福建舰是混合动力航母吗?

我们在讨论福建舰的动力时做过很多分析,认为福建舰很有可能采用的是核动力系统,并且辅助动力是以燃气轮机为主柴油机为辅。于是就有很多人说福建舰是混合动力航母。那么福建舰真的是一艘混合动力航母吗?首先我们得先说说混合动力的概念。我们经常在汽车上听到混动的概念。通常是汽车上有汽油机或者柴油机,然后还有电动机。那么同时有两种或更多种类型动力的被称为混合动力。

如果套用这个概念,那么所有的航空母舰都是混合动力的,因为在航空母舰上通常都有两种甚至更多种不同类型的动力存在。对于常规动力航母来说,主动力通常是燃油锅炉,现代航母中还有使用燃气轮机的。但是常规动力航母上同时也在使用汽油机或者柴油机作为辅助动力。其实对于核动力航母也是一样,除了核动力系统,通常还配有柴油机或者燃油锅炉作为辅助动力。

但是话又说回来,这么定义航母的混合动力显然没有什么意义。这顶多只能算作是广义的混合动力。其实航母上的辅助动力主要就是用来发电,这和航母上的主动力是不一样的,主动力主要是用来作为推进动力的。也就是说主动力和辅助动力相对是独立的,它们通常并没有真正混合起来使用。如果分得再细一点,混合动力概念里的动更多指的是推进动力。那就可以使用一个更细分的定义,混合动力是指在推进动力上同时混合使用不同类型的动力。

乌里杨诺夫斯克号核动力航母的舰岛上也有烟囱

如果以这样的定义来给航空母舰分类,那么有采用混合动力的航空母舰吗?可以说除了英国的伊丽莎白女王级航母外基本上没有采用混合动力的航母。那么有人可能就说了,苏联的1143.7也就是乌里杨诺夫斯克号核动力航母不就是核常混动的航母吗?确实在乌里杨诺夫斯克号不光有核动力还有燃油锅炉动力。但是要说清楚,这两种动力是不能同时使用的,也就是说这两种动力不能同时混合驱动螺旋桨,只能分时工作。燃油锅炉虽然功率不小,但是它本质上是应急动力,只有在核动力系统出现故障时才会启动。乌里杨诺夫斯克号的燃油锅炉之所以设计得功率比较大,主要是因为苏联海军希望在核动力系统出现故障时,凭借常规动力仍然能够获得比较高的航速,比如仍然可以保持十几节的航速。

那么我们可以给混合动力一个更准确的分类,联合动力和交替动力。联合动力因为可以同时利用两种不同类型动力并且能实现功率的叠加,相对而言比交替动力更先进、更有应用价值。而乌里杨诺夫斯克号的动力根本就不是混合动力,既不是核常交替动力,也不是核常联合动力,就是标准的核动力,只不过应急动力功率比较大而已。同理苏联的基洛夫级巡洋舰也不是什么核常混动。

在基洛夫级核动力巡洋舰的主桅杆后面有个应急常规动力用的巨大烟囱

在乌里杨诺夫斯克号上核动力和燃油锅炉不能同时工作,这主要是因为在机械传动系统上实现不同功率不同转速的动力混合驱动是一件世界级的难题。核动力的功率大,燃油锅炉功率小,混合使用容易造成核动力拖着常规动力跑,常规动力出力小,并且拖核动力的后腿,一加一小于二。即使在今天想在机械传动的系统上实现混合动力仍然是个不小的技术挑战。以动力系统功率比较小的护卫舰为例,通常是四台柴油机,双轴推进,每轴配两台柴油机。比如法国的国拉斐特级护卫舰其采用就是单机单控方式,以一台柴油机为准,另一台采用跟随的方式工作。而我国的054护卫舰下了很大气力技术攻关,采用了更为先进的联合动力方式,让四台柴油机更高效地匹配在一起,在技术上比法国护卫舰更为先进。

