|
本帖最后由 晨枫 于 2023-10-24 08:25 编辑
) ]+ \: Y: J& {
U$ S: w( D) B: A( P- x o“太行110”重型燃气轮机通过产品验证鉴定了。看来已经量产、发运了。这是与涡扇10“太行”涡扇同源的发动机,当然不是简单的“航改燃”。% E4 x/ r5 S2 q+ |* G! U
/ [* p6 u8 m5 m4 m
) U: k5 c+ N. F1 S7 A; Q+ l
太行110重燃
' o, ]0 p! F" i
. z0 q+ T2 q! x( }8 Z* M" y
6 R. `; k; K$ U, q3 M0 S已经发运了
4 h; d; _1 F( T9 Y
. S/ i; F* X* O1 a+ N3 f& s“太行110”设计功率110兆瓦,可使用燃油、天然气等多种燃料,适合热电联产、天然气调峰、联合循环发电等,还可配合风电、光伏、水电等作为调峰电力。与同等功率的火电相比,一年可减少碳排100万吨,联合循环一小时发电超过15万千瓦-小时,可满足15000个家庭一天的用电。# v3 |' s* Y P( D; o
' P/ f1 v3 y+ d! z5 x; o
“太行110”在2019年获得国家能源局列为首批燃气轮机创新发展示范项目,2020年改进型重燃总装下线,2022年在中海油深圳电厂气动示范运行,目前已累计运行超过14000当量小时,其中单台运行时数超过7000当量小时。
( w7 C$ Q# Z* X" [7 \; M; f6 h- J1 Y6 L1 o5 e ~8 s' f
从一开始,人们就对“太行110”是否会上舰有浓厚的兴趣。作为驱护舰的动力,“太行110”嫌大了,但用于航母动力,在功率级上正合适。美国“小鹰”级航母用8台锅炉,产生210兆瓦的功率。两台“太行110”正好合适。& v& R) |0 u3 V0 k( [
2 z8 \! _ W) e" w) N6 A: [- I
根据“小鹰”级运作经验,在中速巡航时,4台锅炉停炉节油,余下4台锅炉就足够航行动力和一般电力需要了。问题时剩余公路很少,加速时间很长,从10节加速到20节需要150-300秒,加速到30节需要其余4台锅炉开始出力才可能,4台锅炉的极限速度为28节,另外4台锅炉从升火到全功率则需要1-2小时。
$ f6 j, c+ C" j; @0 l$ k/ Z7 B' p5 \
相比之下,核动力反应堆是常年运转的,没有升火时间的问题,从10节加速到20节只需要60-90秒,加速到30节则在10分钟以内完成。加速性是航母使用核动力的原因之一。最大功率、油弹载量、补给频次、在航率、全寿命使用成本等方面,核动力并无特殊优势。
: ~6 @& g3 E' r5 u
: @+ u$ O5 X+ ^. k6 q& i% v中国海军见识燃气轮机是从美国LM2500开始的,装在052级112舰(“哈尔滨”号)和113舰(“青岛”号)上。LM2500体积小、功率大、耗油低、启动快,据说90年代中国工程师首次接触时,惊叹“此物只应天上有”。
f0 Y) z( i5 x: J- Z+ S" N4 b* J, M6 G+ I F
当然,见少识寡的年代早都过去了,中国海军也解决了燃气轮机动力问题。这是1993年中国从乌克兰引进的UGT25000(也称DA80),人称“狗头两万五”。国产化后,也称AGT25000,更多时候直接简称为GT25000。
Y; y; \& ?5 r l* V! f
6 i5 y5 y# q3 }- ~6 O乌克兰的Zorya-Mashproekt及其前身研发和制造了前苏联所有的舰用燃气轮机,UGT25000是在90年代设计的第三代。有意思的是,UGT25000诞生时,乌克兰和俄罗斯已经渐行渐远,而且乌克兰和俄罗斯都没有相应的造舰需求,UGT25000意外地成为“中国特供”。/ c" Q4 ~1 p) T3 z$ V
9 F0 d; L5 E: `) d: |4 ?3 I
国产化并解决了最初的技术问题后,GT25000已经成为中国海军的主力燃气轮机,装用052x级和055级驱逐舰。
, ^: y# s% O2 r. q3 u( [) U
! }+ r3 }7 A5 z# V
: Z$ i- |6 E q& s
和“太行110”相比,UGT25000有点傻大黑粗
3 p d2 F# g) X$ _" G
% R6 |+ i% w) u; n) [" i9 I( b
' ?6 K: h. u4 E! C. t+ y) e& b$ ^LM2500要细巧一点,但也没有差太多,毕竟是60年代设计的
! ^" x4 T4 ?3 `& ?
