航母能燒煤嗎？為啥不燒汽油，是因為汽油貴嗎？蒸汽輪機到底是個啥？_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2022-08-08 15:48
原創：中科院物理所
前段時間，國產航母003下水，那就是江……………………南造船廠建造的福建艦
，作為一名山東人，我表示波瀾不驚，因為……
山東號 | 圖源自中國軍網
再放一張 | 圖源自中國軍網
不過作為一名半吊子軍迷，我表示，下一艘咋樣了
航母下水，很多小夥伴關心的是，為啥是常規動力，這我就得説兩句了，啥時候上核動力？（bushi）……
哎呀，其實不管是常規動力，還是核動力，都是燒開水，都一樣，都一樣。不過説起燒開水，就有小夥伴問了，航母上用的蒸汽輪機是個啥，它跟蒸汽機是同一種雞嗎？為啥不用汽油機，那V8啥的多厲害。要我説，航母還是得燒煤，還不能是水洗煤。
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汽油機與柴油機
還是先來介紹一下汽油機，提到汽油機，就不得不提一下柴油機，作為日常生活中最常見的兩種內燃機，其有關知識點也被收錄進了初中物理教材中，不過考試不考，所以不知道老師教不教。
汽油機和柴油機最大的區別就是一個燒汽油，一個燒柴油。
其實汽油機與柴油機所有的區別都是來自於燃料的不同，汽油和柴油都是由原油提煉而來。主要成分都是烷烴、烯烴以及少量的炔烴。區別在於汽油的碳鏈長度較短，一般有5-12個碳原子，而柴油碳鏈較長，一般在12個碳原子以上。烴種類上的區別使得柴油燃點低，能量密度高。
燃點的區別帶來了不同的點燃方式。柴油燃點低，大約220℃左右，因此採用壓燃的方式點燃，即活塞壓縮空氣，使空氣升温，在壓縮到極限時，直接向缸內噴油，柴油在氣缸內爆燃，推動活塞做功。汽油燃點則比柴油要高，在400℃以上，因此採用火花塞點燃。不過，雖然汽油燃點高，但由於汽油易揮發，其閃點更低，實際上反而比柴油更危險一些。
汽油機 | 圖源自網絡
由於二者的點燃方式不同，因此壓縮比也不同，汽油機壓縮比更低，一般在5-12，柴油機壓縮比則一般在14以上，更高的壓縮比帶來更大壓強，更大的壓強可以做更多的功，因此柴油機的燃燒效率要比汽油機高，之前還看到我省濰坊某小廠做出來熱效率突破50%的柴油機，這對於汽油機來説是不可思議的。
拖拉機 | 圖源自pixabay
更高的壓縮比雖然提高了燃燒效率。但也增加了活塞的行程，因此柴油機轉速要更低，家用汽車上的一般最高轉速也不超過4000r/min，而汽油機轉速則可以輕鬆達到5000-6000r/min。顯然，在輸出功率相同的情況下，更低的轉速帶來的是扭矩的提升，也就是我們日常説的“勁兒大”。因此，汽油機往往應用於高速低負載機械，比如家用汽車，而柴油機則往往“負重前行”，比如，拖拉機……當然，一些越野車或者吉普也會採用柴油機，至於坦克裝甲車啥的，就沒幾個採用汽油機的。柴油機維護也簡單一些
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蒸汽輪機
不過説起勁兒大，有的機械可就不服了，沒錯，就是蒸汽機，啊，不是，是蒸汽輪機。
蒸汽輪機| 圖源自網絡
蒸汽輪機其實也是蒸汽機的一種，或者説是傳統的往復式蒸汽機的改進型，它用渦輪結構替代了活塞結構，由高壓高温蒸汽推動一系列渦輪轉子做功，提高了熱效率。
下圖是蒸汽輪機示意圖：
蒸汽輪機極簡示意圖以及運行相圖 | 圖源自參考資料
與汽油機或柴油機不同，蒸汽輪機是外燃機，主要由鍋爐、汽輪機、****冷凝器等部件構成。燃料在鍋爐中燃燒，產生的熱量將水燒開，得到高温高壓的蒸汽，蒸汽經過噴嘴，在噴嘴處膨脹形成高速蒸汽流，蒸汽流噴射到渦輪葉片上，帶動葉片轉動，產生軸向轉動，渦輪經過機械傳動帶動槳葉轉動。根據蒸汽膨脹位置不同，蒸汽輪機可以分為脈衝式蒸汽輪機和反動式蒸汽輪機。脈衝式蒸汽輪機蒸汽只在噴嘴處膨脹；反動式蒸汽輪機蒸汽在噴嘴和葉片處膨脹。
脈衝式與反動式蒸汽輪機示意圖及壓強速度曲線 | 圖源自參考資料
實際上，除了應用在大型船舶上作為動力裝置，蒸汽輪機更多地應用在發電廠中帶動發電機發電。
