伍賽特

(上海汽車集團股份有限公司，上海 200438)

0 引言

與傳統(tǒng)蒸汽機一樣，汽輪機可將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為機械功。但汽輪機的工作原理與蒸汽機的工作原理不同。在蒸汽機中，蒸汽的熱能直接轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊\動的動能，然后由曲柄連桿機構(gòu)再把活塞及活塞桿的往復直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的回轉(zhuǎn)運動。在汽輪機中，蒸汽首先流過特設的噴嘴，其熱能也先變?yōu)楸旧砹鲃拥膭幽?，然后這種動能再轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)的機械功。本文中的船用汽輪機是指供船舶推進或驅(qū)動輔機用的汽輪機。

1 現(xiàn)代船舶對動力裝置的技術要求

現(xiàn)代船舶對其動力裝置提出了一系列技術要求，如下所示[1]。

(1)高可靠性。當船舶離岸后就脫離了供應基地，在海洋上又隨時可能受到海潮、風浪等影響，如動力裝置出現(xiàn)故障，就會導致該船舶發(fā)生危險。軍艦動力裝置的可靠性還直接關系到其戰(zhàn)斗力(直接關系到戰(zhàn)斗的勝負)。所以船舶動力裝置的可靠性就具有特殊的重要意義。這就要求船舶動力裝置應具有強的生命力，即使處于惡劣的工作條件下，甚至在劇烈振動或事故損壞的情況下，仍能保持或恢復某種程度性能的能力。此外，動力裝置還應具有足夠長的壽命和檢修間隔，并且可在兩次檢修期間保證可靠工作和保持原設計的工作性能[2]。

(2)在所要求的功率條件下，盡可能使機組的重量輕、尺寸小。船舶的排水量和空間是有嚴格限制的，如動力裝置的重量和尺寸愈大，則由它所占用的排水量和空間的比重也就愈大，這就減少了該船舶的運輸能力或削弱了該艦的戰(zhàn)斗力，軍艦為了戰(zhàn)斗的需要。對此要求特別嚴格，有時往往寧可犧牲動力裝置的部分效率，以便把節(jié)省下來的排水量和空間用于加強軍艦的武備或防衛(wèi)上。

(3)高經(jīng)濟性。提高船舶動力裝置的經(jīng)濟性，除了本身的經(jīng)濟意義外，尚由于可減少燃料攜帶量，從而可提高船舶的運輸能力或戰(zhàn)斗力，或者在相同的燃料攜帶量的條件下，提高船舶的續(xù)航力，即增大了它的不靠岸航行距離。這不僅具有經(jīng)濟意義，對軍艦來說還有戰(zhàn)略意義。因此，對經(jīng)濟性的要求通常應從動力裝置與燃料攜帶總重量為最小加以確定。

(4)良好的操縱性(機動性)。所謂操縱性是指發(fā)動機迅速改變工況的能力。其表現(xiàn)為：很快起動或停機，很快倒車或發(fā)出倒車全功率，迅速在大范圍內(nèi)變動負荷及在各種轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作等，以使船舶迅速適應當時的需要和周圍的條件。對于軍艦來說，由于戰(zhàn)斗的需要，如在攻擊時能有效打擊敵人，在防御時能迅速回避敵人的襲擊，應使艦艇的啟航、停泊、變速和變向等動作更加自如、靈活和迅速，因而在這方面的要求尤為突出。

此外，還要求船舶動力裝置便于制造和管理，對燃料的要求不高，良好的勞動條件等。上述的各項要求既互相聯(lián)系又相互制約，各類動力裝置很難同時全部滿足上述各項要求。

2 船用汽輪機的發(fā)展概況

英國帕森斯首先將多級反動式汽輪機用作透平尼亞號的推進動力，1897年試航時達到了34.5 kn，超過了當時由蒸汽機推進的驅(qū)逐艦航速，顯示了汽輪機應用于艦艇上的優(yōu)越性。此后，汽輪機廣泛應用于大中型軍艦和客船上，幾乎取代了比它早半個多世紀發(fā)展起來的往復式蒸汽機。

隨著內(nèi)燃機的日臻完善，尤其是它的油耗率低、機動性好，內(nèi)燃機作為船船舶動力裝置得到了廣泛的應用。燃氣輪機的興起。特別是航空燃氣輪機的成功經(jīng)驗；有力地促進了燃氣輪機在船舶動力裝置中的應用。這樣，形成了當今船舶動力裝置中三種發(fā)動機并存，各得其所的局面。

汽輪機動力裝置的主要特點在于：它是連續(xù)工作的勻速回轉(zhuǎn)機械，其熱力過程穩(wěn)定。與往復式的內(nèi)燃機相比，汽輪機的壽命較長，零件的磨損較少，且很少需要修理和更換、其次，汽輪機的單機功率比內(nèi)燃機或燃氣輪機更大，且當單機功率愈大時，其優(yōu)越性愈能得到充分發(fā)揮。此外，蒸汽鍋爐還可燃用劣質(zhì)油等。因此，汽輪機適舊于大型船艦、核潛艇以及一些特殊船舶。其他需要功率較小的艦船，大都采用柴油機或燃氣輪機。

