燃气轮机那么耗油为什么还将其用做大型军舰动力系统

燃气轮机虽然耗油,可是它却无可替代!目前排水量在5000吨级
英国最新下水的两艘伊丽莎白女王级航母采用了两台世界上最先进的MT30燃气轮机作为动力,MT30单台功率达到了40兆瓦(约5.3万马力),两台总共可以提供将近11万马力的动力。
相对于辽宁舰4台TB12蒸汽轮机总共18万马力的总功率,伊丽莎白女王级确实动力偏弱,但是燃气轮机有其过人之处。
首先燃气轮机的体积小,占用空间不大,MT30燃气轮机的总长不过8.5米,直径约3米,净重量居然只有6.2吨,也就是一头成年非洲象的体型。
相对来说,蒸汽轮机就要庞大的多,蒸汽轮机不仅有巨大的锅炉,还有各种复杂的回路和涡轮传动轴,体积几乎可以达到同等功率燃气轮机的5倍
伊丽莎白女王级虽然排水量和辽宁舰差不多,可是机库面积却要比辽宁舰大得多,这自然和先进的燃气轮机动力分不开。
▲MT30燃气轮机,体积和普通的航空涡扇发动机没啥区别▲蒸汽轮机体型,可见其相当庞大蒸汽轮机的启动需要首先用柴油引燃粘稠的重油,然后重油燃烧后开始烧开水,等开水沸腾后产生大量蒸汽,最后这些蒸汽通过管道进入汽轮机组后才能推动涡轮旋转,整个过程非常慢。
由于冷启动实在太耗时,因此蒸汽轮机一般不会完全关机,而是保持低速或者怠速的暖机状态,以求能够在一个小时之内快速启动蒸汽轮机,否则从冷锅炉到完全启动,可能需要花费五个小时
▲辽宁舰蒸汽轮机点火启动,先要用柴油把重油加热到流动的液态,才能进行燃烧,重油就和沥青差不多相对于蒸汽轮机,燃气轮机的构造要简单的多,燃气轮机启动后,压气机随即将大量空气吸入燃烧室,然后燃烧室迅速喷射燃料,与空气混合充分燃烧,直接形成高温燃气,通过增压出口向内高速喷射,马上就能推动涡轮叶片旋转做工,整个过程行云流水,完全没有蒸汽轮机那么复杂。
可以看出来,燃气轮机的启动加热速度非常快,只需要点燃空气燃料混合物后就可迅速做工,从冷机到满功率运转只需要不到半个小时,比蒸汽轮机快了十倍
也正是因为燃气轮机做工过程简单迅速,通过简单控制吸气和燃料喷射量,就可以迅速调整涡轮的运转速度,进而控制螺旋桨速度和对军舰的航行速度,因此燃气轮机动力的军舰操控性非常好,甚至还能实现螺旋桨反转,让军舰在原地倒车。
而蒸汽轮机由于动力输出要经过多次能量转换,控制和操作不容易,不仅不能倒车,速度调整的缓冲期也非常久,操作起来非常难。
任何事物都具有优势和劣势两面性,燃气轮机自然也不例外,由于涡轮转速非常高,在怠速和低速运行时,燃气轮机的能耗也居高不下,非常影响军舰续航能力,因此大型军舰如果不是特别看重高速性能都不会采用全燃动力,而是使用柴燃交替(联合)动力。
例如我国的052D驱逐舰,除了安装两部6万马力的GAT-25000燃气轮机主动力外,还拥有两部MTU-20 V956 TB92辅助动力,高速冲刺时使用爆发力强的燃气轮机,低速巡航时则使用油耗更低的柴油机,可谓美滋滋。
▲柴燃联合动力燃气轮机另一个弱点则是造价太高,因为内部合金材料耐高温、耐疲劳要求十分苛刻,并且加工和设计也都非常困难,燃气轮机价格动辄以千万美元计算,目前英国MT30燃气轮机的对外出售单价约为2300万美元,几乎是同等级别蒸汽轮机的3倍
美国的阿利伯克级驱逐舰和中国的055之所以能采用燃气轮机,除了技术上拔尖之外,更重要的是不差钱。
总结来看,燃气轮机虽然也有缺点,但是绝对瑕不掩瑜,是当今世界仅次于核动力的最强动力装置之一。

参考:
这和耗油不耗油关系不大,一方面燃气轮机有它的优势,好东西就得用。
喷气战斗机耗油,现在你不可能用螺旋桨飞机去对付喷气战斗机;
豪车耗油,大老板不可能去坐排量1.0。
燃气轮机结构最简单,而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、启动快、少用或不用冷却水等一系列优点。
燃气轮机(Gas Turbine)是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转,将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械,是一种旋转叶轮式热力发动机。
为什么燃气轮机会在军舰上得以应用呢?