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燃氣輪機
但其實，蒸汽輪機已經是落後產物了，現在我們介紹一位新成員——燃氣輪機。
燃氣輪機的原理與蒸汽輪機類似，不過在這裏，推動葉片的氣體不再是高壓水蒸氣，而是燃料燃燒後的燃氣。
燃氣輪機原理示意圖如下所示：
燃氣輪機主要由三個部件構成，壓縮機、燃燒室以及汽輪機。空氣由左側進入壓縮機被壓縮，這裏可以將空氣壓縮30多倍，壓縮後的空氣進入燃燒室，與燃料充分混合，然後被點燃，燃燒產生的燃氣向右推動汽輪機葉片轉動，產生動力。這裏的汽輪機就與上文的蒸汽輪機相似了。
燃氣輪機 | 圖源自網絡
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為什麼是蒸汽輪機？
眾所周知，我國目前一共有3艘航母——遼寧艦、山東艦和福建艦。這3艘航母全部採用常規動力，使用4台蒸汽輪機作為艦船動力裝置，那為啥是蒸汽輪機呢？
當然是因為蒸汽輪機有優勢了。蒸汽輪機雖然落後，但它仍然是目前單體功率最大的動力裝置，單台蒸汽輪機最高可以提供75000千瓦的強大功率。同時蒸汽輪機動力輸出平穩，經濟性、可靠性和隱蔽性都比較好。
動力輸出平穩就不必多説了，在經濟性方面，由於蒸汽輪機是外燃機，它的燃燒室（其實就是個鍋爐）只負責燒水，只要能把水燒開就好，因此蒸汽輪機是這其中對燃料品質最不挑剔的。理論上看，它真的可以燒煤，燒木柴都行，因此，它可以使用重油等品質低劣的燃油降低成本，就是會冒點黑煙。之前，俄羅斯的庫茲涅佐夫號被媒體拍到在航行途中冒黑煙，説不定也跟劣質燃油有關。當然，主要原因還是俄軍對航母動力系統維護保養不到位。
庫茲涅佐夫號通過英吉利海峽時被拍到冒黑煙
另外，由於蒸汽輪機是渦輪運動，因此噪音較小，部件磨損也較小，隱蔽性好，可靠性也更高一些。
但蒸汽輪機也不是沒有缺點。蒸汽輪機重量大，體積大，對機艙空間要求高，因此一般只搭載到大型艦船上。蒸汽輪機機動性差，啓動要經過一系列步驟，等到蒸汽參數達標之後才能啓動，運行中改變工況也要先調節蒸汽參數，加速性能差。蒸汽輪機部件多，製造成本也比較高。儘管蒸汽輪機對燃油品質要求低，但其熱效率低，對燃油的需求量更大。
遼寧艦 | 圖源自網絡
再説説燃氣輪機和柴油機，這兩種動力裝置也經常被用作船隻動力裝置，至於汽油機，抱歉，在比較大型的船隻上很少會用汽油機。
燃氣輪機的動力僅次於蒸汽輪機，最高大概也有60000千瓦，柴油機功率最小，低速柴油機最高不超過40000千瓦，中速最高只有20000千瓦，至於高速柴油機，最高也只有8000千瓦。
經濟性方面，燃氣輪機建造成本最高，對燃油品質的要求也最高，燃油消耗率略低於蒸汽輪機，但高於柴油機。而柴油機建造工藝成熟，建造成本低，燃油的消耗率最低，也可以接受一些不那麼優質的燃油，就是消耗會有所上浮。整體來看，柴油機經濟性最好，燃氣輪機成本最高。
機動性方面，除了蒸汽輪機機動性顯著的差之外，其他兩個相差不多，不過低速運行時柴油機可能會出現各氣缸噴油均勻性惡化，導致轉速波動性大，低速穩定性差一些。
可靠性與隱蔽性方面，由於柴油機是往復運動，因此噪聲較大，見過拖拉機的朋友應該印象深刻，噪音大，隱蔽性自然就最差。而且，往復運動會導致部件磨損比較嚴重，因此壽命更短。至於燃氣輪機，其葉片在高温高壓燃氣中運行，容易損壞，可靠性差一些，而且其進氣口與排氣口温度高，紅外輻射信號更強。
綜合上述種種考量，現在蒸汽輪機更多地應用在遊輪、航母等大型船隻上，這種船隻機艙空間大，對動力要求高，因此採用蒸汽輪機的方案。而一些排水量數千噸的中型船隻，則往往採用燃氣輪機，這主要是由於其機艙空間比較緊湊，因此傾向體積更小的燃氣輪機。噸位更小一些的船隻，主要是2000噸以下，航速30節以下的船隻，往往採用柴油機。
南昌艦 | 圖源自中國軍網
其實蒸汽輪機並不意味着落後，不管是蒸汽輪機還是燃氣輪機都可以達到需求。像滿載排水量8500噸的現代級導彈驅逐艦，裝備四台蒸汽輪機，最大功率10萬馬力，航速可以達到32節。而美國伯克2級導彈驅逐艦，裝備四台LM2500燃氣輪機，最大輸出功率9.2萬馬力，也能達到32節的航速。
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聯合動力裝置與核動力裝置
