国内首台!大缸径斯特林发动机顺利完成性能试验

国内首台!大缸径斯特林发动机顺利完成性能试验

斯特林发动机作为一种闭式循环往复式动力机械,其理论效率与卡诺循环效率相等,为所有热力循环所能达到的最高效率。同时,作为一种外部供热的闭式循环动力机械,斯特林发动机可与常规能源、核能等任意热源相结合,结构形式灵活多变,在兆瓦功率等级范围内具有结构紧凑、系统简单、启动迅速、可模块化布置等显著优势。特别是与钠冷快堆等金属堆相结合,可从根本上杜绝传统钠冷快堆发电系统中钠水反应的风险,具有本质上的高安全性。

近日,国内首台大缸径斯特林发动机基础样机在中国船舶集团七一一所顺利完成性能试验,基础样机额定功率达320千瓦,热功转换效率达40%,是目前国际上已知单机功率最大的斯特林发动机。

征途漫漫,这是新的起点,是七一一所科研团队、几代人经过四十余年艰苦卓绝的创新与攻关取得的成果。

1975年,老一辈科研人员在七一一所创立了斯特林发动机试验室。它效率更高,能源适用性更广,拥有该技术对国家意义重大。当时世界上只有几个国家正在研制该类发动机,对外严密封锁技术。

没有资料、没有图纸、没有实物,没有试验室,更没有可借鉴的经验。历经十年,老一辈科研人员没有放弃,终于研制出一台小型太阳能斯特林样机,迈出了坚实的第一步。

又十年,七一一所科研团队靠着微薄的科研经费,实现了技术突破,研制出我国第一台功率达10马力的发动机,而达到同样的技术水平,发达国家用了几十年,耗资巨大。

再十年,七一一所科研团队在不断的自我否定与自主创新中,解决了密封、燃烧、热交换等十多项关键技术,打通了所有技术瓶颈,打破了国外技术封锁,成功研制出工程样机,并实现了产品试用。

从无到有、从小到大、从大到精、从精细到实用、从实用到产业化发展,七一一所科研团队始终在奋斗,继续潜心钻研“中国动力” 。

斯特林发动机是英国物理学家罗巴特•斯特林(Robert Stirling) 于1816年发明的,所以命名为“斯特林发动机”(Stirling engine)。斯特林发动机是通过气缸内工作介质(氢气或氦气)经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力,因此又被称为热气机。

斯特林发动机AIP系统简称SE/AIP,主要是由斯特林发动机、发电机、液氧系统、供油系统、冷却系统、工质系统和控制系统等组成。SE/AIP系统的工作过程是:在燃烧室内,氧气和燃油持续燃烧,燃烧的火焰将加热器加热,由加热器把热能不断地传递给流经其内部的工作介质,介质吸收热量膨胀做功,推动活塞运动,再通过曲柄、连杆机构变往复运动为旋转运动,使曲轴旋转并输出功率。

但现在,斯特林发动机的使用还仅限于一些特殊领域,如潜艇或用于游艇的辅助发电机,这些地方静音操作非常重要。

不依赖空气推进系统(AIP)的英文全称是“Air Independent Propulsion”,是指潜艇在水下不依赖外界的空气也能提供推进动力和其他动力的能源系统。AIP系统主要利用自身携带的氧气,为热机或电化学发电装置提供燃烧条件,完成能量转换,提供水下航行所需的推进动力。AIP技术的应用,能够使常规潜艇的潜航时间由几天增加到几周,提高了它的隐蔽能力和水下续航能力。目前世界上比较成熟而且进入应用阶段的AIP技术主要分为三大类,分别是热机系统、电化学系统和小堆系统(核动力AIP系统)。其中热机系统包括斯特林发动机、闭式循环柴油机、闭式循环涡轮机等形式,电化学系统主要是以燃料电池为主要形式,小堆系统是基于低功率核动力装置的动力系统。

AIP动力在潜艇上的优势就在于,能显著的提升常规潜艇在水下的续航时间;过去常规潜艇如果不冒险升起通气管只靠电池,那就只有两三天的水下低速航行能力;而换上了以斯特林机为代表的AIP系统后,水下续航时间能提升到两周水平;都知道现代海上作战当中,潜艇只有在下潜时才有战斗力与生存能力,斯特林机对常规潜艇的战斗力水平的提升当然是显著的,能在水下呆的更久。同时,斯特林发动机上面能够产生声音的部件,只有活塞和转动的飞轮,只要轴承的性能好,声音理论上可以做到无限小。

此外,斯特林发动机在航空航天领域内的应用前景也非常可观。我们都知道, 航天器在太空中运行所面临的最大难题,就是电力能源的补给问题。如今绝大多数航天器所使用的电力,都来自太阳能电池板进行循环转变获取的,但是太阳能帆板仍旧面临着一大限制,那就是面积小。这种限制像座大山一般摆在眼前无法跨越。导致它对太阳能进行转换后所产生的电能极为有限,只能勉强维持航天器的日常消耗。如果使用通过结合小堆反应装置的斯特林发动机,再配上小型发电机组合成一套动力达到兆瓦级的动力系统,就能够完全满足我国航天器以及空间站航天员的日常电能消耗。

坚持自主创新,把关键核心技术掌握在自己手里,相信随着我们不断创新、不断突破,将会攻克多项“卡脖子”关键核心技术。

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