航母的“心臟”——航母的動力系統及各種艦用發動機的始末

在現代航空母艦的製造過程中,最難也是最重要的地方就是航母的“心臟”。現代軍艦的航速一般都要達到30節左右的高航速。而一艘動輒七八萬噸甚至十萬噸以上的航空母艦要達到這樣的航速,那麼它必定要有一顆動力充沛的“心臟”。而製造這樣一顆“心臟”就是建造現代化航母的敲門磚。我國在航母上一直受困於動力系統,在經過不斷的技術積累和研究攻關之後,我們才擁有了遼寧艦這艘載入史冊的航空母艦。

航母的“心臟”——航母的動力系統及各種艦用發動機的始末

我國首艘航母遼寧艦,其原型是蘇聯海軍瓦良格號航空母艦,被我國買下改造成我國首艘航母。


縱觀我國海軍的歷史發展史上,動力系統一直是限制我國軍艦大型化的罪魁禍首,在上世紀的90年代我國軍艦除了從俄羅斯進口的四艘現代級驅逐艦超過了一萬噸,最大的“四大金剛”排水量僅3000噸左右,而當時美國海軍“尼米茲”級已經建造完畢,準備籌備下一級新型航母的建造。可見當時的差距之大觸目驚心。

縱使如今055大驅入役,中國成為世界上第二大海軍。我們在造艦技術和使用經驗上仍然不如四處征戰的美國海軍,我們只是縮小了差距。而不是沒有差距。

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舷號101的我國首艘萬噸大驅南昌艦,是我國首艘排水量過萬的驅逐艦動力系統採用國產燃氣輪機


我國在航母建造上從已經入役的兩艘航母上來看總體師承俄羅斯,在細節處進行修改,來適應我國海軍的需要。比如“庫茲涅佐夫”號上的反艦導彈就被取消。我國航母動力系統應於“庫茲涅佐夫”號相差不多,那麼我們就以“庫”號來看看航母的動力系統。

俄羅斯“庫茲涅佐夫”號航母採用KVG-4增壓鍋爐,與之配套的為TB-12-4型蒸汽輪機,採用了增壓鍋爐而不是普通的蒸汽鍋爐。採用增壓鍋爐的優點主要是:尺寸小重量輕經濟性高機動性好生命力強。俄羅斯海軍“庫茲涅佐夫”號航母均採用8臺鍋爐4臺蒸汽輪機,驅動4部螺旋槳。“庫茲涅佐夫”號每軸功率為50000馬力。設計航速可以驅動6萬噸的艦體達到30節的高航速。

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TB-12型蒸汽輪機,安裝在庫茲涅佐夫號上,最大可輸出50000馬力,將庫號提升至30節的高航速


艦用蒸汽動力裝置已經有近百年的歷史,在不斷地發展之後其優點也是顯而易見的具有單機功率大、工作平穩、震動小、噪聲低、使用壽命長、工作可靠、大修間隔長等諸多優點。而它的缺點也有不少,最大的缺點就是啟動時間長。之前就有一個疑問說“遼寧艦”啟動要10個小時,而055只需要幾分鐘。這主要是由蒸汽輪機的啟動原理而造成的差異。鍋爐把重油燃燒的熱能傳遞給水,將其燒成高壓蒸汽,然後蒸汽輪機將水蒸汽的動能轉換為動能。艦船起航前首先要啟動鍋爐燒水,所以需要的時間較長。

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艦用蒸汽輪機距今已經有上百年的歷史,依然在不斷地推陳出新,老當益壯。未來仍然會有采用蒸汽輪機的軍艦


就世界各國而論,早就是一種十分成熟的艦用動力裝置,但仍有優化工作需持續不懈地進行。在艦用蒸汽鋼爐方面,除了需採用適宜的先進鍋爐形式外,還需優化鍋爐的設計和結構,提高鍋爐的經濟性和可靠性。鍋爐的尺寸、重量也需要進一步減少。還要優化蒸汽過熱器的設計和配置。在艦用蒸汽輪機方面,也應優化蒸汽輪機的設計和結構,提高蒸汽輪機的經濟性和可靠性以及提高蒸汽輪機在低工況時的經濟性能。還應發展機爐協調電一液控制系統,實現由傳統的機械液壓調節系統向電一液控制系統和全電控制系統的轉變。