我想，如果我不介紹一下核動力，你們是不會點讚的，所以我們來介紹一下聯合動力裝置
聯合動力裝置，顧名思義，就是不止一種動力裝置同時提供動力。船隻航行時，需要大功率全速航行的階段並不多，大多數時間就是在海上遛彎式巡航，而聯合動力裝置就可以兼顧高速航行時的大功率需求和低速巡航時的經濟性需求。
聯合動力裝置是指在船舶推進系統的同一根主軸上加裝兩種不同的動力裝置**, 並車後為艦艇提供動力。常見的聯合動力裝置有柴-燃聯合**，這種聯合動力裝置在低速航行時用功率較小的柴油機推進，依靠柴油機良好的經濟性可以獲得較大的航程；在高速航行時, 柴燃聯合動力裝置可以分為交替使用聯合動力裝置(CODOG)和共同使用聯合動力裝置(CODAG)兩種工作方式。前者是指高速航行時柴油機停機, 由燃汽輪機單獨工作提供航行動力；後者是指高速航行時柴油機和燃汽輪機同時工作, 提供所需功率。
CODOG簡圖 | 圖源自參考資料
最後，還是要介紹一下核動力裝置。
核動力裝置其實還是在燒開水，只不過這裏用來燒開水的不是燒油的鍋爐，而是核反應堆。
**核動力裝置是指利用核燃料（鈾-235、鈈等) 裂變產生的能量為船舶提供動力的裝置。**基本工作原理是利用原子核裂變反應能量產生的高温來產生蒸汽，推動汽輪機組產生動力, 用來推進船舶前進或發電。
核動力裝置最大的優點就在於核燃料能量密度極高，很少的核燃料就可以支撐船隻航行很長時間，對於其他動力裝置而言，航行需要攜帶大量燃料，而為了保證航程，也不能長時間高速航行。而對於核動力裝置，卻完全不需要考慮這個問題。另外，核動力裝置運行平穩、操控簡單、易於實現自動化。缺點則在於其技術複雜、建造困難、具有放射性、需要做好防護而過於笨重，因此在小型船舶上難以搭載、核廢料的後期處理也是一個關鍵問題。
現代搭載核動力裝置的水面艦艇並不多，但在潛艇上卻非常常見，實際上，常規動力潛艇完全無法滿足需求。首先，潛艇需要長時間深潛在水面之下，而常規動力燃燒需要氧氣，核動力則完全沒有這個需求，因此只有核動力才能滿足潛艇長時間在水下的需求。另一方面，受限於蓄電池性能的影響，常規的柴電潛艇水下航速往往只有20節左右，無法跟上30節航速的水面艦艇。因此，潛艇往往採用核動力裝置。
北風之神核潛艇 | 圖源自中國軍網
最後提一下電力推進。現代艦艇電子元件更多，電力需求大，因此電力推進應運而生。電力推進主要由原動機、發電機、電動機、螺旋槳以及相關的控制設備組成。原動機其實還是上文介紹的汽輪機，只是這裏產生的動力並不帶動螺旋槳，而是帶動發電機轉子，用來發電。發出的電力再用以電動機等其他電力設備。至於更多的，我就不知道了
多説一句。
動力裝置的選擇還是要看是否能滿足需要，以及技術過不過關。
像庫茲涅佐夫號，使用常規動力，8台蒸汽鍋爐，4台汽輪機，總功率約20萬馬力，一樣可以推動6萬噸級的航母達到30節航速，不過其動力系統過於複雜，不利於維護。而山東號航母採用四台50000馬力的蒸汽輪機，四級並聯最高20萬馬力的輸出，速度也不慢。而美國小鷹級航母，四台蒸汽輪機最高28萬馬力的輸出，航速32節，相差不大。至於某為了核動力而核動力的航母，至高航速只有25節，明顯不能滿足需求。就算是真正的核動力航母——尼米茲級航母，搭載2個西屋公司的A4W壓水反應堆，輸出功率為26萬馬力，不一樣要燒鍋爐，還配備了四台蒸汽渦輪機嘛。當然，尼米茲級航母的蒸汽還要用於蒸汽彈射器。所以，不要看不起蒸汽輪機。
參考資料：
What is Steam Turbine - Description and Characteristics - Definition (thermal-engineering.org)
Steam turbine | Engineering | Fandom
Gas turbine - Energy Education
艦用蒸汽輪機與燃氣輪機相比，性能真的相差很大嗎？|蒸汽輪機|艦艇|鍋爐
山東艦的動力異常強勁，中國最大功率艦用蒸汽輪機能由此誕生嗎？
王國慶.艦艇動力系統的特點與應用 海洋之心[J].現代兵器,2010(05):37-43.
談談.“庫茲涅佐夫”為什麼冒黑煙?[J].石油知識,2016(06):56.