因为燃机具有
举例:瓦锡兰公司的14缸RT-FLEX96C船用柴油机,最大持续功率80MW,长27.3m,高13.5m,整机重2300T,热效率50%;
罗罗的MT30最大持续输出功率36MW,然而长9m,高5m,整机重6.2T,热效率40%。
这个指标对比相当明显了……功率相等的情况下柴油机组重量是燃机的百倍左右。
体积小、重量轻意味着船只结构强度高,发动机推重比大,机动性好。
1982年马岛战争,英国海军19艘燃机舰艇航行四个月(包括14天7000海里的紧急连续航行),无一因为主推进装置故障而退出战斗。
远程奔袭还怒草了阿根廷。
跟机动性有关的数据比较敏感,只能定性说燃机的机动性远高于柴油机。
高机动性意味着军舰可以快速启动和变向,这在战争中的作用不用多说了……当然,燃机也有一些问题。
比如简单循环的巡航工况热效率低,但是这个道理就跟豪车油耗一样,都买得起辉腾了还在乎啥油耗?
高机动性意味着生存率的提高,这才是减成本的地方。
复杂循环比如WR21可以基本解决经济性问题,50%负荷下油耗指标仅增加4.15。
然而这个东西因为有回热装置,导致结构复杂,体积大,成本高,维护性差。
45型驱逐舰好像总趴窝……综上,燃机的性能非常优异,得到广泛使用自然不足为怪。
对大驱来说最适合没有之一。

参考:
这个问题提的好,提到发动机领域的“痛处”了。
为什么大型军舰要用很耗油的燃气轮机?
这是因为没得用,所以不得不用。
理由如下:现在能用于大型军舰的发动机无外乎三种:柴油机、蒸汽轮机和燃气轮机。
柴油机,单台最大功率一般以KW计,上MW功率级别的柴油机,其体积是非常庞大的,重量也非常的重,一般是每KW功率需要的重量是三到四公斤。
此二者满足不了大型军舰的的功率要求和体积、重量限制。
蒸汽轮机,有两种:燃煤或燃油锅炉型蒸汽轮机和核动力蒸汽轮机。
燃煤或燃油锅炉型蒸汽轮机,由于蒸汽轮机的热效率一般在35%左右,锅炉的热效率一般在90%左右,二者组合后总热效率30%左右。
这样就需要储存大量的矿物燃料,占用了军舰宝贵的空间和载重量,再加上锅炉自身的体积和重量,进一步占用了军舰的空间和载重量。
所以不适合用于大型军舰。
核动力蒸汽轮机,虽然燃料几乎不占用军舰的体积和载重量,但是核动力系统自身的体积和重量十分庞大,除了航母和超大型潜艇之外,其它军舰无法装下这个庞然大物,即使勉强装下,也会使军舰失去80%
燃气轮机,其热效率可以达到40%
那么,还有没有更适合大型军舰的动力系统呢?
有!它就是:《喙轮全热动力发动机技术》该技术热效率高于70%该技术是能将海水所含太阳能直接转化成旋转机械能的技术,即不需要储存任何矿物燃料,能源就在海水中,取之不尽,用之不竭。
该技术的发动机等全部动力系统的体积和重量均小于燃煤或燃油锅炉型蒸汽轮机动力系统。
该技术是包括航母和潜艇在内的所有军舰最省钱、最环保、无限航程的动力系统技术。

参考:
其实题目中已经给出答案了——军舰动力系统,燃气轮机固然是耗油的,但是架不住它好用啊,而军舰属于军事装备,所有的性能指标均以发挥作战优势为优先考虑因素,因此只要性能够好,耗油高一点也就无所谓了,不像民用船舶,油耗高一点就意味着成本上升,在军事装备中,只要能打胜仗,一点点油耗真的不算什么。
大型船舶的动力系统一般有柴油发动机、电动机、蒸汽轮机以及燃气轮机四种,其中燃油经济性最高的就是柴油发动机,这也是多数民用大型船舶动力系统采用柴油发动机的原因。
而军舰最重要的性能指标之一是航行速度,任何一种军舰都要求具有较高航速,否则在海战中就会处于非常被动的局面,比如说部署时要能在最短的时间内抵达预定海域、追击时要能赶上目标、撤退或回防时要能甩掉对方。
这一点对于驱逐舰、巡洋舰这样的大型军舰来说更是重中之重,因为海战中驱逐舰、巡洋舰需要为航空母舰护航,在航母编队中还担负反潜任务。
当航母放飞舰载机时,为了创造足够大的甲板风让舰载机顺利起飞,需要将航速提高到30~31节的最高航速(54公里/小时~55.8公里/小时),如果驱逐舰、巡洋舰的航行速度达不到这个速度时就意味着航母将在无护航状态下“裸奔”。
在执行反潜任务时则体现在对潜艇的追击上,现代潜艇的水下航行速度已经超过了30节,倘若驱逐舰、巡洋舰的航行速度低于潜艇速度,那么反潜作战就难以执行,水下威胁就难以消除。
那么问题就来了——是不是说除了燃气轮机以外的其它动力系统都不能为大型军舰提供高航速动力输出需求呢?
