說起二十世紀初的戰艦,那時候的戰艦除了巨大的主炮之外,那噴吐黑煙、筆直高聳的煙囪最引人注目了。早期的戰艦主要以煤炭爲燃料,鍋爐產生蒸汽帶動汽輪機來推進,燒煤會產生大量的煤灰黑煙,爲了避免煤灰掉落在軍艦上,這就需要高大的煙囪讓煤灰飄得更遠。
流光瞬息,一戰後的戰艦迅速裝備了重油燃燒鍋爐,由於重油的燃燒值高於煤炭,輸出的動力比煤炭強勁多了,鍋爐的數量得以減少,因此煙囪的數量也大大減少了,同時也沒有了煤灰的困擾,這時期的軍艦煙囪也相對低矮不少,冒黑煙的情況也大大改善。但是這時期軍艦的噸位比較大,再加上重油要充分燃燒需要引進大量的空氣,一般進氣的風道和排煙道都整合到煙囪一體了,還有散熱的需要,所以煙囪也比較大。
以蒸汽輪機作爲動力結構簡單,可靠性強,單機輸出的功率大。但是蒸汽輪機有個很大的缺點,從鍋爐冷卻狀態升火加溫產生蒸汽達到標準功率耗時比較長,往往需要十幾個小時。重油由於雜質比較多,在啓動過程或者突然加速中由於燃料燃燒不充分會同樣產生大量黑煙。
我國早期的軍艦也是大多采用重油鍋爐作爲動力系統,因爲建國初期我們大型船用柴油發動機研發技術薄弱,無法爲大型軍艦提供動力,這樣煙囪冒黑煙是無法避免的。1954年我國從蘇聯引進里加級護衛艦的圖紙、材料、設備和武器,在上海的滬東造船廠建造完成,這是我國首次建造的大型軍艦,該型號爲6601型護衛艦。該型艦該裝備了2臺蘇制的ТБ-9型蒸汽輪機,總功率爲20000馬力,最高航速28節。相比當時世界上同類型的軍艦,該型艦自持力、續航力和航速都毫無遜色。
上世紀六十年代,國際上的主力軍艦已經實現導彈化了,同時我國海軍缺乏遠海作戰能力,研製大型艦艇的需求提上了日程。1968年我國第一代導彈驅逐艦051型首艦在大連開工建造,1971年交付使用。該艦裝備了兩臺453型總功率爲72000馬力的大功率蒸汽輪機,4臺鍋爐,18臺蒸汽輔機等,這套動力系統最高航速跑出了38節,這在當時世界上首屈一指,051型驅逐艦今年內應該全部退役了,但是這個記錄除了個別特殊的艦船之外依然保持着。
由於這兩臺蒸汽輪機性能非常優越,初始設計的鼓風機安裝的太近和進風道設計不合理,致使鍋爐供風不足達不到額定功率運行,航速達不到設計指標,加速慢同時排放黑煙比較嚴重。後來經過一系列改進,解決這個問題。
儘管蒸汽輪機有着不少優點,但是啓動慢和體積重量大,人們漸漸有了“新歡”。上世紀五十年代大型船用柴油機也開始成熟了,中小型的艦艇開始裝備了。65型護衛艦是我國第一款自主設計的護衛艦,該艦裝備了9EDZ43/67型柴油主機,全功率3300馬力,可以讓該艦最高時速飆到23節。柴油比重油的提煉更精細,含有的雜質比重油少了很多,冒黑煙機會就少了很多。
在65型火炮護衛艦之後,純火炮型軍艦已經遠遠落後世界先進水平了,此後我國自主建造的護衛艦都實現了導彈化,後續了053K和053H型護衛艦。
053K型護衛艦由於我國早期艦載防空導彈技術薄弱,加上這型護衛艦設計缺陷,053K建造了2艘只服役了1艘,便早早就退出了現役,我們就過了吧。
053H型護衛艦採用了兩臺12E390V中速柴油機,單臺主機功率有7200馬力,該柴油主機是我國在上世紀六十年代自主研發的,性能已達到當時世界先進水平,裝備該發動機的053H型最高航速跑到26節。
053H後期建造的艦艇更換了法國的皮爾斯蒂克12PA68TC柴油機,單臺主機功率有7200馬力,最高航速能跑到了28節,性能強悍。由於主機和電站等設備都已更換功率更大的,053H後期建造的煙囪都增大了,外形也變得更方正。
自從引進了法國的皮爾斯蒂克12PA68TC柴油機,用着用着感覺比國產的好用多了,便引進了該柴油機的專利在國內生產了,至此後續的053系列、054系列和056系列護衛艦都裝備了該發動機或者其衍生的型號,真香。
以爲換了進口的發動機就不會冒黑煙了嗎,別太天真了,該冒煙的還是會冒煙。柴油雖說比重油雜質少含碳量少些,柴油燃燒也會產生較多的顆粒物和氮氧化物,另外柴油不太容易跟空氣混合,柴油機在啓動中或者突然加速,由於燃燒不充分也會產生很大的黑煙。
同樣國外最新建造的軍艦冒起黑煙來一點都也不生分,美國的自由號瀕海戰鬥艦、日本的伊勢號直升機航母以及英國的伊麗莎白女王號航母一樣冒黑煙沒得商量。所以說冒黑煙不一定就是落後的象徵,這跟柴油機本身的特質有一定關係。
