中國突破百兆瓦級燃氣輪機,004航母除了核動力,還有新選擇?

前些年常說中國軍工有“心臟病”,大功率柴油機、高效能渦扇發動機以及燃氣輪機都存在大量空白,如今隨著工業實力的提升,這些短板正在補齊。最近燃機領域又傳來一個好訊息,有中國航發燃機自主研發的AGT-110重型燃氣輪機,已經透過72小時的人滿負荷連續執行,距離商業化執行已經不遠了。

中國突破百兆瓦級燃氣輪機,004航母除了核動力,還有新選擇?

【AGT-110重型燃機本體】

AGT-110是我國首臺110兆瓦級的重型燃氣輪機,摺合近150萬馬力的單臺功率,非常強悍。

作為工業燃機,AGT-110的主要設計目標是用於發電。我們常見的火力發電廠並非只有煤電,單純按照燃料分,除了煤電還有燃油發電和燃氣發電。如果按照原動機來分類,就有汽輪機發電、燃氣輪機發電和柴油機發電這三種。

燃氣輪機發電可以使用天然氣這種氣體燃料,也可以使用燃油這種液體燃料,在燃料的適應性上比較強,發電效率也比較高。不過燃機發電最大的問題是初期投資較高,長期執行成本也不低,特別是天然氣的過濾以及燃機的維護和清洗,工序都很複雜。所以燃機發電很大程度上是作為火力發電的應急備用部分,對保障國家能源安全有著重要戰略意義。

中國突破百兆瓦級燃氣輪機,004航母除了核動力,還有新選擇?

【燃氣輪機發電機組】

作為一種工業燃機,AGT-110的宿命註定是要在各大火力發電場度過一生,並不是作為艦艇的動力。它跟艦載動力,還是有不小的區別。不過國內突破了單臺15萬馬力的燃氣輪機技術,今後類似級別的動力上艦,也並非不可能。

在2018年該專案提出之初,就有不少人想象它成為航母的動力,把它當成是核動力航母的“備胎”,萬一核動力不成熟的時候,也可以作為航母的備選動力。燃氣動力航母?聽上去似乎比較陌生,但實際上已經有大量成功案例。

目前航母的動力主流是蒸汽輪機和核動力,前者是戰列艦時代一路傳承過來的動力方案,已經有上百年曆史;後者是美國在二戰後引領的“全新動力模式”,也已經成功應用了近70年。

中國突破百兆瓦級燃氣輪機,004航母除了核動力,還有新選擇?

【AGT-110內部結構圖】

不過無論是蒸汽輪機還是核動力,實際上都是利用蒸汽推動汽輪機做功,區別是蒸汽輪機利用燃油鍋爐來產生蒸汽,而核動力則是利用核反應堆的第二冷卻迴路來產生蒸汽。也正因為如此,這兩種動力都被戲稱為“燒開水”。

燃氣輪機在船舶上的應用和核動力差不多是同一時期,但卻長期只能作為護衛艦和驅逐艦的動力,因為技術原因限制了功率的提升,航母還指望不上這種體積小、加速快的“優質動力”。

中國突破百兆瓦級燃氣輪機,004航母除了核動力,還有新選擇?

【庫茲涅佐夫號航母上的蒸汽輪機鍋爐倉】

到了上世紀70年代,蒸汽輪機和核動力這對“燒開水”兄弟統治航母動力的局面遭遇了挑戰,英國從1973年開始建造的3艘“無敵”級輕型航母,成功將燃氣輪機作為主動力。“無敵”級航母配有4臺奧林巴斯TM3B燃機,總功率達到了72。5兆瓦,能讓滿載排水量達到2萬噸以上的“無敵”級航母跑到28節,基本滿足了其設計需求。

“無敵”級的成功,讓很多國家看到了輕型航母+垂直起降戰鬥機的價值,於是一系列輕型航母應運而生,燃機也成了這些航母的標配動力。

中國突破百兆瓦級燃氣輪機,004航母除了核動力,還有新選擇?