要知道这还是在四台发动机都是同类型同功率甚至同型号的情况下,动力匹配尚且如此麻烦。对于不同功率、不同转速的动力进行动力匹配就更困难。以日本村雨级驱逐舰为例。村雨级采用燃燃联合动力,两台通用LM2500燃气轮机和两台斯贝SM-1C燃气轮机,LM2500燃气轮机功率21500马力,斯贝SM-1C燃气轮机功率13500马力。本来四台燃气轮机联合工作最大功率应该能达到70000马力,但实际上只能达到60000马力。因为两种燃气轮机功率不同,转速不同,谁出力多谁出力少很难协调,所以最终功率白白损失了10000马力。对于航母来说功率匹配更困难,因为航母的功率要比驱逐舰大得多。而且主动力和辅助动力功率差距更大,转速差距也更大。所以航母在机械传动的技术框架下要想实现不同种类、不同功率的动力完美匹配非常困难。

英国的伊丽莎白女王级航母可以算作是真正的混合动力航母

那么有没有完美的动力匹配方案呢?答案是有,那就是全电推进系统。也就是把不同功率、不同转速的原动机的动力先变成电力,然后在综合全电系统的统一调度下综合利用。这样就解决了机械传动系统匹配不同功率、不同转速动力的技术难题。可以说是最完美的混合动力系统。到目前为止,在航母上只有英国的伊丽莎白女王级航母实现了全电推进。但是其采用的是比较落后的交流中压全电推进系统,性能不稳定,经常出故障。这方面交流电制缺点比较多,要想完美解决还要看我国的直流电制的中压全电技术。

我国055驱逐舰的改进型号有可能采用全电推进技术

我国在2013年就已经宣布掌握了先进的中压直流全电推进技术。但是目前尚未在航母上取得应用。因为全电推进毕竟技术难度比较大,应用也要循序渐进。先从功率比较小的护卫舰开始,逐步推进到驱逐舰,然后是两栖攻击舰,最后才是排水量最大的航空母舰。我国的054B或者叫057护卫舰可能会比较早采用这一先进技术,然后是055A改进型驱逐舰。我国的075两栖攻击舰是不是采用了全电推进尚不明确。山东舰和福建舰目前采用的是综合电力系统,还没有采用全电推进。

福特级的应急动力柴油机

根据公开的照片判断,福建舰动力舱附近有传动轴的预留孔。也就是说和美弟的福特级一样,福建舰的动力主机通过变速箱和传动轴直接驱动螺旋桨。主机同时提供部分功率用于发电,其余电力来自辅助动力系统。福特级的应急动力是8兆瓦柴油机,四根传动轴每轴配一台柴油机,并车到传动轴。福建舰的应急动力可能和福特级略有不同,根据辅助动力柴油的排烟口数量来看,可能采用的是四台电动机并车到四根传动轴。

福特级航母的辅助动力柴油机比较多所以船舷侧面的烟道也很多

也就是说福建舰的动力配置和美弟的福特级的配置方式几乎一样,并不是什么混合动力。两者都是主动力提供推进动力,并且通过汽轮发电机组提供100多兆瓦的发电功率,辅助动力提供另外100兆瓦左右的电力。福特级的推进功率209兆瓦,汽轮发电机组四台26兆瓦共104兆瓦。辅助动力柴油发电组机合计100兆瓦左右,发电总功率也在200兆瓦左右,也就是说推进功率和发电功率基本一样大。同为电磁弹射型航母的的福建舰情况差不多,基本也是这样的功率配置。不同的只是辅助动力类型可能略有差异,福建舰的辅助动力可能是燃气轮机为主,柴油机为辅。福特级的辅助动力全都是柴油机,因为柴油机功率密度比较低,所以体积比较大,加速也没有燃气轮机快。在给电磁弹射器提供电力方面,我们的福建舰还是占据优势的。

003福建舰的辅助动力系统采用的可能是燃气轮机

为何所有核动力航母都有烟囱,有核动力为何还需要常规动力?

核动力航母的烟道设计

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