我们从
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柴油机、蒸汽轮机、电动机均不适应于现代大型军舰动力系统开始前我们首先要解释一下对于“大型军舰”的定义,即除航母以外的大型水面作战舰船,主要指驱逐舰和巡洋舰。
第一、柴油机在燃气轮机应用技术成熟之前,军舰的动力系统还是以柴油机为主,比如说第二次世界大战期间,几乎所有的小吨位驱逐舰和护卫舰都采用柴油机做为动力系统。
柴油机的问题在于转速过低,从怠速给油加速至最高转速得这个过程耗时极长,而且最高转速(满负荷)运行时间极为有限。
我们以美制埃瓦茨级护卫舰为例:该级护卫舰满载排水量1360吨,发动机为单台大功率柴油机,最高航速21节。
21节的最高航速在二战时期的确足够追赶潜艇了,毕竟那个时期的潜艇最高航速不超过17节,水下航速则不超过12节。
但是却无法赶上航空母舰、驱逐舰、巡洋舰、战列舰的速度,这就意味着在海战中它只能欺负欺负潜艇、巡逻艇以及民用船舶,当遇到大吨位战舰时既打不过也跑不掉。
如果要达到30节的最高航速,那么就必须加装一台同功率的柴油机,并且将单轴单桨推进器改为并列双轴双桨,可这样一来本就不大的舰体空间更加狭小,得不偿失了。
因此柴油机只适合装备小型军舰以及大型民用船舶,用低速行驶的方式发挥它的燃油经济性。
第二、蒸汽轮机在过去,蒸汽轮机是大型军舰动力系统的不二选择,因为蒸汽轮机的转速非常高,最高转速可达到6000转/分钟,正常巡航状态下的半功率转速也在3000转/分钟
因此在二战时期几乎所有的驱逐舰、巡洋舰、战列舰、航空母舰动力系统都采用蒸汽轮机。
比如说美制弗莱彻级驱逐舰,其满载排水量为3050吨,发动机为总功率6000马力的两台蒸汽轮机,最高航速为37节。
蒸汽轮机的问题在于系统过于庞杂,它需要用压力锅炉将水加热至沸腾,然后再利用高温高压蒸汽驱动汽轮机转动做功。
最让人抓狂的是锅炉加热是一个非常漫长的过程,如果所有锅炉全部停机,那么冷启动时间将不低于10个小时!试问现代战争中哪里会有那么多10小时来给大型军舰启动发动机呢?
哪怕是核动力,在冷启动状态也不低于4小时。
第三、电动机电动机推动在二战时期主要应用于潜艇,称为“柴电混合动力系统”,在当今则有人给它取了一个高大上的名称——全电推系统。
理论上来讲,全电推系统非常先进,变频电机转速够高、加速够快,是非常理想的大型军舰动力系统。
电动机的问题几乎与蒸汽轮机一样,都需要将锅炉加热,然后驱动蒸汽轮机转动发电,最后用电能驱动电动机转动做功。
所以相较于蒸汽轮机而言,电动机动力系统更加复杂、更加庞杂,而且可靠性更低,比如英国的45型全电推驱逐舰,基本上没有一艘是正常的。
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因此在可预见的未来,没有任何一种发动机能取代燃气轮机的地位。
高油耗的燃气轮机是现代大型军舰动力系统的唯一选择燃气轮机的工作原理与航空喷气式发动机基本相同,即吸入大气,然后压缩,再与燃油混合成为尤其混合体发生燃烧,驱动叶片高速转动做功,所以燃气轮机的转速非常高,一般设定转速为3000转/分钟。
燃气轮机的特点是体积小、启动快、输出功率大、维护方便等等,而这些特点是其它船用动力系统所不具备的。
我们用世界上使用最广泛的美制LM25000型燃气轮机来例举:该型燃气轮机最大输出功率为47370马力(34841千瓦),相当于一台超大型船用柴油机。
但是它的尺寸却非常小巧,在动力系统模块化设计中,只需要一个长约8米,宽约2.7米,高约3.1米的箱子就能将其容纳,体积只相当于同功率柴油机的1/5。
就其体积而言,除了柴油机以外,蒸汽轮机、电动机都无法与之相比,尤其是电动机,整个动力系统恍如小型发电厂,庞杂程度与燃气轮机形成鲜明对比。
燃气轮机的启动速度基本上快捷如家用汽车,理论上只要拧一下钥匙就可以完成启动,即便是冷机状态下也能在一分钟以内完成启动,顶多也只是慢机运转10分钟,然后就可以全功率运行了,这一点是任何一种其它动力系统都不具备的。
燃气轮机的问题在于油耗过高,比如上述提到的美制LM25000型燃气轮机,在50%功率运行下油耗高达360千克/小时(约418升/小时),是彻头彻尾的“油老虎”。
但它却是除航母以外的大型军舰动力系统的唯一选择,如果不用高油耗的燃气轮机,那就只能选择蒸汽轮机和电动机。
这两种发动机的共同特点是体积特别庞大,虽说燃油经济性很高,但是庞杂的系统将会大量占用军舰舱室,而且启动速度缓慢,不利于战时紧急机动。
而体积稍小的柴油机转速又太低,如果要达到30节
因此大型军舰动力系统只能选择使用高油耗的燃气轮机,以达到提高航行机动性的目的,对于打赢战争而言,这点油耗又算得了什么呢。
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倒是有前苏联人想出了用核动力来解决高油耗的问题,结果这样的巡洋舰出勤率只有40%,大多数时间都趴在港口维护,它就是基洛夫级核动力巡洋舰。
