谁都知道全电推进好,如果技术允许,核动力航母肯定是喜欢采用全电推进系统。但是,技术不是还差了点嘛。
福特级航母
全电推进是舰船动力的一次革命,它将日常供电、电力推进、舰载武器设备供电合而为一。相对于传统机械推进方式,具有节省空间、便于布局、易操作、低噪音、省燃料等诸多优点,同时为电磁弹射、电磁拦阻、电磁炮、激光炮等新设备新武器上舰创造了条件,是未来发展的主要方向。
电磁弹射
电力推进不是新技术,早在1920年,美国列克星顿号航母就使用了蒸汽轮机发电+电动机推进技术。原因是因为大型蒸汽轮机的减速装置技术不成熟。但是电力推进也带来了抗打击能力不足、主电缆受损全舰功能失效的巨大问题。
1942年列克星敦在战争受损并不严重的情况下,因为主电缆损毁,丧失全部动力和损管能力,最终沉没于太平洋。此后美国放弃了全电化设计,而且大功率减速装置逐渐成熟,最终选择了内燃机推进模式。
但现在的航母都是耗电大户,不全力发电是不行了。以福特级航母为例,单电磁弹射就需要160兆瓦电力,全速航行时推进系统需要200兆瓦功率。更别说还有电磁拦阻,电磁炮等,哪一个都是耗电大户。
PMM先进同步感应电机
但是因为大型同步感应电机技术仍不太成熟,无法提供如此多的电力,导致电推进技术还差点火候,所以福特级核动力航母前3艘仍然使用蒸汽轮机驱动螺旋桨的机械推进系统。
等待感应电机技术成熟之后,计划在第4艘福特级航母上安装全电推进系统,实现日常供电、电力推进、舰载设备供电合而为一。
英国的伊丽莎白女王级航母,总发电功率112兆瓦,推进系统80兆瓦,最大航速26节。为什么航速那么慢,达不到普遍的30节以上,就是因为电推功率不足。更大的电机目前技术尚不成熟,现有的感应电机又大又重,也无法安放太多台。
综上原因,核动力航母目前仍然使用蒸汽轮机。但随着技术的成熟,未来的航母肯定会使用全电推进替代蒸汽轮机的。
作为一名核电从业者,从核能发电的角度解答下这个问题。
航母中所用的核动力堆公开资料很少,航母中动力堆能量转化形式是这样的:核能——热能——汽轮机动能——螺旋桨动能,少部分蒸气用来发电。
航母从核反应堆获取的绝大部分能量都是直接利用汽轮机通过主轴(之间很可能还有减速箱)带动螺旋桨来获取前进的动力,少部分用来发电来支持舰上电子设备的运行,还有一部分蒸气用来给蒸气弹射系统供应蒸汽。
直接原因就是电力驱动航母技术目前还不成熟,不成熟的具体原因有以下几方面:图释:上图为尼米兹级使用两具功率各130000马力的A-4W反应堆,总功率260000马力1、增强了航母的机动能力
航母作为海上作战基地之一,机动性是一个重要指标。我们如果假设完全转化为电能,如果航母启动时,二回路产生的蒸气必须等到足够的量,通常反应堆功率需要达到25%以上才能进行汽轮机冲转,这样才能带动发电机生产出频率合格的交流电,否则汽轮机转速不到,频率不合格,生产出来的电能就无法给电动机使用。
汽轮机直接带动螺旋桨就不存在这个问题,只有有转速就可以即刻划水前进。
图释:上图为尼米兹级CVN 77布什号航母螺旋桨直径6.4米,一艘航母有这样的4个螺旋桨,每个螺旋桨有5片浆叶,每片桨叶的重量30吨2、省去发电机提高了效率
能量传递经过的设备越多,效率就越低,本来航母用反应堆功率就有限,使用发电机产生的电能带动电动机驱动航母就会损失一部分能量。假设发电机的效率为90%,电动机的效率为80%,那么从汽轮机大轴传递过来的能量就只能有72%的能量用来驱动航母。
3、省去发电机及其辅助系统的
少用一个大型设备意味着就会将故障率降低一个档次,减少了发电机及其辅助系统的不仅仅会减少航母的制造成本还可以降低航母的故障率,此外也会节省出很大一部分发电机及其辅助系统(氢气冷却系统、润滑油系统、励磁系统、定子冷却水系统等)占用的空间。
全电驱动核动力航母还有很多的优势的,制造工艺也更为复杂,艇用反应堆要求体积小、能量输出效率高、设备可靠,因为没有像商运核电站一样可以设置多重冗余的安全系统,因此舰艇核反应堆对于安全性和可靠性的要求就极高,这仍是我国科研人员的努力的方向。
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