艦用燃?xì)廨啓C(jī)的功率,為何不是越大越好?


目前我軍新服役的主力神盾驅(qū)逐艦,比如052D和055,主機(jī)都是燃?xì)廨啓C(jī),這也符合國際潮流。美國海軍的水面主力神盾已經(jīng)早早實現(xiàn)了全燃動力。那么問題就來了,作為艦用燃?xì)廨啓C(jī)來說,多大的功率合適呢?是不是功率越大越好?
要回答這個問題,瀚海狼山建議先簡單換一下思路:就是為何大部分人不開12缸的豪華車?因為先不談12缸車買車、保養(yǎng)的費用;僅僅日常使用的油錢,一般工薪階層就負(fù)擔(dān)不起。同理,海軍艦艇的發(fā)動機(jī)功率,也不是越大越好。

都知道海軍是貴族軍種,但是能“貴族”到什么程度,大多數(shù)人并沒有直接的體驗。即使像英法這些有數(shù)百年全球海軍傳統(tǒng)的國家,其當(dāng)前的海軍全部主力艦的數(shù)量也不超過50艘!其他中等臨海國家,海軍主力不過三五艘大艦;更多的第三世界臨海小國則只有幾艘巡邏艇,連一艘超過500噸,可以叫做“艦”的主力都沒有。而只有像中美這兩個年總GDP超過10萬億美元的國家,才會有300艘以上的大艦隊。
由此可見,當(dāng)今世界上有“像樣海軍”的國家,真的是兩只手?jǐn)?shù)的過來,而其中有大艦隊的遠(yuǎn)洋海軍,僅艦隊一年的油料錢,就不是一般國家能負(fù)擔(dān)的起!

一艘驅(qū)逐艦,常年不出遠(yuǎn)海,一年油料錢就要幾千萬人民幣!若全球化遠(yuǎn)洋部署,一艘大艦,一年僅油料將花費幾個億;若大國有上百艘艦艇常年遠(yuǎn)洋部署,那么一年僅僅油料預(yù)算就是上千億!美帝當(dāng)年為何要搞全核艦隊?全部航母和核潛艇早早的實現(xiàn)了核動力化?原因很簡單,地主家也沒有余糧,以美帝全球第一的國力,也被遠(yuǎn)洋海軍喝油喝怕了。
目前中國海軍在亞丁灣常年接力部署三艘較大噸位的水面艦艇,每年油費就能花掉上世紀(jì)九十年代以前,差不多當(dāng)時整個海軍一年的油料預(yù)算!這也是上世紀(jì)中國海軍為何很少出島鏈的原因之一。

在和平年代,油料費和人工費是海軍的預(yù)算大頭。其實當(dāng)前的全球各國海軍,除去美國海軍外,另外90%的國家,99%的現(xiàn)役艦艇,基本沒有真正打過一次海戰(zhàn)。養(yǎng)艦萬日,都不一定用艦一時。絕大部分海軍軍費,都被日常戰(zhàn)備巡邏花掉了。而一艘驅(qū)逐艦一年的油錢、保養(yǎng)費用,人員費用,能維持陸軍至少一個步兵旅!因此艦艇的油料利用效率,是任何艦艇設(shè)計者、生產(chǎn)者必須考慮的。
燃?xì)廨啓C(jī)為什么成了現(xiàn)代化驅(qū)護(hù)艦的主流動力?因為燃?xì)廨啓C(jī)動力有突出的先天優(yōu)勢:
1,馬力比較大,升功率很快。

艦艇燃?xì)廨啓C(jī)和飛機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)原理和核心機(jī)基本是一致的;我們看遼寧艦上起飛艦載機(jī)的視頻,發(fā)動機(jī)從怠速,開加力到最大功率,噴出火舌,只需要幾秒鐘!艦用燃?xì)廨啓C(jī)也一樣,從怠速到開到最大功率,也只需幾十秒,特別有利于作戰(zhàn)時的艦艇突然加速和減速。
而艦用蒸汽動力要先燒熱鍋爐產(chǎn)蒸汽,從冷機(jī)到滿負(fù)荷,最少也要十幾分鐘甚至半小時以上,因此升功率速度,其他類型船舶動力,都不如燃?xì)廨啓C(jī)快。
2,燃?xì)廨啓C(jī)工作時,噪音小,尤其是低頻噪音小,有利于艦艇反潛。
燃?xì)廨啓C(jī)的工作,是按照中軸線自旋,沒有柴油機(jī)活塞的往復(fù)運動。高速工作時的噪音,主要是高頻率的嘯聲,低頻噪音不多,而艦艇噪音在水中傳播,頻率低的噪聲傳播的遠(yuǎn),高頻噪聲不容易傳播,因此對艦艇反潛更有利。
3,燃?xì)廨啓C(jī)體積小,單位功率密度大,同功率下,重量體積比鍋爐加蒸汽輪機(jī)等輕巧的多,有利于合理布置艦艇空間。
4,在正常使用狀態(tài)下,艦用燃?xì)廨啓C(jī)動力維護(hù)保養(yǎng)需求少,比燃油蒸汽動力“好伺候”。
但是,燃?xì)廨啓C(jī)作為艦艇動力,并非沒有弱點;

