10万吨燃气轮机超级航母新思路,燃气轮机舰艇
前言
半年前我们聊过燃气轮机航母的相关话题，随着技术迭代，部分设备与方案已有新变化。今天这篇内容是在原有基础上调整补充的，虽然数据和细节较多，但能帮大家更全面理解航母动力逻辑，耐心读下来肯定会有收获。
先从“烧开水” 说起：航母动力的核心矛盾
无论航母吨位多大、动力类型如何，本质上都绕不开“能量转化”—— 核动力、蒸汽轮机靠 “烧开水产蒸汽” 推动涡轮，燃气轮机靠 “燃料燃烧直接驱动涡轮”。但不同动力模式的 “启动效率” 和 “使用成本”，直接决定了航母的实战价值。
常规蒸汽轮机痛点：“冷启动”
常规动力航母（使用重油锅炉的蒸汽轮机）的“冷启动”，可以理解为 “把完全熄火的动力系统重新激活”。这个过程比家里用柴火灶烧开水复杂得多 ——
家里烧开水：水壶加水、通电，几分钟就可以；
航母烧开水：8 万吨级航母的锅炉像 “超级大水壶”，装满水后要经历 “重油预处理→锅炉加热→系统检查” 三大步骤，任何一步都不能急。
具体来看，蒸汽轮机冷启动在于“不能快”：
重油得先“化冻”：重油是粘稠的黑色燃料，必须加热到 130℃以上才能流动，还要过滤杂质；锅炉得 “慢慢热”：要把锅炉水从常温加热到 200℃以上（防止设备因热胀冷缩损坏），最终产生 350℃以上的高压蒸汽，这个过程像给冰窖升温，急不得；
系统得“全预热”：蒸汽要充满全舰管线，涡轮要先手动旋转（盘车）、再用蒸汽初步驱动（冲车），确保整个系统 “同步激活”。
这也是为什么8 万吨级常规动力航母冷启动要 10 小时以上（极端情况如大修后需 48 小时），甚至停泊时还得让锅炉 “低功率运转”—— 靠持续耗能维持温度，避免下次启动又要 “从头烧”。
核动力：看似完美，却有着更痛的地方
核动力航母解决了“冷启动痛点”：核反应堆持续运转，随时能产蒸汽，第一次启动后只要不停堆，能快速达到满功率；而且核燃料寿命长达数十年，不用频繁补给。
但核动力的门槛极高：核反应堆的安全性、小型化、长期维护（比如换料时需拆解舰体）都是难题，甚至无解。
燃气轮机：能当航母动力么？
从理论上来说，燃气轮机非常适合航母使用，最大优点是燃气轮机冷启动速度快，某4台燃气轮机大型驱逐舰，冷启动仅需2分钟（全系统准备约20分钟），但由于单机功率和进排气的问题，在航母上应用存在很大的问题；由于燃气轮机进排气量大，最好能够做到直接进出，但这正好和航母要求的大甲板要求产生了直接矛盾，燃油锅炉近排气量小，机炉舱可以在舰体中间的水下以下部分，但燃气轮机如此部署，将会导致近排气管道转弯过多，效率下降，但这个也不是不能用，而是用起来非常不方便，而且进排气尺寸太大，舰岛尺寸体积大。
外国“某”级别的两栖攻击舰采用燃气轮机+柴油机发电+推进电机的动力模式，图片上可以看到巨大舰岛和倾斜排气口；该舰采用小功率电推巡航机燃机加速模式；经济性比较好；
而“女王”级别航母就是全电推进方式，在无敌航母就使用了燃气轮机，但舰底中置的燃气轮机问题非常多，所以但为解决进排气的问题，把两台36MW的MT30燃机+发电机放在右船舷舰岛下面，解决进排气问题，但加重了右侧重量，而且这个位置生存能力较差，也给舰体平衡带来问题，所以看到了女王的左船舷大外飘结构（如此大外飘不使用斜角甲板，也是有些浪费。）而这两台燃电系统也是用来加速使用，平时是柴油发电推进，加速时候发挥燃气轮机冷启动快的特点；但采用柴电续航+燃电加速的模式也存在尴尬的地方，就是花了最大代价的地方，却又是使用率最低的。
划重点：所就必须要解决燃气轮机排气问题，才能让大功率燃气轮机上航母。
但是后面问题来了，就是舰岛上的进排气装置面积和体积还要至少扩大一倍，虽然10万吨航母尺寸要比8万吨航母长出来30多米，完全满足布置需要，但这种做法有点不划算，弄不好还要双舰岛，甲板面积进一步缩减；本身电传动的优势就是舰岛布置方便，这种模式就是把事情搞复杂了；
新思路（1）：燃气轮机+ 蒸汽轮机的 “联合循环”
既然单一燃气轮机有局限，那能不能让它和蒸汽轮机“合作”？这就是 “燃 - 蒸联合循环”—— 简单说，就是让燃气轮机的高温废气 “再做功”。也就是1+1＞2的逻辑。
燃气轮机运转时会排出560℃左右的高温废气，这些废气如果直接排掉太浪费。联合循环方案在排气口加一套 “余热锅炉”：废气进入锅炉后加热水，产生高压蒸汽，再驱动蒸汽轮机发电或推动螺旋桨。
这样一来，系统热效率能提升到350%，总功率比单独燃气轮机增加 30%-50%。比如一台 50MW（6.8万马力） 的燃气轮机，加上余热锅炉进行发电，总输出后功率能达到78MW（约10万马力），如果是10万吨航母采用这种模式，那么需要4台50MW（单机约6.8万马力，共计28万马力），6台6MW柴油发电机（单机约8000马力，共计6.5万马力，作为巡航机使用），总功率可达236MW左右，而福特航母也是这个功率，也就是这个模式推动10万吨完全没有问题；
