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船用汽轮机

[拼音]:chuan yong qilunji

[外文]:marine steam turbine

用于推进船舶航行的汽轮机。1897年,英国C.A.帕森斯首次将2000马力 (1.5兆瓦)多级反动式汽轮机装于44.5吨的小艇“透平尼亚”号上,蒸汽初压为 1.4兆帕。这台汽轮机有高、中、低压3个汽缸,分别直接带动螺旋桨。小艇试航航速达34.5节(1节=1852/3600米/秒),超过了当时采用蒸汽机推进的驱逐舰航速,显示了汽轮机在舰船上应用的优越性,此后船用汽轮机就得到了较快的发展。

船用汽轮机的工作过程是连续的,可以采用较高的蒸汽初压、初温,并可膨胀到较低的背压,故效率比蒸汽机高。它有很大的通流面积,能通过较大的蒸汽量,单机功率较大,在大、中型舰、船上逐步取代了蒸汽机。船用汽轮机的最大功率受到螺旋桨的限制,一般不超过60兆瓦。有些大型军舰装 4台汽轮机,总功率达 210兆瓦。汽轮机是一种旋转式动力机械,运行平稳,工作可靠,维护方便。然而与船用柴油机和燃气轮机相比,它需要锅炉、凝汽器和管路等,设备较复杂;后动过程较长,操纵性较差;热效率也比柴油机稍低。它主要用于核动力舰船和功率大于25兆瓦的舰船上。

船用汽轮机的工作环境和使用条件与电站汽轮机不同。它安装在易变形的船体基座上,还经常受到船体摇摆、冲击的影响。它的正常运转直接关系到全船的安全,因而对可靠性要求更高。它的体积、重量也受到船体的严格限制。船舶在进出港口或执行任务时需要经常变速或倒航,因此对汽轮机的机动性也有特殊的要求。

船用汽轮机除功率小于 8兆瓦的有时用单缸外,一般都是双缸或三缸分轴并联布置。图1为较典型的双缸船用汽轮机组布置图。它由高压缸、低压缸、凝汽器、齿轮减速器等主要部分组成。分缸设计时可将高压轴和低压轴设计成不同的转速,尽量提高各级的轮周速度以增加级的焓降,减少级数。高压轴采用较高转速(5000~10000转/分),以缩小转子直径;增加前几级的叶片高度,以提高效率;低压轴采用较低转速(3000~5000转/分),以降低末几级叶片和轮盘的应力。采用分缸方式的好处是当汽轮机发生局部损坏时可用单缸运行,提高了船的可靠性。

低转速、大直径的船用螺旋桨效率较高。军舰上转速一般为150~400转/分,商船为80~150转/分。为此,除电力推进螺旋桨外,在汽轮机与螺旋桨之间一般都用减速比很大的齿轮减速器。高速、重载、高精度齿轮减速器是船用汽轮机组的关键部分,均采用2级或3级减速。为了抬高汽轮机的位置,以便在低压缸下放置凝汽器,在减速器中常将各级小齿轮置于同级大齿轮的上半部。在机舱高度受到限制的船舶中,有的将凝汽器置于低压缸的前端,汽轮机轴向排汽。

船用汽轮机可采用冲动式或反动式。为了提高机动性,大多采用整锻式或焊接式转子。一般在低压缸中设置2~3级倒车级。倒车功率通常为正车功率的40~50%。因倒车时间较短,对效率的要求不高,一般尽量减少级数,以使结构紧凑。级的焓降较大,常采用有缩放喷嘴的多列速度级。在正车级与倒车级之间装有挡板,以防倒航时高温排汽被大量吸入正车级,引起过热和消耗功率。

军舰在全速时要求汽轮机发出尽可能大的功率,以提高航速。但军舰在大部分使用时间内以低速(10~40%额定功率)巡航,故要求汽轮机在低负荷时有较高的效率,以增加续航力。功率大的舰用汽轮机组的高压部分常采用串、并联进汽方式(图2)。低负荷时,蒸汽先流过高压端,再进入中压端(图2a),按串联进汽方式工作,以提高效率。高负荷时,蒸汽同时进入高压端和中压端(图2b),按并联进汽方式工作,以增加蒸汽流量。功率较小的舰用汽轮机也常采用旁通调节法,即在高负荷时蒸汽绕过高压部分,直接进入低压部分,以增加蒸汽流量。

提高船用汽轮机组效率的措施有:

(1)提高蒸汽的初压和初温(已达8~10兆帕,510~535℃);

(2)采用中间再热;

(3)与燃气轮机组成联合装置;

(4)由主机带动船上用的发电机和各种泵。

核动力船舶常采用饱和蒸汽轮机和电力推进。电力推进是用汽轮机以恒转速带动发电机,再由电动机带动螺旋桨。机组布置比较方便,电动机变速和换向比较灵活,倒航功率可以增大,但传动效率稍低。

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