應該指出，各類動力裝置的上述使用范圍不是絕對的?？紤]到各國的工業(yè)水平、生產(chǎn)特長和傳統(tǒng)習慣、燃料政策、甚至戰(zhàn)略方針等具體情況，而在具體選擇動力裝置的型式時將有很大的差異。

核能汽輪機動力裝置在船舶中(尤其在潛艇上)也占一定的比重。隨著核反應堆的不斷完善和小型化，這個比重將可能有明顯的增長，從而為船用汽輪機的發(fā)展開辟了廣闊的前景。

3 船用汽輪機裝置及其傳動方式

為使螺旋槳有較高的效率和可靠的工作，要求螺旋槳的轉(zhuǎn)速較低，軍艦的航速高、吃水淺，一般其螺旋槳的轉(zhuǎn)速為150 r/min～400r/min，商船為80 r/min～150 r/min。為此，在汽輪機與螺旋槳之間需采用減速設備。

現(xiàn)代齒輪傳動機構(gòu)已達到相當完善的程度，傳動效率高達98%左右，不僅操縱方便。還便于把幾個軸上的功率傳遞到一根軸上，從而可減輕重量和縮小尺寸，因而齒輪傳動方式獲得了廣泛應用。

齒輪傳動船用汽輪機組的布置由高、中、低壓汽輪機，倒航汽輪機，凝汽器和齒輪減速器等組成[3]。汽輪機的高、中、低壓缸可根據(jù)需要設計成不同的轉(zhuǎn)速，將各缸的功率傳遞到一個低速軸上，驅(qū)動螺旋槳推進船舶行駛。

采用電力傳動時，汽輪機與發(fā)電機連接，而由電動機帶動螺旋槳。這種傳動方式由于能量經(jīng)多次轉(zhuǎn)換，其效率較低，且重量較大，裝置較復雜，造價也高。然而，該類傳動方式卻具有一些重要優(yōu)點，即：推進軸與汽輪機無剛性連接，可使汽輪機的結(jié)構(gòu)簡化(接近于陸用汽輪機)；機組布置比較方便；電動機變速和反向比較靈活，倒航功率可增大，噪聲較低等。因此，電力傳動方式往往應用于破冰船、航空母艦和大型油船上。

4 船用汽輪機的運行特點

每艘船舶均應有可能由零至最大的前進或后退速度航行。對于不變螺距螺旋槳的船帕、其航速取決于螺旋槳的轉(zhuǎn)速，并與螺旋槳的轉(zhuǎn)速成直線關系變化。由螺旋槳理論可知。其所需的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例。這樣，當船舶航速改變時，所需發(fā)動機的功率與船速的三次方成正比[4-9]。也就是說，船速的變化實際上是由改變其發(fā)動機的功率(相應改變其轉(zhuǎn)速)來實現(xiàn)的。

船用汽輪機的功率是根據(jù)該船舶的航速來決定的。按某一選定的航速相對對應的功率所設計的汽輪機，只有在選定航速下具有最高效率，這個航速被稱設計航速，而在偏離設計航速時，汽輪機的效率降低。偏離越大，效率降低越多[10-12]。

考慮到各類船舶航速變化的情況不同，正確選擇各類船舶的設計航速，即動力裝置的設計工況十分重要。通常應以該船舶在整個運行期間航行時間最多的航速作為設計航速，相應于這個航速的動力裝置應具有最高推進效率。

貨船極大部分時間是以全速航行的，貨船用汽輪機的設計功率即為對應于全速工況約功率。此外，尚應考慮若干的功率儲備，以備在遇到不利情況(惡劣的氣候條件、船體阻力增大和推進系數(shù)降低等)時，仍能保持一定的航行速度，或在必要時(如戰(zhàn)時征用等)提高航速。這樣，即使其經(jīng)濟性有某些降低，汽輪機亦能在提高功率的情況下正常運行。相應增大功率的工況稱最大工況或過負荷工況。

客船是定期航行的，要求能按時到達目的地，即使在不利的航行條件下，仍希望能保持預定的航速。所以這類船舶的設計航速最好低于全速，相應汽輪機的功率一般為全速功率的70%～80%。這樣，過負荷功率可稍小，甚至不予考慮。

提升軍艦的最大航速具有重要意義，因為艦艇的速度與其生命力密切相關，且現(xiàn)代化的戰(zhàn)斗要求艦艇具有較高的速度，有時根據(jù)戰(zhàn)斗情況需要持續(xù)維持全速。但根據(jù)軍艦的服役條件，在非戰(zhàn)斗時期通常以低速航行的。因此，還必須考慮以巡航速度和經(jīng)濟速度航行的問題。貨船有兩種主要的動力工況，即：(1)全速工況，它決定了汽輪機的重量和尺寸，并使汽輪機具有最高的效率；(2)最大負荷工況，主要保證汽輪機裝置具有更大的功率，以備在非常情況下維持船舶的正常航行。此外，尚應考慮到當船舶在進行泊離操作或低速航行(如在港灣中或霧中航行)時，保證汽輪機能在低負荷下運行。當然，這時對動力裝置的效率要求可降低?？痛那闆r與貨船相類似，主要區(qū)別在于，客船用汽輪機的設計功率是相應于客運速度的功率。軍艦用汽輪機的運行工況比較復雜。全速航行時，汽輪機的效率不僅關系到動力裝置的經(jīng)濟性，還能決定裝置的重量和尺寸，并對低負荷的效率有一定影響。軍艦大部分時間是以低速航行的，而低速航行時汽輪機的效率決定了軍艦的續(xù)航力。

