During World War II, diesel-electric submarines made up a majority of the propulsion systems used by the U.S. Navy. This was a departure from earlier submarine power systems, which were direct drive types, little changed from the earliest boats.
DIRECT DRIVE:
In this direct-drive power system, the diesel engine is directly connected to the propeller shaft. Between the engine and the propeller shaft, there is a large, combination electric motor/generator. A clutch connects the engine to the motor/generator. A second clutch connects the motor/generator to the propeller shaft.
When the engine is connected to the motor/generator, the m/g functions as a direct current generator. Its output is directed through the switchboard, with the switches on charge, and into the batteries, keeping them charged. Since there are likely to be times when it will be necessary to charge the batteries when the boat is tied up, or not moving, a second clutch connects the m/g to the propeller shaft.
Throwing the switches to the battery position takes power from the batteries and directs it into the m/g, which now functions as a motor, driving the propeller shaft.
Direct drive systems are somewhat limited since the narrow hull of a submarine generally precludes more than two shafts. As a consequence, direct-drive subs were limited to one or two engines. This was fine with the relatively short-range designs of World War I and the inter-war period. German submarines retained this system throughout the war, at least in part because smaller submarines could be built in greater numbers, and the relatively narrow Atlantic didnrsquo;t require extremely long range.
One virtually universal design feature of direct-drive boats was that they had no reversing gear. When it was necessary to go astern, the electric motors were used.
DIESEL-ELECTRIC DRIVE:
When the United States started to build the long-range fleet submarines, it was decided that more power was needed. Since the boats were considerably larger—a Gato Class attack submarine was about the same length as a World War I destroyer—four engines were used instead of the previous two. As there were still only two shafts, this presented an obvious problem with transmitting power from the second pair of engines.
The solution was to use the full-time electric drive for the propeller shafts. Adapting a system originally developed for trains, the diesel engines were directly coupled to a large direct current generator. This power could then be used for charging the batteries or powering the motors. Since there were four engines and generators, it was possible to use the full power output for the motors, charging the batteries, or a combination of the two.
When submerged, of course, the motors drew their power from the batteries. The illustration shows a boat with a high-speed motor, coupled to the shaft with a reduction gear. Some boats used this system, and others drove the shaft directly off the motor. In the latter case, obviously, the motors were designed to run slower. The Gato Class boats had four electric motors, two per shaft.
ENGINES:
Diesel-electric submarines were powered by one of three engine types at the beginning of the war. One of these engines, the Hooven-Owens-Rentschler (H.O.R.), which was a license-built version of a German M.A.N. diesel, proved to be completely unreliable. There were a few comments that M.A.N. had provided deliberately faulty design specifications and drawings. In fact, the Germans had only slightly better luck with the same engine design. Ultimately they were removed from all American boats and replaced with more reliable engines.
The H.O.R. engines were a double-acting design, in which a solid piston moves up and down inside a double-ended cylinder. Double acting designs were common for reciprocating steam engines, but when it came to diesel engines it was one of those ideas that sounded a lot better than it worked. Wartime is rarely a good time to experiment, though—particularly when failure may mean the deaths of an entire submarine crew—so the engines were scrapped. Something of how the crews felt about them is, perhaps, illustrated by their tendency to read H.O.R. as a word and not as initials.
The two reliable designs were a 40° V-16 diesel built by Winton Motors Company (later bought out by General Motors, and commonly referred to as the “GM-Winton,” “GM-Cleveland”—because they were built at General Motorsrsquo; Cleveland Engine Plant—or just “GM”), and a nine or ten cylinder (18 or 20 piston) opposed-piston design built by Fairbanks-Morse. An example of the Fairbanks-Morse engines may be seen in the motion picture Down Periscope, where the Balao Class boat U.S.S. Pampanitostood in for the fictional U.S.S. Stingray. (There actually was a Stingray, by the way, a Salmon Class boat launched in 1938.)
