俄罗斯非核动力潜艇推进系统的选择与发展趋势

李大鹏 张晓东

海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033

俄罗斯非核动力潜艇推进系统的选择与发展趋势

李大鹏 张晓东

海军工程大学 船舶与动力学院，湖北 武汉 430033

给出了俄罗斯（前苏联）非核动力潜艇推进系统的选择及推进系统的组成和参数，介绍了俄罗斯（前苏联）非核动力潜艇柴油机功率、主推进电机功率、最大水面和水下航速的发展变化，给出了潜艇推进系统的主要形式和舱室布置，并对俄罗斯（前苏联）非核动力潜艇AIP装置，包括闭式循环柴油机装置、闭式循环蒸汽动力装置、电化学发电机装置的研究和设计进行了重点介绍。同时，结合各种潜艇推进系统，对俄罗斯非核动力潜艇推进系统的发展趋势作出了分析。

俄罗斯；非核动力潜艇；推进系统

1 引言

20世纪60～80年代，与美国不同，前苏联不仅大力发展大洋级核动力潜艇，而且还致力开发在濒海海域执行任务的非核动力潜艇。这种潜艇发展战略是由前苏联海洋国土特点决定的。至解体前，前苏联拥有世界上最强大、数量最多的核动力潜艇和非核动力潜艇。

20世纪70年代末，位于列宁格勒（现名圣彼得堡）的红宝石设计局研制了877型“基洛”级第3代柴—电动力潜艇，其低噪声水平成为1980～1990年期间新的潜艇隐蔽性标准。该型系列潜艇畅销世界， 其中包括 877、877B、877Э、877ЭКМ、636、636М 等型号。

2 “拉达”级潜艇

1987年，红宝石设计局开始了俄罗斯IV代677型“拉达”级非核动力潜艇的研制。677潜艇参考了前苏联其他型号，如613、641、877和636型潜艇的设计，分为677型和677Э（出口型）两种设计。1997年，首批潜艇在圣彼得堡海军部造船厂开工建造，包括为俄罗斯海军建造的677型潜艇和为出口订单建造的“阿穆尔”级潜艇。

677型潜艇采用传统的柴油机—电力装置，为全电力推进。动力装置包含1台柴油机、4 100 hp功率全工况轴系永磁推进电机、2组各包含126个蓄电池的蓄电池组。轴系推进电机带动七叶大直径螺旋桨。此外，677型潜艇还有AIP方案，可使采用氢氧燃料电池的677型潜艇的水下不间断航行时间延长2倍。

677型潜艇具有很好的隐蔽性，主要通过大幅减少舰船物理场强度和特征来实现。这归功于使用了交直流混合柴油发电机和全工况电力推进，以及低转速的全工况主推进电机。与877型“基洛”级潜艇相比，677型潜艇的噪声水平仅相当于前者的若干分之一。

3 功率与航速

水下航行的潜艇推进功率随航速而改变，潜艇暴露率与潜艇航速关系密切，动力消耗与航速呈相反趋势变化。

图1所示为俄罗斯（苏联）潜艇在近50年内柴油机功率和主推进电机功率的变化，表1所示为潜艇动力装置及推进系统的主要技术参数［1－2］。可以看出，柴油机与主推进电机功率之比逐渐下降，这是由于对潜艇水下航行性能的要求不断提高而造成的，包括提高潜艇的水下最大速度、缩短蓄电池充电时间。

表1 俄罗斯（前苏联）非核动力潜艇动力装置及推进系统的主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of no n－nuclear submarine power plant and propulsion system of Russia（ex-USSR）

613、641和641Б型潜艇的柴油机功率均大于主推进电机功率，这是由当时的主推进电机水平决定的。自877ЭКМ（出口型）型开始，主推进电机功率就上了一个新台阶。877ЭКМ型的柴油发电机功率不足，从而增大了蓄电池充电时间，这是由于当时没有适用的柴油发电机。在作为877ЭКМ改进型的636型潜艇上，安装有更大功率的柴油发电机。

最大水下航速是潜艇最重要的技战参数之一。图2所示为前苏联及俄罗斯非核动力潜艇最大水面和水下航速的变化［3］。最大水下航速逐代提高，而最大水面航速呈下降趋势，并自III代和IV代开始稳定在10 kn。潜艇隐蔽性成为潜艇最重要的技战术性能，对最大水面航速的要求也逐渐降低。

