如果福建舰采用核燃混合动力，动力系统架构如何设计才完美
尖端防务
科普一下05-25 23:33
高速航行的福建舰基本上看不到烟囱冒烟
前面有公众号猜测福建舰可能使用了核燃混合动力，其实这也是我们近几年一直在讨论的重要内容。实际上如果把航母上使用两种或以上类型动力装置算作是混合动力的话，那么世界上所有的航母从广义上讲都可以称为混合动力。因为现在无论是常规动力航母还是核动力航母上，至少都使用了两种的动力装置。包括主动力和辅助动力，主动力不是燃油锅炉就是核反应堆，用作推进动力。辅助动力主要是柴油机、燃油锅炉，现在新增一个就是福建舰可能在用的燃气轮机。
美弟航母辅助动力配置情况
辅助动力主要是用来发电或者作为应急推进动力。比如上个世界的小鹰级航母，其主动力是燃油锅炉，属于蒸汽动力。但是小鹰级上面也有柴油机作为辅助动力。我国的辽宁舰、山东舰也一样。即使核动力航母也一样，比如美弟的福特级、尼米兹级、企业级乃至法国的戴高乐号，除了舰上有反应堆外，都有柴油机作为辅助动力。苏联时代的航母甚至更复杂一些，航母上可能同时使用三种动力装置。比如一些核动力航母，除了有反应堆之外还有蒸汽动力作为应急动力，另外还有柴油机作为发电动力。
苏联航母的辅助动力配置情况
上个世纪航母上的用电设备还不多，所以这些辅助动力的功率还不大。像小鹰级航母的辅助动力柴油机只有3兆瓦的功率。但是随着技术的发展，航母上的用电设备越来越多，需要的发电功率越来越大。即使是在核动力航母上，为了动力可靠性冗余以及维护反应堆安全稳定运行的需要，这些电力也不是全部由反应堆提供。在电磁弹射型航母福特级上，电力的差不多一半是反应堆提供的，这部分是比较稳定的，另外一半是柴油机辅助动力提供的，这部分当中有相当大一部分是电力的峰值部分。
英国伊丽莎白女王级航母上使用的柴油机
这里之所以强调电磁弹射型航母，是因为电磁弹射型航母和蒸汽弹射型航母对电力的需求差异非常大。像蒸汽弹射的尼米兹级发电功率就只有64兆瓦，而电磁弹射的福特级就提高到了近200兆瓦。福特级首舰是192兆瓦，后续是210兆瓦。这个功率非常大，已经超过推进用的209兆瓦。对于福特级航母来说，210兆瓦中的106兆瓦是由辅助动力柴油机提供的。
16PA6V-280STC柴油机性能参数
但是我们知道柴油机本身有很大缺点，主要是单机功率做不大，通常只有几个兆瓦。另外一个是功率密度低，占用大量舰内空间。如果使用我国驱逐舰上常用的柴油机，比如052D上的MTU-20V956TB92柴油机。这种柴油机的功率只有4.9兆瓦，如果要满足106兆瓦的发电量，考虑到发电效率至少需要28台。就是我国054A护卫舰上使用的16PA6V-280STC柴油机，也不过5.184兆瓦的样子。这么多的柴油机要占用非常多的舰内空间。不光要安置柴油机本身，还要找地方布置其进排气管道，这也会占用大量空间。
我国很早就在研究使用燃气轮机发电机组作为电磁弹射器的电源
为了解决这些问题，我国的科技工作者可能采用了新的解决方案，那就是使用燃气轮机来代替一部分柴油机。燃气轮机功率大重量轻，功率密度比柴油机高三到五倍。一台燃气轮机通常能顶替四到五台柴油机。所以使用一部分燃气轮机就可以起到大大节省重量和空间的作用。而且燃气轮机启动速度快，加减速快。非常适合作为调峰电站的动力。
