03.04 航母核動力到底是什麼原理來驅動的?

飛飛小迷弟00


核動力航空母艦,他的核反應堆是如何為航母提供動力的呢?實際上核反應堆和常規的重油鍋爐一樣,它的功能都是燒熱水而已。無非就是核反應堆的效率更低,並且不用擔心油耗吧,其他的沒區別。


上圖是美國航母反應堆的示意圖


基本流程就是,裂變產生的高溫直接加熱一回路的淡水,將這些水加熱到一百多度的高溫以後,因為這些水是被堆芯直接加熱的所以說不可能直接使用,畢竟裡面有著大量的放射性元素,接著就是用一回路與二回路進行熱交換,加熱二回路的水。

再然後產生的蒸汽,通過高壓蒸汽管道傳輸往航空母艦上面的蒸汽輪機,高壓蒸汽推動蒸汽輪機運轉,併產生動力。

接著就是變速箱上了,再往後就是連接上航母的那幾個大軸。

這也是為什麼說常規動力航空母艦的功重比藥更好的原因。畢竟常規動力航母是中友,或者說其他燃料用來燒熱水,蒸汽以後直接到汽輪機就行了....最簡單的不是一點半點,畢竟核動力航母總不可能單純的把這些暴露出來吧?

你還得給他來個鋼殼,為了保證安全,再來從鉛板,為了保證安全,再給他上層水泥殼。

這一來二去,重的不是一點半點。所以功重比就很難看。

的確,航母還需要配備大量的重油管道,但是還要考慮到,在很長一段時間之內,艦用重油都是作為航母防雷體系中的一部分而存在的.......

當然輕型航母使用的是燃氣輪機,燃氣輪機歸根究底就是噴氣式發動機......所以說原理直接上這個圖的。

無非就是軸長點.....


嘯鷹評


很多人對核動力認知不清,好像帶了個“核”字,就好像航母攜帶了核彈或者能發射核彈,天下無敵一樣。其實核動力航母大多數情況下和核彈沒有任何關係。真要攜帶核彈,常規動力航母戰鬥群自然也可攜帶。

核動力也不是一種單獨的先進動力,從產生高壓蒸汽這個基本點來講,用核反應堆燒熱水,和用燃油鍋爐燒熱水、用煤炭甚至用劈柴來燒熱水,得到產品都是一樣的,都是超高壓蒸汽。有了超高壓蒸汽,剩下的工作,機械做功也好,發電也好,設備都大同小異,都必須用到大型蒸汽輪機。

在一定程度上,燃油鍋爐的效率和最大功率值,未必比核反應堆低下。核反應堆之所以給人“先進”的錯覺,無非就“表面上天天燒熱水不覺得心疼”,因為貌似不見消耗,卻在20年裡,有源源不斷的超高壓蒸汽和熱水燒出來。

而常規動力航母的鍋爐燒燃油,會眼看著上萬噸的燃油灌的容量指針,一天天減小,就像你在高速上急駛,眼看著轎車的油箱指針,漸漸的偏左一樣,油耗會燒的人心裡“肉疼”。


兵說


核動力系統的驅動介質還是蒸汽,只是把鍋爐產生蒸汽更換為核反應堆產生蒸汽。很多朋友以為核反應堆本身就可以驅動螺旋槳,這個想法其實還沒有理解核能和核動力系統的真正含義。

以前寫過一篇“遼寧艦燒什麼油”的文章,裡面我提到過:“遼寧艦和美國的航空母艦都是用蒸汽輪機作為最終驅動。”然而很多人罵我是文盲,他們說:“美國的航母都是核動力,怎麼可能用遼寧艦那種老掉牙的蒸汽輪機”。其實現階段大型航空母艦除了英國“伊麗莎白女王”之外都還是用蒸汽輪機作為最終驅動,不管是常規動力還是核動力。當然,蒸汽輪機和老式的蒸汽機是兩回事,不要看到“蒸汽”兩個字就聯想到一百多年前的蒸汽機,更不是用燒煤的那種鍋爐。這是一個電站用的蒸汽輪機

