气泵或进一步提高燃烧压力，c 0 2 处理在技术上将遇到一定困难。与闭式循环斯特林系统( s e ) 相类似，由于闭式循环蒸汽轮机系统( m e s m a ) 的系统压力达6 m p a ，因此，在6 0 0 米潜深范围内其废气同样无需压缩可直接排出艇外。但随着军事竞争与深海开发的需要，潜艇的下潜深度在不断地增加，当潜深达到一定极限时，以上两种闭式循环系统都将面临排气中c 0 2 处理的困难。由于柴油机本身工作原理的限制，柴油机的排气压力仅略高于常压，在高背压柴油机所允许的排气压力范围内，作为潜艇动力，也仅能