航母能烧煤吗?为啥不烧汽油,是因为汽油贵吗?蒸汽轮机到底是个啥?

原创:中科院物理所

前段时间,国产航母003下水,那就是江……………………南造船厂建造的福建舰500,作为一名山东人,我表示波澜不惊,因为……

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山东号 | 图源自中国军网

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再放一张 | 图源自中国军网

不过作为一名半吊子军迷,我表示,下一艘咋样了500

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航母下水,很多小伙伴关心的是,为啥是常规动力,这我就得说两句了,啥时候上核动力?(bushi)……

哎呀,其实不管是常规动力,还是核动力,都是烧开水,都一样,都一样。不过说起烧开水,就有小伙伴问了,航母上用的蒸汽轮机是个啥,它跟蒸汽机是同一种鸡吗?为啥不用汽油机,那V8啥的多厉害。要我说,航母还是得烧煤,还不能是水洗煤500

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汽油机与柴油机

还是先来介绍一下汽油机,提到汽油机,就不得不提一下柴油机,作为日常生活中最常见的两种内燃机,其有关知识点也被收录进了初中物理教材中,不过考试不考,所以不知道老师教不教。

汽油机和柴油机最大的区别就是一个烧汽油,一个烧柴油。

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其实汽油机与柴油机所有的区别都是来自于燃料的不同,汽油和柴油都是由原油提炼而来。主要成分都是烷烃、烯烃以及少量的炔烃。区别在于汽油的碳链长度较短,一般有5-12个碳原子,而柴油碳链较长,一般在12个碳原子以上。烃种类上的区别使得柴油燃点低,能量密度高。

燃点的区别带来了不同的点燃方式。柴油燃点低,大约220℃左右,因此采用压燃的方式点燃,即活塞压缩空气,使空气升温,在压缩到极限时,直接向缸内喷油,柴油在气缸内爆燃,推动活塞做功。汽油燃点则比柴油要高,在400℃以上,因此采用火花塞点燃。不过,虽然汽油燃点高,但由于汽油易挥发,其闪点更低,实际上反而比柴油更危险一些。

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汽油机 | 图源自网络

由于二者的点燃方式不同,因此压缩比也不同,汽油机压缩比更低,一般在5-12,柴油机压缩比则一般在14以上,更高的压缩比带来更大压强,更大的压强可以做更多的功,因此柴油机的燃烧效率要比汽油机高,之前还看到我省潍坊某小厂做出来热效率突破50%的柴油机,这对于汽油机来说是不可思议的。

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拖拉机 | 图源自pixabay

更高的压缩比虽然提高了燃烧效率。但也增加了活塞的行程,因此柴油机转速要更低,家用汽车上的一般最高转速也不超过4000r/min,而汽油机转速则可以轻松达到5000-6000r/min。显然,在输出功率相同的情况下,更低的转速带来的是扭矩的提升,也就是我们日常说的“劲儿大”。因此,汽油机往往应用于高速低负载机械,比如家用汽车,而柴油机则往往“负重前行”,比如,拖拉机……当然,一些越野车或者吉普也会采用柴油机,至于坦克装甲车啥的,就没几个采用汽油机的。柴油机维护也简单一些

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蒸汽轮机

不过说起劲儿大,有的机械可就不服了,没错,就是蒸汽机,啊,不是,是蒸汽轮机

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蒸汽轮机| 图源自网络

蒸汽轮机其实也是蒸汽机的一种,或者说是传统的往复式蒸汽机的改进型,它用涡轮结构替代了活塞结构,由高压高温蒸汽推动一系列涡轮转子做功,提高了热效率。

下图是蒸汽轮机示意图:

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蒸汽轮机极简示意图以及运行相图 | 图源自参考资料

与汽油机或柴油机不同,蒸汽轮机是外燃机,主要由锅炉汽轮机、冷凝器等部件构成。燃料在锅炉中燃烧,产生的热量将水烧开,得到高温高压的蒸汽,蒸汽经过喷嘴,在喷嘴处膨胀形成高速蒸汽流,蒸汽流喷射到涡轮叶片上,带动叶片转动,产生轴向转动,涡轮经过机械传动带动桨叶转动。根据蒸汽膨胀位置不同,蒸汽轮机可以分为脉冲式蒸汽轮机反动式蒸汽轮机。脉冲式蒸汽轮机蒸汽只在喷嘴处膨胀;反动式蒸汽轮机蒸汽在喷嘴和叶片处膨胀。

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脉冲式与反动式蒸汽轮机示意图及压强速度曲线 | 图源自参考资料

实际上,除了应用在大型船舶上作为动力装置,蒸汽轮机更多地应用在发电厂中带动发电机发电。

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燃气轮机

但其实,蒸汽轮机已经是落后产物了,现在我们介绍一位新成员——燃气轮机

燃气轮机的原理与蒸汽轮机类似,不过在这里,推动叶片的气体不再是高压水蒸气,而是燃料燃烧后的燃气

燃气轮机原理示意图如下所示:

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燃气轮机主要由三个部件构成,压缩机燃烧室以及汽轮机。空气由左侧进入压缩机被压缩,这里可以将空气压缩30多倍,压缩后的空气进入燃烧室,与燃料充分混合,然后被点燃,燃烧产生的燃气向右推动汽轮机叶片转动,产生动力。这里的汽轮机就与上文的蒸汽轮机相似了。

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燃气轮机 | 图源自网络

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为什么是蒸汽轮机?

