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本帖最后由 晨枫 于 2023-10-24 08:25 编辑
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“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”。
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4 _, P" Y5 h( j/ J. x1 L v太行110重燃
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# k# E% g7 s( Y7 u9 j8 A已经发运了4 x& a" v' }# }" X. }
- h# C0 y) B% i4 ] j$ t, [- P“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。
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“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。- T" Z) @! ~7 a
0 |1 y( Y+ e3 H8 a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。
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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。$ c' J G+ U) r8 [
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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。
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5 P2 m5 i* x* X- @) B+ R" \9 g: M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”。; x# {* i g) g1 ^8 d4 i
3 F% e7 z' W0 B: k' ?( J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。
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! E, m7 z; R9 ~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”。4 ~- i w: H4 X0 a. m1 d$ c
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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。
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和“太行110”相比，UGT25000有点傻大黑粗
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LM2500要细巧一点，但也没有差太多，毕竟是60年代设计的: @; k N2 j2 I, f2 d9 n
" r" @, R- e: j7 T2 r+ Q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。
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“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。
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7 H- d- w* @; ?4 _! |* M/ R. s0 Z* u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。: k- z% _ d9 O3 S J
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“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。
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& h+ f/ Q4 r- e5 S6 a" @7 D% o7 |“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。
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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。
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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？+ g: U/ U4 L" T) R+ w
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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。: E' F# l$ j& |, s( l- a# W0 _
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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。
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, n/ v a+ W' \2 M4 J- w重要的是，“太行110”提供了全新的舰船动力可能。/ e: Q9 O3 J3 v# G+ v. e/ N+ T/ D h
' Q: {+ w5 d9 Q) R" z- B' k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。- \/ u l2 h( P5 j
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ICR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
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+ v! q6 l+ L' `% D; E这样一冷一热貌似多此一举，其实不然。
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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。
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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。% H- i" C; w6 H" [
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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。) Y3 z% w- l- T
9 V( ~7 l7 P. w5 Y/ jICR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。
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/ @) [7 ?6 @- p8 H- L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。- ~+ z# ?" s5 p# A( T3 ]- Z: _
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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。
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燃蒸联合循环
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- R3 x3 G& M$ a; U6 n# D1 v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。
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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。& B D! w4 u3 ?$ {; f4 ^& }6 r
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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。
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8 i) {* `+ B0 |- i; `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。
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( ^& W5 l" y( Y' k8 c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。
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# U4 g9 ]! w- a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。4 l9 A6 b! h( |. L0 e
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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？ |
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发表于 2023-10-24 10:35:51