柴油機本身震動比較大,啓動和加速比較慢,單臺功率不足,軍艦在追求性能的提升是比較苛刻的,柴油機漸漸不適應大型軍艦的要求了,於是上世紀六十年代後由航空發動機核心機改造而來的船用燃氣輪機開始高級軍艦上了。但是我國的渦輪噴氣發動機設計理論落後,基礎材料研究水平低和生產加工工藝落後,遲遲未能生產出可靠使用的船用燃氣輪機。
我國自主研發的燃氣輪機折騰多年了還是難以投產,無奈之下海軍暫時把目光瞥向了大洋的彼岸,當時和西方國家關係緊密,引進了美製LM2500型燃氣輪機。LM2500燃氣輪機來源與TF39渦輪風扇發動機,單臺功率25500馬力,動力和自噪音均位於世界頂尖位置。我國在上世紀八十年代末引進了幾臺該型號的燃氣輪機,首先安裝在112哈爾濱號驅逐艦上。哈爾濱號驅逐艦的動力裝置由兩臺LM2500燃氣輪機和兩臺德國MTU l2V1163TB83型柴油機組成的“燃-柴”聯合動力裝置,可以讓排水量4200噸的“哈爾濱”艦的最高航速達到了31節。
“哈爾濱”艦之後建造的是113“青島”艦,“青島”艦在“哈爾濱”艦的基礎上,採用了大量國產的新技術和新裝備,促進了我國軍艦建造、艦載武器和電子設備的發展,爲後續的新型戰艦的研發做出了卓越的共享。“青島”艦最突出的特徵是煙囪上安裝了紅外抑制器,這一裝置的主要作用是減少艦船的排氣系統的紅外輻射,減免被紅外製導武器發現的幾率,同時降低排放的顆粒和煙霧。
紅外抑制器是由梅花形出口噴管和混合管、層疊管的擴壓環組成,工作原理是冷卻的空氣從混合管入口處和各級擴壓環的縫隙被管內的燃氣引射,使排氣管壁和燃氣隔離,從而減低管壁的溫度,減少紅外輻射。這套紅外抑制器廣泛應用在後續的052系列的驅逐艦上。
由於某些原因,西方國家對我國實行武器禁運政策,LM2500燃氣輪機進口的途徑已經被切斷,國產的船用燃氣輪機又不頂用,到本世紀初裝備的3艘051B/C型驅逐艦還在折騰453型改進型蒸汽輪機,因此這3艘驅逐艦被成爲“全蒸三子”。
453型蒸汽輪機仿製前蘇聯的TB-8型,不過經過我國自主改進的453B型蒸汽輪機性能得到了很大的改善,魔改後的蒸汽輪機的功率明顯有了提升,單機額定功率達到了47000馬力,甚至在俄羅斯的庫茲涅佐夫號航母上的姐妹型號。我國的蒸汽輪機生產技術不斷改進提高,再加上我國煉油技術的進步和海軍良好的保養能力,裝備了453B型蒸汽輪機很少出現冒黑煙情況。
庫茲涅佐夫號航母使用的主機是TB-8型衍生的蒸汽輪機,這套動力裝置在俄羅斯多款大型軍艦上也使用。但是這套動力裝置搭配俄羅斯海軍可謂“神器”呀,軍艦缺乏保養和油品低劣,俄羅斯的軍艦一出門濃煙滾滾,煙柱直衝雲霄,簡直堪比火山噴發。前段時間某島“蛙民”誤認庫茲涅佐夫號航母是我們的“遼寧”艦,這真的是“躺槍”了。
上世紀九十年代烏克蘭的燃氣輪機順理成章地進入了我國。烏克蘭的UGT-25000型燃氣輪機性能堪比LM2500,單臺輸出功率可達28000千瓦。進入二十一世紀後,烏克蘭由於經濟困難,同意向我國提供UGT-25000型燃氣輪機的全部技術,經過國產化改進之後的型號爲QC-280型,這個型號的燃氣輪機安裝到了052B/C/D等型號驅逐艦上。
目前我國最先進的055型萬噸驅逐艦也安裝了4臺QC-280型燃氣輪機,使得這滿載排水量超過1.2萬噸的大型驅逐艦可以披荊斬浪。055型的煙囪設置更隱身化,排氣管隱藏在艙壁之內並無突出,整體雷達反射截面積小,紅外輻射低。
未來我國的軍艦會採用什麼樣的動力系統呢?中國工程院院士,海軍工程大學教授、博士生導師,馬偉明院士給出了答案。馬偉明長期致力於獨立系統集成化發供電、電力電子、電力系統電磁兼容、艦船綜合電力系統技術等領域的研究,曾經兩次榮獲一等功和國家科技進步一等獎2項。他主持研發的艦船綜合電力系統技術已被下一代我國艦艇上,這套系統包括艦船的發電子系統、輸變電子系統、推進分系統、儲能子系統和能量管理子系統等,性能已經領先世界先進水平。
我國的艦船的動力系統由於起步低,曾經發展緩慢,但是我國的科學家並不放棄,相比於曾經高不可攀的對手,我們已經從望塵莫及追到部分望其項背、部分並駕齊驅,部分領先超越的新時代。頑強拼搏、自強不息的精神,這就是我們光榮的傳統。
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