综上所述我们可以得出这样的结论第一、使用油耗高的燃气轮机做为大型军舰动力系统的原因是燃气轮机体积小、启动快、转速高、输出功率大,能让大型军舰的航速提高到30节
第二、军舰的核心作用是打赢战争,因此军舰的作战性能指标高于一切,而航行速度就属于作战性能指标之一,所以只能选择燃气轮机,至于高油耗问题,在“一切只为某打赢”的前提下不值一提。
第三、除了燃气轮机以外,其它发动机要么输出功率和转速不足,要么系统过于庞杂,应用范围非常局限,因此只要有高机动性的大型装备都会优先考虑使用燃气轮机。
结语燃气轮机虽然油耗太高,但是它体积小、输出功率大,所以不仅大型军舰动力系统用到它,就连在陆地上跑的坦克同样使用燃气轮机。
比如说美制M1A2主战坦克,由于该型坦克重达70余吨,如果采用传统柴油机,那么只能将发动机舱扩大,然后重新设计一款功率达到2000马力的柴油机,否则无法驱动70吨重的坦克跑到68公里/小时的最高行驶速度。
因此该型坦克动力系统只能使用燃气轮机,它与大型军舰使用的燃气轮机原理是相同的,即大功率、高转速、小体积。
但是由于燃气轮机油耗过高,即便M1A2主战坦克的油箱容量达到了1900升,实战中加满一次油也仅够该型坦克在越野条件下行驶不超过200公里!如果选择使用大功率柴油机,这1900升燃油固然能维持400公里左右的续航能力,可是动力舱就要设计得很大很大,这样一来M1A2主战坦克恐怕就会变得很大很大了,这个道理与军舰选择燃气轮机是完全一样的。
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参考:
近日,俄罗斯Rostec公司尝试启动位于克里米亚的两座燃机电厂,但是未能成功,这已经是俄罗斯第三次尝试启动这两座燃机电厂了。
到目前为止,俄罗斯已经在这个问题上耗资700多亿卢布了,然而仍旧未能掌握相关技术。
燃气轮机技术一直以来便是世界上的尖端技术之一,其制造工艺非常复杂,因此燃气轮机也被称为是装备制造业中“皇冠上的明珠”。
燃气轮机的应用非常广泛,小到坦克快艇,大到航空母舰,都能见到燃气轮机的身影。
那为什么这些军事装备的动力系统都偏爱于燃气轮机呢?
这是因为燃气轮机的三个重要优点燃气轮机的功率密度非常大,如果用相同功率的燃气轮机和柴油机相比较的话,你会发现前者的体积只有后者的三分之一甚至五分之一左右,因此在有限的动力系统安装空间中,采用燃气轮机的功率要远远优于柴油机。
燃气轮机的启动速度非常迅速,即使说它的功率比柴油机高很多,但因为其转子的独特设计,导致其可以在最多两分钟之内达到最大转速,相比而言,柴油机就要慢上许多了。
燃气轮机的产生的噪音低频分量极低,这一优点主要在军用战舰上最能体现出来。
我们知道,海洋环境是最容易传播低频噪音的,而这就使声呐系统非常容易捕捉到低频噪音信号,如果战舰的动力系统产生的低频噪音很大,那么就会很轻易的被敌方战舰的声呐所捕获,从而暴露自己的位置,这在海上作战中是极其不利的,但燃气轮机在工作时所产生的是高频啸音,这样就大大的增加了战舰的隐蔽性。
目前,国际上的大型舰用燃气轮机主要有美国的LM2500,英国的WR21以及乌克兰的GT25000。
我国的工业基础薄弱,装备制造业起步较晚,虽然经过多年的努力,已经有所改善,但是在大型燃气轮机的研发制造方面,只能算是刚有起色,因此,我国应该加大燃气轮机领域的研究力度,争取早日使我国的大型燃气轮机技术达到世界级的水平。

参考:
燃气轮机之所以如此受
根据现有资料可知,已经应用的燃气轮机不只是费油那么简单,功率也不太够用啊,比如英国伊丽莎白女王级航母使用的罗-罗MT-30燃气轮机,输出功率仅有36MW(兆瓦),罗-罗公司还不忘强调这款燃气轮机有望提升到40WM的动力水平,但即便是如此还是不够用,这两组主动力加在一起最多80WM,这还要等到相关技术实现突破之后才能实现。
(舰岛的正下方就是MT-30燃气轮机,可见体积非常之小)80WM的动力能让6.5万吨的伊丽莎白女王级航母获得27节的航速,但国内军事爱好者普遍表示怀疑,再经过机械能到电能的转化,它的动力就实在太肉了,连25节航速都悬。
燃气轮机的另一个缺点是低工况条件下油耗较高,有实验数据认为:女王级航母搭载的MT-30燃气轮机哪怕只打开1台,在巡航的状态下,其油耗也会超过它搭载的2台16V38B柴油机,这就是燃气轮机相比传统柴油机的缺点,高油耗。
(感受一下舰用柴油机的尺寸吧,这东西是没有未来的)女王级航母搭载了4台瓦锡兰12V38B柴油发电机组,2台输出功率9WM、2台输出功率11WM,加在一起也就是40WM,这个动力是女王级航母的巡航动力,也就是航母在低工况条件下的动力来源,之所之这样安排,就是为了避免在低工况条件下使用高油耗的MT-30燃气轮机,以达到节省燃料的目的,否则女王级航母不可能达到10000海里的续航能力。
有人可能要问,干脆直接受用柴油机不就好了吗?