軍艦用汽輪機不僅在全速工況應具有必要的效率，即使當功率降低至全速功率的10%時，也要求有一定的效率。這兩種相互矛盾的要求，往往是這樣解決的，即以全速工況或接近于全速工況作為設計工況，而采用一些附加措施來提高低速時的效率。

5 船用汽輪機的設計特點

5.1 設計參數(shù)的確定

5.1.1 主蒸汽參數(shù)的確定

提高汽輪機的主蒸汽參數(shù)可以提高其循環(huán)的熱效率，降低汽輪機的油耗率。但提高蒸汽參數(shù)(主要是壓力)后[13]，蒸汽的體積流量減少，導致汽輪機內(nèi)效率降低。為此蒸汽參數(shù)的選擇，應與機組的功率結(jié)合起來考慮，才能獲得較好的經(jīng)濟效果?，F(xiàn)代電站汽輪機釆用了較高的蒸汽參數(shù)，并有進一步提高的趨勢。船用汽輪機雖趨向于采用高的蒸汽參數(shù)，但由于下列原因，其蒸汽參數(shù)總是低于固定式發(fā)電用汽輪機，并且保持一定的距離。其主要原因是：

(1)船用汽輪機的單機容量相對較小，即使從提高效率的觀點考慮，也不宜采用很高的蒸汽參數(shù)。

(2)船用汽輪機動力裝置要求很高的可靠性和機動性，如要求迅速正倒向航行、起動和停機等，采用過高的蒸汽參數(shù)會帶來一定困難，并且在迅速變動工況的條件下，高的蒸汽參數(shù)(尤其是提高溫度)會影響機組的可靠性。對于軍艦來說，在戰(zhàn)斗時還可能遭到意外的破損，為了有利于對破損的搶救，亦不宜采用過高的蒸汽參數(shù)。

(3)船舶要求其汽輪機動力裝置的重量和尺寸較小。在單機功率相對不大的條件下，提高其蒸汽參數(shù)會導致整個裝置(尤其是鍋爐)的重量和尺寸增大，提高對金屬材料的要求并增加造價。

此外，當蒸汽參數(shù)提高后，要求相應提高其給水質(zhì)量，這在船舶條件下，需要付出較大的代價。同時高參數(shù)汽輪機裝置會使機爐艙的溫度升高，導致勞動條件劣化等。因此，從使用的角度出發(fā)也不希望采用很高的蒸汽參數(shù)。

從增進軍艦的戰(zhàn)斗素質(zhì)的觀點出發(fā)，對汽輪機動力裝置的可靠性、機動性以及重量和尺寸等有更高的要求。因此，軍艦用汽輪機裝置的蒸汽參數(shù)，一般又低于相應功率民用船舶汽輪機裝置的參數(shù)。

5.1.2 排汽壓力的確定

降低汽輪機的排汽壓力，可減少蒸汽循環(huán)的冷源損失，從而可顯著地提高循環(huán)的熱效率。但凝汽器的壓力取決于舷外水(冷卻水)的溫度[14-16]、流量和凝汽器的冷卻面積。在冷卻水溫一定的條件下，降低凝汽壓力不僅需要增大凝汽器的尺寸、重量和冷卻水泵的功耗．而且隨著排汽比容的迅速增大，導致汽輪機低壓部分的尺寸和重量增大。為此，船用汽輪機往往采用較低的真空度，軍艦用的汽輪機由于要求盡可能減小重量和尺寸，其真空度應更低些。各類船用汽輪機具體的排汽壓力應由多個方案的論證后確定。

5.2 回熱系統(tǒng)的選取

從船用汽輪機中抽汽加熱給水，也可有效地提高蒸汽循環(huán)的熱效率[17]。因此，在商船用汽輪機中亦被廣泛應用，但抽汽加熱的級數(shù)較固定式汽輪機為少。這是因為船舶要求其汽輪機裝置的重量較輕、占用空間較少、結(jié)構(gòu)和運行較簡單，此外，船用汽輪機還往往廣泛應用其他輔機的乏汽加熱給水。

軍艦用汽輪機裝置常常在很低的工況下運行，這就很難體現(xiàn)抽汽加熱給水的效果。此外，軍艦對汽輪機動力裝置的重量、尺寸、結(jié)構(gòu)及其運行有著更高的要求。因此，在軍艦用汽輪機裝置中很少采用由主汽輪機抽汽加熱給水的方式。

5.3 各缸轉(zhuǎn)速及其功率分配

大型船用汽輪機通常采用多缸結(jié)構(gòu)。常用的多缸結(jié)構(gòu)型式有：雙缸機組(由高壓缸和低幢扯組成)；三缸機組(由高壓缸、中壓缸和低壓缸組成)；軍艦用汽輪機的低速級組有時自成一個汽缸，這樣，三缸機組則由低速缸、高壓缸和低壓缸組成。