Most people are familiar with the one piston per cylinder design of the majority of engines. The Fairbanks-Morse engines, however, used an opposed piston design, which had two pistons in each cylinder, and two crankshafts. The upper and lower pistons come together at the midpoint of the vertical cylinder, their dished tops forming the combustion chamber. This design effectively doubles the number of cylinders while keeping the engine relatively compact.
Both of these engines continued in production even after they were no longer needed for submarines, as they were also well suited for locomotive use. The railroads also provided a source of employment for many former submarine enginemen, who came already skilled in maintaining these big diesel engines.
ELECTRIC MOTORS:
Gato Class fleet submarines were powered by four direct-current electric motors. Two motors were attached to each shaft. Motors and generators
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在第二次世界大战期间，柴电潜艇构成了美国海军使用的大部分推进系统。这与早期的潜艇动力系统有所不同，早期的潜艇动力系统是直接驱动型，与早期的潜艇相比几乎没有变化。
直接驱动:
在这种直接驱动的动力系统中，柴油机直接与传动轴相连接。在发动机和传动轴之间，有一个大型的电动马达/发电机。离合器把发动机与电动机/发电机连接起来。第二个离合器将电机/发电机连接到传动轴上。
当发动机与电机/发电机连接时，m/g起直流发电机的作用。它的输出直接通过配电盘，开关处于充电状态，然后进入电池，保持电池处于充电状态。当船系紧或不动时，可能需要给电池充电，因此，第二个离合器将主机与传动轴连接起来。
把开关安装到电池的位置，从电池中获取能量，并将其引导到m/g，它现在的功能就像一个电机，驱动传动轴。
直接驱动系统在某种程度上是有限的，因为潜艇狭窄的船体通常排除两个以上的竖井。因此，直接驱动潜艇被限制在一个或两个引擎。对于第一次世界大战和两次世界大战之间的短期设计来说，这是可以接受的。德国潜艇在整个战争期间都保留了这一系统，至少部分原因是较小的潜艇可以大量建造，而相对狭窄的大西洋不需要很长的航程。
直驱船的一个几乎通用的设计特点是它们没有换向装置。当需要倒车时，就用电动机。
柴油驱动:
当美国开始建造远程舰队潜艇时，决定需要更多的动力。由于这些潜艇相当大——一艘Gato级攻击潜艇的长度与第一次世界大战的驱逐舰差不多——所以使用了4台发动机而不是之前的2台。由于仍然只有两个轴，这提出了一个明显的问题，从传输动力的第二对发动机。