图2 非核动力潜艇最大水面和水下航速的发展变化Fig.2 Maximal surface and submerged speed of no n-nuclear submarine

4 轴系推进系统

非核动力潜艇推进系统可分为3种主要类型：

1）借助或不借助减速器将柴油机功率传递到桨轴。二战后期设计定型的柴—电动力潜艇采用了这种推进形式，如613型及其改型潜艇；

2）联合推进。除柴油机与桨轴采用机械连接外，还安装有辅助柴油发电机组。目前，这种推进形式最为普遍，如641型、877型、636型、636M型等潜艇。一般采用单台或2台（如641型潜艇）主轴系推进电机、1台经济航行轴系推进电机；

3）全电力推进。这种推进方式是在联合推进基础上，取消了经济航行轴系推进电机，只使用1台全工况主轴系推进电机，如德国212和214级潜艇、俄罗斯677型和“阿穆尔”1650级潜艇（图3）。采用全电力推进大大简化了电力系统，有效降低了动力装置振动噪声和推进噪声水平，但对全工况主轴系推进电机的设计制造提出了更高的要求。

采用单一主轴系推进电机是潜艇推进系统的发展趋势。“阿穆尔”1650级潜艇取消了877型、877ЭКМ型、636型、636M型等III代非核动力潜艇的经济航行轴系推进电机，只采用单一主轴系推进电机，但保留有应急推进电机。图4所示为877型和“阿穆尔”1650级潜艇的轴系舱室布置［4］。

图3 非核动力潜艇推进系统Fig.3 No n-nuclear submarine propulsion system

红宝石设计局设计师认为，潜艇推进系统的一个发展方向是使用基于永磁场带有励磁系统的整流式主轴系推进电机［5］，这种电机转速可降低到120 r／min。推进电机的低转速对降低噪声有利。

5 闭式循环柴油机装置

前苏联和俄罗斯是潜艇AIP技术研制、开发和应用最早的国家之一。在闭式循环柴油机装置、闭式循环蒸汽动力装置、电化学发电机装置等方面都有成熟的技术，并积累了丰富的使用经验［6］。

1953年，前苏联在德国闭式循环柴油机动力装置技术基础上，研制出A615系列潜艇。A615系列潜艇正常排水量400 t，潜深140 m，使用2台功率为700 hp的M-50n型柴油机。1953年～1962年期间，前苏联建造了近30艘采用化学吸收废气方法的单一发动机的A615潜艇（图5）。A615潜艇动力装置布置如图6所示，工作原理如图7所示。柴油机排放的废气进入气体冷却器，在其中冷却，并除去水蒸汽和部分机械杂质后进入化学过滤器，在其中除去碳酸气体，同时加热，补充氧气后进入柴油机汽缸。这种动力装置的一个严重缺陷是液氧具有高蒸发性，故在潜艇使用条件下存在着事故隐患。曾经因上述原因发生过若干起严重事故。

图5 A615潜艇舱室布置Fig.5 Cabin layout of A615 submarine

图6 A615潜艇动力装置布置Fig.6 A615 submarine power plant collocation

图7 A615潜艇动力装置Fig.7 A615 submarine power plant

1988年，俄罗斯国家应用化学研究中心研究了用于闭式循环柴油机装置的氧气制备方法。这种方法使用NaClO3，分解时不会有危险性产物生成，并且释放热量低，可在局部高温下进行。这种氧气制备方法称为“热解法”。1990年～1992年期间，由圣彼得堡军事工程技术大学、小星星机器制造联合体、俄罗斯国家应用化学研究中心、符拉迪沃斯托克高等海运工程学院、坦波夫化学科学研究院等研究机构和厂家组成的研究组完成了使用热解法制备氧气的闭式循环柴油机装置选型设计优化。1993年，研究组开展了500 kW和1 500 kW闭式循环柴油机装置的结构设计，选用12ЧН18／20 和 12ЧН20／21型柴油机装置， 制订了以热解法为基础的人造气体混合物制备规范性文档标准。

