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舰用蒸汽轮机简介

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中将

五年服役纪念章一级铁十字勋章元老荣誉纪念章行政立法委旗手终身荣誉会员

发表于 2014-7-28 21:25:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 克虏伯火炮 于 2014-8-14 05:54 编辑

透平结构
蒸汽轮机的主要功能部件是蒸汽透平。
与往复式蒸汽机的汽缸-活塞结构不同,透平是旋转式的叶轮机械,它的主要结构是转子和汽缸体。转子外环和汽缸体内环分别有一圈一圈的叶片,其中汽缸体上的叶片环称作静叶栅,或者叫喷嘴环,转子上的叶片环称作动叶栅。喷嘴环和动叶栅交替排列,通常一圈喷嘴环和一圈动叶栅构成一“级”,透平就是由许多“级”串列组成的,如图1:

图1蒸汽轮机结构图
从锅炉引来的高压蒸汽进入透平后,以接近绝热膨胀的状态依次从各级叶栅中高速流过。
绝热膨胀的过程中,蒸汽的压力和温度降低,同时速度增大,此时蒸汽的一部分热能转换成动能。高速气流在随后的动叶栅中大角度转向,这就施加给动叶一个圆周向的力,推动转子高速旋转,从而将气流动能转化成轴功率输出。
经过多级叶栅的膨胀做功之后,温度压强都大幅降低、不再有做功能力的“乏蒸汽”进入冷凝器重新凝结成水,返回锅炉。
轴系结构
当汽轮机功率大、级数多时,需要分轴以免轴系长度太大。一般而言功率大于1万马力的舰船汽轮机都使用分轴结构,即转子分成高、低压透平两轴或者高、中、低压透平三轴。
舰船经常需要快速减速或者倒航,但螺旋桨叶片扭转方向是不能改变的(当时没有变距桨技术),这就要求主轴必须能够反向旋转。不过,透平叶片扭转方向同样也决定了透平轴的旋转方向,因此透平也不能直接反转,解决办法是设置倒航透平,也就是在主轴上增加一组叶片扭转方向与正车透平相反的涡轮。当主轴需要反转时,蒸汽不从正车透平流过,而是从倒车透平流过,此时主轴就反转了。
在20世纪初期,大部分大型战舰的主机都采用一台轮机分成二轴,由高低压透平各驱动一根主轴的结构形式,每一根主轴上同时包含一个倒车透平组,如图2所示为英国无畏号战列舰所装备的帕森斯式蒸汽轮机:

图2一战时典型的分轴驱动蒸汽轮机系统
由图可见,这台(更严谨一点,应该用“套”这个单位)蒸汽轮机包含多个透平,其中高压正车透平和高压倒车透平共轴,驱动外侧轴;一体化汽缸结构的低压正车/倒车透平和巡航透平共轴,驱动内侧轴。
蒸汽的流向和工作流程是复杂且多变的,通过蒸汽管路上的多个阀门控制:大功率正车时,蒸汽通过高压正车透平——低压正车透平之后进入冷凝器;小功率巡航航行时,蒸汽通过巡航透平——高压正车透平——低压正车透平,再进入冷凝器;倒车时,蒸汽则通过高压倒车透平——低压倒车透平进入冷凝器。
倒车透平和正车透平在蒸汽流路上是隔开的,即使是一体化汽缸结构的低压正车/倒车透平,蒸汽流路也是分开的,如图3所示:

图3无畏号的低压正车/倒车透平
左侧叶片高度小、级数少的是倒车透平,右侧叶片高度大、级数多的是正车透平。“17”为蒸汽入口,它在汽缸左右两侧的空腔不能同时与蒸汽管道接通,由阀门控制只接通一个。正车时蒸汽从右侧进入汽缸,通过正车透平驱动主轴正向旋转;倒车时蒸汽从左侧进入汽缸,通过倒车透平驱动主轴反向旋转。
倒车透平之所以叶片高度小、级数少,是为了降低重量。毕竟倒航只占全部航行时间的极少部分,不值得为了保证效率而浪费重量。

在蒸汽机时代,蒸汽机通过曲轴直接驱动主轴和螺旋桨。但到了蒸汽轮机时代,直接传动就有很大的缺点,即主机的转速不能与螺旋桨良好匹配。这是因为要想让蒸汽轮机有高的内效率,就必须使用较高的转速,但主轴也就是螺旋桨转速过高,则会产生空泡而严重降低推进效率。直到1909年英国帕森斯公司研制出减速齿轮装置,才解决了这个矛盾。通过减速齿轮箱驱动主轴的蒸汽轮机称为齿轮减速蒸汽轮机。
齿轮减速蒸汽轮机不仅解决了主机转速和螺旋桨转速的匹配问题,同时也大幅度降低了蒸汽轮机的体积和重量。因为输出功率等于扭矩乘以转速,所以涡轮转速增高,发出相同的轴功率时需要的扭矩就小,这可以减小其主轴直径以及相关结构的尺寸。而结构重量是与直径尺寸呈平方甚至立方关系的,显然减小主轴直径以及相关结构的尺寸可以显著降低机组重量。
齿轮减速也给高低压透平轴各自使用不同的转速、然后经过齿轮箱并车提供了可能,因此从20世纪10年代开始,为了提高战舰动力装置的生存能力,战舰基本上都遵从了“一机一桨制”,即一台(套)蒸汽轮机的不同透平轴通过齿轮箱联动,只驱动特定的一根主轴,如图4所示:

图4齿轮传动单桨蒸汽轮机结构
就连进行现代化改造的旧式战舰,只要更换新的轮机,一般也都实现了一机一桨的配置,比如意大利的加富尔级、日本的金刚级、扶桑级、英国的伊丽莎白女王级等。

冲动式和反动式
如前所述,蒸汽在定叶栅中要绝热膨胀,速度增加后进入动叶栅。但在动叶栅中,蒸汽可能仅仅是流动方向发生变化,也可能继续进行绝热膨胀过程;前者称为“冲动式”涡轮级,后者称为“反动式”涡轮级。
两者相比较,反动式涡轮级的优点是效率较高,而缺点则是单级焓降较低,也就是蒸汽通过单级涡轮级时所能降低压力的幅度较小。显然,单级焓降小,那么对于同样初始压力的蒸汽来说,降低到冷凝器压力就需要更多的“级”数,总级数多就导致整个蒸汽轮机长度大、重量大。而同样参数下的冲动式汽轮机只需要反动式汽轮机级数的一半。
在20世纪初,适于当时舰船用的反动式蒸汽轮机以英国帕森斯公司的产品为代表,冲动式蒸汽轮机则有瑞典的德拉伐尔公司和柯蒂斯公司的产品。但是冲动式汽轮机因为单级焓降大、涡轮叶片前后压差大,因此叶片受力大,尤其是在大功率装置中容易出现振动问题,并且在很长的一段时间内都没有得到解决。这使得早期的冲动式舰船汽轮机故障频发,最终导致了布朗-柯蒂斯公司的消亡。在此期间内帕森斯式汽轮机几乎包揽了世界各国舰船的轮机订单。
但是冲动式汽轮机并没有停止发展,终于通过改进叶片和流道形状、增加拉筋等措施克服了振动问题。反而反动式汽轮机则在材料技术进步、蒸汽初参数大幅提高之后遇到了困难,因为蒸汽初压力越高,就越需要更多的级数,最终导致反动式汽轮机长度太大,不适合舰船使用。
此后冲动式汽轮机逐渐成为舰船动力的主流,绝大多数大功率、高参数的舰船蒸汽轮机都是使用冲动式汽轮机,或者高压涡轮使用冲动级、低压涡轮才用反动级。少数仍用反动式汽轮机的,也设置了双列速度级(一种串列的冲动式涡轮级)作为调节级。因双列复速调节级能够实现较大的焓降,可以让其出口的蒸汽温度、压力明显下降,这就缓解了其后反动式涡轮级单级焓降低、需要级数过多的压力。

热效率和单位燃耗
即使不考虑燃料价格的问题,舰船上能够携带的燃料数量也是受限的。因此动力装置的热效率越高,其航程和活动半径就可以越大。
与火力发电站用热效率作比较指标不同,舰船动力系统常用单位燃耗来衡量燃料经济性,这一点与舰船钢板厚度常用“磅/平方英寸”来标注是类似的,原因是便于计算。
单位燃耗就是某输出功率状态下舰船的燃料消耗率(吨/小时),除以此时的输出功率(马力),其单位是“克/马力•时”,即折算出动力系统每输出1马力功率、维持1小时所消耗的燃料数量。显然,1马力功率即746瓦乘以3600秒,除以单位燃耗再除以燃料低位发热值,其结果就是动力系统的热效率。
二战前后军舰普遍采用重油作燃料,其低位发热值一般在41000-42000kJ/kg,当时效率较高的蒸汽动力装置在设计功率下的单位油耗在320-350克/马力•时,折算成热效率约18%-20%。
二战后舰用蒸汽轮机动力发展到顶峰时的产品比如美国最后一级常规动力航空母舰小鹰级(此后美国航母采用了核动力),以及同时代的驱逐舰(此后的美国驱逐舰采用了燃气轮机动力)所用的动力装置,其最低单位油耗也要268-280克/马力•时,折算成热效率只有23%-25%。
需要注意,同一套动力装置并不是在任何工作状态下单位燃耗都相同,而是与负荷率有关,即汽轮机实际输出功率与额定输出功率的比值。通常战舰动力装置在额定功率的50-80%工作状态下有最低的单位燃耗,之所以如此,是为了兼顾高航速和低航速时的经济性。
以俾斯麦级战列舰的动力装置为例,它在额定功率13.8万马力工作状态(负荷率100%)下,单位油耗为325克/马力•时;输出功率为11.55万马力状态(负荷率84%),单位油耗为320克/马力•时;输出功率为7万马力状态(负荷率51%),单位油耗为335克/马力•时;输出功率为3.9万马力状态(负荷率28%),单位油耗为370克/马力•时;输出功率为2.5万马力状态(负荷率18%),单位油耗为415克/马力•时;输出功率为1.5万马力状态(负荷率11%),单位油耗为500克/马力•时。
小字部分慎入:
一般而言,只有在一个特定的负荷率即设计工况下,蒸汽进入动叶栅的相对进汽角与动叶片进口角相等,此时冲角为0,蒸汽绕流叶片时不会发生撞击叶片或者脱离叶片的现象,因此汽轮机才能达到自身最高的热效率。在偏离设计工况时,因冲角变大或者变小,蒸汽会撞击动叶片的叶背或者叶腹,产生能量损失,导致涡轮级内效率下降。尤其是当低于设计工况时,随着负荷率的下降,动力装置的热效率会迅速下降,即单位油耗显著上升。
这种热效率随负荷率变化的特点不是蒸汽轮机独有的,可以说是任何热机的共性。
为了改善低负荷率下的经济性,可以设置“巡航透平”。简单地说,巡航透平就是设计流量比主透平小、仅在巡航状态下工作的透平。巡航透平不一定是一个独立的透平,并且巡航机组的设计和工作流程是相当复杂的,
有巡航透平的动力装置,巡航功率下的单位油耗相比于高功率状态下增加幅度可明显减小。仍以俾斯麦级战列舰为例,其姊妹舰提尔皮茨号的动力装置与俾斯麦号不同,它装有巡航透平,在输出功率12.8万马力状态下汽耗3.35千克/马力•时,输出功率10.2万马力状态下汽耗3.34千克/马力•时,输出功率7.7万马力状态下汽耗3.36千克/马力•时,输出功率5.3万马力状态下汽耗3.37千克/马力•时,输出功率3.3万马力状态下汽耗3.55千克/马力•时,输出功率1.62万马力状态下汽耗3.98千克/马力•时。可见,与其姊妹舰相比,其负荷率-单位油耗曲线相当平坦,低负荷下的经济性有明显改善。

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中将

五年服役纪念章一级铁十字勋章元老荣誉纪念章行政立法委旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2014-7-28 21:26:29 | 显示全部楼层
题外话之蒸汽轮机低效落后?
其实,作为三大成熟热机基本类型之一,蒸汽轮机的热效率并不比柴油机和燃气轮机低。现代最先进的蒸汽轮机火力发电站净发电效率可达45-47%,高于最先进的非联合循环燃气轮机,也高于大部分柴油机。以我所知的热效率最高的简单循环燃气轮机,是美国GE公司的LM6000和英国RR公司的Trent 60 ,其额定功率下的热效率分别为41.5%和42.1%;大部分车船用的高速柴油机额定功率下热效率为40-45%;只有笨重的大型民船所用的大缸径(缸径500毫米以上甚至超过1米)长行程(行程缸径比3以上)低速(转速200rpm以下,直接驱动螺旋桨)二冲程涡轮增压柴油机,热效率才可达50%以上。因此,说蒸汽轮机“落后”、“效率低”是站不住脚的。
但舰用蒸汽轮机动力装置,即使是代表最高水平的产品比如20世纪60年代的美国战舰动力系统、我国现代级驱逐舰的动力系统,单位油耗也要268-280克/马力•时,折算成热效率只有23%-25%。是什么原因限制了舰用蒸汽轮机动力装置的热效率呢?
首先地面电站对经济性的要求放在第一位,所以为了提高热效率而采用尽量高的蒸汽初参数;而战舰动力系统把可靠性和便于维护的要求放在第一位,因此毫无例外地都采用相对较低的蒸汽参数。二战前英国一些火电站也已经采用450℃的蒸汽,但乔治五世级战列舰还是使用了371℃的蒸汽初温;20世纪50年代美国苏联等国已经开发了蒸汽初温22MPa、565℃的超临界火力发电站,但小鹰级航母和孔兹级驱逐舰等仍仅使用了8.45MPa、510℃的蒸汽参数。
第二个原因,其实也是更重要的因素是对装置总重量、体积的要求。空间和重量对于战舰来说是十分宝贵的,因此要求军舰上的各种装置要尽量轻、尽量小。而地面装置不受装置的体积、重量、占地面积的制约,所以火电站为了提高热效率,不像军舰汽轮机那样使用简单的朗肯循环(即蒸汽一次性通过各级透平并回到冷凝器循环),而是使用复杂的蒸汽循环,通过再热和多级抽汽回热,大幅度地增加了热效率。再热就是让在高压涡轮中膨胀做功(温度降低)后的蒸汽,回到锅炉再被加热到新蒸汽温度或者更高一点的温度,然后进入中、低压涡轮继续膨胀做功。再热实际上是提高了工质——水的平均吸热温度,从而可以提高卡诺效率。抽汽回热则是在涡轮某些级处分别抽出一部分蒸汽,注入到对应压力等级处的给水管路中去加热给水。实际上抽汽回热是回收了一部分水蒸汽的汽化热节省了燃料。这样做显然减少了同样数量的蒸汽所能做的功,但是由于给水温度得以升高,节省了燃料消耗,而且节省的燃料热量远远大于这部分蒸汽因回注而少做的功。所以汽轮机的热效率能够得到提高。军舰蒸汽轮机不采用再热,这是因为再热蒸汽压力低,比体积大,所以再热需要大幅度增大锅炉以及相应蒸汽管道的体积和重量。舰用蒸汽轮机也很少采用抽汽回热,最多只采用一级抽汽,而且其主要目的也不是为了回热,而是用于给水除氧。不采用抽汽回热则是因为在负荷较低的情况下,抽汽回热器难以正常工作。
同样,为了节省燃料,火电站锅炉设置了繁多的受热面,充分吸收烟气的热量,烟气排出烟囱的温度低于200℃,而舰用锅炉为了节省重量,通常简化受热结构,比如前述的不再热也就省掉了再热器,有时也不设置空气预热器甚至省煤器。
此外,火电站冷凝器中的凝汽压力也寻求尽量低,以充分发挥蒸汽的做功能力,一般在0.002-0.003MPa,而军舰上的冷凝器为了节省体积重量,采用较高的凝汽压力,通常在0.02-0.03MPa。
实际上,军舰动力系统因简化结构减轻重量可以多携带燃料,这样在装置总重量(包括燃料重量在内)相同时,反而可以得到更大的续航力。以1944年英国Foster wheelor 公司制造的蒸发量均为10万磅/小时的水管锅炉为例,陆地电站用的燃煤锅炉重740吨,商船燃油锅炉重145吨,而战舰燃油锅炉仅23.8吨。再算上汽轮机、蒸汽管线、冷凝器及各种辅助系统的差别,采用简单朗肯循环是战舰蒸汽动力装置节省下来的重量是相当惊人的,是在总重量被限定条件下提高续航能力的正确选择。

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上士

五年服役纪念章

发表于 2014-7-28 23:02:04 | 显示全部楼层
好文拜读
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二等兵

三年服役纪念章

发表于 2014-7-29 14:11:16 | 显示全部楼层
不知道有没有讲锅炉的
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列兵

发表于 2014-7-31 03:39:16 | 显示全部楼层
天,好棒的文章
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一等兵

发表于 2014-7-31 09:42:26 | 显示全部楼层
good
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列兵

发表于 2014-7-31 22:13:25 | 显示全部楼层
好文章。能不能继续讲讲其他的。
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二等兵

三年服役纪念章

发表于 2014-8-1 23:11:13 | 显示全部楼层
老爷!老爷!
能不能给个反击式汽轮机的动态图
虽然在文献上看到过解释

但是完全看不懂!(baka泥垢了
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二等兵

二年服役纪念章

发表于 2014-8-1 23:26:39 | 显示全部楼层
串并联设计也是降低巡航油耗的一种方法吧?巡航时蒸汽依次通过各级涡轮,获得最大的膨胀比,提高效率。冲刺时蒸汽分流通过部分涡轮,获得最大的蒸汽通量,提高功率。不像专用巡航机方案,在高工况时巡航机不工作。
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列兵

发表于 2014-8-3 21:51:38 | 显示全部楼层
zhe真是技术文章。好文!
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上将

六年服役纪念章功勋勋章钻石金双剑金橡叶铁十字勋章行政立法委骑士团勋章政道纪念章旗手终身荣誉会员

发表于 2014-8-4 18:37:57 来自手机 | 显示全部楼层
猛击者52 发表于 2014-8-3 21:51
zhe真是技术文章。好文!

受益良多。
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列兵

二年服役纪念章

发表于 2014-8-11 11:48:10 | 显示全部楼层
有些术语还不太懂,但是LZ的文章勾起了我的求知欲
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一等兵

三年服役纪念章

发表于 2014-8-12 22:57:15 | 显示全部楼层
油耗单位能否统一下,前面是油耗克/马力时,后面是汽耗千克/马力时。
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中将

五年服役纪念章一级铁十字勋章元老荣誉纪念章行政立法委旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2014-8-13 05:34:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 克虏伯火炮 于 2014-8-13 05:42 编辑
cool4587 发表于 2014-8-12 22:57
油耗单位能否统一下,前面是油耗克/马力时,后面是汽耗千克/马力时。

提尔皮茨不同输出功率状态下的经济性数据用汽耗比较,是因为我没有它直接的油耗数据。
汽耗就是单位功率单位时间消耗的蒸汽质量流量,对不同输出功率下蒸汽初温初压不变的汽轮机来说基本上与油耗成正比。

对于这种没有再热、回热的纯朗肯循环,单位油耗乘以燃料热值乘以锅炉效率,除以(蒸汽焓值减给水焓值),就等于单位汽耗。
当然了在不同输出功率条件下锅炉效率会有一定变化,但变化幅度不很大。
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中将

五年服役纪念章一级铁十字勋章元老荣誉纪念章行政立法委旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2014-8-13 05:38:48 | 显示全部楼层
自我的信仰 发表于 2014-8-11 11:48
有些术语还不太懂,但是LZ的文章勾起了我的求知欲

赞。
分享学习所得,和“勾起大家的求知欲”,共同提高,本就是本论坛管理层追求的方向。
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中将

五年服役纪念章一级铁十字勋章元老荣誉纪念章行政立法委旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2014-8-13 06:09:25 | 显示全部楼层
冬眠的龙凰 发表于 2014-8-1 23:11
老爷!老爷!
能不能给个反击式汽轮机的动态图
虽然在文献上看到过解释

动态图我是没有的。

反动式和冲动式在外观上的主要差别是动叶片的形状。反动式动叶片与静叶片相似,前面厚后面薄,两片叶片之间的空间也就是“流道截面”前宽后窄,如图:


下面一列为动叶,可见其流道前后截面面积明显不同,与静叶栅流道面积变化相似。
高压气体经过前宽后窄的流道时,因质量守恒,也就是在任一位置质量流量相同,因此越往后就需要速度越大。速度增大需要动能增加,而动能只能通过其膨胀做功得到。因此高压气体经过反动式涡轮级的动叶栅时必须产生膨胀降压。

严格意义上的冲动式涡轮级,动叶片与静叶片形状完全不同,前后基本对称,流道面积也前后相同,因此高压气体通过时只发生流向上的偏转,而不发生膨胀。
但实际上真正得到应用的冲动式涡轮级,都是有一定“反动度”的,流道截面也稍有减小,这是因很多客观因素决定的。不过从叶形上看,带反动度的冲动式叶片仍具有明显的纯冲动式的特征,如图:


右侧为动叶,可见其流道前后截面稍有减小,所以有一定的反动度。但变化幅度没有反动式明显。
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一等兵

二年服役纪念章

发表于 2014-8-13 22:50:28 | 显示全部楼层
好文,先存再细读。不过职业病,一扫看到图4下面一行“一机一浆”,是一桨
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上士

四年服役纪念章

发表于 2014-8-13 23:23:08 | 显示全部楼层
好文,邮轮史论坛的那一篇船用蒸汽机发展简谈也不错,可惜论坛登不上去了,可惜了。
千年古邑襟吴楚 百载皖都仲汉宁
内军械所工业史 巡抚衙门辛亥魂
迎江寺里听风雨 黄梅戏中说古今
天柱圣境诗仙慕 文化启蒙独秀擎
人杰地灵今非昔 高铁绕城复无伦
无情最是长江水 兴衰成败匿无声
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中将

五年服役纪念章一级铁十字勋章元老荣誉纪念章行政立法委旗手终身荣誉会员

 楼主| 发表于 2014-8-14 05:54:34 | 显示全部楼层
爱澜 发表于 2014-8-13 22:50
好文,先存再细读。不过职业病,一扫看到图4下面一行“一机一浆”,是一桨 ...

已改,多谢指正。
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列兵

发表于 2014-8-15 10:45:11 | 显示全部楼层
太专业了,啃不下来啊
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