众所周知,我国目前一共有3艘航母——辽宁舰、山东舰和福建舰。这3艘航母全部采用常规动力,使用4台蒸汽轮机作为舰船动力装置,那为啥是蒸汽轮机呢?

当然是因为蒸汽轮机有优势了。蒸汽轮机虽然落后,但它仍然是目前单体功率最大的动力装置,单台蒸汽轮机最高可以提供75000千瓦的强大功率。同时蒸汽轮机动力输出平稳,经济性、可靠性和隐蔽性都比较好。

动力输出平稳就不必多说了,在经济性方面,由于蒸汽轮机是外燃机,它的燃烧室(其实就是个锅炉)只负责烧水,只要能把水烧开就好,因此蒸汽轮机是这其中对燃料品质最不挑剔的。理论上看,它真的可以烧煤,烧木柴都行500,因此,它可以使用重油等品质低劣的燃油降低成本,就是会冒点黑烟。之前,俄罗斯的库兹涅佐夫号被媒体拍到在航行途中冒黑烟,说不定也跟劣质燃油有关500。当然,主要原因还是俄军对航母动力系统维护保养不到位。

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库兹涅佐夫号通过英吉利海峡时被拍到冒黑烟

另外,由于蒸汽轮机是涡轮运动,因此噪音较小,部件磨损也较小,隐蔽性好可靠性也更高一些。

但蒸汽轮机也不是没有缺点。蒸汽轮机重量大,体积大,对机舱空间要求高,因此一般只搭载到大型舰船上。蒸汽轮机机动性差,启动要经过一系列步骤,等到蒸汽参数达标之后才能启动,运行中改变工况也要先调节蒸汽参数,加速性能差。蒸汽轮机部件多,制造成本也比较高。尽管蒸汽轮机对燃油品质要求低,但其热效率低,对燃油的需求量更大

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辽宁舰 | 图源自网络

再说说燃气轮机和柴油机,这两种动力装置也经常被用作船只动力装置,至于汽油机,抱歉,在比较大型的船只上很少会用汽油机。

燃气轮机的动力仅次于蒸汽轮机,最高大概也有60000千瓦,柴油机功率最小,低速柴油机最高不超过40000千瓦,中速最高只有20000千瓦,至于高速柴油机,最高也只有8000千瓦。

经济性方面,燃气轮机建造成本最高,对燃油品质的要求也最高,燃油消耗率略低于蒸汽轮机,但高于柴油机。而柴油机建造工艺成熟,建造成本低,燃油的消耗率最低,也可以接受一些不那么优质的燃油,就是消耗会有所上浮。整体来看,柴油机经济性最好,燃气轮机成本最高。

机动性方面,除了蒸汽轮机机动性显著的差之外,其他两个相差不多,不过低速运行时柴油机可能会出现各气缸喷油均匀性恶化,导致转速波动性大,低速稳定性差一些。

可靠性与隐蔽性方面,由于柴油机是往复运动,因此噪声较大,见过拖拉机的朋友应该印象深刻,噪音大,隐蔽性自然就最差。而且,往复运动会导致部件磨损比较严重,因此寿命更短。至于燃气轮机,其叶片在高温高压燃气中运行,容易损坏,可靠性差一些,而且其进气口与排气口温度高,红外辐射信号更强。

综合上述种种考量,现在蒸汽轮机更多地应用在游轮、航母等大型船只上,这种船只机舱空间大,对动力要求高,因此采用蒸汽轮机的方案。而一些排水量数千吨的中型船只,则往往采用燃气轮机,这主要是由于其机舱空间比较紧凑,因此倾向体积更小的燃气轮机。吨位更小一些的船只,主要是2000吨以下,航速30节以下的船只,往往采用柴油机。

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南昌舰 | 图源自中国军网

其实蒸汽轮机并不意味着落后,不管是蒸汽轮机还是燃气轮机都可以达到需求。像满载排水量8500吨的现代级导弹驱逐舰,装备四台蒸汽轮机,最大功率10万马力,航速可以达到32节。而美国伯克2级导弹驱逐舰,装备四台LM2500燃气轮机,最大输出功率9.2万马力,也能达到32节的航速。