下圖為船用核動力系統的一個簡單示意圖,核反應堆→蒸汽發生器→主汽輪機和汽輪發電機→減速器和螺旋槳,這就是核動力系統的大概的流程。為什麼我開頭說沒有理解核能和核動力系統的真正含義?我們都知道“核裂變”會產生非常巨大的能量,然而這些能量都是以“熱”的形式出現,所以其實所謂的核反應堆只是一個“產熱”工具,他的本質作用和燒鍋爐是一樣的。這樣僅僅產熱的核反應堆是不能直接讓主軸和螺旋槳轉起來的,這樣就需要一個介質,那就是“蒸汽”,利用核反應堆熱量將水變成高溫高壓蒸汽,然後這些蒸汽衝擊蒸汽輪機葉片,葉片帶動傳動軸由減速器傳遞給螺旋槳,這才是核動力航空母艦的本質。下圖2是常規動力蒸汽輪機驅動大概流程,其實我們可以發現不管是核動力還是常規動力畫紅框部分其實基本差不多,只是前面產熱部分不一樣。


雛菊西瓜Peterpan


核動力航母驅動原理其實和常規動力航母沒什麼區別,無非就是燒開水的方式不同罷了,核動力使用的是“原子鍋爐”,而常規動力航母使用的則是“燃油鍋爐”,但是歸根結底二者都是一種被稱為蒸汽輪機的動力裝置,原理都是通過燒開水然後產生高溫高壓的蒸汽,通過蒸汽驅動氣輪機運行,最後推動螺旋槳旋轉。以美軍尼米茲級航母為例,它的動力裝置就是兩具西屋電氣公司生產的功率各130000馬力的A-4W反應堆以及4具蒸汽輪機,所以別再說什麼蒸汽輪機落後了,核動力也不過如此!



航母用核動力反應堆雖然是燒熱水,但是與傳統的燃油鍋爐不同,它具有兩個迴路系統,並且反應堆燒的熱水並不直接生產水蒸汽。反應堆的核燃料棒發生核裂變反應釋放出大量熱量,這些熱量會加熱反應堆中的高壓純淨水,這些純淨水通常被稱為冷卻劑,在被加熱後會由冷卻泵推動至蒸汽發生器,然後將熱量傳導至二回路中的水,這些水被加熱後產生水蒸汽,然後水蒸汽經由輪氣機的狹小噴嘴後增壓增速,最後噴射至輪氣機葉片使其轉動,輪氣機主軸轉動後帶動螺旋槳旋轉,推動航母前進。


那怎麼控制航母的航速呢?航母的航速取決於螺旋槳的轉速,而這個轉速又是由蒸汽的產生量決定的,蒸汽的產量則是由反應堆燃料棒的核裂變速率決定的,那怎麼有效控制燃料棒的裂變過程呢?這就需要說到插入反應堆中心的控制棒!核反應堆控制棒通常是由硼和鎘這些容易吸收中子的材料製造而成,當它完全插入反應堆中心,由於吸收大量中子會讓反應堆停止裂變反應,而抽出一點就能讓反應堆低功率運轉,如果要增加反應堆功率,那就再拔出一點,減少吸收中子量,讓更多中子參與裂變反應,這樣就能產生更多熱量和水蒸汽,也就直接提高了螺旋槳的轉速和航母航速,所以核動力航母的航速實際上是由反應堆控制棒的插入深度控制的!


使用核動力的好處顯而易見,一公斤鈾235燃燒產生的能量相當於2500噸煤炭,因此核動力航母具備了幾乎無限續航性,1964年美國的“企業”號航母就曾經在全程不進行燃料補給的情況下,用64天完成了全球航行!
(企業號核動力航母與長灘號核動力巡洋艦環球航行)

但是與民用發電站的核燃料棒(二氧化鈾陶瓷芯塊)不同,航母因為體積相對狹小,換裝核燃料棒相當麻煩,而且成本極高,因此一次裝填燃料最好能做到像福特級一樣永久性不更換燃料棒,即使再次也要如尼米茲級一樣13年才需要換一次燃料棒,這樣做自然減免了核燃料棒繁複的燃料棒更換過程,但是這也要求核燃料棒的鈾235丰度特別高!