1995年，圣彼得堡军事工程技术大学完成了使用被称为“水解法”制备氧气的闭式循环柴油机装置原型试验。采用“水解法”制备人造气体混合物的100 kW闭式循环柴油机装置方案如图8所示。柴油机排放废气在经过喷射室预先冷却到95～100℃后进入直流式喷射吸收器，废气中的二氧化碳通过与碱溶液相互作用而被吸收，并由溶液泵从氧和碱性溶液箱中泵出。在冷却—发生器中废气进行最后的净化和冷却。在惯性分离器中，气相和液相分离。为补充惰性气体消耗，设置了惰性气体储存箱，使用过的碱性溶液收集在碱性乏溶液收集箱内。这种AIP装置方案可用于在濒海区域执行任务的小型潜艇。

闭式循环柴油机装置的优点是技术成熟、造价低，缺点之一是噪声较大，必须采取减振降噪措施，在目前技术水平下可以较好地解决。另外，在潜艇使用环境下，装置废气排放是个难题。废气的主要成分是难溶性气体，若直接排放舷外，会留下尾迹和化学信号，对潜艇的隐蔽性有重要影响，且其排气与下潜深度、发动机输出功率有关。研究表明，对于排到海水中的直径为2.5mm的废气气泡，如果含有5%的氧气和95%的二氧化碳，废气气泡可以在5℃温度的海水中存在约90 s，其中氧气泡的存在时间会大于180 s，在此过程中，废气气泡将浮升5m。如果潜艇以7.5 kn速度航行，海水中将会留下340m左右长度的气泡带，而且排气系统也存在噪声。如果采取吸收、加压等措施后进行排放，则会消耗发动机功率，进而影响装置性能。

6 闭式循环蒸汽动力装置

图8 100 kW功率闭式循环柴油机装置Fig.8 100 kW closed-cycle diesel power plant

1948年，前苏联СКБ-143结构设计局以德国XXVI型潜艇蒸汽动力装置技术和设备为基础，设计了617型潜艇。在甲板间龙骨位置处布置了32个过氧化氢储存箱（图9）。

图9 617型潜艇动力装置舱段布置Fig.9 Layout of 617 submarine power plant

1952年，首艇C-99下水。617潜艇内部布局如图10所示。闭式循环蒸汽动力装置额定功率7 500 hp，可保证潜艇从10 kn到全速下的航行。排气系统工作深度80 m。随着潜深增大，向舷外排放二氧化碳气体的压缩机消耗功率也相应增加。此外，汽轮机装置功率还提供给处于发电机工作状态下的主推进电机。在30～40m下潜深度时，蒸汽动力装置推进功率为7 250 hp，速度可达23 kn。艇载过氧化氢可保证6～23 h的航行。1956年～1959年期间，C-99潜艇完成了98次出航，水面航行超过6 000 n mile，水下航行超过800 n mile，其中315 nmile是在闭式循环蒸汽动力装置工作状态下完成的。

图10 617型潜艇舱室布置Fig.10 Layout of 617 submarine cabin

根据航速和续航力指标衡量，617型潜艇性能优异，但也存在缺陷。例如，汽轮机装置的工作噪声较大。617型潜艇在使用过程中曾发生过严重爆炸事故。

1953年，СКБ-143设计局开始设计643型潜艇。643型潜艇吸收了C-99潜艇的设计和使用经验，水下排水量1 865 t，水下航速不低于22 kn。1953年，前苏联开始了第1艘核动力潜艇的研究设计，于是643型潜艇项目被中止。1953年，在前苏联第1艘核动力潜艇627型潜艇的汽轮机动力装置中采用了经617型潜艇验证的设计。

7 电化学发电机装置

卡拉列夫“能源”火箭—航天委员会研制了采用低温储存氢和氧的运输用РЭУ-99型自动化动力装置，使用由乌拉尔电化学联合体研制的用于“暴风雪”号航天运输轨道飞船的“光子”电化学发电机，做成嵌入式潜艇AIP舱段。舱段长9.8m，平均需求功率为100 kW时，可保证潜艇水下不间断航行20昼夜［7］。装置额定功率300 kW，效率70%，耗氧率 0.336 kg／kW·h，耗氢率 0.042 kg／kW·h。 动力装置从冷态启动到满功率额定工况的所需时间不超过240min，从额定工况到完全停机所需的时间不超过5 h。低温反应物加注的时间为18～30 min。电化学发电机使用期限10年，使用寿命6 000 h，其余部件使用期限25年，使用寿命12 000 h。