船用汽輪機采用分缸結(jié)構(gòu)的主要目的，在于使汽輪機-齒輪機組的重量和尺寸最小。采用多缸結(jié)構(gòu)后，各缸均可按其最有利的轉(zhuǎn)速設計，汽輪機本身的重量不會顯著增加。但由于功率分散到幾個小齒輪上，使每個小齒輪傳遞的功率減小，整個齒輪減速器的重量和尺寸則可顯著減小。此外，船用汽輪機必需設置倒航級組，而軍艦汽輪機通常還裝有級數(shù)頗多的低速級組，這就使汽輪機的級數(shù)較多，如將其安裝在一個汽缸中，往往難于滿足臨界轉(zhuǎn)速的要求。一般臨界轉(zhuǎn)速應大于最大工作轉(zhuǎn)速的20%～30%，如降低轉(zhuǎn)速而增大直徑，則又會增大汽輪機的重量和尺寸，在此情況下就不得不采用多缸結(jié)構(gòu)。

采用多缸結(jié)構(gòu)后，各缸的溫度差減小，運行時的熱應力相對減小，有利于提高機組的機動性。各缸按其有利轉(zhuǎn)速設計后，有利于提高各缸的內(nèi)效率，可使整個汽輪機的經(jīng)濟性得到改善。采用較低的低壓缸轉(zhuǎn)速，可減小末級葉片和葉輪的應力，從而提高其可靠性。此外，當汽輪機遭局部損壞時，可由單缸航行返港，增加了艦船的生命力。

基于上述原因，無論是軍艦還是商船用汽輪機，一般均采用多缸結(jié)構(gòu)。但考慮到汽缸數(shù)增加后，其結(jié)構(gòu)復雜，制造成本略有增高，且增加了蒸汽在導管中的流動損失、端軸封的漏汽損失以及軸承的摩擦損失等。因此，船用汽輪機的汽缸數(shù)不宜過多?，F(xiàn)代典型船用汽輪機多數(shù)為雙缸結(jié)構(gòu)。

從減小汽輪機重量和尺寸的觀點出發(fā)，總是希望盡可能利用汽輪機的高速性，提高汽輪機轉(zhuǎn)速后，不僅汽輪機的平均直徑或級數(shù)可以減小，而且可增大葉柵高度，也有利于提高效率。隨著齒輪減速器的日益完善，它已實現(xiàn)實際上需要的傳動比。因此，船用汽輪機的轉(zhuǎn)速已經(jīng)不再受低速的螺旋槳的限制，而可以按各自有利的轉(zhuǎn)速選定了。

限制提高汽輪機低壓缸轉(zhuǎn)速的主要因素是，它的末級葉輪和葉片的強度。一般輪盤式轉(zhuǎn)子允許的最大圓周速度約為300 m/s，用于反動式汽輪機的鼓筒式轉(zhuǎn)子則為200 m/s，由高強度輪盤組合成鼓筒式轉(zhuǎn)子允許的最大圓周速度與輪盤式轉(zhuǎn)子相近。當選定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式和圓周速度后，即可確定低壓缸的轉(zhuǎn)速。通常其轉(zhuǎn)速范圍為3 000 r/min～6 000 r/min。

流經(jīng)高壓缸的蒸汽的體積流量較小，相應所需的通流面積和平均直徑均較小，可以選用較高的轉(zhuǎn)速。但在選擇高壓缸轉(zhuǎn)速時，應考慮到高、低壓缸間合理的功率分配，以便使齒輪減速器和汽輪機總的重量與尺寸最小。為此，高、低壓缸的轉(zhuǎn)速不宜差別太大。對于雙缸汽輪機來說，高壓缸的轉(zhuǎn)速通常為低壓缸轉(zhuǎn)速的1.2～1.8倍。具體設計時，尚應對方案設計進行技術經(jīng)濟分析和臨界轉(zhuǎn)速驗算后確定。

考慮到高壓缸小齒輪的直徑總是小于低壓缸小齒輪的直徑，為使各缸小齒輪處于相同的應力條件，宜分配給低壓缸較大的功率。否則，如高壓缸分配的功率較大時，則其小齒輪的直徑相應增大，在一定的傳動比條件下，就意味著需要增大齒輪減速器的尺寸和重量。

由于汽輪機低壓缸的蒸汽的體積流量較大，轉(zhuǎn)速較低，其重量和尺寸已較大，如過多增大低壓缸的功率，將進一步增大其重量和尺寸。為使齒輪與汽輪機組的重量和尺寸最小，應考慮不同船舶的具體情況恰當?shù)胤峙涓鞲椎墓β省?/p>

由于軍艦用汽輪機往往配備有級數(shù)較多的低速級組，如分配給低壓缸的功率較多，則對設計和安置低速級組是較為有利的。此外，軍艦通常在低速工況下航行的，在此工況下低壓缸的功率會相應減小，如全速工況低壓缸具有較大功率，那么低負荷時高、低壓缸功率分配不均勻程度可減小。因此，高壓缸的功率會適當小于低壓缸的功率，對于軍艦用汽輪機更為合適。