最大的弱點,就是低工況下,燃油利用效率低;說白了就是慢車下,比其他類型的船舶主機(jī)更費油!比燃油鍋爐蒸汽動力和艦用柴油機(jī)都費油。
燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率,通俗說就是正常工況下,燒掉的燃油的熱量轉(zhuǎn)換出的有用功率的比例,燃?xì)廨啓C(jī)一般在30%左右。等于燒三升油,只有不到一升真正轉(zhuǎn)換成了動力,其他的熱能都從尾部排氣管噴出去了。這還是燃?xì)廨啓C(jī)馬力全開下的轉(zhuǎn)換效率。若發(fā)動機(jī)怠速(艦艇90%情況下的航行速度是在18節(jié)經(jīng)濟(jì)航速或更低航速),那么燃油轉(zhuǎn)換效率更低!甚至不到10%!汽車發(fā)動機(jī)也有類似情況,油耗最高的情況是在市區(qū)走走停停怠速下,高速公路行車,反而平均油耗不高。也就是說,低工況下,80%到90%的寶貴燃油,都隨著燃?xì)廨啓C(jī)巨大的排氣管道跑了,沒有發(fā)揮應(yīng)有的熱效率。

如果稍微注意一下就可以發(fā)現(xiàn),遼寧號航母,這種發(fā)動機(jī)總功率接近30萬馬力的超大艦艇,“煙筒”只有一個。其實,遼寧號的大煙筒并不是一個大直筒,而是里面包含每個燃油鍋爐集合在一起的共8個小煙筒;而總功率不到10馬力的052C、D驅(qū)逐艦,卻有兩個獨立的圓形“大煙筒”。按照煙筒和艦艇本身的比例,燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)逐艦的“煙筒”反而顯得更大;這也從側(cè)面說明,從“煙筒”里跑掉或者說浪費的熱能,燃?xì)廨啓C(jī)比燃油鍋爐多的多。反過來說,燃油鍋爐的熱效率,要比燃?xì)廨啓C(jī)高的多!
即使民用的燃油鍋爐,滿負(fù)荷下工作,熱轉(zhuǎn)換效率也接近50%,等于至少一半的油料能,轉(zhuǎn)換成了需要的熱能,產(chǎn)生了蒸汽;而軍用鍋爐的熱效率可以高達(dá)60%??梢姡谕瑯娱_足馬力的理想狀態(tài)下,艦用燃油鍋爐的油料利用率,將至少比燃?xì)廨啓C(jī)高將近40%!若怠速情況下,燃油蒸汽動力的燃油利用效率,將比同樣怠速的燃?xì)廨啓C(jī),效率高將近一倍!也就是說:同樣8000噸級的蒸汽動力的現(xiàn)代級驅(qū)逐艦和全燃?xì)廨啓C(jī)的伯克驅(qū)逐艦早期型都加1000萬美元的油料,那么,18節(jié)巡航速度下,現(xiàn)代級將比伯克多跑一倍的距離!或者伯克為了要和現(xiàn)代跑一樣的距離,就要加2000萬美元的油料!

燃?xì)廨啓C(jī)主要燒輕柴油;燃油鍋爐,可以燒普通柴油也可以燒價格更便宜的船用重油,其他油料也可以摻雜一部分,相當(dāng)于能吃“細(xì)糧”也可以吃“粗糧”,而燃?xì)廨啓C(jī)大部分時間只能吃“細(xì)糧”。這就更拉大了雙方的油料預(yù)算。
艦艇在90%的非緊急情況下,采取18節(jié)左右的經(jīng)濟(jì)航速,只有戰(zhàn)斗機(jī)動或者有突發(fā)任務(wù)的情況下,才采取戰(zhàn)斗高航速,甚至采取最高航速。水的阻力,和艦艇的航速是指數(shù)的關(guān)系;要克服水的阻力,不同航速下,艦艇發(fā)動機(jī)的出力,也是差距很大的:舉個例子,具體數(shù)據(jù)也許不那么精準(zhǔn),僅僅幫助理解:

假設(shè)052D驅(qū)逐艦,最大航速設(shè)計在32節(jié),經(jīng)濟(jì)航速設(shè)計在18節(jié)。052D的動力配置,是兩臺GT25000燃?xì)廨啓C(jī),功率總計,大約7萬馬力左右,還有數(shù)臺巡航柴油機(jī),總功率大約2萬馬力;在18節(jié)經(jīng)濟(jì)航速下,假設(shè)052C只需要輸出1.5萬馬力,就可克服水的阻力穩(wěn)定巡航,那么只需要開巡航柴油機(jī)就完全可以滿足需求。
若接到戰(zhàn)斗命令,比如出現(xiàn)海盜目標(biāo),需要迅速加速,全速開進(jìn)到事發(fā)海域。那么,這個時候開2臺GT25000,計7萬馬力全開,艦艇加速到30節(jié)高速前進(jìn)。052C、D是大體相同的柴燃混合動力,配置近似;但是,由于是通過傳統(tǒng)齒輪變速箱帶動艦艇的兩根大軸,燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)原始輸出轉(zhuǎn)速差異極大,兩者是不能同時并機(jī)工作的。開柴油機(jī)就不能開燃?xì)廨啓C(jī),反之亦然。

要想讓燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)同時出力,除非用全電推進(jìn)——不同種類機(jī)器產(chǎn)生的功率先轉(zhuǎn)換成電能,輸送儲存,再帶動推進(jìn)電動機(jī)。英國的伊利莎白女王級航母和45級驅(qū)逐艦,就是這種混合全電推進(jìn),表面上看確實比較先進(jìn)、節(jié)能,但是英美的全電動力還不成熟,故障率太高,這里不展開討論。
那么,052D能否在低速和怠速下也只開燃?xì)廨啓C(jī)呢?當(dāng)然可以。但是,讓額定總功率七萬馬力的2臺燃?xì)廨啓C(jī),只做最大1.5萬馬力的出力,那么結(jié)果將像前面說的:90%以上的寶貴燃油產(chǎn)生的熱量,怠速下都隨“煙筒”跑了,浪費將是驚人的。同樣加1000噸燃油,用巡航柴油機(jī)也許可以跑8000海里,用燃?xì)廨啓C(jī)低速做功,也許4000海里都跑不到。

美國海軍的伯克級驅(qū)逐艦和提康德羅加級巡洋艦,都是四臺LM2500的燃燃聯(lián)合動力,由于伯克船型更寬肥,而且噸位更大,伯克的LM2500單機(jī)功率有所提升,但提升幅度有限。
伯克和提康,巡航的時候,都是只開兩臺LM2500,戰(zhàn)斗全速前進(jìn)時候,才全部開4臺LM2500。由于四臺燃?xì)廨啓C(jī)型號相同,因此可以兩臺并聯(lián),帶動一根大軸同時出力;4臺同時出力,帶動2根大軸,全速戰(zhàn)斗前進(jìn)。但是美國海軍仍然常年抱怨用2臺LM2500巡航的油耗過高,浪費太大。

艦用燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)動機(jī)功率大,戰(zhàn)斗的時候是可以動力強(qiáng)勁些,但是艦船90%以上的狀況,還是日常巡航;另外,作為驅(qū)逐艦,最高戰(zhàn)斗航速是30節(jié)還是32節(jié),實戰(zhàn)中差別真不是太大。在多數(shù)情況下,艦用燃?xì)廨啓C(jī),并不是單機(jī)功率越大越好,經(jīng)濟(jì)省油,同樣是硬道理,否則,大批艦艇還沒上戰(zhàn)場,先把自己國家喝窮了。
俄羅斯海軍在蘇聯(lián)解體后,正因為拿不出油料錢,幾大艦隊,幾百艘大艦,趴窩在港口生銹20年?等國際油價上來,俄羅斯海軍錢包稍微寬裕時,90%的主力艦已經(jīng)生銹報廢了。
我們的055已經(jīng)是輕巡洋艦的噸位級別,在于4臺GT25000的總功率很大,055的噸位也上去了。如此巨大的主力艦,很難上超大批量。其實中國海軍一直想要9000到10000噸級別的通用型神盾,也就是傳說多年的“九千歲”,這就需要等國產(chǎn)LM2500級別燃機(jī)的成熟。

還有網(wǎng)傳多年的國產(chǎn)R0110燃?xì)廨啓C(jī)會給國產(chǎn)航母當(dāng)動力的段子,其實也僅僅限于傳說而已。這種超大功率的燃?xì)廨啓C(jī),到現(xiàn)在還是只有一臺,目前就是老老實實的在深圳郊區(qū),給電網(wǎng)當(dāng)備用啟動動力源,而且就這一個實驗點。上艦的概率很小,上國產(chǎn)航母的概率更小。對10萬噸以上級別的超級航母來說,核蒸汽動力仍然是唯一合適的標(biāo)配。