在核動力誕生之前,蒸汽動力可以說在海軍強國的包括航母在內(nèi)的大中型水面艦艇中占據(jù)絕對的霸主地位。美國戰(zhàn)后發(fā)展的幾型常規(guī)動力航母,從“弗萊斯徹”級到“小鷹”級,均采用蒸汽動力,而蘇聯(lián)的航母也同樣采用蒸汽動力。蒸汽雖然具有系統(tǒng)復雜、配置自動化系統(tǒng)較難、占用的艙容大、施工周期長、維護工作量多以及經(jīng)濟性較差等缺陷,但是其單機功率大、技術成熟、壽命長、安全可靠、對燃料要求低的優(yōu)點,十分符合航母這種大噸位水面艦艇。
然而由于中國建國以來長期沒有實力發(fā)展大型水面艦艇,起步時引進的蘇聯(lián)驅(qū)逐艦蒸汽動力水平低,因此中國海軍在有實力大量建造中型以上驅(qū)護艦艇的時候,多使用柴油機+燃氣輪機的混合動力。因此中國只有單軸26.47MW( 36000馬力)蒸汽動力的生產(chǎn)能力,而缺乏發(fā)展性能指標接近或超過世界先進水平的50000-70000馬力蒸汽動力的技術。然而由于長期沒有大型艦艇的建造需求,我國連蒸汽動力相關研究、設計專業(yè)隊伍都嚴重缺乏,目前除某些工程學院還保留該專業(yè)設置外,原設有蒸汽動力專業(yè)的院、校均已取消該專業(yè)。
“小鷹”級是美軍最后一型常規(guī)動力航母,圖為該艦水兵在準備給航母鍋爐點火啟動。
在燃氣輪機上,我國雖然很早重視到了其對于現(xiàn)代化水面艦艇的意義,但由于整體渦輪發(fā)動機產(chǎn)業(yè)落后,長期處于屢戰(zhàn)屢敗而又屢敗屢戰(zhàn)的境地。
在上世紀50-70年代,中國就以前蘇聯(lián)技術為基礎,自主設計、實驗、制造200-25000kw燃氣輪機。1982年西安航空發(fā)動機公司利用國產(chǎn)渦扇9型研制出410A型艦用燃氣輪機,功率為13000馬力。410A研發(fā)歷時8年,于1988年元月完成150小時持久試車,運行安全,但缺點是燃氣等熵功率比設計計算值約低5%,輸出功率低了約3.8%,而被國內(nèi)用戶否決。1985年,中國從美國引進了4臺LM2500艦用燃氣輪機,用于兩艘052型驅(qū)逐艦。但1989年后中國海軍引進LM2500技術的計劃和合作生產(chǎn)FT-8燃氣輪機的計劃,均被美方單方面終止。當時我軍甚至一度面臨新型主力驅(qū)逐艦無動力可用的危險境地。直到1993年中國從烏克蘭引進單臺功率為33000馬力的GT25000燃氣輪機全套設計資料和加工工藝,才緩解了這一危機。目前GT25000國產(chǎn)化率接近90%,國內(nèi)型號為QC-280。特別是在“亞丁灣”護航5年以來,中國主力驅(qū)逐艦的國產(chǎn)燃氣輪機經(jīng)受住了條件惡劣、缺少后勤保障的挑戰(zhàn),仍舊保持較高的穩(wěn)定性和可靠性。
由于西方國家將燃氣輪機列為關鍵的國防安全技術,因此至今拒絕向中國轉(zhuǎn)讓任何相關技術,但國內(nèi)無論是軍用還是民用對燃氣輪機的需求非常強烈,因此在引進烏克蘭技術基礎之上,中國也具備一定的技術基礎,已經(jīng)擁有了重型燃氣輪機大型部件(非熱端部件)加工、整機裝配/試車、系統(tǒng)成套能力;具有了重型燃氣輪機超級合金冶煉、熱端部件制造初步能力;建立起了研究開發(fā)、設計、部件試驗基本條件。中國一航采用烏克蘭技術研制R0110(110MW)燃氣輪機就是典型代表。但R0110重型燃氣輪機主要應用于發(fā)電領域,在艦艇上使用必須經(jīng)過船用化的改造。烏克蘭的艦用燃氣輪機是走的專用設計路線,而西方國家主要走的是依靠先進航空發(fā)動機開發(fā)艦用燃氣輪機的路線。由于對燃氣輪機技術的渴求,這兩種路線在中國是并行存在的。如果使用QC-280艦用燃氣輪機,那么使用4臺最多驅(qū)動20000噸左右的輕型航母。目前英國的無敵級、意大利的“加里博迪”號航母和西班牙的“阿斯圖里亞斯親王”號這些輕型航母都采用了全燃動力。