由于商船用汽輪機不存在低速級組問題，且低負荷工作的時間很少，因而低負荷時高、低壓缸功率分配的不均勻性并不重要。如仍然分配給低壓缸較大功率，則會導致低壓缸的重量和尺寸過大，而在低壓缸中又往往需要安置倒航汽輪機，同時整個汽輪機的縱向尺寸又是由低壓缸的尺寸決定的，所以低壓缸的功率過大并不合適。但低壓缸的功率也不宜過小，因為在倒航時，低壓缸小齒輪需要傳遞倒航轉(zhuǎn)矩，如低壓缸的功率過小，且低壓缸小齒輪又是按此功率設計的，則在倒航時其扭矩有可能要超過設計值。

6 提高低速航行時汽輪機效率的措施

低速航行時，汽輪機效率降低的主要原因有：(1)由于汽輪機功率降低，蒸汽流量減小[18]，導致汽輪機各級比焓降會重新分配。對于噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機來說，調(diào)節(jié)級比焓降顯著增大[19]，其余各壓力級的比焓降為：前面級基本不變，往后各級依次遞減，末級降低最多；節(jié)流調(diào)節(jié)汽輪機主要表現(xiàn)為節(jié)流閥中的節(jié)流損失迅速增大，其他各壓力級比焓降的變化與噴嘴調(diào)節(jié)汽輪機相同；(2)汽輪機轉(zhuǎn)速降低。如汽輪機進、出口的蒸汽參數(shù)不變，但由于各級的速比均有不同程度降低，導致汽輪機效率降低。

艦用汽輪機的調(diào)節(jié)級工作特性如下，在低負荷時調(diào)節(jié)級比焓降顯著增大，與此同時，汽輪機轉(zhuǎn)速降低，使調(diào)節(jié)級的速比急劇下降，導致該級效率迅速降低。在低負荷時，一方面調(diào)節(jié)級比焓降所占汽輪機總比焓降的比重較大，另一方面調(diào)節(jié)級的效率又較低。因此，會使整個汽輪機的效率顯著降低，這是低速航行時汽輪機效率降低的關鍵所在。

船用汽輪機的轉(zhuǎn)速越低，其效率降低程度也越顯著。與其他熱力發(fā)動機相比，這是汽輪機作為船舶動力的一項重大缺點。為此，采取了一系列措施以改善低負荷時汽輪機的經(jīng)濟性。主要有下列四種，即采用低速級組，采用低速汽輪機，采用串并聯(lián)汽輪機，以及采用滑參數(shù)調(diào)節(jié)。

6.1 低速級組

配置低速級組可有效提高低速航行時汽輪機的效率，因此，在艦艇上被廣泛采用。低速級組可分為內(nèi)旁通低速級組和外旁通低速級組兩類。

6.1.1 內(nèi)旁通低速級組

該汽輪機的高壓缸具有一個雙列調(diào)節(jié)級，緊靠調(diào)節(jié)級后有由六個壓力級組成的低速級組，之后是三個全速級，調(diào)節(jié)級與全速級之間設有內(nèi)旁通閥。全速工況時，蒸汽經(jīng)噴嘴調(diào)節(jié)閥進入調(diào)節(jié)級做功后，繞過低速級組經(jīng)內(nèi)旁通閥進入全速級(只有少量蒸汽流經(jīng)低速級組，以作冷卻用)。在等于或小于低速工況時，旁通閥關閉，蒸汽由調(diào)節(jié)級直接進入低速級組，再進入全速級。低負荷時，低速級組投入工作的目的[20-21]，在于分擔調(diào)節(jié)級由于汽輪機負荷降低而增加的比焓降，使調(diào)節(jié)級-低速級組均具有較高的效率，從而改善整個汽輪機的效率。

在設計內(nèi)旁通低速級組時，尚需妥善處理以下幾個問題：(1)因受結(jié)構(gòu)方面的限制，其級數(shù)不能很多；(2)每個低速級所能承擔的比焓降較小，因為此時轉(zhuǎn)速較低，其直徑一般又小于全速級；(3)低負荷時不但調(diào)節(jié)級的比焓降增加較大。而且由于轉(zhuǎn)速降低，如欲保持其最佳速比，必將使低速級組承擔更多的比焓降，即需增加更多的低速級。根據(jù)上述矛盾，往往會采用折衷的處理辦法，即放棄低速時保持調(diào)節(jié)級最佳速比的要求，讓調(diào)節(jié)級后的壓力等于或接近于設計工況的壓力。這樣，由于調(diào)節(jié)級比焓降保持或接近不變，低速時的效率就不會有明顯下降。削減低速級的另一途徑，是采用可以承擔較大比焓降，同時又具有一定效率的雙列速度級。

