核潜艇动力系统水：从动力系统讲,柴电潜艇和水面舰艇所用柴油机有无区别?海:总的讲没有太大区别,只是潜艇用柴油机排气的背压要求相对高一些。

潜艇柴油机排气口处设置了气体分布器,可将废气均匀地变成小气泡排到海水里,不易被反潜兵力目视发现。

当风浪较大时。

柴电潜艇如何保证通气管状态航行的安全?海:潜艇通气管进气口被海水淹没时,浮阀装置会自动将进气口盖死,以防止海水进入。

但是,通气管进气口被盖死的时间不能过长,否则正在工作的柴油机将从艇内舱室抽气,使舱室内的气压迅速下降,造成负压事故,严重危及艇员生命安全,对此是有沉痛教训的。

虽然潜艇各舱室是用舱门隔开的,但全艇通风系统从首到尾是相通的,因此潜艇各舱室会同时出现负压。

安全措施是:一旦因海浪造成通气管进口关闭,当舱室内压力降至一定数值时,应立刻手动或自动将柴油机停机。

因此,柴电潜艇水下通气管航行时,对海面风浪等级是有严格要求的。

潜艇在水下航行中有时会遇到液体海底。

海水密度跃层比较稳定,潜艇可以停坐在上面,既节约蓄电池电力,又可利用液体海底待机或休息。

液体海底与季节和海区有关。

如果潜艇停机,可以坐在上面悬浮,当然要注意不要坐在液体海底区域的边缘上。

为了在液体海底上坐得更稳,可以向水柜再加注些海水使潜艇更重些。

潜艇在航行中,动力系统容易出现哪些问题?海:仅举一例,如推力轴承。

潜艇推力轴承用来承受水对螺旋桨的反作用力,最后将这个力传递给艇体,以推动潜艇前进。

在这方面容易出现烧推力轴承的问题。

推力轴承的推力瓦块表面通常采用耐磨材料巴氏合金,熔点低。

螺旋桨工作时,推力轴承因承受巨大摩擦力而产生很高的热量,如果得不到及时冷却,推力轴承上的巴氏合金材料便容易熔化而“烧掉”。

因此必须配有专门冷却系统对其表面进行冷却,这个冷却剂就是润滑油。

具有一定压力的轴系润滑油不断进入推力表面,形成油膜减少了推力表面的摩擦力,同时不断带走热量,而这个润滑油是通过海水冷却的。

如果轴系润滑油系统或轴系海水冷却水系统出现故障,潜艇螺旋桨就不能工作了。

因此要及时监测滑油温度,温度异常时及时采取措施。

水:潜艇动力系统最常见的问题是“三漏”,即漏水、漏油、漏气(汽)。

这与设备的密封效果、材料腐蚀等有关。

“三漏”可能会造成设备运转失常,还可能污染空气影响人员健康。

特别是核潜艇N路蒸汽管道,如果漏汽严重,高温高压的蒸汽弥漫到舱室里,可能烫伤人员的呼吸道和皮肤,所以是很危险的。

核潜艇反应堆在安全上容易出什么问题?海:各国核潜艇反应堆大都用压水堆,这种堆广泛用于核电厂,技术上比较成熟。

但是与常规潜艇相比,核潜艇存在一些特殊的安全问题。

一个是反应堆核能释放控制问题。

反应堆内设置有控制棒,以便按设计允许的功率水平逐渐释放核能。

但在某些事故情况下,例如控制棒提升过快或连续抽出时,反应堆内所产生的热量在短时间内将急剧升高,这种失控的功率增长使堆内瞬间产生无法接受的大量热能,这些热能来不及被导出堆芯,将导致反应堆燃料元件烧毁。

如1985 年苏联太平洋舰队K-431号核潜艇在海参崴进行换料时,由于外部原因导致控制棒被提起相当高度,造成反应堆进入瞬发临界状态,发生了巨大爆炸,后果十分惨重。