AIP舱段设计成可以在潜艇进行现代化改装时嵌入潜艇中后部的形式，这样的改装和建造费用最低。为此，红宝石设计局的专家在潜艇相邻舱室间的电力线路和管路接口等方面进行了研究设计。也可以在潜艇建造时就采用AIP设计。AIP舱段布置如图11所示，加装有电化学发电机的“阿穆尔”级潜艇电力系统如图12所示。

图11 氢和氧采用低温储存方案的AIP舱段Fig.11 AIP cabin with hydrogen and oxygen c r yo-storage

图12 加装有电化学发电机的“阿穆尔”级潜艇电力系统Fig.12 Amu r submarine electric power system installed with electric-chemical generator

1998年，红宝石设计局和“能源”火箭—航天委员会研制了潜艇低温储氢系统，借鉴了在环月飞船和“暴风雪”号飞船上积累的丰富经验。低温液态储氢系统相当复杂，且储氢系统占AIP装置和装载反应物总质量近70%，但储氢量占储存系统总质量却不超过5%，重量尺寸指标特性毫无优势。在电化学发电机AIP舱段内，低温储氢罐垂直布置在竖井内，低温储氧罐水平布置在潜艇耐压壳体内。储氧罐由AIP潜艇压壳体保护，可以防止战斗损坏（图13）。储氢罐的竖井壳体要完全承受潜艇的舷外水压力。竖井顶盖安装有充注和排放接口。

红宝石设计局研制了金属氢化物制氢和低温储氧的电化学发电机AIP装置舱段，如图14所示。由于金属氢化物密度较大，一般为5.65～8.25 t／m3，为保持潜艇稳性和重心，可将金属氢化物储存箱布置在龙骨上。液氧罐垂直布置，其余设备布置方式与前述相同。

图13 采用低温反应物储存的电化学发电机动力装置潜艇AIP舱段Fig.13 AIP cabin of e lectric-chemical generator power plantwith hydrogen and oxygen c r yo-storage

图14 采用金属氢化物制氢和液氧储存的AIP舱段Fig.14 AIP cabin withmetal hydride hydrogen generation and liquid oxygen storage

AIP装置的造价决定了潜艇的军事—经济性能［8］。俄罗斯奥姆斯克仪表特种结构设计局研制的电化学发电机装置功率600 kW，短期峰值功率可达4 000 kW，潜艇自持力可达60～90昼夜，已经接近核动力潜艇。但这种电化学发电机装置造价几乎占潜艇动力装置总造价的绝大部分。与其选择这种潜艇与常规柴—电潜艇形成 “高低”搭配，还不如直接建造核动力潜艇［9-10］。

氧的制备与储存技术已经非常成熟，制氢与储氢已成为潜艇电化学发电机装置发展的“瓶颈”。

8 结束语

俄罗斯在非核动力潜艇推进系统的研究、设计和使用上积累了非常丰富的经验，且在AIP装置上的技术基础雄厚，研制的AIP舱段可用于新型潜艇或对在役潜艇进行AIP改装。

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Solutions and Development Trends of Russian Navy's Non-Nuclear Submarine Propulsion System

LiDa－peng Zhang Xiao－dong
College of Naval Architecture and power， University of Naval Engineering， Wuhan 430033， China

This p aper introduces the components and main technical parameters of Russian Navy＇s （including ex-USSR） non-nuclear submarine propulsion systems， in regard to diesel power， main axial propulsion electricalmotor power， max surface and submerged speed， together with themajor configurations of propulsion system and cabin layouts.Particular introductions are given to a variety of researches carried out by the Russian on the non-nuclear submarine power system，including closed-cycle diesel power plant， closed-cycle steam power plant and electric-chemical generator plant.Based on that，the development trends and future prospect of the Russian navy＇s non-nuclear submarine power system are also provided.

Russia； no-nuclear submarine； propulsion system

U664；E925

A

1673-3185（2011）06-102-07

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.021

2011-06-20

李大鹏（1972-），男，博士，副教授。研究方向：舰船动力装置。E-mail：dapenglee＠126.com

张晓东（1969- ） ，男，硕士，副教授。 研究方向：舰船动力装置。 E-mail：593974755＠qq.com

李大鹏。