6.1.2 外旁通低速級組

通常，會由雙列調(diào)節(jié)級及其后面一個壓力級組成外旁通低速級組，并配置在全速級的前方。當船舶全速航行時，蒸汽直接由外旁通閥導入汽輪機，此時噴嘴調(diào)節(jié)閥關閉，只有少量蒸汽通過外旁通級組，以帶走由于空轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的摩擦鼓風損失所形成的熱量。當?shù)退俸叫袝r，外旁通閥關閉，蒸汽由閥門進入汽輪機，即外旁通低速級組投入工作。

由于外旁通汽輪機在全速時會由某一中間級進汽。因此，通常外旁通閥屬節(jié)流調(diào)節(jié)，所以外旁通低速級組投入工作的目的，是為了消除節(jié)流調(diào)節(jié)汽輪機在低負荷時應具有的節(jié)流損失，從而提高了低負荷時汽輪機的效率。外旁通低速級組的比焓降，即為該負荷下節(jié)流損失所對應的比焓降。

外旁通低速級組同樣受高壓缸結(jié)構(gòu)的限制，其級數(shù)不會很多。此外，外旁通汽輪機在全速工況時，蒸汽需從高壓缸中部引入，高壓缸的相應部分必須承受較高的壓力和溫度，這就提高了對材質(zhì)的要求。為了克服上述缺點，采取了一些改進措施，主要有：(1)旁通蒸汽具有獨立的進汽室，并與汽缸隔開，從而可降低對汽缸材質(zhì)的要求；(2)旁通工況采用了噴嘴調(diào)節(jié)，不但使旁通工況具有較高的效率，而且還擴展了旁通工況的工作范圍，從而可在一定程度上減少旁通低速級組的級數(shù)。

6.2 低速汽輪機

如上所述，將低速級組設置在高壓缸中，其級數(shù)和焓降均有一定限度。因此，采用低速級組的效果就會受到限制。為克服上述缺點，出現(xiàn)了將低速級組從高壓缸中分出來而自成一缸的結(jié)構(gòu)，并稱為低速汽輪機或巡航汽輪機。

目前，低速汽輪機與齒輪-汽輪機組的連接型式有：

(1)借助于聯(lián)軸器直接與高壓缸連接。由于其轉(zhuǎn)速與高壓缸相同，將低速級組從高壓缸中獨立出來的優(yōu)點未能充分利用。只是在級數(shù)和直徑等選擇上略有余地，所以效果不明顯；

(2)借助于齒輪傳動，按一定的傳動比與高壓缸連接。由于其轉(zhuǎn)速不受高壓缸的限制，所以可按最佳方案設計，效果較明顯，但其受汽輪機轉(zhuǎn)速升高后所產(chǎn)生的高應力的限制，同時與直接連接一樣，全速時需參與空轉(zhuǎn)而消耗功率；

(3)在(2)的基礎上，采用同步離合器與高壓缸連接。低速工況時將離合器接入，低速汽輪機參與工作，高于低速工況時離合器會自動脫開，低速汽輪機停止運行[22]。這樣，不但避免了空轉(zhuǎn)的功耗，而且可按低速汽輪機的需要提高轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)最佳設計，從而使低速級組從高壓缸分離出來的優(yōu)點得到充分發(fā)揮。

采用低速汽輪機后，增加了裝置的復雜性、重量和尺寸，并且會遇到低速汽輪機由非工作狀態(tài)迅速進入工作狀態(tài)的情況。此時，低速汽輪機中的溫度變化較劇烈，這對汽輪機工作的機動性是很不利的，對可靠性也會產(chǎn)生一定影響。因此，低速汽輪機的應用并不多，只是當巡航速度明顯低于全速，并且設置低速汽輪機確有較大效益時才會采用。

6.3 串并聯(lián)汽輪機

為克服低速汽輪機的上述缺點，從而出現(xiàn)了串并聯(lián)汽輪機、低速時采用串聯(lián)工作方式，高負荷時采用并聯(lián)工作方式[23]。

采用串并聯(lián)方法的主要優(yōu)點，在于提高汽輪機的機動性并消除了低速級組的空轉(zhuǎn)功耗，因而在較大型的艦用汽輪機中得到一定發(fā)展(因為只有蒸汽流通較大時；才能保證有足夠大的并聯(lián)通流面積，保持必要的經(jīng)濟性)。但是這類汽輪機較難做到在兩種工況下均為最佳設計，因而只能獲得有限的經(jīng)濟效益。此外，這種汽輪機的配汽結(jié)構(gòu)較復雜。

6.4 滑參數(shù)調(diào)節(jié)

所謂滑參數(shù)調(diào)節(jié)，就是直接改變鍋爐所產(chǎn)生蒸汽的參數(shù)，以改變進入汽輪機蒸汽的等熵比焓降，從而調(diào)節(jié)汽輪機的功率。

這類功率調(diào)節(jié)的特點在于，低負荷時采用較低的蒸汽參數(shù)，高負荷時采用較高的蒸汽參數(shù)。這樣，當?shù)拓摵蓵r由于蒸汽的等熵比焓降減小，同一工況時的蒸汽流量相應增加，這不但可使調(diào)節(jié)級的比焓降增加較少(級前參數(shù)降低，級后壓力相對升高)，低速級的級數(shù)可減少外。尚可使中間級的效率降低較少，并且消耗于給水泵的功率也可相應減少。因此，如將滑參數(shù)調(diào)節(jié)方法與低速級組配合起來使用，既可使低負荷時具有良好的經(jīng)濟性，又可使汽輪機的結(jié)構(gòu)簡化。