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MT30型燃氣輪機,這種先進的燃氣輪機廣泛運用在英國伊麗莎白女王級,和美國的朱姆沃爾特級驅逐艦上


第二種“心臟”就是廣泛運用於中小型艦艇上的燃氣輪機,這種就是安裝在055大驅上的動力裝置。它最鮮明的優點就是具有啟動快的特點。近些年來也有安裝到大型船舶上的趨勢,英國最新服役的“伊麗莎白女王”級航空母艦已經安裝了燃氣輪機,採用了柴燃混動的動力組合。MT30燃氣輪機由羅爾斯·羅伊斯公司研製,是世界上最強大的現役艦船燃氣輪機。在英國國防大臣邁克爾·法倫的見證下,停靠在蘇格蘭羅塞思造船廠的“伊麗莎白女王”號航母點火啟動了MT30燃氣輪機。MT30燃氣輪機總重120噸,單機功率36兆瓦,可驅動該航母以25節以上的速度航行。這種燃氣輪機也被廣泛運用到朱姆沃爾特級驅逐艦和瀕海戰鬥艦上。

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伊麗莎白女王級採用了兩臺MT30燃氣輪機,用以推動這艘萬噸級的航母,可能會導致動力不足等問題


中、小型航空母艦使用燃氣輪機是在20世紀80年代以後,英國海軍在這方面具有帶頭作用。無敵級是第一艘採用燃氣輪機作為動力的輕型航母,推動20000噸的艦體可以到達28節的航速,無敵級航母參加了英阿馬島戰爭發揮了重要作用。三艘無敵級航母均已退出現役。目前,使用全燃氣輪機的航空母艦除了英國新造的“伊麗莎白女王”級,只有意大利海軍的“加里博迪”號和。滿載排水量11485噸的泰國“查克理王朝”號航母以柴油機燃氣輪機交替使用方式使用了燃氣輪機。意大利海軍航母“卡武爾”號也繼續採用這種機械推進裝置——4臺LM2500燃氣輪機。

在中、小型航母上,未來使用燃氣輪機以機械推進方式作動力裝置的可能性還會出現,即使未來的這類航母使用了以燃氣輪機作主發電機組原動機的綜合電力系統也存在可能。

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美國通用電氣公司的LM2500燃氣輪機,運用在阿利伯克級驅逐艦上。每艘阿利伯克級裝備有兩臺燃氣輪機


在全世界範圍內,除美國通用電氣公司的LM2500燃氣輪機外,可供航母選作機械推進裝置的還有由LM2500燃氣輪機改進演變而來的功率為29兆瓦的LM2500+和功率更大、效率更高的LM2500+G4燃氣輪機。LM2500+燃氣輪機選作艦用裝置已經有10年。除此之外,可裝備於航母的尚有WR21、MT30、MT50和LM6000PC等大功率艦用燃氣輪機,其中LM6000PC功率42768千瓦,簡單循環,效率高達42%,是性能非常優良的燃氣輪機。

說道柴油機運用到大型戰艦上你可能首先會想到的是德國海軍,但是由於柴油機尺寸大、重量重,單機功率不夠,因此在攻擊型航母上基本上是不用的,在直升機航母上採用也沒有先例,英國海軍的海洋號直升機母艦(現已被退役出售給了巴西海軍)卻打破先例,使用了兩臺皮爾斯蒂克12PC2.6V400柴油機,總功率18360馬力。航速19節。“海洋”號採用柴油機機械推進裝置可能是由於它用作兩棲作戰兵力,且期速只有19節之故。

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英國皇家海軍海洋號兩棲攻擊艦,採用柴油機推進裝置,速度較慢。