解决方案是使用全职电力驱动传动轴。采用最初为火车开发的系统，柴油发动机直接连接到一个大型直流发电机。这种能量可以用来给电池充电或给电动机供电。因为有四个引擎和发电机，所以有可能使用发动机的全功率输出，为电池充电，或两者的结合。
当然，当潜入水中时，发动机从电池中获取能量。该插图显示的是一艘装有高速电机的船，与传动轴相连的是减速齿轮。一些船使用这个系统，而另一些船直接从马达上驱动轴。在后一种情况下，很明显，电动机的设计是要跑得慢一些。Gato级的船只有四个电机，每个轴两个。
发动机:
在战争开始时，柴电潜艇由三种发动机之一提供动力。其中一个引擎，hooven - owen - rentschler (H.O.R.)，是德国M.A.N.柴油机授权制造的版本，被证明是完全不可靠的。有一些评论认为M.A.N.故意提供了错误的设计规范和图纸。事实上，德国人在同样的引擎设计上只是稍微幸运一点。最终，他们被从所有美国船只上移除，取而代之的是更可靠的引擎。
H.O.R.发动机是一种双作用设计，在这种设计中，一个实心活塞在双头气缸内上下运动。双作用设计是常见的往复式蒸汽机，但当涉及到柴油发动机，这是其中一个想法，听起来比它的工作好多了。然而，战时很少是进行试验的好时机，特别是当失败可能意味着整个潜艇船员的死亡时，所以引擎被废弃了。船员们对H.O.R.的一些感受，也许可以从他们倾向于把H.O.R.读成一个单词而不是首字母缩写来体现。
这两个可靠的设计是一个40°V-16柴油由温顿汽车公司(后来收购了通用汽车(General Motors),通常被称为“GM-Winton”,“GM-Cleveland”——因为他们建在通用汽车的克利夫兰引擎植物或只是“通用汽车”),和一个九或十缸(18或20活塞)对置活塞设计Fairbanks-Morse建造的。费尔班克斯-莫尔斯发动机的一个例子可以在《潜望镜下》(Down Periscope)的电影中看到。(顺便说一下，实际上1938年就有一艘魟鱼级的船，那是一艘鲑鱼级的船。)
大多数人都熟悉大多数发动机的每缸一个活塞的设计。费尔班克斯-莫尔斯发动机，然而，使用了一个相反的活塞设计，有两个活塞在每个气缸，和两个曲轴。上活塞和下活塞在垂直气缸的中点处结合在一起，它们的碟形顶部形成燃烧室。这种设计有效地加倍了气缸的数量，同时保持发动机相对紧凑。
这两种发动机都继续生产，即使它们不再需要潜艇，因为它们也很适合火车头使用。铁路也为许多前潜艇工程师提供了就业机会，他们已经熟练地维护这些大型柴油发动机。
电动机:
Gato级潜艇由四个直流电机驱动。每根轴上都装有两个马达。电动机和发电机由通用电气、西屋电气、爱丽丝-查尔默斯和埃利奥特提供。通用电气和西屋电气也建造了主控制单元(配电盘)，以及弯刀锤。通用电气配电板的出现通常意味着这艘船也将配备通用电气发动机和发电机。西屋电气的控制器与他们自己的电机和发电机一起使用，或与埃利奥特电机和发电机一起使用。刀锤控制器一般与艾利斯-查尔姆斯发动机和发电机相连。
这些电机耗电量的一些指标是必须包括水冷却系统，以保持运行温度在安全范围内。高速型电机(与减速齿轮一起使用)额定功率为1370马力，运行速度为1300转/分，在415伏特时牵引2600安培。(相比之下，汽车起动机的电压为12伏，最大电流约为45安培。)
主要控制:
主控制单元位于操纵室的尾部，由许多杠杆、指示器刻度盘和开关组成。因为当船被浮出水面时，引擎以恒定的速度运行——当然，当船被淹没时，引擎就不工作了——而电动螺杆是由这个工作站控制的，所以“机舱”电报就设在这里。
通过移动主面板上的大开关，电力就可以定向到需要的地方。
电池:
加藤级潜艇有两个主电池(在潜艇中，电池是连接在电池舱里的所有电池)，一个在前部，在军官的特等室下面，另一个在后部，在最大的船员停泊区下面。每个细胞有126个细胞，每个细胞大约54英寸高，15英寸深，24英寸宽。这些电池重约1650磅，也就是两节电池之间的208吨。
当电池充电时，它们会产生氢气。这在汽车上是很难被注意到的，因为电池是装在一个通风良好的空间里的，但在潜艇密封的外壳上可能会出现问题。这些电池都与一个排气系统相连，这个排气系统的设计目的是安全地将氢气抽出并通过主排气口排出。