瓦锡兰公司还真能满足女王级航母的需要,它的RT-FLEX96C船用柴油机在14个活塞推动下能达到80WM的输出功率,是不是很惊喜?
一台这样的柴油机就能顶的上2台MT-30燃气轮机了, 而且油耗肯定会更低。
但问题是,这种瓦锡兰柴油机的重量整整是MT-30的371倍,体积更是在5倍左右,如果女王级航母使用这种柴油机,舰体空间就不够用了,别说40架F-35B,就是25架都未必能装下。
如果想要搭载更多的舰载机,有两种方法可选,第一种就是扩大航母尺寸和吨位,来增加船体内的空间,但这样做的结果就是航母会更大、更重,一台14缸的瓦锡兰柴油机又不够用了,还要增加柴油机数量,航母设计也就陷入了空间和动力无法兼顾的怪圈;
另一种方法是改善动力结构,摒弃笨重的传统柴油机、蒸汽轮机,采用体积小、重量轻的动力系统,燃气轮机的出现让设计者们看到了希望。
(感受一下MT-30核心组件的尺寸)(装机后的燃气轮机,相比柴油机的个头简直就是个娃娃)这就是本文一开始说的,传统内燃机已经没有潜力可挖,燃气轮机可以让军舰在更小的体积上实现更强大的战斗力,想象一下,假如我们的055万吨大驱在现有武器系统不变的情况下,体积能缩小到8000吨的水平,是不是很值得高兴呢?
女王级航母就是大英帝国勇敢尝试的代表,尽管它的动力系统还不够完美,但6.5万吨的排水量让它获得了载机40架的能力(由于数据不精确,载机量有可能更多),相比之下采用蒸汽轮机的辽宁号、库兹涅佐夫号就差的多了,它们的舰载机最多只有24~25架而已,不要拿苏-33/歼-15舰载机体积较大说事,它折叠机翼后还没有F-35B大呢。

参考:
燃气轮机虽然耗油,但是其性能要远比蒸汽轮机和柴油机好得多,比较适合在4000吨
不过并不是所有的大型军舰都采用全燃动力,因为太费油了。
美国阿利伯克级驱逐舰采用的就是全燃动力,结果就是阿利伯克级高速续航仅有4000海里,不过跟美军强大的海上后勤补给能力相比,费点油也根本不是什么大事儿。
接下来我们从我国军舰建造的角度,看一下燃气轮机在军舰上的应用,看完以后大家可以很清楚的就能弄明白燃气轮机在大型军舰上的应用了!燃气轮机的优缺点是什么?
作为军舰动力装置,目前主要有三种,分别是蒸汽轮机,包括核动力蒸汽轮机以及常规动力蒸汽轮机两种。
动力输出大多在10万马力
第二种是柴油机,军舰上采用的大多都是高速柴油机,低速柴油机一半用在大型货轮这种对航速要求不高的船舶上。
柴油机动力输出公里大多数在一万马力
第三种就是燃气轮机,是在航空发动机演化而来的一种船用动力装置,现在世界各国使用的燃气轮机主要有三种,美国的LM2500,我国军舰使用的GT25000以及英国海军使用的MT30,现在乌克兰的UGT25000因为没有了我国的订单,也失去了俄罗斯海军订单,所以基本上已经不再被外界使用!目前军舰上使用的燃气轮机大多拥有3.5万马力左右的动力输出功率,比较适合军舰高速航行使用!燃气轮机作为军舰动力新秀,并不是全部的大型军舰都采用燃气轮机作为动力的,因为燃气轮机是一种优点和缺点都非常明显的动力装置。
简单概括就是其优点全部都是蒸汽轮机的缺点,而其缺点又都是柴油机的优点。
优点一:体积小,功率大。
燃气轮机因为从航空发动机发展而来,所以本身的体积和重量非常小,是同输出功率的蒸汽轮机的十分之一,柴油机的三分之一到五分之一。
极小的体积和重量保障了军舰上采用燃气轮机的情况下拥有更大的舰内空间布置更多的作战系统,有利于改造舰内空间。
燃气轮机体积小,代表的并不是输出功率不足,相反的,燃气轮机是输出功率非常大的船用动力装置。
咱们以军舰巡航为例,一般一艘8000吨级别的军舰以18节航速巡航的时候,其需要的动力是1.25万马力。
我们上面所列举的舰用燃气轮机功率都在3万马力
蒸汽轮机倒是可以满足大功率要求,但是蒸汽轮机体积巨大,而且热效率不高。
柴油机的话虽然体积比蒸汽轮机小了很多,但是不能像蒸汽轮机那样将零件分开布置,而且功率有限,军舰高速航行的时候柴油机基本上只能用来发电!优点二:运行稳定,噪音小如果说体积和功率的优点是相对蒸汽轮机来说的话,那么其运行稳定性能和噪音性能则是针对柴油机来说的。
因为燃气轮机的核心机采用的是航空涡扇发动机的核心机,所以其旋转运转的方式工作稳定性很高,没有柴油机那样非常大的震动,同时也不会发出那么多的噪音。
尤其在高速运行的时候,柴油机会产生很强的低频噪音,这些噪音会让地方声纳系统在数百公里外就可以侦测到,而燃气轮机无论是高速运行还是低速运行,噪音都非常小,非常适合军舰高速安静航行!因为稳定的运行,燃气轮机也拥有很高的稳定性。
我国在中美蜜月期获得了美国五台LM2500燃气轮机,装在我国的052和052B驱逐舰上,到今天已经稳定运行了二十多年,不要说更换零件,就连发动机大修都没有做过。
可见燃气轮机虽然技术复杂,但是一旦获得突破,是一款远优于其他动力设备的舰用动力!优点三:启动速度快,不需要保持低速运行!燃气轮机的启动速度有多快?
