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驱逐舰用燃气轮机为何不是单机功率越大越好?(上)

2017-7-2 19:12| 发布者: admin| 查看: 73| 评论: 0

摘要: 这个问题其实不难理解:为何大部分人不开12缸的豪华车?因为先不谈买车,保险的费用;仅仅日常使用的油钱,一般人就负担不起。12缸的车,100公里最少20个油,非工薪阶层消费的起。都说海军是贵族军种,像样的海军, ...

这个问题其实不难理解:

为何大部分人不开12缸的豪华车?因为先不谈买车,保险的费用;仅仅日常使用的油钱,一般人就负担不起。12缸的车,100公里最少20个油,非工薪阶层消费的起。

都说海军是贵族军种,像样的海军,同样不是“贫下中农国家”能玩的转的,尤其是有大舰队的远洋海军,仅舰队一年的油料钱,就不是一般屌丝级国家能负担的起!

一艘驱逐舰,常年不出远海,一年油料钱就要几千万人民币!若全球部署,一艘大舰,一年仅油料将花费几个亿;若有上百艘舰艇常年远洋部署,那么一年仅仅油料预算就是上千亿!美帝为啥当年要搞全核舰队?地主家也没有余粮啊,也被远洋海军,喝油喝怕了。

可以说,目前我国海军在亚丁湾常年接力部署的三艘较大的舰艇,就能花掉上世纪九十年代以前,差不多当时整个海军一年的油料预算!这也是改开前,中国海军为何很少出岛链的原因之一。

在和平年代,油料钱是海军的第一预算大头。

其实当前的全球各国海军,除去美国海军外,90%的国家,99%的现役舰艇,基本没有真正打过一场海战。包括我们目前的海军也是这样;养兵千日,都不一定用兵一时;绝大部分军费,都被日常战备巡逻花掉了。要知道,一艘驱逐舰一年的油钱、保养钱,人员费用,就能养活一个步兵旅!

因此舰艇的油料利用效率,是任何舰艇设计、生产者必须考虑的。

燃气轮机为什么成了现代化驱护舰的主流动力?因为燃气轮机动力有突出的先天优势:

1,  马力比较大,升功率很快;

舰艇燃气轮机和飞机喷气发动机原理和核心机基本是一致的;我们看辽宁舰上起飞舰载机的视频,发动机从怠速,开加力到最大功率,喷出火舌,只需要几秒钟!船用燃气轮机也一样,从怠速到开到最大功率,也只需几十秒,特别有利于作战时候的舰艇突然加速和减速。

而舰船蒸汽动力要先烧热锅炉产蒸汽,从冷机到满负荷,最少也要十几分钟甚至半小时以上,因此升功率速度,其他类型船舶动力,都不如燃气轮机快。

2,燃气轮机工作时候,噪音小,尤其是低频噪音小,有利于舰艇反潜;

燃气轮机的工作,是按照中轴线自旋,没有柴油机活塞的往返运动,高速工作时的噪音,主要是高频率的啸声,低频噪音不多,而舰艇噪音在水中传播,频率低的噪声传播的远,高频噪声不容易传播,因此对舰艇反潜更有利。

3,燃气轮机体积小,单位功率密度大,同功率下,重量体积比锅炉加蒸汽轮机等轻巧的多,有利于合理布置舰艇空间。

但是,燃气轮机作为舰艇动力,并非没有弱点;

最大的弱点,就是低工况下,燃油利用效率低;说白了就是慢车下,比其他类型的船舶主机费油!比燃油锅炉和柴油机都费油。

燃气轮机的热效率,通俗说就是正常工况下,烧掉的燃油转换出的有用功率的比例,燃气轮机一般在30%左右,也就等于烧三升油,只有不到一升真正转换成了动力,其他的热能都从尾部喷出去了。

这还是马力全开下的转换效率,若发动机怠速(舰艇90%情况下的航行速度是在18节经济航速或更低航速),那么燃油转换效率更低!甚至不到10%!汽车发动机也有类似情况,油耗最高的情况是在市区走走停停怠速下,高速公路行车,反而平均油耗不高。也就是说,低工况下,80%到90%的宝贵燃油,都随着燃气轮机巨大的排气管道跑了,没有发挥应有的热效率。

如果稍微注意一下就可以发现,辽宁号航母,这种发动机总功率接近30万马力的超大舰艇,“烟筒”只有一个。其实,辽宁号的大烟筒并不是一个大直筒,而是里面包含每个燃油锅炉集合在一起的共十几个小烟筒;而总功率不到10马力的052C、D驱逐舰,却有两个独立的圆形“大烟筒”。按照烟筒和舰艇本身的比例,燃气轮机驱逐舰的“烟筒”反而显得更大;这也从侧面说明,从“烟筒”里跑掉或者说浪费的热能,燃气轮机比燃油锅炉多的多。反过来说,燃油锅炉的热效率,要比燃气轮机高的多!