隨著艦船綜合電力系統的發展,在兩棲作戰規艇上未來採用柴油機極有可能是以作為綜合電力系統發電機組的原動機的形式出現,以柴油機作為單純的機械造進方式約可能性不大。例如,英國海軍的“海神之子”級船塢登陸艦和法國海軍的“西北風”級直升機兩棲攻擊艦等都已經採用了使用柴油機作發電機組原動機的綜合電力系統。

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法國的“西北風”級兩棲攻擊艦,其優異的性能使得俄羅斯海軍也對其頗為青睞


目前全世界在役的核動力航母共有12艘,包括美國的“尼米茲級航空母艦10艘、福特級1艘、法國的“戴高樂”號1艘。其中,“尼米茲”級CVN68-CVN76共9艘採用A4W型壓水堆,每艦兩堆,每堆推進功率140000馬力,排水量915300-102000噸,4臺汽輪機;最後一艘的“尼米茲”級CVN77“布什”號採用A5W型壓水堆,每堆推進功率140000馬力,“戴高樂”號採用K15型壓水堆,軸推進功率41500馬力,排水量40550噸。

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美國核動力航母尼米茲級採用A4W壓水堆最高140000輸出馬力,動力澎湃可以將十萬噸的艦艇加速到32節


航母核動力裝置在設計與製造上有以下一些特點和要求:①能夠提供足夠的功率“尼米茲”級的反應堆功率為500~600兆瓦,雙堆軸輸出功率為280000馬力,航速30節,而美國海軍核潛艇的反應堆功率為130~220兆瓦。②提供足夠的蒸汽除了作為推進動力和滿足航母電力需求外。還能提供足夠蒸汽供艦上蒸汽彈射器起飛飛機之用,而且這種蒸汽為中壓過熱蒸汽。③滿足抗沉性能要求即保證4艙進水不沉,連續3艙進水仍有50%的動力,使航時其有20節以上的航速和飛機能夠順利起降。因此,在設計航母核動力裝置時均考慮要有兩套獨立的核反應堆,即設置雙堆。除此之外,還要考慮艙室佈置的抗沉性,蒸汽輸送的合理性,以及要有足夠的蒸汽輸出量等。未來航母核動力裝置仍將佔據重要地位,美國將繼續建造核動力航母。美國海“福特”’級的核動力裝置比“尼米茲”級有如下優點:堆芯壽命長,能量高目前,美國海軍航母核反應堆的堆芯壽命大約為25年,在航母服役期間需要重裝一次燃料。而新的福特級航母的反應堆堆芯壽命可能達到與航母同壽,即運行50-60年而不必重裝燃料。福特級航母反應堆的能量也比“尼米茲”級增加25%。因此,未來的福特級航母的高能反應堆不僅能滿足美國海軍目前預計要提高的航母運行要求,即增加每年的航行時間,增加航速,而且人員還可以比“尼米茲”級減少一半,且易於維修。

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美國最新型的福特級核動力航母,其反應堆比尼米茲級的還要更加先進


較高的能量密度福特級航母核反應堆有比“尼米茲”級航母核反應堆更高的能量密度。這是由於新反應堆使用了先進的堆芯材料,使新航母反應堆可以不增加尺寸、重量和空間,且所增加的費用合理。

英、美海軍航母在未來10-15年內有可能採用電力推進用電與日用電和武器用電相結合的綜合電力系統,最先使用的為兩艘英國海軍伊麗莎白女王級航母。英、美海軍未來航母採用綜合電力系統的主要設備有主發電機組、推進電機、能量儲存和吊艙推進裝置等,下面逐一介紹各主要設備。未來最有可能採用兩種類型。一種為核動力航母採用的蒸汽輪機發電機組,另一種為常規動力航母採用的燃氣輪機發電機組。這些主燃氣輪機發電機組可能使用的燃氣輪機為WR21、MT30、MT50。這三種新研製的艦用燃氣輪機,除WR21為中間冷卻回熱循環燃氣輪機外,其餘兩型均為簡單循環燃氣輪機。MT30和MT50燃氣輪機由航空發動機特倫特”800派生而來。