但是即使如此，也不适合用燃气轮机代替所有的柴油机。因为燃气轮机使用成本比较高，燃气轮机的热效率目前距离柴油机还有相当距离。比如国产CGT-25燃气轮机，其热效率只有36.5%，而柴油机的热效率目前已经可以接近50%。而且燃气轮机的烟道口径也要比蒸汽动力大60%。所以对于需要稳定供电的设备，使用柴油机发电成本更低一些。而且柴油机的进排气管道口径相对更小，更节省舰内空间。所以比较理想的航母动力系统应该是由反应堆、燃气轮机、柴油机组合而成的混合动力。我们可以称之为核燃柴联合动力。这个已经超出了某公众号的猜测范围了。
燃气轮机的烟道要比蒸汽动力的大60%
至于我们为什么说核燃柴联合动力是航母的理想动力，这里面其实涉及到另一个话题，那就是为什么核动力更适合代替常规蒸汽动力的问题。这个话题涉及的内容其实非常多，前面一篇文章有详细论述，我们只简要的说几点。主要是因为采用核动力可以减少后勤补给船只和护航兵力，大大减轻后勤的压力。这对于缺乏海外基地的我国来说至关重要。而且我国的第三代一体化反应堆技术优势很多，装备航母不但可以让出勤率超过常规动力航母，还可以让全寿命成本超过常规动力航母。这一点近几年我们已经在反复科普了，但军事圈里的绝大部分人至今都没有搞清楚。其实在福建舰上采用核动力的优势非常多，我们在前面的文章里有详细论述，这里就不展开了。相关文章链接放在本文末尾。
透过模块化小型堆ACP100可以看到其军用原型的基本技术特点
这样一套核燃柴联合动力的性能要远比福特级航母的动力系统更为先进。因为我们的核电技术目前是第三代一体堆的技术水平，领先于福特级航母使用的第二代紧凑型反应堆的水平。这个可以参考军转民的ACP100模块化小型堆。其军用原型堆肯定也是三代一体堆水平，其结构已经大幅简化，足以保证航母出勤率和全寿命使用超过常规动力航母。请注意这里说的是ACP100军转民之前的军用原型堆，说的不是ACP100。不要再讲ACP100不适合军用这种过于无知的话了，ACP100就不是为军用而设计的。而且我们的综合电力系统采用的是中压直流技术，要比福特级航母的中压交流综合电力系统先进一代。
蒸汽轮机动力的热效率其实是非常低的
当然这套核燃柴联合动力系统并不是未来航母的理想动力，而只是现在福建舰能够实现的最理想动力。未来我们可以考虑更先进的钍基熔盐堆，可以全功率自然循环，热效率可以接近50%。配合超临界二氧化碳涡轮机技术，该涡轮机的体积只有蒸汽轮机的三十分之一。燃气轮机也可以增加热能回收技术，以进一步提高工作效率。还可以上马全电推进系统以及无轴泵喷。甘肃武威的钍基熔盐实验堆目前已经投入使用了。50兆瓦的超临界二氧化碳涡轮机也将在十四五末完成研制。这些都可以在未来十年内实现，是我国下一代核动力航母动力系统的理想选择。
核燃柴联合动力系统架构
我们设想的核燃柴联合动力架构中推进动力由反应堆提供，电力分别由汽轮发电机组、辅助动力柴油发电机组、燃气轮机调峰发电机组、应急柴油发电机组提供。反应堆蒸汽驱动的主汽轮机经齿轮变速箱、传动轴直驱螺旋桨。反应堆蒸汽驱动汽轮发电机组发出的电力、辅助动力柴油发电机组机发出的电力、调峰燃气轮机发电机组发出的电力、还有应急动力柴油发电机组发出的电力都汇集在综合电力系统下。在综合电力系统的统一管理下灵活调度，供应给舰上所有用电设备使用。这样反应堆始终处于比较稳定的工况下，对反应堆的安全稳定运行非常有利，电力的调峰完全由辅助动力负责。