" T/ c" P6 u0 }但受限于母体基本技术,GT25000比较“傻大黑粗”,不过热效率和LM2500相当,都在36-38%范围。$ P, b. T5 }) \# W
- Z3 @0 H! y. m, _( t) _
“太行110”与UGT25000或者LM2500相比,明显短粗。短是因为压气机效率大大提高,用较少的级数达到更高的压缩比。粗是因为更大的空气流量,毕竟这是110兆瓦,UGT25000和LM2500都是25兆瓦级的。- P' N+ ?$ C7 I( _+ O! \" _
7 `' i0 `+ f9 f! ]. k这也意味着“太行110”不可能直接替换GT25000,功率太大了。但用于航母呢?这是一个有趣的问题。$ {8 {, l4 O0 ?3 G
& X0 h) R' ?3 D
“尼米兹”级2台威斯汀豪斯A4W反应堆提供194兆瓦的功率。也就是说,两台“太行110”就超过“尼米兹”的功率了。如果说“尼米兹”级的功率受到反应堆的限制,“小鹰”级的8台锅炉提供210兆瓦功率,和两台“太行110”更加接近。$ m9 k, y5 G* B, R8 t
- g' {" `1 t/ F$ N8 v2 K% b
“小鹰”级的航速达到32节,“尼米兹”级只有“30+”节。在设计的时候,“尼米兹”级稍低的航速还引起过担忧,因为当时美国海军舰载机的起飞是按照“小鹰”级的航速设计的,此前的“福莱斯特”级是34节,“中途岛”级是33节,战时的“埃塞克斯”级也是33节,“小鹰”级已经降低了。
. {( H- U6 S% |0 v6 _" ~' d* }
4 `+ H. o. _' q+ h* g+ {据报道,“辽宁”号和“山东”号也是31-32节,8台锅炉提供164兆瓦功率,但排水量比“小鹰”级要低很多。
! K8 g4 W) P8 n! s: Z _8 L2 M. R* j4 X' W
不管“太行110”是否最终上舰,“福建”号是肯定用不上了。未来中国航母也可能更大,达到10万吨满载排水量,两台“太行110”还是核动力?
4 A8 F6 q" Y" b' r) T1 V- E8 Z) P3 E
核动力有很多好处,但全球航程实际上并不重要,因为护航舰队还是需要加油的,舰载机的航空燃油也需要途中补给。核动力航母最大的好处是自己不需要加油,降低舰队的加油负担。至于核动力才能提供充足的蒸弹或者电弹动力,在蒸弹时代是有意义的,在电弹时代未必。电力就是电力,用什么原动力发电并不重要。% J t6 P( f3 |1 }
Z$ E* e* m( C4 x6 ]0 L
而且从中国海军现实的作战半径出发,加油负担并不突出。“小鹰”级的航程达到19300公里,中国常规动力航母也达到相应航程的话,够用了。/ f- M4 t2 u8 q! a! ?
" f; v0 p- p# ]. E6 K
重要的是,“太行110”提供了全新的舰船动力可能。
+ h4 J0 G1 X" R& J% n, e" ^
; y( @+ t, P+ ~- r( \. I舰船燃机已经发展到第四代,采用中冷和回热,简称ICR,以罗尔斯-罗伊斯WR21为代表。中冷是在中压和高压压气机之间对进气水冷,降低进气温度,降低进气背压,提高进气密度,提高进气质量流量。回热是用废气余热预热高压压气机出气,提高燃烧室进气温度,增加燃烧室出力。
" M; }( [! w+ \* y# ~! w) j' |
; n0 X% f# p P" S/ k, \
( [# ]1 B& t" `6 O& NICR比一般燃气轮机增加了中冷(intercooler)和回热(recuperator),用中冷提高进气密度,用回热提高进气温度,达到增加出力、降低油耗
7 q( @* @! e* d' E2 u5 ], P" |9 i0 y; D/ }/ {% h1 i( T
" d1 o( {7 S- M- s; t2 n
罗尔斯-罗伊斯WR21- e) f3 ], M- B9 Y; E. R. o
/ c4 i+ E0 t1 v5 C ]" @
这样一冷一热貌似多此一举,其实不然。
5 @& J2 y2 p. A1 I- r! ?0 u
7 b- n) S% K* t7 t( ]: D6 F! J; O燃气轮机是外燃机,尽量增加空气流量才能增加燃油流量,提高出力。同时,更大的燃气流量也提供更大的功率,吹动动力涡轮,最终转化成机械能。所以中冷是必要的。先进的汽油发动机也用中冷,对涡轮增压后的空气冷却,提高最终进入燃烧室的空气密度,使得单位体积气缸里能注入更多的空气和燃料,提供更大的出力。