如果跟龟速的蒸汽轮机相比,简直可以用瞬间来形容。
我们知道,蒸汽轮机从开始点火启动,预热动力系统到全功率输出一般需要至少五个小时
燃气轮机就不一样了,因为采用的是涡扇发动机设置,飞机涡扇发动机启动多快,燃气轮机就有多快。
燃气轮机从完全停机到满功率运转,大概只需要一分钟就可以,跟蒸汽轮机动辄数小时相比,简直是一个天上,一个地下!燃气轮机虽然优点非常突出,但是缺点也非常明显!接下来我们看一下燃气轮机的缺点!缺点一:油耗奇高,低功率运行油耗并没有明显减少!燃气轮机是航空发动机改造而来,其耗油基本上跟飞机有的一拼。
所以相比于柴油机来说,燃气轮机的油耗是非常高的。
上面我们介绍了阿利伯克级采用全燃动力只能高速续航4000海里,这样的续航能力连比伯克级小一半的054A都不如,后者可是采用的国产柴油机作为动力装置的。
这一比较下来就明白了。
很多人很好奇,燃气轮机功率大,那么能不能在巡航的时候低功率运转呢?
不让它转那么快不就省油了吗?
大家注意,这不是在开车,小点油门就行了。
燃气轮机的工作原理这里不多说,它没有低工况运转那一说,即便是低功率有运转,本身油耗和高速运转并没有明显减少,所以燃气轮机启动的时候也就不存在低功率和高功率一说了,只要军舰需要高速航行,燃气轮机就是高速运转,即不省油,何必扣扣索索的?
缺点二:技术复杂,造价高昂!我曾经发文介绍过我国燃气轮机的发展,底下有网友评论说,其曾在相关单位工作过,燃气轮机是一种价比黄金的军用动力系统。
相比于同功率输出的蒸汽轮机,至少要贵上三倍。
现在一台LM2500的报价高达2000万美元,而同功率输出的蒸汽轮机估计也就只需要几百万美元的样子就能搞定了。
这样的价格堪比同等重量的黄金一样值钱。
造价高的主要原因还是技术复杂,现在世界上应用最多的,是美国的LM2500,除了英国军舰以及少量出口的燃气轮机之外,LM2500几乎垄断了世界舰用燃气轮机市场。
但是现在美国是不会卖给我国的,所以我国进口了十台乌克兰的UGT25000之后建造了四艘军舰,后面两台对其进行了国产化的适装改进,生产除了我们自己的燃气轮机。
现在世界上也就只有中美英以及乌克兰可以生产燃气轮机,可见其价格昂贵也是有技术复杂这一基础存在的!缺点三:对燃油要求较高,经济性不好!燃气轮机必须使用轻质燃油才能良好的运转,相比较于蒸汽轮机和大型柴油机而言,燃油的选择相对来说比较严格。
蒸汽轮机和柴油机都可以用廉价的重油,就是类似于柏油沥青那样的燃油作为燃料,这样的燃料经济性很高。
而燃气轮机却无法使用,所以运行时候不但费油,而且要用更好的燃油是相比其他舰用动力系统的显著缺点!
至少蒸汽轮机可以满足需要,在功率输出上能赶得上不是说明问题吗?
那么为什么军舰还要优先选用燃气轮机作为动力系统的核心呢?
接下来我们从舰用动力系统的发展来看一下,军舰用燃气轮机那么费油,用在军舰上有哪些好处呢?