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联合动力装置与核动力装置

我想,如果我不介绍一下核动力,你们是不会点赞的,所以我们来介绍一下联合动力装置500

联合动力装置,顾名思义,就是不止一种动力装置同时提供动力。船只航行时,需要大功率全速航行的阶段并不多,大多数时间就是在海上遛弯式巡航,而联合动力装置就可以兼顾高速航行时的大功率需求和低速巡航时的经济性需求

联合动力装置是指在船舶推进系统的同一根主轴上加装两种不同的动力装置, 并车后为舰艇提供动力。常见的联合动力装置有柴-燃联合,这种联合动力装置在低速航行时用功率较小的柴油机推进,依靠柴油机良好的经济性可以获得较大的航程;在高速航行时, 柴燃联合动力装置可以分为交替使用联合动力装置(CODOG)和共同使用联合动力装置(CODAG)两种工作方式。前者是指高速航行时柴油机停机, 由燃汽轮机单独工作提供航行动力;后者是指高速航行时柴油机和燃汽轮机同时工作, 提供所需功率。

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CODOG简图 | 图源自参考资料

最后,还是要介绍一下核动力装置。

核动力装置其实还是在烧开水,只不过这里用来烧开水的不是烧油的锅炉,而是核反应堆。

核动力装置是指利用核燃料(铀-235、钚等) 裂变产生的能量为船舶提供动力的装置。基本工作原理是利用原子核裂变反应能量产生的高温来产生蒸汽,推动汽轮机组产生动力, 用来推进船舶前进或发电。

核动力装置最大的优点就在于核燃料能量密度极高,很少的核燃料就可以支撑船只航行很长时间,对于其他动力装置而言,航行需要携带大量燃料,而为了保证航程,也不能长时间高速航行。而对于核动力装置,却完全不需要考虑这个问题。另外,核动力装置运行平稳、操控简单、易于实现自动化。缺点则在于其技术复杂、建造困难、具有放射性、需要做好防护而过于笨重,因此在小型船舶上难以搭载、核废料的后期处理也是一个关键问题。

现代搭载核动力装置的水面舰艇并不多,但在潜艇上却非常常见,实际上,常规动力潜艇完全无法满足需求。首先,潜艇需要长时间深潜在水面之下,而常规动力燃烧需要氧气,核动力则完全没有这个需求,因此只有核动力才能满足潜艇长时间在水下的需求。另一方面,受限于蓄电池性能的影响,常规的柴电潜艇水下航速往往只有20节左右,无法跟上30节航速的水面舰艇。因此,潜艇往往采用核动力装置。

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北风之神核潜艇 | 图源自中国军网

最后提一下电力推进。现代舰艇电子元件更多,电力需求大,因此电力推进应运而生。电力推进主要由原动机发电机电动机螺旋桨以及相关的控制设备组成。原动机其实还是上文介绍的汽轮机,只是这里产生的动力并不带动螺旋桨,而是带动发电机转子,用来发电。发出的电力再用以电动机等其他电力设备。至于更多的,我就不知道了500

多说一句。

动力装置的选择还是要看是否能满足需要,以及技术过不过关。

像库兹涅佐夫号,使用常规动力,8台蒸汽锅炉,4台汽轮机,总功率约20万马力,一样可以推动6万吨级的航母达到30节航速,不过其动力系统过于复杂,不利于维护。而山东号航母采用四台50000马力的蒸汽轮机,四级并联最高20万马力的输出,速度也不慢。而美国小鹰级航母,四台蒸汽轮机最高28万马力的输出,航速32节,相差不大。至于某为了核动力而核动力的航母,至高航速只有25节,明显不能满足需求。就算是真正的核动力航母——尼米兹级航母,搭载2个西屋公司的A4W压水反应堆,输出功率为26万马力,不一样要烧锅炉,还配备了四台蒸汽涡轮机嘛500。当然,尼米兹级航母的蒸汽还要用于蒸汽弹射器。所以,不要看不起蒸汽轮机。

参考资料:

汽油和柴油的区别是什么?

汽油和柴油的燃点及闪点

汽油机和柴油机的区别,你都知道吗?

What is Steam Turbine - Description and Characteristics - Definition (thermal-engineering.org)

Steam turbine | Engineering | Fandom

Steam Turbines: Basics, Types, Selection, Components, Construction, Codes, Manufacturers (PDF) – What Is Piping

Gas turbine - Energy Education

船舶蒸汽轮机与燃气轮机有何不同?

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山东舰的动力异常强劲,中国最大功率舰用蒸汽轮机能由此诞生吗?

解析中国国产航母动力装置:蒸汽轮机相当高大上 

王国庆.舰艇动力系统的特点与应用 海洋之心[J].现代兵器,2010(05):37-43.

谈谈.“库兹涅佐夫”为什么冒黑烟?[J].石油知识,2016(06):56.

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