还提供了一种方法来密封电池室，使其与船的其余部分的空气供应隔离。这是一个安全特性，尤其重要的是，如果盐水进入电池室，因为它可以与电解液结合，产生氯气
随着人们对增强小型防御性潜艇性能的“空气独立推进”(AIP)越来越感兴趣，一种新的水下威胁正在沿海水域形成。越来越多的小国不愿或无法接受核能的高成本，以获得更大的水下续航能力和更长的航程，它们开始转向价格更低、不那么雄心勃勃的替代能源，与传统的柴电潜艇相比，这些替代能源仍具有显著的操作优势。后一种最好的船，如德国设计的209型或俄国“基洛”(KILO)型，能在电池的低速下保持水下3到5天的时间。但是现在，一些正在开发或已经投入使用的AIP计划可以将慢速耐力提高到最多三周或一个月。尽管与核能的潜力相比仍然相形见绌，但AIP为柴油潜艇提供了显著的能力提升。
AIP -早期历史
尽管取得了初步的成功，但潜艇先驱者们仍然渴望找到一些方法，使他们的潜艇不再需要频繁地浮出水面，以获得为电池充电的汽油或柴油发动机所需的大气氧气。人们尝试了许多方法，但最终，开式循环柴油发动机、铅酸电池和水下推进用的电动机成为标准的潜艇工程设备，在两次世界大战中表现良好。
然而，在20世纪30年代早期，德国基尔的Germaniawerft公司的工程师Helmuth Walter博士(约1900-1980年)提出了一种全新的潜艇推进装置，使用高纯过氧化氢(H2O2)作为氧化剂。在沃尔特的系统中，船上供应的过氧化氢在高锰酸盐催化剂的作用下分解，产生高温蒸汽和游离氧。向反应室注入柴油，与氧气发生燃烧，产生蒸汽和热气体的混合物，驱动一个高速涡轮机。废气和凝结的蒸汽随后被排出船外。沃尔特的主要设计目标是高水下速度，而不是长续航时间，事实上，他的第一艘潜艇原型，实验型V80，在1940年的试验中达到了28.1节的水下速度——当时常规潜艇的速度限制在10节以下。因此，仅76吨、22米长的V80也成为研究高速水下航行器动力学和控制的早期试验平台。
在战争后期，“版海军”试图将沃尔特的原型扩大到一个有用的操作尺寸，但是尽管在德国最后失败之前已经完成了7艘XVIIB H2O2型沿海船只，但是没有一艘看到战斗。这些XVIIs型排水量为300吨，由两台2500马力的涡轮机提供动力，另外还有一个传统的柴油发电厂。更雄心勃勃的计划是建造更大的沃尔特设计的远洋潜艇，如800吨的XXVI型和1600吨的XVIII型潜艇，但由于战争的失败和工业生产能力无法提供足够数量的过氧化氢而受阻。然而，XVIII型被改装成高度成功的XXI型“电动艇”，在这种船中较大的电池提供水下17节的速度，可以保持90分钟。这一创新，以及通气管的采用，产生了一种强有力的组合，强烈影响了战后铁幕两侧常规动力潜艇的设计。
第二次世界大战的后果
冲突之后，一些国家试图利用沃尔特博士的革命性推进概念。作为战争奖励，美国和英国分别获得了U-1406型和U-1407型，后者作为HMS陨星重新用于实验目的。此外，沃尔特本人和他的几个主要工作人员被带到英国，并在那里与威克斯有限公司合作了几年，在设计更先进的过氧化氢系统。结果是两艘20世纪50年代的高速船，HMS探险者号和HMS神剑号，它们的设计受到沃尔特的战时第26型的严重影响。虽然两艘船都达到了高水下速度的设计目标，但它们的高浓度过氧化氢燃料造成了安全隐患，这两艘船因此被称为“HMS爆炸者”和“HMS折磨者”。两者都在20世纪60年代退役。
