10萬噸燃氣輪機超級航母新思路_風聞
扇歌-军事撰稿人-1小时前
前言
半年前我們聊過燃氣輪機航母的相關話題，隨着技術迭代，部分設備與方案已有新變化。今天這篇內容是在原有基礎上調整補充的，雖然數據和細節較多，但能幫大家更全面理解航母動力邏輯，耐心讀下來肯定會有收穫。
先從“燒開水” 説起：航母動力的核心矛盾
無論航母噸位多大、動力類型如何，本質上都繞不開“能量轉化”—— 核動力、蒸汽輪機靠 “燒開水產蒸汽” 推動渦輪，燃氣輪機靠 “燃料燃燒直接驅動渦輪”。但不同動力模式的 “啓動效率” 和 “使用成本”，直接決定了航母的實戰價值。
常規蒸汽輪機痛點：“冷啓動”
常規動力航母（使用重油鍋爐的蒸汽輪機）的“冷啓動”，可以理解為 “把完全熄火的動力系統重新激活”。這個過程比家裏用柴火灶燒開水複雜得多 ——
家裏燒開水：水壺加水、通電，幾分鐘就可以；
航母燒開水：8 萬噸級航母的鍋爐像 “超級大水壺”，裝滿水後要經歷 “重油預處理→鍋爐加熱→系統檢查” 三大步驟，任何一步都不能急。
具體來看，蒸汽輪機冷啓動在於“不能快”：
重油得先“化凍”：重油是粘稠的黑色燃料，必須加熱到 130℃以上才能流動，還要過濾雜質；鍋爐得 “慢慢熱”：要把鍋爐水從常温加熱到 200℃以上（防止設備因熱脹冷縮損壞），最終產生 350℃以上的高壓蒸汽，這個過程像給冰窖升温，急不得；
系統得“全預熱”：蒸汽要充滿全艦管線，渦輪要先手動旋轉（盤車）、再用蒸汽初步驅動（衝車），確保整個系統 “同步激活”。
這也是為什麼8 萬噸級常規動力航母冷啓動要 10 小時以上（極端情況如大修後需 48 小時），甚至停泊時還得讓鍋爐 “低功率運轉”—— 靠持續耗能維持温度，避免下次啓動又要 “從頭燒”。
核動力：看似完美，卻有着更痛的地方
核動力航母解決了“冷啓動痛點”：核反應堆持續運轉，隨時能產蒸汽，第一次啓動後只要不停堆，能快速達到滿功率；而且核燃料壽命長達數十年，不用頻繁補給。
但核動力的門檻極高：核反應堆的安全性、小型化、長期維護（比如換料時需拆解艦體）都是難題，甚至無解。
燃氣輪機：能當航母動力麼？
從理論上來説，燃氣輪機非常適合航母使用，最大優點是燃氣輪機冷啓動速度快，某4台燃氣輪機大型驅逐艦，冷啓動僅需2分鐘（全系統準備約20分鐘），但由於單機功率和進排氣的問題，在航母上應用存在很大的問題；由於燃氣輪機進排氣量大，最好能夠做到直接進出，但這正好和航母要求的大甲板要求產生了直接矛盾，燃油鍋爐近排氣量小，機爐艙可以在艦體中間的水下以下部分，但燃氣輪機如此部署，將會導致近排氣管道轉彎過多，效率下降，但這個也不是不能用，而是用起來非常不方便，而且進排氣尺寸太大，艦島尺寸體積大。
外國“某”級別的兩棲攻擊艦採用燃氣輪機+柴油機發電+推進電機的動力模式，圖片上可以看到巨大艦島和傾斜排氣口；該艦採用小功率電推巡航機燃機加速模式；經濟性比較好；
而“女王”級別航母就是全電推進方式，在無敵航母就使用了燃氣輪機，但艦底中置的燃氣輪機問題非常多，所以但為解決進排氣的問題，把兩台36MW的MT30燃機+發電機放在右船舷艦島下面，解決進排氣問題，但加重了右側重量，而且這個位置生存能力較差，也給艦體平衡帶來問題，所以看到了女王的左船舷大外飄結構（如此大外飄不使用斜角甲板，也是有些浪費。）而這兩台燃電系統也是用來加速使用，平時是柴油發電推進，加速時候發揮燃氣輪機冷啓動快的特點；但採用柴電續航+燃電加速的模式也存在尷尬的地方，就是花了最大代價的地方，卻又是使用率最低的。
劃重點：所就必須要解決燃氣輪機排氣問題，才能讓大功率燃氣輪機上航母。
但是後面問題來了，就是艦島上的進排氣裝置面積和體積還要至少擴大一倍，雖然10萬噸航母尺寸要比8萬噸航母長出來30多米，完全滿足佈置需要，但這種做法有點不划算，弄不好還要雙艦島，甲板面積進一步縮減；本身電傳動的優勢就是艦島佈置方便，這種模式就是把事情搞複雜了；
新思路（1）：燃氣輪機+ 蒸汽輪機的 “聯合循環”
既然單一燃氣輪機有侷限，那能不能讓它和蒸汽輪機“合作”？這就是 “燃 - 蒸聯合循環”—— 簡單説，就是讓燃氣輪機的高温廢氣 “再做功”。也就是1+1＞2的邏輯。
燃氣輪機運轉時會排出560℃左右的高温廢氣，這些廢氣如果直接排掉太浪費。聯合循環方案在排氣口加一套 “餘熱鍋爐”：廢氣進入鍋爐後加熱水，產生高壓蒸汽，再驅動蒸汽輪機發電或推動螺旋槳。
