12万吨的超级航母能使用燃气轮机么?

对于8万吨以上的超级航母来说,无论常规还是核,动力输出部分仍然是蒸汽轮机,行业内一般叫做汽轮机,基本原理都是锅炉烧开水产生蒸汽推动汽轮机转动,区别就是燃油锅炉内油料直接燃烧的温度和压力更高,核动力因为二回路反而这个两指标要低;

汽轮机有单机功率大,输出稳定的特点,但锅炉体积大,重量大,结构复杂,虽然对航母来说问题不大,但麻烦的是冷启动和热启动,对于作战性能和燃料消耗有较大影响,所以就有燃气轮机上航母的做法,但也同时存在很多其他方面问题,燃机上航母不是直接装上就行,还需要解决一些问题,本文详述:

锅炉和汽轮机的问题

电脑有冷启动,热启动,对于汽轮机也是存在一个的情况;

蒸汽轮机动力系统也有的冷启动和热启动,简单一点说就是锅炉完全停止燃烧冷却,然后重新加热再烧可以理解为冷启动,热启动就是锅炉保持低功耗燃烧让汽轮机与管路维持一定温度压力,可以快速升功率过程。实际使用中航母极少进入彻底冷机状态,多以热备或温备状态维持,接到命令后快速出动,规避冷启动耗时的问题。

12万吨的超级航母能使用燃气轮机么?

常规动力航母以”库“舰为例舰为例,采用四台蒸汽轮机搭配八台增压锅炉,核动力航母虽热源不同,但蒸汽轮机启动逻辑一致。

冷启动时,第一步要完成全系统检查,包括盘车、冲车,确认主机、锅炉、管路、阀门、泵组无泄漏、无卡滞、参数正常,同时准备燃料与点火系统,因航母使用的重油常温下粘稠如沥青,无法直接点燃,必须先用柴油点火系统引燃,再逐步加热重油至 130 至 180 摄氏度,通过分油机净化后送入锅炉雾化燃烧,这个预热重油的环节就需 1 至 2 小时。

随后逐台点燃锅炉,不能同时点火,每点燃一台都要监测燃烧、水温、压力,避免受热不均产生热应力损坏设备,锅炉内大量水从常温逐步升温,先加热到 180 摄氏度左右的高压热水,再通过蒸汽发生器转化为 350 至 420 摄氏度、数兆帕的高温高压蒸汽,同时要对较长的蒸汽管路、阀门、汽轮机缸体进行缓慢预热,不能一下把温度提的很高,否则会出现温差过大导致金属变形、泄漏的问题;

蒸汽压力与温度需分阶段提升,每到一个阶段稳定运行一段时间,暖管暖机同步进行,直到蒸汽参数达到额定值、汽轮机各部件温度均匀、润滑与密封系统正常,最终能输出足够功率驱动螺旋桨,整个冷启动流程常规动力航母需 5 至 10 小时,大修后彻底冷机的极端情况可能达 10 至 20 天,核动力航母冷启动因反应堆启动与升温更复杂,甚至需要按月来算;

12万吨的超级航母能使用燃气轮机么?

常规动力航母热启动则是航母在停泊、战备值班时,锅炉不彻底熄火,保持低负荷小火运行,蒸汽系统维持一定温度与低压,汽轮机与管路处于温热状态,此时启动无需从零加热重油与锅炉水,只需快速提升锅炉燃烧负荷,迅速提高蒸汽压力与温度,跳过漫长的冷态预热环节,直接暖机升功率,常规动力航母热启动 1 小时内即可达到航行功率,紧急热启动甚至能压缩到 30 至 60 分钟,核动力航母热启动更快,仅需数十分钟。

很多人认为核动力航母无限续航力只是之一,核动力航母热启动能力与常规燃油锅炉区别最大的地方;

常规动力航母锅炉需要一直烧着保持温度和压力,也就是要烧油,而常规动力航母油料总是有限度的,而核反应堆要求是不能停堆,一直要保持运行,汽轮机与管路处于温热状态,反应速度就比较快,当然这个好处也不是白来的,造价上来说一艘核动力航母是相当于两艘同吨位常规动力航母,那么简单办法就是增加大吨位补给舰就可以,提高油料补给就可以;

当然如果从技术进步角度来说就是采用大功率的舰用燃气轮机;