动力系统采用两台第三代一体化压水堆。每座反应堆可以提供180兆瓦的功率，其中机械推进功率120兆瓦，同时还可以提供蒸汽给两台汽轮发电机组合计发电60兆瓦。这样两座反应堆合计提供推进功率240兆瓦，电力120兆瓦。这120兆瓦的电力主要供舰上常用电器设备使用。这个动力配置可能相对于现在的福建舰排水量有些偏大，但是福建舰后续舰修改完善后排水量会上升。这样的动力配置就刚好合适并有一定冗余，所以动力舱核心舱段可以保持一致不用修改。核心动力舱在福建舰上验证通过之后，后续舰不就不用再修改。相当于通用的核心动力舱段提前通过验证，一旦验证通过即可上马投入批量建造。
国产燃气轮机的热效率在迅速提升 未来有望更多替代柴油机
辅助动力以柴油机和燃气轮机为主，均为发电机组。辅助动力柴油机八台16PC2-6B柴油机发电机组，提供78兆瓦电力。另外还有四台6兆瓦CSV270柴油发电机组作为备用应急动力，可以提供24兆瓦的应急电力。两台CGT-25燃气轮机作为调峰发电机组可以提供42兆瓦电力。未来可以考虑上马CGT-40燃气轮机，可以替代更多柴油机。42兆瓦电力基本上可以满足三条装机功率为每条14兆瓦的电磁弹射器的电力需要。这样全舰总计推进功率240兆瓦，电力总功率240兆瓦，应急电力24兆瓦。
相比较而言总体上功率比美弟福特级航母略高。福特级的推进功率是209兆瓦，电力是210兆瓦。福特级的首舰发电功率略低是192兆瓦。福特级的应急动力不详，有可能是四台八兆瓦柴油机。核燃柴联合动力系统中的每座反应堆对应于两个主传动轴，共四轴驱动。另有四台20兆瓦推进电机可以在需要时并车至主传动轴。推进电机的功率可以保证在反应堆故障时仍能维持23节的航速。整个核燃柴联合动力系统的工作模式可以分为三种，常规模式、动力增强模式、应急模式。
常规模式
在这种模式下，来自反应堆主汽轮机的动力经过齿轮变速箱传递给传动轴，传动轴直接驱动螺旋桨。反应堆驱动的汽轮发电机共计发出120兆瓦左右的电力。加上辅助动力柴油发电机组提供的78兆瓦电力共计198兆瓦，这部分电力是舰上常用设备的电源。这198兆瓦功率相对于舰上常用用电设备有一定富裕。如果一些用电设备出现功率快速提升，常用电力供应不足时，比如雷达提升功率或者准备弹射舰载机时，可以启动燃气轮机调峰发电机组。
动力增强模式
这种工作模式和常规模式类似。区别只是在雷达等电子设备运行功率不高，也不用弹射起飞舰载机时，可以调用燃气轮机调峰发电机组发出的42兆瓦电力以及其它富余电力。综合电力系统将这部分电力交给驱动电机，经由变速箱并车至主传动轴，用于强化推进功率提高航速。这种工作模式适合于紧急抢占战位，或者躲避敌方核潜艇、水面舰艇的追击等特定作战环境。
应急模式
这种模式适合用于两座反应堆中有一座或者两座同时出现故障时的应急工作模式。此时出故障的反应堆停堆关闭，断开对应反应堆主汽轮机和减速齿轮箱之间的离合器。让反应堆和动力系统之间的连接断开。综合电力系统调用电力给推进电机，经变速箱将动力传递给主传动轴用于推进。电力不足时调用调峰发电机组和应急动力柴油发电机组上线。如果两座反应堆都离线，剩下的动力系统总功率为144兆瓦。留64兆瓦电力给舰上用电设备，剩下80兆瓦用于应急推进。至少可以让福建舰维持23节的航速。