這樣一來，系統熱效率能提升到350%，總功率比單獨燃氣輪機增加 30%-50%。比如一台 50MW（6.8萬馬力） 的燃氣輪機，加上餘熱鍋爐進行發電，總輸出後功率能達到78MW（約10萬馬力），如果是10萬噸航母採用這種模式，那麼需要4台50MW（單機約6.8萬馬力，共計28萬馬力），6台6MW柴油發電機（單機約8000馬力，共計6.5萬馬力，作為巡航機使用），總功率可達236MW左右，而福特航母也是這個功率，也就是這個模式推動10萬噸完全沒有問題；
最為關鍵的是廢氣温度能降到100-150℃，進排氣裝置體積和傳統蒸汽輪機接近，甚至能把機組藏在水線以下，提升安全性。
優勢很突出：
啓動更快：冷啓動約4 小時（比蒸汽輪機的 10 小時快太多），熱啓動最快 45 分鐘；
效率更高：耗油量和中速柴油機相當，4 台機組交替運行還能延長壽命；
問題與麻煩
系統更復雜：燃氣輪機、餘熱鍋爐、蒸汽輪機要精準匹配，重量也更大（4 台機組加鍋爐約 1200 噸，好在 10 萬噸級航母能承受）；以GE方案為例，25MW燃氣輪機+7.8MW餘熱鍋爐總重達302噸，較同等功率柴油機（74.1噸/8MW）顯著更重。
仍有“熱慣性”：蒸汽輪機部分還是需要預熱，巡航時得給備用機組 “暖機”，才能快速切換到滿功率。
新思路（2）：燃氣輪機+超臨界二氧化碳（sCO₂）循環
其核心是利用燃氣輪機的高温排氣作為sCO₂循環的熱源，通過 sCO₂循環高效回收餘熱並轉化為動力，最終實現 “燃氣輪機做功 + 餘熱回收再做功”
sCO₂循環的本徵高效性：超臨界 CO₂（温度＞31.1℃、壓力＞7.38MPa 時的狀態）兼具液體的高密度（降低流動阻力）和氣體的低粘度（強化傳熱），在 500-700℃温度區間的熱效率顯著高於傳統蒸汽循環（朗肯循環）。例如，在 600℃熱源下，sCO₂循環的理論效率可達 45%-50%，而同温度下蒸汽循環效率通常低於 40%。
燃氣輪機餘熱的高效回收：燃氣輪機排氣温度通常為500-650℃（重型燃氣輪機甚至更高），恰好處於 sCO₂循環的高效工作温度區間（300-700℃）。相比傳統 “燃氣輪機 + 蒸汽循環”（蒸汽循環需將餘熱加熱至沸騰，中高温餘熱利用效率低），sCO₂循環能更充分回收燃氣輪機排氣餘熱，使整體系統效率提升 5%-10%（例如：傳統聯合循環效率約 63%，結合 sCO₂後可能突破 70%。
sCO₂工質的高密度優勢：超臨界 CO₂的密度約為 0.4-0.8g/cm³（接近水的 1/2），遠高於蒸汽（約 0.001g/cm³）和燃氣（約 0.0005g/cm³）。相同功率下，sCO₂循環的渦輪、換熱器、管道等部件尺寸僅為蒸汽循環的 1/5-1/10（例如：sCO₂渦輪直徑可能僅幾十釐米，而同功率蒸汽渦輪需數米）。
集成度更高：燃氣輪機本身結構緊湊，與小型化的sCO₂循環結合後，整個系統佔地面積可減少 30%-50%，重量降低 40%-60%。這一優勢對艦船動力尤為關鍵。
sCO₂循環的低慣性特性：無需像蒸汽循環那樣經歷 “水→蒸汽” 的相變過程，sCO₂工質在超臨界狀態下直接通過加熱升壓驅動渦輪，熱慣性小。從啓動到滿負荷的時間可縮短至 10-15 分鐘，而傳統蒸汽聯合循環通常需要 30-60 分鐘。
與燃氣輪機的協同響應：燃氣輪機本身啓動快（重型機約10 分鐘，輕型機可＜5 分鐘），兩者結合後，整體系統能快速響應負荷變化（例如：負荷從 50% 升至 100% 僅需 2-3 分鐘）。
劃重點：sCO₂循環雖解決了很多問題，但新問題也隨之出現。
泄露風險：作為氣體循環系統，存在二氧化碳泄漏可能，類似家用空調用久了需要補充製冷劑；
技術門檻：超臨界二氧化碳物性特殊，對壓縮機的高速轉子、高壓密封、軸承等技術要求極高，最終考驗的是精密機加工和材料工藝。
國內技術儲備：2020 年，重慶江增船舶重工有限公司自主研製的國內首台 6 兆瓦超臨界二氧化碳透平壓縮發電機組完成機械運轉試驗，並交付用户。該機組進口壓力超過 20 兆帕，温度高達 600 攝氏度，系統熱效率可超過 50%
總結：常規航母的“最優解” 在哪？
對於 10 萬噸級常規動力航母來説，“燃氣輪機 + 超臨界二氧化碳（sCO₂）循環” 可能是目前最現實的選擇 —— 它比核動力門檻低、比傳統蒸汽輪機高效、比單一燃氣輪機適配性強，還能滿足電磁彈射等新裝備的電力需求。在使用單機功率為60MW主機情況下，最大噸位可以支持到13萬噸。
目前國內已開發出 30MW、40MW、50MW 級別的艦船用燃氣輪機，可採用直推、燃電聯合等多種動力模式，滿足不同工況、不同航速下的動力需求。
結合自身技術儲備，在現有基礎上找突破，或許比盲目追高更有價值。畢竟，能解決實戰需求的技術，才是好技術。