也有采用反方向滑動的，即當汽輪機負荷增大時，蒸汽參數(shù)反而降低。顯然，這樣采用的目的，不是考慮經(jīng)濟性，而是為了高負荷時的可靠性。此處不予詳述。

這種功率調(diào)節(jié)方法，由于對鍋爐的調(diào)節(jié)提出了較高要求，從而使鍋爐的控制復雜化。此外，還由于鍋爐的機動性較差。所以目前仍較少應用。

采用上述措施后，其低負荷時的效率可得到一定程度的提高，但是往往會使結(jié)構(gòu)復雜。制造費用增加，并附加了一些重量，且多占了一些空間，有時甚至要降低全速工況的效率。因此，該方案只適用于艦用汽輪機。對于商船用汽輪機而言，由于在低速工況下運行的時間較短，因而效率降低所產(chǎn)生的影響不大，并且可由汽輪機的操縱與結(jié)構(gòu)的簡化獲得補償，所以一般不會優(yōu)先采用。

在實際船用汽輪機設計中，除了采用上述四種措施外，需要根據(jù)各類船舶的不同特點和要求，采取一些簡易的辦法，以適當改善汽輪機低負荷時的經(jīng)濟性。

在某些船舶中，有時會采用某一折衷的負荷作為汽輪機的設計負荷。由于所選擇的設計工況比較接近于低負荷工況。因此，汽輪機在低負荷時的效率下降較少。相對來說，也就提高了低負荷的經(jīng)濟性。當然，這樣選擇設計工況的結(jié)果，必然要降低一些全負荷的效率，同時在結(jié)構(gòu)上還必須考慮在全負荷或超負荷時增加流量的方法。

對某些輕型艦艇，為了減少汽輪機的重量和尺寸，也希望采取一些較簡單的辦法以提高其經(jīng)濟性。常用的是雙列-單列調(diào)節(jié)級方法。即雙列調(diào)節(jié)級按低負荷設計，在低負荷運行時，第一組閥門開啟，蒸汽進入雙列調(diào)節(jié)級，從而可保持調(diào)節(jié)級有高的效率。隨著負荷增大，其余閥門開啟，蒸汽進入該級的另一弧段，與這一弧段相對應處無轉(zhuǎn)向?qū)~，但裝有轉(zhuǎn)向器，該轉(zhuǎn)向器使蒸汽繞過調(diào)節(jié)級的第二列動葉。在裝有轉(zhuǎn)向器的那部分弧段上，調(diào)節(jié)級的性能相當于單列級。全速運行時第一組閥門關閉。這樣，調(diào)節(jié)級即過渡為單列運行，并在高負荷時具有較高的效率。這種設計方法特別適用于小功率、單缸汽輪機，也成功地應用在帶內(nèi)、外旁通調(diào)節(jié)的汽輪機中。

在設計船用汽輪機時，應選擇具有良好變工況性能的葉型，以便在廣泛工況范圍內(nèi)具有較高的效率。

上述用于提高汽輪機低負荷時效率的方法，各有其優(yōu)缺點，究竟采用何種方法為宜，需視艦船對汽輪機低速工況的功率、經(jīng)濟性、機動性和重量尺寸等要求來考慮。此外，還與汽輪機的全功率和蒸汽參數(shù)等有關。一般需對多種技術方案的詳細分析和綜合論證后，權(quán)衡利弊得失，才能作出正確的選擇。當然，設計部門和制造廠家的經(jīng)驗及傳統(tǒng)習慣也有一定影響。

7 倒航汽輪機

汽輪機依照其工作原理是不可逆轉(zhuǎn)的，為了保證船舶在泊離碼頭、遭遇危險或其他需要的情況下。能迅速停止前進并實現(xiàn)后退運動，幾乎所有船舶均設置由幾個級組成的專用倒航級組成，通常被稱為倒航汽輪機。

因為設置倒航汽輪機是根據(jù)操縱船舶的需求提出的，所以它的功率并不決定于倒航的速度，而是決定于正以全速航行的船舶能迅速停航或倒航的要求。當船舶需要突然停止或倒航時，使船舶向前滑行的距離最短，一般希望這個滑行距離能控制在3～4 個整船的長度。

為了簡化結(jié)構(gòu)并減小重量和尺寸，通常倒航汽輪機不會單獨采用一個汽缸，而是布置在順航汽輪機的汽缸中。倒航級組一般布置在低壓缸中。當自順航突然過渡到倒航時，低壓缸的溫度變化較劇烈，設計時應采取相應的措施，以消除或減小它的熱變形和熱應力，否則會影響汽輪機的機動性和可靠性。在有些三缸結(jié)構(gòu)的機組中，為了改善低壓缸的受熱情況，會將倒航汽輪機分成高、低兩個級組，分別布置在順航汽輪機的中、低壓缸中。但這樣安排的結(jié)構(gòu)較復雜，目前已較少采用。