(航母核反應堆)

民用發電站的鈾棒只需要達到3%的丰度就行了,而航母和核潛艇所使用的則是高濃度鈾甚至是武器級鈾,比如尼米茲航母的A-4W壓水反應堆使用的是丰度40%的鈾燃料棒,而俄亥俄級核動力潛艇則使用的是丰度在90%以上的武器級鈾。

(俄羅斯失事的庫爾斯克號核動力核潛艇中的核燃料棒)

除了核動力裝置之外,為了防止單一的動力裝置出現故障,核動力航母通常還會配備備用常規動力,以防不時之需!尼米茲級航母一共有四個五葉螺旋槳,在每個螺旋槳驅動軸上都配備了一個功率8000KW的柴油機作為備用動力,在核動力反應堆出現故障時就可以馬上啟動柴油機運行,未雨綢繆,有備無患!
(尼米茲級航母螺旋槳)


軍武吐槽君


這個比我想想的簡單多了。這個問題就是先把核棒發生裂變發熱,就像冬天裡的一把火。然後把火棍插進水缸。從而產生蒸氣動源驅動葉輪風稍旋轉代動發電轉子摩擦起電。為了增加回路,從而增加了令線,火線。然後將熱水再經河水冷卻,把熱量帶到河裡循環冷卻。也叫塔,器。在將冷卻水加壓循環。如果冷卻水加壓泵壞了。那會導致清水溫度過高。核棒容器釋方兩倍核熱能。產生爆炸。所以,勤往缸裡多挑水[呲牙]


凝惑229035762309


看一下核動力推進的一個基本原理圖吧:

核反應堆內的核材料裂變釋放熱量,將水加熱到高溫狀態形成高壓水蒸汽。水蒸氣被導入到兩個蒸汽渦輪機內。

蒸汽渦輪機被水蒸氣推動開始旋轉。其中一個渦輪機直接鏈接到了齒輪箱內,驅動航母的主軸轉動給航母前進帶來動力。

另外一個渦輪機的主軸連接到發電機上,為航母提供電力。

這就是基本的核反應堆推進原理了。


最上面的圖片實際上是一個核潛艇的推進方式,其實和航母沒有區別,只不過核潛艇只有一個螺旋槳這樣從原理圖上看得更清晰一些。


航母的反應堆要遠大於核潛艇的反應堆,提供的推力達到20萬馬力以上。

當然了,推力大了,反應堆的體積以及外圍設備也就都要比潛艇大很多了。


軍武數據庫


其實簡單一點核反應堆就是一個用來產生蒸汽的設備,目前航空母艦採用的核反應堆都屬於壓水堆。核反應堆用來傳遞熱量的介質是淡水,這些水受熱之後變成了水蒸氣,然後通過管路被輸送到蒸汽輪機。蒸汽輪機就可以把水蒸氣的熱能轉變成機械動力。

有許多人這麼形容核動力,就是把普通燃料燒鍋爐變成利用核反應堆產生熱量燒鍋爐。而其中非常關鍵的就是蒸汽輪機,因為所有的動力轉換都是需要通過蒸汽輪機來實現的。要說到蒸汽輪機的原理其實跟航空發動機類似。



蒸汽輪機可以帶動發電機產生電能,或者直接通過變速箱傳遞給螺旋獲得船舶運動的動力。許多人以為核反應堆能夠直接產生電能,其實這是一個誤區,包括民用核電站都是採用這種方式來進行的。