“阿斯圖里亞斯親王”號使用的就是兩臺LM-2500燃氣輪機。但中國要想建造中型以上航母,就必須研發(fā)艦用高功率燃氣輪機。例如60000噸的英國伊麗莎白女皇級航母,使用4臺MT-30燃氣輪機,該機是目前可用的功率最大艦用燃氣輪機,單機功率達到了36MW,即50000馬力,這已經(jīng)接近了重型蒸汽動力的水平。中國只有跨越現(xiàn)有QC-280的檔次,研制一款具有國際水平的先進燃氣輪機,才能滿足國產(chǎn)航母的需要。否則中國就要在蒸汽動力上下大力氣,這樣才能確保中國航母動力的需要。而未來發(fā)展大型乃至重型航母,蒸汽動力必不可少,使用燃氣動力已經(jīng)沒有必要,而且即便是核動力也需要蒸汽輪機的相關技術。
然而在目前中國的船舶動力中,主要的形勢是柴油機動力發(fā)展強勁,燃氣輪機動力技術尚在攻關,但蒸汽動力無論是技術還是投入都稍顯不足。柴油機動力的發(fā)展和中國造船出口的背景是分不開的。由于中低速柴油機是世界民船領域的絕對主力,有數(shù)據(jù)顯示以柴油機為動力的船舶占世界商船隊的95%以上。同時在軍用領域,中國由于燃氣動力儲備不足,在柴燃聯(lián)合動力上花的功夫就比較大,獲得的回報也豐厚。國內(nèi)建造出口國外的F25T型護衛(wèi)艦,采用柴燃聯(lián)合動力,其表現(xiàn)甚至超過了某些國外同級別的全燃動力護衛(wèi)艦。
羅羅公司的MT-30燃氣輪機是目前世界可用的功率最大艦用燃氣輪機。
在燃氣輪機領域,2002年7月國家科技部啟動了863計劃“燃氣輪機專項”。但這個專項主要的研制方向在重型燃氣輪機(R0110)和微型燃氣輪機,主要滿足我國未來能源發(fā)展的重大核心裝備。之所以沒有將艦用燃氣輪機列入其中,是因為從西方的經(jīng)驗來看,優(yōu)秀艦用燃氣輪機主要從航空發(fā)動機發(fā)展而來。目前中國已經(jīng)有多種航空發(fā)動機改燃機輪機投入使用或開始研制。例如昆侖渦噴發(fā)動機改QD128燃氣輪機已經(jīng)在西氣東輸工程中投入使用,太行渦扇發(fā)動機改燃氣輪機的7000KW級QD70燃氣輪機已在中原油田并網(wǎng)發(fā)電。但航空發(fā)動機改艦用燃機輪機還沒有公開的報道,這一方面是中國航空發(fā)動機本身技術的薄弱,另外艦用燃氣輪機和在陸地上使用環(huán)境有很大差別,艦艇本身要晃動,海上高鹽、高濕的環(huán)境也是不利的因素。
由于航空發(fā)動機對于中國空中安全的意義已經(jīng)得到了社會各界的公認,特別是已經(jīng)引起了政府高層的重視。根據(jù)2012年底的消息,各界矚目的航空發(fā)動機重大科技專項,日前已經(jīng)上報國務院,并有望于近期出臺。根據(jù)已有信息,該專項預計投入至少千億元資金支持國產(chǎn)航空發(fā)動機的自主研發(fā)與制造,這是迄今為止所有重大專項中投資規(guī)模最大的一個。從這個力度來看,中國艦用燃氣輪機的未來是相當光明的。
但是從航母發(fā)展的角度來看,中國采用全燃動力畢竟還不現(xiàn)實。蒸汽動力已經(jīng)成為首要的選擇。而且蒸汽動力航母未來還可以使用蒸汽彈射器,而全燃動力則和蒸汽彈射器不兼容,只能使用更先進的電磁彈射器,技術跨度更大。但相對于燃氣輪機,我國蒸汽輪機的整體發(fā)展環(huán)境并不理想。無論是在民船還是軍船領域,蒸汽動力的應用面都非常狹窄。過去民船的LNG大型液化氣船采用蒸汽動力,但近年也逐漸被低速柴油機和柴-電聯(lián)合動力所代替。而在軍船領域,中小型艦艇早已將蒸汽動力排除在外,只有在航母這類大型艦艇和核動力艦艇,安裝有蒸汽動力設備。因此中國過去忽視蒸汽動力發(fā)展也是“情有可原”。但正如上文所述,除非中國永遠不打算研發(fā)大型航母,否則必須保持一個“應用面小但技術含量高”的蒸汽動力技術。