苏联建造了一艘沃特(walter)式的半成功范例，在西方被称为“鲸鱼”(Whale)，但他们最认真的AIP工作集中在一个封闭式循环柴油工厂上，该工厂基于德国的Kreislauf系统和他们战前的研究。最终，这导致了650吨苏联魁北克级(1956年)，使用储存的液氧来维持三个轴上的柴油发动机的闭环运行。尽管1953年至1957年间建造了30台，但它们的安全记录非常糟糕，以至于机组人员称它们为“打火机”，并在20世纪70年代初停止使用。与此同时，美国已经从U-1406中抢救出一台2500马力的沃尔特涡轮，以及计划用于XXVI型的一台7500马力的版本，并将它们安置在马里兰州安纳波利斯的海军工程实验站。随后，海军资助了几种替代潜艇AIP方法的研究，包括Walter-cycle和Kreislauf系统的变体。最终，相应的工程工厂在尺寸和重量上的不可接受的增长，加上1940年代后期潜艇核动力的增长前景，很快使这些努力——以及英国和俄罗斯的努力——结束了。美国海军“鹦鹉螺号”(SSN-571)在1955年1月开始“进行核能”。
美国海军第一艘小型潜艇
然而，在1955年9月，美国海军的第一艘小型潜艇，独一无二的X-1 (SSX-1)，在长岛与一个封闭循环的双氧水/柴油工厂一起下水!受二战中英国“X-craft”的成功启发，X-1被设计用于浅水突击队行动。X-1的排水量为36吨，淹没在约50英尺的水下，由一台经过大量改装的商用柴油发动机提供动力，并配有一个小型电池供电的电动机作为备用。在表面上，周围的空气为发动机充电，但在水下，燃烧所需的氧气来自于反应室内过氧化氢的催化分解。发动机排气和冷凝水都被压缩并排放到舷外。400加仑的过氧化氢可以储存在一个灵活的聚乙烯氯化物袋子里，飞船可以容纳四名船员。
经过几次发动机故障和随后的设计修改，X-1最终在1957年2月达到了可接受的性能，并在朴茨茅斯海军造船厂进行了一系列操作试验。不幸的是，1957年5月，过氧化氢储存系统发生爆炸，整个船首部分被炸毁，虽然没有人受伤，但X-1的封闭循环能力从未被取代。相反，这艘船是用一个小型的、传统的柴油-电力/电池工厂重建的，在搁置了三年之后，它在1960年后期被重新激活，随后直到1973年被用于切萨皮克湾的各种研究。后来，X-1在安纳波利斯的美国海军学院(U.S. Naval Academy)进行了静态展示，最近又在康涅狄格州格罗顿的鹦鹉螺博物馆(Nautilus Museum)进行了展示。值得注意的是，她的前任主管后来写道，“从这个实验项目中学到的最重要的一课是，高浓度不稳定的过氧化氢不应该出现在战舰上。”
虽然像美国、英国和苏联这样的主要海军力量在技术上可行的情况下很快转向潜艇核动力，但较小的海军仍然致力于传统的柴电潜艇，主要用于沿海防御。其中许多都包含了德国型XXI的创新，但最近，对更长的水下续航能力的不断增长的需求使人们对有前景的AIP技术产生了越来越大的兴趣，不管是新技术还是旧技术。目前，系统开发人员正积极采用以下通用方法来实现“封闭循环”操作:
bull;封闭式循环柴油发动机，通常使用液氧(LOX)
bull;闭式循环汽轮机
bull;外部燃烧的搅拌循环热机
氢氧燃料电池
闭循环柴油发动机
典型地，一个闭路循环柴油机(CCD)安装包括一个标准柴油机，它可以在水面或浮潜时以其常规模式运行。然而，在水下，它是在人工大气中运行的，人工大气是由储存的氧气、惰性气体(通常是氩气)和回收的废气产物合成的。发动机的排气——主要是二氧化碳、氮气和水蒸气——被冷却、清洗，并被分离成它的组成部分，氩气再循环回到进气歧管。剩余的废气与海水混合排放到船外。通常，所需的氧气以液态氧的形式储存在低温容器中。
CCD系统已经被德国、英国、荷兰和其他一些国家的一些公司开发出来了。然而，除了在1993年改装到德国海军的exu - 1上的一个300马力的演示系统，没有现代CCD系统进入海军服役。英国马可尼海事公司最近收购了CCD先驱卡尔顿深海系统公司，并正在为现有的常规潜艇，如韩国的九艘209s型潜艇，推销一种CCD改装包。尽管CCD系统的一个关键优势是它们相对容易安装到现有的潜艇工程工厂中，但还没有人愿意尝试。尽管需要定期补充低温氧和惰性气体会增加供应的复杂性，但在保留标准柴油发动机和使用普通柴油燃料方面具有后勤优势。
闭循环汽轮机
唯一在积极调查的蒸汽涡轮AIP是法国
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