目前先進的航空母艦都已經採用全電推進,這就是省去了從蒸汽輪機到螺旋槳之間的一個機械能的傳遞。世界上第一艘使用全電推進的核動力航空母艦是美國的福特級福特號航空母艦。


航空視界


驅動的原理是核裂變釋放能量,加熱水蒸氣驅動渦輪蒸汽機運轉驅動螺旋槳。航母,是海軍力量肌肉代表,是強國海軍的代表。和普通民用船隻不同,航母在起飛艦載機的時候,需要頂著風跑出超過30節的高速,這就需要一顆強有力的心臟來提供動力輸出。而且隨著航母的噸位不斷增大,對動力系統的要求也越來越高,需要動力更強,持續性更強的動力系統。


現代船舶多用的能源種類很多,從簡單的汽油機動力,到複雜的核動力,天然氣動力應有盡有。其中核能是一種相對特殊的能源,像美國的核動力航母,充一次核燃料可以跑幾十年,擁有著任何一種能源都達不到的超強持續性!美國甚至還玩過災難過後城市停電把航母開過去當充電寶使的騷操作。隨著人類核裂變可控技術的發展,核能從最初的原子彈已經發展到了如今的船舶動力,甚至還有人提出可以將核能運用到汽車上。

先來說說軍艦的發動機吧。

大型軍艦用燃氣輪機,中型艦艇的話土豪一點的國家用燃氣輪機,稍微窮一點的用燃氣輪機加高速柴油機的聯合動力系統,噸位再往下的艦艇則多使用的是高速柴油機。美帝的10萬噸級核動力航母發動機用的就是蒸汽輪機。蒸汽輪機也分為兩種,一種是原始的往復機械結構蒸汽機,另一種就是目前航母上使用的渦輪蒸汽機。蒸汽輪機有著3個明顯的優勢,第一,單機功率大;第二,工作穩定,摩擦部分少,所以可靠性高,壽命長;第三,因為不是內燃機,對燃料的要求較低,基本上只要能夠燃燒就能驅動蒸汽輪機。


燃氣輪機是一種外燃機,原動力是汽輪機,燃料在鍋爐燃燒室中燃燒,隨著溫度上升,鍋爐中的水汽化成高溫高壓的水蒸氣分為兩個部分。一部分沿著管道進入到渦輪系統推動渦輪旋轉,渦輪帶動螺旋槳高速旋轉。另一部分進入發電機推動發電機轉子旋轉,為航母其他部門供電。而多餘的水蒸氣則進入冷凝器重新變成水,進入下一個循環,為航母持續提供動力。核反應堆的作用就是蒸汽輪機的油箱,鈾-235在反應堆中不斷裂變,釋放大量能量,加熱鍋爐,使水蒸氣汽化。

目前世界上擁有核動力航母的國家有兩個,一個是美國,還有就是法國。法國的核動力航母比較勉強,排水量4萬噸左右,用的是兩座核潛艇的反應堆,功率不足,導致其航速非常尷尬,被噴得體無完膚。美帝的核動力航母就比較牛逼了,世界上沒有一個國家能在航母上挑戰美國的權威。

我國已經在70年代初研製成功核潛艇,已經熟練掌握核反應堆作為動力源的技術。目前我國的航母發展非常迅速,第一艘國產航母已經完成至少四次海試,003航母也得到新華社的官方確認,其分段已經在有序建造了。目前還沒有任何消息表明我國正在研製核動力航母,不過目前核動力破冰船已經正在研製,按照目前我國技術發展進度可以推斷,核動力航母不遠了,用不了多久,屬於種花家的航母也能遨遊在大海之上。


赤焰噠噠噠


如今的核動力航母是國之重器,她的原理就是依靠核反應堆工作產生的熱量來帶動鍋爐中燒開的水蒸氣,用水蒸氣產生的動力帶動螺旋槳。這基本上和第一次工業革命時期火車動力原理基本相近不過是把煤炭發生熱力反應替換成了核動力。

