汽輪機(jī)動力裝置

汽輪機(jī)動力裝置的優(yōu)點(diǎn)是單機(jī)功率大，效率高。這是因?yàn)榇闷啓C(jī)都采用了減速裝置，汽輪機(jī)可以更高的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，從而提高了效率，機(jī)體尺寸也可以相應(yīng)縮小，整個裝置更加緊湊，重量也大大減輕,螺旋槳工作效率也大大提高。同時，汽輪機(jī)工作可靠，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無振動和噪聲，檢修工作量小，還可以燃用劣質(zhì)油，所以，汽輪機(jī)成為理想的大功率船用動力裝置。至今某些大型船舶和高速艦艇上仍采用汽輪機(jī)動力裝置。

汽輪機(jī)的缺點(diǎn)是油耗高，即使采用再熱循環(huán)的汽輪機(jī)裝置，每馬力小時的油耗仍達(dá)180～190克，比低速柴油機(jī)高40%左右。正是這樣的原因，柴油機(jī)動力裝置由于單機(jī)功率、燃燒劣質(zhì)油的能力和可靠性的提高，逐漸取代了汽輪機(jī)。

蒸汽機(jī)在船舶上的應(yīng)用是人類在交通運(yùn)輸領(lǐng)域所取得的重大突破，具有跨時代的意義。蒸汽機(jī)可分為往復(fù)式蒸汽機(jī)與蒸汽輪機(jī)兩種，由于功重比與效率的優(yōu)勢，蒸汽輪機(jī)已經(jīng)完全取代了往復(fù)式蒸汽機(jī)。一個典型的蒸汽輪機(jī)動力裝置主要由4部分組成，即供水泵、水管鍋爐、渦輪機(jī)以及冷凝器，利用鍋爐燒出來的蒸汽，沖擊葉輪使其旋轉(zhuǎn)，從而帶動推進(jìn)器產(chǎn)生推力。蒸汽輪機(jī)動力裝置具有功率大、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，但其熱效率低、重量大，某些運(yùn)動部件由于運(yùn)轉(zhuǎn)慣性過大而難以平衡，所以目前已較少使用。

汽輪機(jī)動力裝置的主機(jī)是汽輪機(jī)，又稱蒸汽透平，它是一種將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換成為機(jī)械功的旋轉(zhuǎn)式動力機(jī)械。它的主要用作發(fā)電用的原動機(jī)，也可直接驅(qū)動各種泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和船舶螺旋槳等。還可以利用汽輪機(jī)的排汽或中間抽汽滿足生產(chǎn)和生活上的供熱需要。

船舶汽輪機(jī)一般由高壓缸、低壓缸兩個汽缸組成，如圖1所示。蒸汽由鍋爐產(chǎn)生后進(jìn)入高壓缸、低壓缸后，逐級進(jìn)行膨脹，蒸汽推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，蒸汽的部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)槠鲃幽?，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成汽輪機(jī)軸上的機(jī)械能。汽輪機(jī)通過聯(lián)軸器，齒輪減速箱和軸系帶動螺旋漿推進(jìn)器轉(zhuǎn)動，螺旋漿推進(jìn)器將軸系傳遞的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿铀耐屏Γ苿哟斑\(yùn)動。

鍋爐產(chǎn)生的蒸汽首先送入高壓缸，做功后經(jīng)連通管進(jìn)入低壓缸，繼續(xù)膨脹做功；倒車級設(shè)置在低壓缸內(nèi)，由專門的倒車調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)汽量，低壓缸為兩頭進(jìn)汽。對于主汽輪機(jī)組調(diào)節(jié)回路可以采用兩種方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，分別是改變進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量，或改變蒸汽參數(shù)。前者是保持鍋爐提供的蒸汽參數(shù)不變，通過開大或關(guān)小噴嘴閥的開度，使蒸汽節(jié)流面改變從而改變作功能力，通常稱為節(jié)流控制。后者是改變鍋爐提供的蒸汽流量參數(shù)，使不同的穩(wěn)定工況分別對應(yīng)于噴嘴閥處于全開的狀態(tài)，通常稱為噴嘴控制或汽量控制。由于在設(shè)計(jì)時已考慮噴嘴閥在全開時壓力損失較小，所以不影響機(jī)組的效率。由于船舶主汽輪機(jī)的工況較多，又不可能設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的噴嘴閥，故通常將噴嘴控制與節(jié)流控制相結(jié)合。

船舶動力裝置為船舶提供推進(jìn)力，主要有蒸汽輪機(jī)動力裝置、柴油機(jī)動力裝置、汽輪機(jī)動力裝置、電力推進(jìn)裝置、氫燃料內(nèi)燃機(jī)等幾種。船舶動力裝置的發(fā)展與人類對自然能源的利用息息相關(guān)。在20世紀(jì)初期石油大規(guī)模使用以前，煤是主要燃料。上個世紀(jì)70年代發(fā)生的石油危機(jī)與日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，使得西方發(fā)達(dá)國家逐步將目光從石油燃料向非石油燃料上轉(zhuǎn)移。在此背景下，生物燃料應(yīng)運(yùn)而生，人們甚至制造出了以植物油為燃料的發(fā)動機(jī)。然而，碳是生物燃料的主要成分之一，使用生物燃料時仍會釋放出CO2，并不能根除其對大氣造成的污染。天然氣是一種清潔能源，用作燃料時對環(huán)境的污染較小。更理想的能源是氫氣，目前已經(jīng)得到了全世界的廣泛重視，并已在汽車發(fā)動機(jī)領(lǐng)域取得了不少突破，因此其在船舶動力系統(tǒng)中的應(yīng)用也指日可待。

汽輪機(jī)作為船舶動力裝置出現(xiàn)在1896年，英國人C.帕森成功地將他發(fā)明的汽輪機(jī)作為推進(jìn)動力機(jī)應(yīng)用于一艘快艇上，試航速度達(dá)每小時34.5海里。此后汽輪機(jī)廣泛用于大功率船上。

早期的船用汽輪機(jī)直接驅(qū)動螺旋槳，不經(jīng)過減速。為了使螺旋槳能在理想的轉(zhuǎn)速下工作，后來在汽輪機(jī)動力裝置上加裝了減速齒輪，使汽輪機(jī)和螺旋槳都能以各自的最佳速度運(yùn)轉(zhuǎn)。到1916年，幾乎所有的船用汽輪機(jī)都采用了減速裝置，減速比由初期的1:20提高到1:80以上。

船舶汽輪機(jī)動力裝置的運(yùn)行環(huán)境是在海洋中，那么它與固定式的電站汽輪機(jī)裝置是不同的，具體來說有以下特點(diǎn)：

服從螺旋漿工作規(guī)律

船舶的任務(wù)是按照行駛的需要，以一定的速度和方向航行。因此，為了滿足船舶航行任務(wù)的需要，汽輪機(jī)的主要完成的任務(wù)是，帶動螺旋漿轉(zhuǎn)動，使之推動船舶航行。因而，汽輪機(jī)功率必須滿足螺旋漿的需要，所以汽輪機(jī)必須按帶動的螺旋漿轉(zhuǎn)動的規(guī)律工作。航速改變是通過改變螺旋漿的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，隨之需要控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速。這就是船舶動力裝置的主要特點(diǎn)。

控制系統(tǒng)的要求

船舶航行時工況經(jīng)常變化，需要汽輪機(jī)能夠在各種工況下穩(wěn)定工作，而且負(fù)荷變化范圍大，所以船舶汽輪機(jī)動力裝置要有高的控制性。這也是船舶汽輪機(jī)和陸用火電汽輪機(jī)裝置的一個很大的不同點(diǎn)。

重量尺寸的限制

由于船舶是利用本身的設(shè)備，來自行移動的移動式建筑物，因而汽輪機(jī)的重量尺寸以及燃料消耗的影響都不能與電廠固定式的汽輪機(jī)同等對待。汽輪機(jī)裝置的重量和尺寸越大，它占用的排水量和容積就越大。所以船舶汽輪機(jī)的重量和尺寸就受到了限制，不能太大。

利用蒸汽熱能作功的熱能動力裝置。其基本組成部分有汽輪機(jī)本體、凝汽器、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵、給水加熱裝置以及這些部件之間的管道和附件。汽輪機(jī)發(fā)電動力裝置與電廠鍋爐配套，組成火電廠的動力部分。汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)組成汽輪發(fā)電機(jī)組，前者驅(qū)動后者發(fā)出電能。

原理由鍋爐產(chǎn)生的具有一定壓力和溫度的過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功，蒸汽的壓力和溫度都大為降低，排汽進(jìn)入凝汽器，在循環(huán)水的冷卻作用下凝結(jié)成水，其潛熱由從循環(huán)水泵不斷送入凝汽器的循環(huán)水帶走。排出的凝結(jié)水由凝結(jié)水泵從凝汽器底部的集水箱中抽出，經(jīng)由回?zé)嵯到y(tǒng)及給水泵后,送往鍋爐作為鍋爐的給水(見圖)。

⑤實(shí)行熱電聯(lián)產(chǎn)。2100433B

壓水堆核電站的汽輪機(jī)與火電廠的汽輪機(jī)在原理上沒有什么差別，只是由于反應(yīng)堆冷卻劑溫度的限制，在蒸汽發(fā)生器中只能產(chǎn)生壓力較低的飽和蒸汽或微過熱蒸汽。與火電廠的高參數(shù)汽輪機(jī)相比，核電站的飽和汽輪機(jī)汽耗約大一倍，排汽容積流量約大60～70％，它的轉(zhuǎn)輪葉片也較長，主要部件的尺寸和重量也相應(yīng)增大。

飽和蒸汽汽輪機(jī)是在濕蒸汽區(qū)工作，蒸汽在汽輪機(jī)各級膨脹過程中產(chǎn)生大量水分。為了防止水蝕，除對在水蝕區(qū)工作的部件噴鍍或堆焊一層13％的鉻鋼保護(hù)層外，一般在高壓缸與低壓缸之間裝有汽水分離再熱器，以提高循環(huán)效率并減少葉片水蝕。核電站的飽和蒸汽汽輪機(jī)，在事故條件下，超速較大，要采取措施加以防止。2100433B

汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，摩擦、磨損較小，振動、噪聲較輕，對劣質(zhì)燃料適應(yīng)性強(qiáng)。但由于需配置鍋爐等輔助設(shè)備，單位重量大，熱效率較低，起動時間長，限制了它在中小型船舶上的使用。近年來由于采取提高蒸汽初始參數(shù)，實(shí)行多級回?zé)崾浇o水預(yù)熱系統(tǒng)和軸向排氣、制造上系列化、通用化和簡單化以降低造價(jià)，采用低速螺旋槳等措施，汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性已有較大提高，擴(kuò)大了它在船舶上應(yīng)用的范圍。2100433B