军舰动力适配与军舰吨位的关系!无论各种舰用动力有哪些不足和长处,三种动力系统目前还是在各国的海军中普遍存在的。
其中柴油机的应用主要在小型军舰上。
比如咱们北方的邻居俄罗斯,因为燃气轮机被乌克兰断供,现在主要生产的军舰要么是核动力潜艇,要么是2000吨级别的护卫舰。
俄罗斯吞并克里米亚之后断绝了燃气轮机的来源,自己本身又不能生产,所以暂时只能生产4000吨
这里需要说明一下,军舰首先在航速上要满足28节
而军舰速度和阻力的立方成正比,也就是说速度越大,所需要的动力就会呈指数级别的速度增长。
还是上面我们提到的阿利伯克级驱逐舰,在18节经济航速航行的时候,需要1.25万马力的动力就可以满足巡航要求,而一旦要跑31节的高航速,那么其需要10万马力
现在柴油机的动力普遍较小,一万马力
比如咱们的052,052B,052C以及052D这些排水量在6000吨
我们目前这些军舰采用的动力总成一般都是柴燃交替动力,所谓交替,说到是2台柴油机配两台燃气轮机。
在军舰低速巡航的时候,两台柴油机的动力输出就足以满足要求,燃气轮机不用开机。
而高速航行的时候就必须采用燃气轮机启动才行。
两台燃气轮机可以为7000吨级别的战舰提供7万马力的动力输出,已经足够满足使用了!接下来咱们看一下蒸汽轮机,我们的蒸汽轮机军舰主要是051系列的军舰,包括八十年代生产的051,还有90年代的051B/C.甚至052都采用了燃气动力了,051C深圳舰还在其后采用了蒸汽动力,原因自然是我们在新世纪前后没有燃气轮机的来源,海军出于发展的需要,还是需要继续小步快跑的生产军舰的,采用蒸汽轮机也是无奈之举!在我国国产化UGT25000成功之后,时间已经来到了2010年代,这时候我国军舰才开始军迷口中的下饺子模式。
但是到了055之后,我国军舰又迎来了一种全新的动力模式,这就是燃燃联合动力。
也就是两台燃气轮机一组,每台军舰安装四组燃气轮机驱动两个螺旋桨做功。
在军舰需要高速航行的时候,就全部开启四台燃气轮机,而需要低速巡航的时候就根据速度关闭一定数量的燃气轮机!上面的介绍比较混乱,我们做一下简单的总结。
我国现役军舰中,采用蒸汽轮机动力的军舰是051系列军舰,05是我国驱护舰的代名词,“1”代表的就是蒸汽轮机。
而052系列的军舰中无论是052,还是后续的052D采用的都是柴燃联合动力。
到了055,后面的数字“5”代表的就是全燃动力。
以后大家可以根据我国军舰的型号数字来判断我国军舰所采用的动力输出的方式!除了驱护舰之外,我们需要指出的是,大型军舰如航空母舰,动力输出要求非常高。
比如辽宁舰,蒸汽轮机动力输出在20万马力
蒸汽轮机虽然结构体积巨大,但是好在动力输出稳定,对燃料要求不高,比较经济节省!所以大型军舰如航母类长时间来看还是需要采用蒸汽轮机。
说明一点,航母动力系统有个例外,英国的伊丽莎白号采用的是燃气轮机驱动全电推进的动力系统,英国是燃气轮机技术最发达的国家,两台巨型燃气轮机就可以驱动七万吨的航母跑出25节的速度,这点还是让人佩服的。
不过总体来说,英国人的前瞻实现并不成功,其动力系统设计存在严重缺陷,导致其航母总是出现趴窝的情况!另外一种船用动力比如低速柴油机,是可以输出很大的功率的,但是巨大的缺点是体积重量太大了,根本就不适合装在军舰上。
咱们看到的货轮倒是很多采用大型低速柴油机,好处是比较节省,但是机器重量动辄几千吨,关键是还不能像蒸汽轮机那样分开布置动力的各系统,所以也只有大型民船可以用,军舰根本就装不上去,太大了!而现在研发的高速柴油机虽然功率超过1万马力,但是对于大型军舰来说依然太小!小结:军用动力相对于民船,追求性能相比较价格而言是第一位的。
相比于作战性能的提升,多费点油所花费的钱相对于海军作战来说根本就不值一提。
我国深圳舰服役的时候曾经被认为是倒退,因为当时采用燃气轮机的052都已经服役了,为什么还要装备体积庞大的蒸汽轮机呢?
现代大型军舰体积如果没有达到几万吨,一般都会优先考虑性能而不是节省开支。
这是燃气轮机体积小,输出高的最大优点的主要体现。
对于军舰来说,省的那点钱相比较军舰内宝贵的空间而言,很显然会选择后者。
这也就是为什么燃气轮机既费油,又费钱,依然成为大型军舰动力系统当家花旦的根本原因!
参考:
先进的燃气轮机的热效率其实非常高,达到40%
作为军舰动力,首先要考虑的是作战性能,像我们052用2柴2燃其实是妥协的产物,我们燃气轮机不成熟,2个柴油机作为平时行驶的主动力,需要的时候才用燃气轮机,像伯克级那样装4台燃气轮机才是最理想的,老美曾经在蜜月期卖给我们初代LM2500燃气轮机,当时单机就有2.5万马力,现在最新改进型有4.7万马力,我们虽然当时拿到了
相反的,燃气轮机具有结构紧凑体积小、重量轻、功率密度大、热效率高等不可多得的优点,这也就是为什么现代军舰特别是驱逐舰等大型主战舰艇青睐于采用燃气轮机的主要原因。
可能很多人对燃气轮机并不了解,简单来说,燃气轮机就是依靠空气和燃料剧烈燃烧产生的高温燃气去推动涡轮机械做功的大功率、高性能动力机械。
在了解燃气轮机时,可以将它和飞机使用的航空发动机联系起来,两者的技术原理是相通的,只不过最终做功的方式存在一些差异。
实际上,目前很多著名的燃气轮机都是在航空发动机基础上发展而来的。
大名鼎鼎的通用电气公司LM2500燃气轮机正是以该公司的TF39涡轮风扇发动机核心机为基础研发出来的。
目前全球最先进的燃气轮机之一——英国的MT30燃气轮机的核心技术来源于Trent系列航空发动机。
当然了,因为使用对象、工作环境明显不同,航空发动机和燃气轮机使用的燃油也截然不同。
航空发动机使用的是特别的航空煤油,而燃气轮机“不挑食”,基本是燃油都可以。
目前军舰使用的燃气轮机绝大多数是使用优质柴油作为燃油,以获得最佳的性能。

航空发动机的“难造”是出了名的,而它的同门兄弟——燃气轮机的设计制造也是非常有难度的。
目前世界上能够独立设计、制造大功率燃气轮机的国家/公司非常少,一个国家如果没有研发出大推力航空发动机,那么想拥有大功率燃气轮机就是天方夜谭。
以前中国在燃气轮机领域的研发、制造能力比较低下,无法满足新型主战舰艇的动力需求,中国军舰一度存在“心脏病”的问题,影响了驱逐舰的“下饺子”建造计划。
后来中国通过引进乌克兰的燃气轮机进行仿制,国产化改造,加上以“太行”发动机为代表的航空发动机领域有明显进步,使得中国国产大功率燃气轮机有重大突破,目前中国已经进入大功率燃气轮机研发制造领域的第一梯队。

参考:
船用燃气轮机具有显著的技术优势,例如体积小、重量轻、热效率高、经济性好、启动快、机动性好,而且燃料的适应性强,清洁,对环境污染小,噪音低频分量很低,可靠性高,维修方便,使用寿命长等特点。
燃气轮机在燃烧室中混合燃料压缩空气和燃料,在燃气涡轮中加入燃烧产生的高温燃气从而出现膨胀现象,这能让涡轮叶轮进行驱动,从而推动压气机叶轮的转动。
船用燃气轮机还能和其他动力装置混合搭配,例如柴-燃混合动力等,这能进一步提升可靠性和灵活性,也能降低耗油率。
燃气轮机不仅搭载在普通舰船上,航母上也有应用。
例如英国的伊丽莎白女王级航母就搭载了两具Rolls-Royce Marine 36 MW MT30燃气轮机。
燃气轮机相比柴油机和蒸汽机而言,具备功率密度大,在同等功率下,燃气涡轮机体积是柴油机的1/3~1/5,是蒸汽轮机的1/5~1/10。
燃气轮机的气动速度也快,在1~2分钟内就能达到最高转速。
而柴油机和蒸汽轮机需要一小时到数小时才能让系统的输出功率达到最大。
燃气轮机的噪音低频分量也低,燃气轮机还有较大的单机功率、较轻的重量、较长的寿命和较低的NOX排放。
燃气轮机产业事关国家安全、经济建设和科技发展,其发展水平也已成为衡量一个国家装备水平、高新技术和科技实力及综合国力的标志。
燃气轮机是在高温、高压、高转速等恶劣环境下长期反复使用的热力装置。
涉及到气动力学、工程热物理、机械等多个学科。
一直被誉为“皇冠上的明珠”。
而燃气轮机未来的发展趋势是大型化、高性能和燃料多元化,虽然它还有一些缺点,但是优势却是无可替代。

参考:
当今之世,大型舰船的动力共五种,以优先顺序分别为核动力,燃气轮机、蒸汽轮机、柴油机和联合动力。
核动力看似最经济,但表现为造价高,技术开发难度大,安全性要求较高,只为少数国家所掌握,接下来就是燃汽动力,体积最小,最经济,而得到越来越多的国家使用,据估计,未来 三年内,将达到50亿的市场规模。
经济是一方面,燃汽轮机突出的特点,还表现效率高,维护简便,高可靠性的特点,不似核动力那样安全性总是一大隐患,尽管如美国核动力已非常安全,如之最新航母“福特”号所使用的A1B反应堆,仍存在技术上诸多不确定性,其被宣传为一次性加注,50年不用更换燃料,但说到底解决不了高安全性,一切都无从说起。
正因为如此,大多从航空动力发展而来的燃气轮机,如MT30、WR-21、LM2500+G4等,动力输出特性越来越稳便,并经过多年使用和升级,受到更多国家喜爱,似乎成为军用舰艇动力的标配。
核动力不易,燃气轮机也不易,大型军用舰船燃气轮机,大约也只有中美英俄四国所有,民用型,德国和日本不错,被奉为先进的代表。
最大最省油,然于军用方面,就属美英二国,LM2500和MT30称为先进的代表。
如今我们的燃气轮机也开始上了水平和档次,其中四款有点靓,QD128、QC185、QC70、R0110,其动力输出水平和经济水平,燃气效率高达40%

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