第二个是燃料元件产热导出的安全问题。

反应堆燃料元件芯块和其外部的包壳材料能承受的温度都是有限度的,如果温度过高会导致严重损坏。

因此在反应堆运行期间,必须及时将堆芯内的产热导出,防止堆芯温度升到超出安全的程度。

反应堆第三个安全问题是辐射。

堆内原子核在裂变过程中以及裂变产物衰变过程中将产生大量射线,如果发生燃料元件破损和一回路冷却剂泄漏事故,裂变产物可能失控外泄,其辐射会对人体和环境产生严重影响。

水:核事故大致分三类。

第一类是反应堆失水事故,是指反应堆一回路管路破损或人为误操等原因,导致冷却水向外泄漏。

核燃料因冷却水流失而得不到充分冷却,可能使堆芯熔化。

失水事故是核潜艇核事故发生概率最高的,经我统计,在国外核潜艇发生过的48起核事故中,失水事故占30多起。

1961年苏联H级K-19号弹道导弹核潜艇就是因失水事故造成反应堆熔化,死亡22人。

到目前为止,最严重的3次核电站核事故,有2起也是失水事故,分别是1957 年的英国温茨凯尔核电站失水事故、1979年的美国三哩岛核电站失水事故,所以不论核潜艇还是核电站,失水事故被普遍关注。

第二类是反应堆欠冷事故。

是指由于一回路的冷却水流量减小或温度升高,造成反应堆冷却能力不足导致的事故。

如一回路冷却水泵卡死或管道被阻塞,都会造成一回路流量减少,其中极端的事故是全船断电,备用电源也接不上,引起水泵完全停运,一回路冷却水循环完全停止,这种事故称为“断流事故”。

欠冷事故与失水事故都会造成反应堆冷却不足,主要区别是:欠冷事故的冷却水不向外泄漏;而失水事故的冷却水向外泄漏。

欠冷事故在国外核潜艇上发生得最少,记载的只有2次。

第三类是反应性引入事故,是指由于某种原因向反应堆内瞬间引入的中子数量过多,使链式反应过于猛烈,导致反应堆失控。

这就好比在燃烧的火炉里泼上一桶汽油,在应该刹车时却误踩了油门。

国外核潜艇共发生反应性引入事故约8起,仅次于失水事故,且都发生在苏联。

各国核潜艇反应堆的技术差距体现在哪里?水:目前各国反应堆的技术差距有的地方还是比较大的,但已在逐步缩小之中。

主要表现在反应堆的自然循环能力、设备的静音效果、设备仪器的小型化和自动化程度、核燃料使用寿期、核动力装置的安全可靠性和自动处理事故的能力、核动力装置建造中的模块化技术等方面。

请对自然循环反应堆及其适用的反应堆布置形式做一分析。

水:目前一体化布置的反应堆就是自然循环反应堆。

自然循环能力是指:一回路不用主泵推动,仅靠冷却水的自动对流就能带走堆芯热量的能力。

各国都在竭尽全力提高自然循环能力,好处一是降噪。

如果在某种航速以下不用启动主泵就可带出堆内热隆,就去掉了核潜艇的一回路主泵噪声。

据说国外更先进的核潜艇已经达到在较高功率下都不必启动主泵。

第二个好处是反应堆停运时可自动带走堆内剩余释热。

核反应堆停堆后,由于缓发中子的存在和裂变产物的β、γ衰变, 仍会形成一个剩余热源,在停堆后由此产生的热很可观。

如果有较高的自然循环能力,停堆后一回路冷却水仍会继续自动流动,继续冷却堆芯,特别是当反应堆运行中冷却剂泵因故障不能运转时,自然循环能力的作用便尤为明显。

提高自然循环能力的途径有几种。

一是减小回路流阻,加大回路流量。

一般的办法是采用“紧凑布置”,即缩短主管道长度、减少弯管,加大主管道直径,这实际上仍然没有摆脱分散布置的格局。

或者采用“半一体化布置”,即取消阀门,将蒸汽发生器、主泵与核反应堆压力容器以超短管连接成为半一体。

比较彻底的办法是采用“一体化布置”, 把蒸汽发生器置入反应堆压力容器中,这样虽然反应堆堆芯和蒸汽发生器之间高度差很小,对自然循环不利,但由于完全取消了冷却剂系统中的管道连接,使冷却剂阻力大大减小,且完全杜绝了由于管道破损引起的失水事故,其对自然循环能力和安全的贡献远远大于位差造成的损失。