7.1 倒航汽輪機的功率和轉(zhuǎn)速

為減小船舶的滑行距離，必須增大倒航的轉(zhuǎn)矩，相應增大倒航汽輪機的功率。但是增大倒航功率存在一定的困難，因為這需要增大倒航汽輪機的重量和尺寸，增加順航時倒航汽輪機的空轉(zhuǎn)損失。此外，還受到減速器強度方面的限制。

船舶設計及其運行實踐表明，對于各種類型的船舶，其倒航功率約為順航功率的20%～60%。其中民用船舶為40%～60%，而軍用艦艇則為20%～35%。其中，輕型艦艇的倒航功率靠近下限，大型軍艦的倒航功率則靠近上限。這是因為軍艦的順航功率較大，而船體又較小的緣故。對于破冰船來說，由于其工作性質(zhì)需要經(jīng)常倒航，所以倒航功率要求很大。

在確定了倒航汽輪機的功率和轉(zhuǎn)速后，應校核倒航級組所在汽缸齒輪傳動的強度，使其不會超過順航時的扭矩。如發(fā)現(xiàn)其應力超出了齒輪的允許值，則應設法滿足強度要求，必要時可考慮將倒航級組分設于兩個汽缸內(nèi)。

7.2 倒航汽輪機的蒸汽參數(shù)和流量

為確保汽輪機工作時的高度可靠性和機動性，一般希望引入倒航汽輪機的蒸汽的溫度較低(低于順航時50℃～60℃)，這一要求對于倒航級組全部布置在低壓缸時尤為重要。為此。在設計時應考慮產(chǎn)生低溫蒸汽的可能性。但這會導致裝置的結(jié)構(gòu)和運行的復雜化，所以在現(xiàn)代船舶上趨向于采用與順航汽輪機相同的進汽溫度，通過改進倒航汽輪機進汽機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，以消除或減小可能出現(xiàn)的溫度應力。

為減小倒航汽輪機的蒸汽管道和閥門配汽機構(gòu)的重量和尺寸，通常進汽的節(jié)流損失比順航時更大。軍艦用倒航汽輪機的進汽壓力為順航時的0.80～0.85；商船用倒航汽輪機的壓力可視具體情況而適當提高。

為減小倒航汽輪機末級的排汽面積，盡管這時凝汽器的壓力較低，但倒航汽輪機的設計卻采用了較高的排汽壓力。

為保證倒航時鍋爐能正常工作，開始倒航時的蒸汽流量不能降低過多，并與鍋爐的型式有關。對于熱容量大、機動性差的鍋爐，其倒航蒸汽的流量較大，如燃煤的水管鍋爐，其倒航的蒸汽流量約為順航流量的0.8～0.9；燃油水管鍋爐可降低到順航流量的0.7～0.8。

按上述確定的參數(shù)即可設計倒航汽輪機。鑒于倒航汽輪機主要是在操縱船舶時短時使用，對效率的要求不高，故在其具有一定功率的條件下，盡可能使其結(jié)構(gòu)具有簡單和緊湊的特點。通常會將倒航汽輪機設計成具有縮放噴嘴的雙列速度級，有時在其后面再加1～2個壓力級，以提高其效率。

8 船用汽輪機的技術發(fā)展趨勢

各國現(xiàn)有的大型高速艦船(核潛艇、排水量為5 000 t以上的水面艦艇)和數(shù)萬噸級的洋貨船，采用汽輪機推進的仍占最大比例。隨著艦船噸位增大和航速的提高，船用汽輪機發(fā)展的總趨勢如下。

(1)單機功率增大。目前，已建成的艦船汽輪機裝置，已普遍注意了標準化和通用化，既適用于超級油輪，又可用于航空母艦。

(2)大幅度提高經(jīng)濟性。由于普遍采用高的蒸汽參數(shù)和再熱循環(huán)，新型船用汽輪機裝置的經(jīng)濟性已接近于船用大型低速柴油機的水平。與以前的機組相比，其油耗率降低了約20%～26%。

(3)自動化與遠距離控制。為確保機組的可靠性，減少運行人員和改善操作人員的工作環(huán)境，新的船用汽輪機裝置普遍采用自動化的集中控制，一些艦船還實現(xiàn)了遠距艦橋控制(即機艙無人的高度自動化)。

(4)簡化結(jié)構(gòu)。為減小汽輪機動力裝置的尺寸和重量。所采取的主要措施有：減少汽輪機的汽缸數(shù)，凝汽器與汽輪機同一平面布置，采用滑壓-節(jié)流調(diào)節(jié)以及串聯(lián)式汽輪機自調(diào)系統(tǒng)等。

9 結(jié)論

闡述了船用汽輪機的技術特點及實際運用，并對其未來技術發(fā)展趨勢進行了展望。汽輪機與蒸汽機與內(nèi)燃機不同，并未采用往復機構(gòu)。同時，汽輪機有著較高的功率，且運用及操作方式較為簡單，因此在大型船舶中得到了廣泛應用。未來，汽輪機的單機功率、經(jīng)濟性及自動化仍將進一步提升，在船舶領域仍將有著廣闊的應用前景。