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燃氣輪機那麽耗油,為什麽還將其用做大型軍艦動力系統?

燃氣輪機雖然耗油,可是它卻無可替代!目前排水量在5000噸級以上的作戰艦艇,幾乎清壹色的采用燃氣輪機主動力,在燃氣輪機壹統江湖的情況下,甚至連航母這樣的巨無霸也開始嘗試燃氣輪機動力。英國最新下水的兩艘伊麗莎白女王級航母采用了兩臺世界上最先進的MT30燃氣輪機作為動力,MT30單臺功率達到了40兆瓦(約5.3萬馬力),兩臺總***可以提供將近11萬馬力的動力。相對於遼寧艦4臺TB12蒸汽輪機總***18萬馬力的總功率,伊麗莎白女王級確實動力偏弱,但是燃氣輪機有其過人之處。

首先燃氣輪機的體積小,占用空間不大,MT30燃氣輪機的總長不過8.5米,直徑約3米,凈重量居然只有6.2噸,也就是壹頭成年非洲象的體型。相對來說,蒸汽輪機就要龐大的多,蒸汽輪機不僅有巨大的鍋爐,還有各種復雜的回路和渦輪傳動軸,體積幾乎可以達到同等功率燃氣輪機的5倍以上!軍艦上寸土寸金,使用體積更小、能量密度更高的燃氣輪機可以騰出更多空間用於存儲彈藥、艦載機、食物補給等等,絕對能極大提高艦艇戰鬥力。伊麗莎白女王級雖然排水量和遼寧艦差不多,可是機庫面積卻要比遼寧艦大得多,這自然和先進的燃氣輪機動力分不開。

▲MT30燃氣輪機,體積和普通的航空渦扇發動機沒啥區別

▲蒸汽輪機體型,可見其相當龐大

蒸汽輪機的啟動需要首先用柴油引燃粘稠的重油,然後重油燃燒後開始燒開水,等開水沸騰後產生大量蒸汽,最後這些蒸汽通過管道進入汽輪機組後才能推動渦輪旋轉,整個過程非常慢。由於冷啟動實在太耗時,因此蒸汽輪機壹般不會完全關機,而是保持低速或者怠速的暖機狀態,以求能夠在壹個小時之內快速啟動蒸汽輪機,否則從冷鍋爐到完全啟動,可能需要花費五個小時以上,這也是蒸汽輪機最讓人吐槽的地方之壹。

▲遼寧艦蒸汽輪機點火啟動,先要用柴油把重油加熱到流動的液態,才能進行燃燒,重油就和瀝青差不多

相對於蒸汽輪機,燃氣輪機的構造要簡單的多,燃氣輪機啟動後,壓氣機隨即將大量空氣吸入燃燒室,然後燃燒室迅速噴射燃料,與空氣混合充分燃燒,直接形成高溫燃氣,通過增壓出口向內高速噴射,馬上就能推動渦輪葉片旋轉做工,整個過程行雲流水,完全沒有蒸汽輪機那麽復雜。可以看出來,燃氣輪機的啟動加熱速度非常快,只需要點燃空氣燃料混合物後就可迅速做工,從冷機到滿功率運轉只需要不到半個小時,比蒸汽輪機快了十倍以上。

也正是因為燃氣輪機做工過程簡單迅速,通過簡單控制吸氣和燃料噴射量,就可以迅速調整渦輪的運轉速度,進而控制螺旋槳速度和對軍艦的航行速度,因此燃氣輪機動力的軍艦操控性非常好,甚至還能實現螺旋槳反轉,讓軍艦在原地倒車。而蒸汽輪機由於動力輸出要經過多次能量轉換,控制和操作不容易,不僅不能倒車,速度調整的緩沖期也非常久,操作起來非常難。

任何事物都具有優勢和劣勢兩面性,燃氣輪機自然也不例外,由於渦輪轉速非常高,在怠速和低速運行時,燃氣輪機的能耗也居高不下,非常影響軍艦續航能力,因此大型軍艦如果不是特別看重高速性能都不會采用全燃動力,而是使用柴燃交替(聯合)動力。例如我國的052D驅逐艦,除了安裝兩部6萬馬力的GAT-25000燃氣輪機主動力外,還擁有兩部MTU-20 V956 TB92輔助動力,高速沖刺時使用爆發力強的燃氣輪機,低速巡航時則使用油耗更低的柴油機,可謂美滋滋。

▲柴燃聯合動力

燃氣輪機另壹個弱點則是造價太高,因為內部合金材料耐高溫、耐疲勞要求十分苛刻,並且加工和設計也都非常困難,燃氣輪機價格動輒以千萬美元計算,目前英國MT30燃氣輪機的對外出售單價約為2300萬美元,幾乎是同等級別蒸汽輪機的3倍以上。美國的阿利伯克級驅逐艦和中國的055之所以能采用燃氣輪機,除了技術上拔尖之外,更重要的是不差錢。總結來看,燃氣輪機雖然也有缺點,但是絕對瑕不掩瑜,是當今世界僅次於核動力的最強動力裝置之壹。