即使民用的燃油锅炉,满负荷下工作,热转换效率也接近50%,等于至少一半的油料能,转换成了需要的热能,产生了蒸汽,而军用锅炉只能效率更高。

可见,即使在同样开足马力的理想状态下,燃油锅炉的油料利用率,将至少比燃气轮机高将近40%!若怠速情况下,燃油蒸汽动力的燃油利用效率,将比同样怠速的燃气轮机,效率高将近一倍!也就是说:若同样8000吨级的蒸汽动力的现代级驱逐舰和全燃气轮机的伯克驱逐舰早期型都加1000万元的油料,那么,18节巡航速度下,现代级将比伯克多跑一倍的距离!或者伯克为了要和现代跑一样的距离,就要加2000万元的油料!

而且,燃气轮机主要烧柴油;燃油锅炉,可以烧柴油也可以烧价格更便宜的船用重油,其他油料也可以掺杂一部分烧,相当于能吃“细粮”也可以吃“粗粮”,而燃气轮机只能吃“细粮”。这就更拉大了双方的油料预算。

舰艇在90%的非紧急情况下,采取18节左右的经济航速,只有战斗机动或者有突发任务的情况下,才采取战斗高航速,甚至采取最高航速。

而水的阻力,和舰艇的航速是指数的关系;要克服水的阻力,不同航速下,舰艇发动机的出力,也是差距很大的:

举个例子,具体数据也许不那么精确,仅仅帮助理解:

假设052C驱逐舰,最大航速设计在32节,经济航速设计在18节。

052C的动力配置,是两台QC280燃气轮机,功率总计,大约7万马力左右,还有数台巡航柴油机,大约2万马力;在18节经济航速下,假设052C只需要输出1.5万马力,就可克服水的阻力稳定巡航,那么只需要开巡航柴油机就完全可以满足需求。

若接到战斗命令,比如出现海盗,需要迅速加速,全速开进到事发海域,那么,这个时候开2台QC280,计7万马力全开,舰艇加速到30节高速前进。

052C、D是大体相同的柴燃联合动力,配置近似;但是,由于是传统齿轮变速箱带动舰艇的两根大轴,燃气轮机和柴油机原始输出转速差异极大,两者是不能同时并机工作的,也就是说,开柴油机就不能开燃气轮机,反之亦然。

要想两者同时出力,除非用全电推进——不同种类机器产生的功率先转换成电能,输送储存,再带动推进电动机。英国的伊利莎白女王级航母和45级驱逐舰,就是这种混合全电推进,确实比较先进、节能,但全电动力也并非没有弱点,这里不展开讨论。

那么,052C能否在低速和怠速下也只开燃气轮机呢?也可以;但是,让额定总功率七万马力的2台燃气轮机,只做最大1.5万马力的出力,那么结果将像前面说的:90%以上的宝贵燃油,怠速下都随“烟筒”跑了,浪费将是惊人的。

同样加1000吨燃油,用巡航柴油机也许可以跑8000海里,用燃气轮机低速做功,也许4000海里都跑不到。

美帝海军的伯克级驱逐舰和提康德罗加级巡洋舰,都是四台LM2500的燃燃联合动力,由于伯克船型更宽肥,而且吨位更大,伯克的LM2500单机功率有所提升,但提升幅度有限。

伯克和提康,巡航的时候,都是只开两台LM2500,战斗全速前进时候,才全部开4台LM2500,由于四台燃气轮机型号相同,因此可以两台并联,带动一根大轴同时出力;4台同时出力,带动2根大轴,全速战斗前进。

这点上,由于052C、D的柴燃联合,但不能同时出力的设计,就不如燃燃联合,战斗高航速下,柴油机就是闲置无用的死重。

下面再用伯克3和我国的055的对比,说明船用燃气轮机,也不是单机功率越大越好。

伯克3的满排水吨位,已经超过10000吨,在经济航速18节的情况下,假设需要3万马力来克服水的阻力,匀速前进;那么,假设开两台巡航的LM2500,每台满负荷功率是25000马力,现在需要输出30000马力就可以,也就是说,2台LM2500,可以60%的出力,燃油利用效率勉强可以接受(即使这样,美帝海军仍然嫌开两台燃机巡航费油)。

假设我们的055是装四台QC280,同样全燃动力,18节巡航克服水阻力假设需要38000马力,两台QC280满功率假设是7万马力(3.5万马力一台),那么巡航条件下,发动机出力效率,只有54%,比伯克的60%(假设)还低,也就是说,燃油浪费的更多!(上)


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