核動力航母的出現有很多優勢,首先是續航能力顯著提高,在戰鬥中可以減少航母對燃料補給的依賴。航母可以深入敵境進行獨立持久的航行和運作。大大提高航母的作戰能力。

核能是清潔能源,特別是在海上航行的時候,核動力消耗的能源幾乎為零,航母可以通過反應堆提供的能源來淡化海水,這就為獨立航行提供了重要的水資源。彈射起飛的航母一架飛機起飛平均消耗一噸淡水,普通航母用水蒸氣或者是石油燃氣機提供能源淡化海水,耗能大效率低,而核動力航母完全無需要擔心這個問題。每天淡化的大量海水不僅可以供飛機起飛而且可以為航空母艦的工作人員提供豐富的熱水,大大提高了他們的生活質量。

核反應堆依靠核子撞擊裂變來產生能量,相應設施體積質量都小於蒸汽機或燃氣機,大大減輕了航母的負重,可以為航母節省大量空間來儲存飛機和其他彈藥。而且航空母艦的動力大,比普通航空母艦有更高的航速,更強的荷載能力。因此核動力航空母艦可以在遠離國土不依靠當地機場的情況下對其他國家進行作戰,或造成軍事威脅。擁有一艘核動力航空母艦是增強國家軍事實力的重要標誌。目前世界上各大國,都在研發屬於自己的核動力航空母艦。


四十五度歷史


直接上圖吧,下面是核動力推進系統的結構簡圖,注意看圖中被框起來的部分,整個系統的工作原理和順序大概是這樣的:

1、核反應堆產生的能量主要以熱能釋放出來;

2、這些熱量對蒸汽發生器(也就是鍋爐)裡的水進行加熱,直至燒開產生蒸汽;

3、當鍋爐內的蒸汽足夠多以後,這些蒸汽會對蒸汽輪機進行做工,蒸汽輪機又包括:汽輪發電機和推進蒸汽機;

4、汽輪發電機主要負責艦船上的電力供應;

5、推進汽輪機通過傳動裝置(齒輪、傳動軸等)帶動螺旋槳的運轉,從而給艦艇提供行進的動力。
▲核動力推進系統結構圖

所以,上面說到的就大概是核動力系統的工作原理和過程了,如果再

通俗點解釋的話就是:核動力跟常規動力一樣,都是一個“燒開水、產生蒸汽”的過程,而兩者之間最大的區別就在於燒開水的手段或者說能量不同,核動力使用核能來燒開水,而常規動力則是通過化石燃料(船用重油)的能量來燒開水,共同的目的都是產生足夠的蒸汽來帶動蒸汽輪機的運轉,從而給船舶提供所需的電力和動力,至於兩個動力系統的其它部分,本質上並沒有多大的區別,比如傳動裝置、螺旋槳那些,大家使用的都差不多。關於常規動力系統的結構和工作原理,這裡也給大家順帶提一下:

▲蒸汽動力推進系統結構圖

上圖是常規(蒸汽)動力推進系統結構圖,其實一眼看過去跟核動力系統並沒有多大的差別,比如都有鍋爐、冷凝器、汽輪機、發電機等,而這個蒸汽動力推進系統的大概工作原理和順序則是這樣的:

1、燃料(船用重油)燃燒釋放出熱量;

2、這些熱量同樣是給鍋爐加熱,從而給把水燒開產生蒸汽;

3、蒸汽足夠多再以後帶動汽輪機和發電機的運轉;

4、發電機為船舶提供電力供應;

5、汽輪機通過傳動裝置帶動螺旋槳工作,從而給船舶帶來行進的動力。

所以,這就是傳統蒸汽動力的大概工作原理,而大家也可以發現,在這5個步驟中,除了步驟1跟核動力系統有著實質上的不同之外,剩下的四個步驟基本上是一樣的,這就是為什麼說核動力和蒸汽動力本質上區別不大,都是一個燒開水的過程,唯一的區別就是誰燒開水厲害一點罷了!


分享到:


相關文章: