汽輪機動力裝置介紹

蒸汽機在船舶上的應(yīng)用是人類在交通運輸領(lǐng)域所取得的重大突破，具有跨時代的意義。蒸汽機可分為往復(fù)式蒸汽機與蒸汽輪機兩種，由于功重比與效率的優(yōu)勢，蒸汽輪機已經(jīng)完全取代了往復(fù)式蒸汽機。一個典型的蒸汽輪機動力裝置主要由4部分組成，即供水泵、水管鍋爐、渦輪機以及冷凝器，利用鍋爐燒出來的蒸汽，沖擊葉輪使其旋轉(zhuǎn)，從而帶動推進器產(chǎn)生推力。蒸汽輪機動力裝置具有功率大、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉等優(yōu)點，但其熱效率低、重量大，某些運動部件由于運轉(zhuǎn)慣性過大而難以平衡，所以目前已較少使用。

汽輪機動力裝置的優(yōu)點是單機功率大，效率高。這是因為船用汽輪機都采用了減速裝置，汽輪機可以更高的速度運轉(zhuǎn)，從而提高了效率，機體尺寸也可以相應(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，汽輪機工作可靠，運轉(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動力裝置。

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

船舶動力裝置為船舶提供推進力，主要有蒸汽輪機動力裝置、柴油機動力裝置、汽輪機動力裝置、電力推進裝置、氫燃料內(nèi)燃機等幾種。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世紀初期石油大規(guī)模使用以前，煤是主要燃料。上個世紀70年代發(fā)生的石油危機與日益嚴重的環(huán)境問題，使得西方發(fā)達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)運而生，人們甚至制造出了以植物油為燃料的發(fā)動機。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。

汽輪機動力裝置的主機是汽輪機，又稱蒸汽透平，它是一種將蒸汽的能量轉(zhuǎn)換成為機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械。它的主要用作發(fā)電用的原動機，也可直接驅(qū)動各種泵、風(fēng)機、壓縮機和船舶螺旋槳等。還可以利用汽輪機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)生后進入高壓缸、低壓缸后，逐級進行膨脹，蒸汽推動汽輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，蒸汽的部分熱能轉(zhuǎn)變?yōu)槠鲃幽?，進而轉(zhuǎn)換成汽輪機軸上的機械能。汽輪機通過聯(lián)軸器，齒輪減速箱和軸系帶動螺旋漿推進器轉(zhuǎn)動，螺旋漿推進器將軸系傳遞的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿铀耐屏?，推動船舶運動。

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)閥控制進汽量，低壓缸為兩頭進汽。對于主汽輪機組調(diào)節(jié)回路可以采用兩種方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，分別是改變進入汽輪機的蒸汽量，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)計時已考慮噴嘴閥在全開時壓力損失較小，所以不影響機組的效率。由于船舶主汽輪機的工況較多，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。

汽輪機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)明的汽輪機作為推進動力機應(yīng)用于一艘快艇上，試航速度達每小時34.5海里。此后汽輪機廣泛用于大功率船上。

早期的船用汽輪機直接驅(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，后來在汽輪機動力裝置上加裝了減速齒輪，使汽輪機和螺旋槳都能以各自的最佳速度運轉(zhuǎn)。到1916年，幾乎所有的船用汽輪機都采用了減速裝置，減速比由初期的1:20提高到1:80以上。

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

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，汽輪機功率必須滿足螺旋漿的需要，所以汽輪機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)速來實現(xiàn)，隨之需要控制汽輪機轉(zhuǎn)速。這就是船舶動力裝置的主要特點。

控制系統(tǒng)的要求

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

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同等對待。汽輪機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。汽輪機與發(fā)電機組成汽輪發(fā)電機組，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入汽輪機內(nèi)膨脹做功，蒸汽的壓力和溫度都大為降低，排汽進入凝汽器，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實行熱電聯(lián)產(chǎn)。2100433B

壓水堆核電站的汽輪機與火電廠的汽輪機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)汽輪機相比，核電站的飽和汽輪機汽耗約大一倍，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。

飽和蒸汽汽輪機是在濕蒸汽區(qū)工作，蒸汽在汽輪機各級膨脹過程中產(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，在事故條件下，超速較大，要采取措施加以防止。2100433B

汽輪機運轉(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。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，采用低速螺旋槳等措施，汽輪機的經(jīng)濟性已有較大提高，擴大了它在船舶上應(yīng)用的范圍。2100433B