g7 X( S( K/ j8 v/ O8 x
0 L4 y! M6 Q- ~9 d1 Y2 o/ Y n燃烧室的功用是提高燃气温度。用同样多的燃料,当然进气温度越高,即使燃烧温升不变,出口温度也越高。进气温度提高后,当然空气密度下降,这里就是一个优化问题了。
" K3 N" w7 G: P; v8 H, X9 g5 C! Z" ~( Y5 i: o0 j; \1 Q
ICR燃气轮机的油耗与中速柴油机相当,对于舰船动力来说,很省油了。柴燃联合里的柴油机就是中速柴油机,甚至高速柴油机。也就是说,用054A的油耗,达到055的动力。乌克兰号称也在研制ICR燃机,但资金、应用和战争使得这一梦想可能永远停留在梦想里。更加省油的低速柴油机太大太重,一般只用于大型低速民船。5 L; Y) ~+ N @& y0 L+ B
, H/ F* C n# y/ ? T9 k3 \ICR燃气轮机的有点在于高度整合的热力学循环,缺点也在于高度整合的热力学循环。中冷器和回热器要小心翼翼地启动、并入,否则可能造成燃气轮机工况异常,严重的时候可能会停车。
6 Q2 j! y2 C( U4 e, `% o8 L/ ]7 Z6 I
q; ^/ O( J9 z6 e英国45型驱逐舰用罗尔斯-罗伊斯WR21作为主要动力,但诺斯罗普在设计中冷器的时候,对热带海水温度较高考虑不足,导致燃烧室工作异常,严重时中冷器本身也可能过热损坏。
1 s* T% a0 k# {, \1 S4 `$ \* v+ l' L+ r- h: F& a6 c6 n n
另一种联合循环是废热循环,燃气轮机在机械出力、直接驱动发电机的同时,高温排气通入废热锅炉,产生高温蒸汽,推动汽轮机发电。燃气轮机的排气温度高达600C以上,足够产生高温蒸汽。
* _* O5 e. N. \( D. C: Q0 b2 K
" E& D4 z4 ^0 L" c. L, g# W
3 }: X, ^7 R& k T! H+ P) _( B
燃蒸联合循环
6 W; Y3 R& S# [' V2 m
0 {" n. P; N9 h* h7 {# n; {6 m核反应堆的一回路在150大气压下,蒸汽只能达到342C的温度,真正用于产生动力的二回路只能达到70大气压、260C,二回路蒸汽才驱动汽轮机。燃气轮机的废热锅炉的热工参数大大高于二回路,达不到超临界热电机组的水平,但热力学效率比舰船核动力更高是肯定的。# k9 L- k. O$ E7 o% \+ d2 u# A
! k5 v' W$ e2 X3 B. U燃蒸联合在发电厂常用,但在舰船上还没有使用,原因在于锅炉的体积和重量较大。既然用上体积小、重量轻的燃气轮机了,就不会再用锅炉。0 h! l2 p8 D: u% l- w
! Q9 J7 i' ^' R$ I8 Q. ~+ D# J
但航母上不一样。8台锅炉降低到2台燃气轮机和2台锅炉,体积和重量上还是有利的。重要的是,热效率比单纯锅炉还要高,而加速性大大高于锅炉动力。; d! x# I- r" o- r E
: l. |8 D( f. j5 e5 y; H
在中速巡航的时候,一台燃气轮机的功率就够用。但废热锅炉需要两台全时工作,避免升温循环所需的时间,需要工作中的燃气轮机的排气同时通入两个废热锅炉。待机燃气轮机的启动和加速很快,需要全功率的时候,再启动就可以。
& I( g: H/ q8 u* |4 W/ B
9 }" s1 X$ W/ w0 i+ |# ]7 @燃蒸联合循环也是天然的综合电推(IEP)的原动力,电推进和系统用电一体化,特别适合航母上的用电大户如电磁弹射、电磁拦阻、有源相控阵雷达,以及未来的能量束武器。航母的主要武器依然是舰载飞机(包括有人和无人),未必会用能量束武器作为主要进攻武器,但用于防御还是很给力的。9 _% k! j9 N* O
) J. F2 c8 i- Q* i( s: Z$ A! J按照中国的航母建造模式,004很可能是003的小改,依然采用传统的锅炉动力。一般期望005开始将为全新设计,电弹、电拦已经在003/004上验证过了,核动力还是常规动力将是全新设计设计的核心部份。2 J% d5 U- _* K4 ^
5 |: L1 X5 S; N! A
两台“太行110”可提供的功率已经超过“尼米兹”的核动力,而且具有加速性和经济性好的特点。也就是说,常规动力、10万吨级航母在动力上已经准备好了。燃蒸联合循环会是选择吗? |
评分
-
查看全部评分
|