最为关键的是废气温度能降到100-150℃，进排气装置体积和传统蒸汽轮机接近，甚至能把机组藏在水线以下，提升安全性。
优势很突出：
启动更快：冷启动约4 小时（比蒸汽轮机的 10 小时快太多），热启动最快 45 分钟；
效率更高：耗油量和中速柴油机相当，4 台机组交替运行还能延长寿命；
问题与麻烦
系统更复杂：燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮机要精准匹配，重量也更大（4 台机组加锅炉约 1200 吨，好在 10 万吨级航母能承受）；以GE方案为例，25MW燃气轮机+7.8MW余热锅炉总重达302吨，较同等功率柴油机（74.1吨/8MW）显著更重。
仍有“热惯性”：蒸汽轮机部分还是需要预热，巡航时得给备用机组 “暖机”，才能快速切换到满功率。
新思路（2）：燃气轮机+超临界二氧化碳（sCO₂）循环
其核心是利用燃气轮机的高温排气作为sCO₂循环的热源，通过 sCO₂循环高效回收余热并转化为动力，最终实现 “燃气轮机做功 + 余热回收再做功”
sCO₂循环的本征高效性：超临界 CO₂（温度＞31.1℃、压力＞7.38MPa 时的状态）兼具液体的高密度（降低流动阻力）和气体的低粘度（强化传热），在 500-700℃温度区间的热效率显著高于传统蒸汽循环（朗肯循环）。例如，在 600℃热源下，sCO₂循环的理论效率可达 45%-50%，而同温度下蒸汽循环效率通常低于 40%。
燃气轮机余热的高效回收：燃气轮机排气温度通常为500-650℃（重型燃气轮机甚至更高），恰好处于 sCO₂循环的高效工作温度区间（300-700℃）。相比传统 “燃气轮机 + 蒸汽循环”（蒸汽循环需将余热加热至沸腾，中高温余热利用效率低），sCO₂循环能更充分回收燃气轮机排气余热，使整体系统效率提升 5%-10%（例如：传统联合循环效率约 63%，结合 sCO₂后可能突破 70%。
sCO₂工质的高密度优势：超临界 CO₂的密度约为 0.4-0.8g/cm³（接近水的 1/2），远高于蒸汽（约 0.001g/cm³）和燃气（约 0.0005g/cm³）。相同功率下，sCO₂循环的涡轮、换热器、管道等部件尺寸仅为蒸汽循环的 1/5-1/10（例如：sCO₂涡轮直径可能仅几十厘米，而同功率蒸汽涡轮需数米）。
集成度更高：燃气轮机本身结构紧凑，与小型化的sCO₂循环结合后，整个系统占地面积可减少 30%-50%，重量降低 40%-60%。这一优势对舰船动力尤为关键。
sCO₂循环的低惯性特性：无需像蒸汽循环那样经历 “水→蒸汽” 的相变过程，sCO₂工质在超临界状态下直接通过加热升压驱动涡轮，热惯性小。从启动到满负荷的时间可缩短至 10-15 分钟，而传统蒸汽联合循环通常需要 30-60 分钟。
与燃气轮机的协同响应：燃气轮机本身启动快（重型机约10 分钟，轻型机可＜5 分钟），两者结合后，整体系统能快速响应负荷变化（例如：负荷从 50% 升至 100% 仅需 2-3 分钟）。
划重点：sCO₂循环虽解决了很多问题，但新问题也随之出现。
泄露风险：作为气体循环系统，存在二氧化碳泄漏可能，类似家用空调用久了需要补充制冷剂；
技术门槛：超临界二氧化碳物性特殊，对压缩机的高速转子、高压密封、轴承等技术要求极高，最终考验的是精密机加工和材料工艺。
国内技术储备：2020 年，重庆江增船舶重工有限公司自主研制的国内首台 6 兆瓦超临界二氧化碳透平压缩发电机组完成机械运转试验，并交付用户。该机组进口压力超过 20 兆帕，温度高达 600 摄氏度，系统热效率可超过 50%
总结：常规航母的“最优解” 在哪？
对于 10 万吨级常规动力航母来说，“燃气轮机 + 超临界二氧化碳（sCO₂）循环” 可能是目前最现实的选择 —— 它比核动力门槛低、比传统蒸汽轮机高效、比单一燃气轮机适配性强，还能满足电磁弹射等新装备的电力需求。在使用单机功率为60MW主机情况下，最大吨位可以支持到13万吨。
目前国内已开发出 30MW、40MW、50MW 级别的舰船用燃气轮机，可采用直推、燃电联合等多种动力模式，满足不同工况、不同航速下的动力需求。
结合自身技术储备，在现有基础上找突破，或许比盲目追高更有价值。毕竟，能解决实战需求的技术，才是好技术。
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