【無敵級航母的艦島幾乎佔據了左舷甲板一半的長度】

首先是1977年開工的西班牙“阿斯圖里亞斯親王”號,它採用兩臺美國通用電氣公司授權義大利菲亞特生產的LM2500+燃機,總功率可以達到40兆瓦。可以讓滿載排水量16000多噸的“阿斯圖里亞斯親王”號的最高航速達到26節。

義大利在1981年開工的“加里波第”號航母也用了兩臺LM2500+燃機,但由於滿載排水量只有13000多噸,航速達到了29。5節。

LM2500+燃機此後就成了一大票輕型航母的首選動力,1994年開工的泰國海軍“差克里·納呂貝特”號航母,2001年開工的義大利海軍“加富爾”號航母,以及2005年開工的印度海軍“維克蘭特”號航母,都選用了LM2500+燃機作為動力。區別僅僅是“維克蘭特”號用了四臺LM2500+燃機,而其他幾個“小兄弟”都只有兩臺。

中國突破百兆瓦級燃氣輪機,004航母除了核動力,還有新選擇?

【LM2500系列燃機不僅緊湊,還易於維護】

不過到此為止,也只能證明燃機在輕型航母上得到了成功應用,即便是最大的“維克蘭特”號,滿載排水量也不過4。3萬噸,距離大型航母依然很遙遠。

燃機在航母上的運用,除了功率要求很高以外,進氣道的佈置要求也很苛刻。燃機脫胎於噴氣式發動機,工作時需要大量新鮮的空氣,因此進氣道比蒸汽輪機和柴油機要大得多,燃機數量越多,進氣道的佈置就越複雜。

為了避免進氣道進水,要儘量把進氣口布置在高處,比如舷側頂部或者艦島側面。進氣道的入口處還要安裝氣、水分離器和過濾器,依靠重力和網柵的過濾作用,將進氣中混入的水滴都清除掉。

這些進氣道要從進氣口一路曲折蜿蜒的通到艦體底部的發動機艙,更別提還要不止相應的排煙道。因此如果安裝4臺燃機,實際上會佔用大量的甲板空間和艦體內部空間。以上提到的輕型航母,大多都使用了長長的“巡洋艦式”艦島,這對飛行甲板的利用非常不利。

中國突破百兆瓦級燃氣輪機,004航母除了核動力,還有新選擇?

【伊麗莎白女王級航母標誌性的雙艦島】

2009年,“伊麗莎白女王”號航母開工建造,這艘滿載排水量達到6。5萬噸的大型航母,依然使用了英國海軍最熟悉的燃氣輪機動力,而且利用重型燃機、綜合電力推進系統以及雙艦島的組合解決了功率不足和進氣道佔用空間的問題。

“伊麗莎白女王”號航母配備了2臺單機功率36兆瓦級的MT30燃氣輪機,配合另外四臺柴油機,總功率高達108兆瓦,能讓其航速達到27節。同時雙艦島分散了進氣道和排煙道的佈置,避免了艦島佔用甲板面積。

最重要的還是綜合電力推進系統,這套系統不僅整合全艦的發動機,減少了燃機的工作負荷,還讓燃機的佈置更加從容,因為燃機只需要發電,不需要驅動齒輪箱和主軸,所以可以安排其他位置。實際上“伊麗莎白女王”號航母的兩臺燃機就佈置在艦島下方,儘可能縮短了進氣道和排煙道的長度,節省了空間。

中國突破百兆瓦級燃氣輪機,004航母除了核動力,還有新選擇?

【伊麗莎白女王級航母的兩臺燃機分別位於艦島下方】

“伊麗莎白女王”號航母的設計可以說為燃機動力航母提供了一個絕佳的解決方案,MT30燃氣輪機36兆瓦級的功率相比AGT-110的110兆瓦級還是小巫見大巫。如果AGT-110能完成“上艦”改進,理論上僅需一臺,配合綜合電力推進系統,就能滿足7-8萬噸級航母的動力需求。

相比蒸汽輪機,燃機有大量的優點,實際上已經在大部分主戰艦艇上取代了蒸汽輪機,航母上的運用也經歷了幾十年的考驗。不過燃機比起核動力,目前的上限還是低了一些,而且核動力理論上的無限續航有著無可比擬的優勢。如果我國短期內不打算為航母提供核動力,那麼燃機也會是一個不錯的選擇。

頂部