从工作原理上来说燃气轮机自带燃烧室,燃料直接在机内燃烧,加热空气推动涡轮,不需要锅炉、不需要烧水、没有庞大的蒸汽循环回路,也就不存在“锅炉冷却” 这个。它的转动部件是整体式转子,结构紧凑、热容量小,升温速度快得多,冷态下直接点火启动,燃烧室一工作,高温燃气很快就能让机组进入稳定工况,从静止到满功率通常只需要几分钟到十几分钟,现代先进舰用燃气轮机甚至能实现一分钟内快速启动带负荷。

因为没有锅炉水系统、没有蒸汽管路、没有需要缓慢预热的厚重汽包和壳体,也就没有热应力过大、温差冲击、水锤、管道泄漏这些蒸汽系统特有的风险,自然也就不需要专门保温、维持低负荷小火运行、保持蒸汽压力这类操作。

日常停泊时,燃气轮机可以完全停机、断电冷却,再次启动时直接点火即可,不需要像蒸汽动力那样为了缩短启动时间而长期保持锅炉热备状态,这也是它在现代驱护舰上全面普及的关键原因,冷启动快、无需保温、体积小、功率密度高、响应迅速,不需要蒸汽轮机对锅炉保温的措施。

燃气轮机的排气流量,温度,压力都比较高,对于进排气管道要求长度,弯度越少越好,但航母是要大甲板,排烟道只能偏置设计,如果燃机装在舰体中间,那么造成功率损失至少10%,关键的是燃气温度太高,需要大量空气冷气才能排出,造成舰岛体积过大,所以英国的女王航母就采用燃气轮机偏置安装;

结论也很明确,直接装不合适;以前英国就设计出双岛斜角甲板,看着有点别扭:

12万吨的超级航母能使用燃气轮机么?

那么这个问题也不是不能解决,燃气轮机做功后的排气温度仍可达550–650℃,把这部分高温排气引入余热锅炉(HRSG),利用排气余热加热锅炉内的水,将其转化为压力30–60bar、温度350–560℃的过热蒸汽,随后这些高温高压蒸汽进入蒸汽轮机,推动蒸汽涡轮膨胀做功,进一步输出动力,可与燃气轮机协同驱动螺旋桨,也可单独驱动发电机为舰船供电;蒸汽轮机做功后的排汽会经过冷凝器冷却为凝结水,再通过给水泵重新输送回余热锅炉,形成闭环循环;

在热效率方面,联合循环的热效率可达50%以上,比纯燃气轮机油耗可降低20–30%,长期运行能大幅节省燃料成本;在功率与机动性上,联合循环的总功率比纯燃气轮机提升30%以上,例如一台50MW(7万马力)的燃气轮机搭配余热锅炉后,系统总输出功率可达到75MW(10万马力)。

但这个好处也不是白给的,这个功率的余热锅炉重量最少也要达到500多吨,占地将近200平方米,至少3层甲板高度;而且这个动力也不是马上就来,也是存在冷热启动问题;

但这个做法是排气温度和压力比纯汽轮机还低,方便排气管道设置;那么4台这样的机组可以提供200MW(28万马力)基本功率+25MW(3万马力)余热功率;

总体来说余热锅炉技术成熟,虽然重了一点,体积也大了一点,但是技术成熟稳定;

现在正在开发燃气轮机与超临界二氧化碳发电组合可以解决这个问题

燃气轮机排出500–650℃的高温烟气进入烟气 -二氧化碳换热器,将处于高压状态的超临界二氧化碳加热升温;

12万吨的超级航母能使用燃气轮机么?

被加热后的高温高压超临界二氧化碳会推动涡轮转动,进而产生电能,完成余热的第一次使用;发电后的超临界二氧化碳排气会经过回热器,回收其中剩余的余热,随后冷却、重新压缩,回到初始的高压状态,形成一个密闭循环,让每一份余热都不被浪费,实现能量的循环利用。

这里技术难点就是涡轮转速高达几万转,需要特殊轴承和减速器后才能连接发电机,还有个问题就是漏气,需要解决密封;但体积重量比蒸汽循环的30%,启动速度很快,可以基本上做到和燃机同步,没有冷热启动问题;

国内的”超碳一号“15MW商用超临界二氧化碳发电机组已经开始运行;

不过这些技术还短时间内用到航母上,还需要做大量的验证与测试,4号舰还是燃油锅炉汽轮机动力模式!

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