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戴高樂號航空母艦的反應堆由核潛艇的反應堆改進而來,輸出功率低而且問題不斷


MT30與“特倫特”800的通用件為80%,MT50與“特倫特”800的通用件高達90%。英國海軍在兩艘新航母上採用MT30燃氣輪機。選擇MT30燃氣輪機作英國新造航母主發電機組原動機,可能是因為它具有以下特點:功率較高而且適中MT30燃氣輪機在環境溫度為26攝氏度時的最大持續功率為36兆瓦,在32攝氏度時的最大持續功率為30兆瓦,比現在用於英國海軍45型驅逐艦的額定功率達到25兆瓦的WR21中間冷卻回熱燃氣輪機以及2001年開始在“黃蜂”級兩棲攻擊艦上使用的功率為29兆瓦的LM2500+燃氣輪機大得多。功率較大而適中極有利於滿足新造航母的功率要求,以及在這些艦上的佈置。油耗低MT30燃氣輪機在最大持續功率時的油耗207克/千瓦時,既優於功率相近的簡單循環LM2500+燃氣輪機(油耗235克/千瓦時,熱收率為39%),又增加了可靠性MT30艦船燃氣輪機預計熱部件大修時間為12000小時,整機大修時間為24000小時。在艦上可修理的平均無故障時間為2000小時,平均修理時間不算冷機時間為4小時。可靠性好的另一表現是與其他航空派生的艦船用燃氣輪機相比零部件少了50%-60%。維修方便 MT30燃氣輪機採用模塊結構,因此容易維修。模塊能經常拆下和換取,不必對整機進行大修。還有一個特殊之處,就是各個模塊可以預作平衡,燃氣輪機更換模塊後,可以不對燃氣輪機整機作現場就地平衡,這就極大地減少了維修工作量。MT30燃氣輪機還裝有內部狀態檢測傳感器,能視情況維修,平時工作僅限於檢查液位和進行一些目視檢查。


航母的“心臟”——航母的動力系統及各種艦用發動機的始末

電磁彈射系統的採用和各種電子系統對電力的要求更大。更先進的發電機也正在被研究出來


由於需要使用電磁飛機彈射系統和飛機回收系統,同時也考慮到負荷有急劇瞬變,以及有可能使用高能武器如電磁軌道炮等高能脈衝武器,需要設置能量儲存系統。美國海軍正在研發的能量儲存系統有電池、飛輪、超級電容和超導電磁儲能等。它們中的某些儲能裝置有可能在未來用於使用綜合電力系統的航空母艦。吊艙推進系統用於船舶至今只有十幾年的歷史,但此項技術有許多固有的優點,因此發展極為迅速,未來極有可能在採用綜合電力系統的航母上使用。目前,全世界已有幾種吊艙推進系統問世。


航母的“心臟”——航母的動力系統及各種艦用發動機的始末

安裝在船上的吊艙推進系統,為航母提供電力保障

性能優越的吊艙推進系統已經在海軍的輔助艦船上開始使用。英國海軍“回聲“號和“企業”號測量船已採用了吊艙推進系統。法國海軍的兩艘“西北風”級兩棲攻擊艦已採用“美人魚”吊艙推進系統,每艦裝兩部吊艙。它們對水面戰艦採用吊艙起到了範例作用。航母一般需要至少4部吊艙,現在民用船舶上已經出現了使用4部吊艙的先例。“瑪麗女王二世”郵輪使用了4部“美人魚”吊艙,其中兩部是可方位迴轉的,每部功率21.5兆瓦。這為航母使用吊艙提供了技術背景。目前,英、法、荷蘭等國海軍均在配套研製吊艙推進裝置。法國艦艇建造局研發的吊艙集中了所有正在使用的吊艙推進系統的優點,還解決了用於戰艦需要解決的特殊問題,即它是抗衝擊的,極端安靜的,同時還極大地減少了電磁信號。


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