另外还应尽量简化堆芯结构,使流道顺畅。

第二种途径是提高反应堆与蒸汽发生器之间的高度差。

在反应堆舱空间容许的条件下,尽量抬高蒸汽发生器的高度,减小蒸汽发生器本身的长度:同时尽可能降低堆芯的高度。

但由于舱室空间有限,提高两者位差潜力不大。

第三种途径是加大反应堆和蒸汽发生器中的冷却水温差(即密度差),来达到提高冷却剂上浮升力的目的。

国外潜艇核动力装置的布置形式基本走的是“分散布置一紧凑布置一半一体化一一体化”的循序渐进路子,各国都把提高自然循环能力作为重要指标。

目前绝大部分都已发展为紧凑布置或半一体化核反应堆,自然循环能力明显提高。

法国是最先在核潜艇上采用一体化反应堆的,早在1971年服役的第一艘弹道导弹核潜艇“可畏”号上就使用了半一体化核反应堆,它的主泵在反应堆内。

1982年又在“红宝石”级攻击型核港艇上使用了一体化反应堆,蒸汽发生器和冷却剂泵均在反应堆压力容器内,自然循环能力达30%。

这种布置结构紧凑、系统简单、体积小、重量轻,大大减少了因管道引起的破损事故,提高了反应堆在低功率下的安全性。

目前法国核潜艇全部是自然循环压水堆。

70年代以后,美国核潜艇均采用紧凑布置的自然循环压水堆,目前自然循环能力也已达到25%-30%。

俄罗斯在建造了100余艘紧凑布置压水堆核潜艇后,于1975年开始研制半一体化压水堆并用于核潜艇上,据悉正在进行全自然循环的一体化陆上试验堆,自然循环能力可达100%,即可望完全取消一回路泵。

如果降噪技术使得螺旋桨、齿轮箱和一回路主泵这三大噪声被显著抑制,核潜艇能否完全低于海洋背景噪声?水:我对这点还有所怀疑。

即使这三大噪声被削掉了,艇上还会有各种运转机械的轰轰噪声通过艇壁传向外面。

现在艇上所有机械设备都有降噪措施,最差的也隔了一层胶皮垫,不可能将设备与艇壁硬性连接。

海:你如果在艇内用金属敲击艇体就有可能暴露目标。

核潜艇在作战需要时瞬间关机或启动的能力如何?水:这实际是核潜艇的机动性问题。

高速航行时能突-'然降低速度,也能在低速时很快提速,这是核潜艇应该具备的基本性能。

航速的变化是靠降低或提高反应堆功率来实现。

但是说反应堆“关机”不太确切,因为核潜艇一旦出海,是不会轻易关闭反应堆的,只有返回到基地后才完全关闭。

核潜艇在海上,反应堆一旦关闭,再“点火”启动要经过数小时至十几个小时才行,所以不到万不得已,一般只把功率降到较低并维持住,而不完全“熄火”。

海:核潜艇的主动力系统能满足战术机动的需求。

反应堆跟踪二回路功率需求的能力很强。

当停车命令发出后,二回路汽轮机设有速关功能,能把二回路的进汽通道迅速关断,汽轮机很快便停车,这时反应堆功率控制系统能根据二回路需求功率的变化,迅速将控制棒插入堆芯,反应堆功率也会迅速降至应有的水平。

反之,当二回路升功率命令发出后,通过自动或手动操作,反应堆功率也会根据二回路功率需求迅速升至所需的水平。

核潜艇普遍装备了柴油发电机和推进电机。

这是否会增加系统的复杂度及故障率?水:这种复杂是需要的,可以说是一种“保险”的作法,是一种备用的措施。

目前只有法国核潜艇是用推进电机作为主推进方式。

其它国家核潜艇的主动力基本都是用减速齿轮直接带动推进轴,但一般还要配备由蓄电池、柴油机和推进电机组成的备用动力,就是类似常规潜艇的推进动力。

在主动力故障等特殊情况时,可启用备用动力系统。

备用动力不由反应堆供能,也不启动主汽轮机组和齿轮箱,而由柴油直流发电机(通气管状态航行时)或蓄电池(水下航行时)提供直流电源,并通过直流推进电机驱动螺旋桨。

蓄电池的电能也可以用来在海上重新启动已经关闭的反应堆。

另外采用电动机航行,噪声也较低。

核潜艇必须配置汽轮发电机,以提供全船用电,为核潜艇的各种交直流电动机、仪器仪表、照明设备、电灶等用电设施提供电源。