航母为什么要采用汽轮机的动力模式?
有些人认为使用蒸汽轮机的原因只是因为航空母舰需要蒸汽作为弹射器的动力。事实上,这并不是主要原因。没有弹射器的航空母舰也使用蒸汽轮机,美国新一代福特电磁弹射器航空母舰也使用蒸汽轮机。事实上,主要因素是核动力本身就是蒸汽作为动力介质。不用说,非核动力非弹射式航空母舰也使用蒸汽轮机,因为大功率蒸汽轮机技术难度低,可靠性高。提高燃气轮机和内燃机的功率将遇到技术门槛。为了开发几艘航空母舰,大功率燃气轮机或内燃机的批量太小,成本太高,蒸汽轮机与火力发电厂的汽轮机组基本相同,可以直接移植。
目前,航空母舰的主要动力仍然是汽轮机。无论是核动力航母还是常规动力航母,都是利用热源驱动汽轮机驱动螺旋桨旋转,为航母提供动力。然而,核动力航空母舰使用核能产生热燃烧锅炉,而传统的动力使用燃油产生热燃烧锅炉,但两者都使用锅炉燃烧产生的蒸汽来驱动汽轮机。航空母舰普遍采用汽轮机作为动力系统的原因,主要与航空母舰的使用特点和汽轮机的优点有关。
事实上,航母对动力系统的要求主要集中在以下几个方面。首先,航空母舰的动力系统应具有强大的动力、优异的加速和高速性能。由于航空母舰吨位大,动力系统必须满足驱动航空母舰的动力需求。同时,航空母舰在正常航行过程中会采用低速经济航速,而在起降舰载机和作战部署过程中会采用高速航行,这对动力系统的动力性能要求很高。第二,动力系统的体积应尽可能小。虽然航空母舰是一个庞然大物,但它还需要装饰机库、弹药库和油库,以及各种指挥控制和人员生活设施,所以航空母舰的内部空间也非常紧张。第三,要有良好的经济性,不仅整体成本要低,还要生产蒸汽或热水等副产品,以满足航空母舰人员生活和设备维护的需要。
就目前的军舰动力系统而言,主要有柴油机、蒸汽轮机和燃气轮机。对柴油发动机而言,其主要优点如下。一是经济性好,热效率高。由于柴油机的燃油消耗率较低,在相同的燃油消耗量下,柴油机的续航能力较高,航程较长。第二,柴油机不需要锅炉、输送管道等设备。动力系统布局简单,单位功率重量低,可节省船体空间。三是传动效率高,机动性好,启动时间短。由于柴油机可以直接驱动螺旋桨,不需要传动箱等设备,因此具有良好的启停性能和较强的机动性。
然而,柴油机作为大型军舰的动力系统存在几个棘手的问题。首先,柴油机的尺寸和重量会随着功率的增加而增加。就像荷兰的RT-flex96C型船用柴油机一样,总重量达到惊人的2446吨,可提供约10.9万马力。只有两台重6.6吨的MT-30燃气轮机才能产生相同的马力。其次,柴油机采用内燃机原理,活塞在气缸内往复运动,不仅会产生较大的噪声和振动,而且会降低柴油机的使用寿命。此外,柴油发动机的可变工况能力较差,过载能力较弱,这对于需要频繁加速和低速切换的大型航空母舰来说有点不可能。因此,柴油机在体积、噪声、振动和加速能力等方面的不足严重限制了其在航空母舰等大型军舰上的使用。毕竟,为了满足航空母舰的使用需求,需要大型柴油机,并单独设计加速能力和噪声保护,这是不值得的损失。
另一方面,蒸汽轮机的主要优点是非常符合航空母舰等大型水面舰艇的需要。首先,其输出功率特别大,基本以兆瓦为单位,单机功率基本在40-50兆瓦左右。其次,蒸汽轮机技术相对简单,成本低,长寿命产生的噪声和振动相对较小。而且蒸汽轮机对燃料的要求相对较低,可以使用较便宜的重油,甚至渣油,成本较低。就像辽宁舰一次加油要消耗几千吨燃油一样,光油钱也不少。此外,功率输出性能好,可轻松完成高速和低速切换,满足各种速度需求。
虽然燃气轮机和蒸汽轮机都属于汽轮机,但两者略有不同。燃气轮机更适合中小型军舰。对于像航空母舰这样的大型军舰来说,蒸汽轮机有一个无与伦比的优势,那就是它可以生产蒸汽和热水等副产品。蒸汽可用于航空母舰的蒸汽弹射器或清洁甲板,而热水可满足航空母舰的日常生活需要,包括烹饪、清洁、洗澡和饮用。如果使用燃气轮机,需要另外安装锅炉,显然不划算。
因此,蒸汽轮机虽然启动准备时间长,辅助管道和变速箱设备多,但基本能满足航母的使用需求,非常适合航母等大型军舰的动力系统。