第8章 船舶汽轮机和燃气轮机

第第 8 8 章章 船舶汽轮机和燃气轮机船舶汽轮机和燃气轮机 涡轮机 也称透平 是以连续流动的蒸汽或燃气为工质 以叶片为主要工作部件 通过 工质在叶片机构中膨胀将热能转换成机械功的旋转机械 汽轮机和燃气轮机都是涡轮机 前 者以蒸汽为工质 后者以燃气为工质 尽管两者所用的工质不一样 但都是属于旋转式热力 发动机 其基本工作原理是一样的 都是利用高速流动的工质推动叶轮转动而对外输出机械 功的 涡轮机和往复式热力发动机相比 最突出的特点是运转平稳 单机功率大 8 18 1 涡轮机概述涡轮机概述 涡轮机械按其使用的功用 通常可以分成两大类 1 用作产生动力的涡轮机 如蒸汽轮机 燃气轮机 2 消耗机械的涡轮机械 如各种泵 压缩机 风扇等涡轮机械 上述每一大类 又可以按照流体通过机器的流道特征 再分成三类 工作流体的流向与 旋转轴基本平行的涡轮机械 称为轴流式涡轮机械 工作流体主要在与旋转轴垂直的平面上 流动的涡轮机械 称为径流式涡轮机械 转子出口处径向与轴向速度分量兼有的涡轮机械 称为混流式涡轮机械 分别见图 8 1 a b c 不论是涡轮机 泵 还是压缩机 都可以 设计成轴流式 径流式或混流式 图 8 1 涡轮机三种型式 研究船用涡轮机的热力设计和工作特性 它的主要理论依据是热力学和气体动力学 所 运用的基本定律是质量守恒定律 动力学定律 能量守恒定律等基本定律 这些定律与气体 的特定性质无关 适用于任何气体 是揭示涡轮机中工质流动及其能量转换的基本方程 具 体的研究包括 1 阐述涡轮机中能量转换以及工质流动所遵循的基本规律 2 分析通流部分中的能量损失以及各种气动热力参数 几何参数对效率的影响 3 气动热力设计和试验研究的理论和方法 4 分析非设计工况的工作特性 但是 涡轮机通流部分中气体的运动是一种性质极为复杂的 同时又伴随能量传递和热 交换的高温可压缩粘性气体的 三元不定常的流动过程 在实际工程设计计算和试验研究中 通常假定气体在涡轮机中的流动 包括在静叶片内的绝对运动和动叶片内的相对运动 都是 定常流动 在附面层外的主流区可以忽略粘性力的 与外界绝热的 轴对称流动 在流道横 截面变化不大 流线曲率甚小的涡轮短叶片中 气体的运动常常采用一元流动近似 实践证 明 以上的近似和简化对于涡轮机中的气体流动的计算 基本上能获得足够的精确度 涡轮机一般由一列固定于静子上的静叶片和 列装在转子上与转子一起转动的动叶片所 组成的级串联起来 加上进 排气装置组成 因此涡轮级是将高温高压的工质所具有的热能 转换为机械功的基本单元 涡轮机是由若干个工作条件和结构相类似的独立的涡轮级依次排 列而沟成 涡轮机的工作以级的工作为基础 进而形成整个涡轮机的工作原理 所以 人们 总是在研究涡轮级的工作原理的基础上进而讨论整个涡轮机的工作原理 8 1 18 1 1 涡轮级的概念涡轮级的概念 1 涡轮级中流体参数的变化 涡轮级是由固定于静子上的静叶片和装在转子上与转子一起转动的动叶片所组成 将高 温高压的工质所具有的热能转换为机械功的基本单元 涡轮级中通过旋转中心轴的剖面图称 为纵剖面图 见图 8 2 以半径为 r 的圆周将所有静 动叶片切割展开成平面 得到两排叶 栅截面展开图 见图 8 3 由涡轮级纵剖面图可见 0 0 截面为静叶进口截面 1 1 截面为静 叶出口 亦即动叶进口截面 2 2 截面为动叶出口截面 各特征截面的参数用相应下标 0 1 或 2 表示 气体流经涡轮时 主要气动参数的变化如图 8 3 所示 图 8 2 涡轮级的纵剖面图图 8 3 涡轮级中流体参数的变化 气体通过静叶栅时 从压力 P 膨胀到 P1 伴随有 定的加速 C1 C0 动叶栅以转速 n 运动 其进 出口圆周速度为 u 分别用 u1 u2表示 相对速度为W1的气流通过动叶栅时 从压力 p1膨胀到 p2 同时对外输出机械功 其出口相对速度为W2 绝对速度为 C2 通常希 望绝对速度 C2接近轴线方向 Z 即绝对出口气流角接接近 90 以减小绝对出口速度 C2 2 相应的动能 2 2 2 C 2 速度三角形 涡轮级中气流速度大小及其方向的变化 或者说是动量的变化 可以清楚地用图 8 5 所 示的速度三角形来表示 除了反映涡轮级中气流的运动情况以外 速度三角形还大致给出了 叶栅的形状以及叶栅和涡轮级的某些重要特征 因而也就规定了涡轮级工作过程的特点 各 级以及某一级沿叶高各个截面上速度三角形的选择和确定是涡轮机气动设计的重要内容 各 图 8 5 涡轮级速度三角形 级动叶栅前后的绝对速度为相对速度和牵连速度的矢量和 8 1 ii i uWC 式中 m s 60 ndru iii 其中 n 是转子转动的转速 转 分 di是动叶栅前或后的某一直径 米 ui是与 di相应 的圆周速度 米 秒 式 8 1 指出三个速度矢量组成封闭的三角形 称为速度三角形 气 流角如图 8 5 所示 气体在静叶栅中膨胀 以绝对速度 C1喷离静叶栅 与叶轮旋转平面的夹 角为 此为静叶出口气流方向角 气流角度见图 8 5 所示 当气体进入动叶栅时 由于动 1 叶栅是以圆周速度为 u 在转动 当以旋转叶轮为参照物时 进入动叶栅的气体速度就不是 C1 而 是气体与动叶栅的相对速度 与叶轮旋转的夹角为 为动叶进口气流的方向角 1 W 1 W 1 1 由三角形的余弦定理 正弦定理可以得到速度与气流角之间的相互关系 动叶进口气流的相 对速度及其方向角为 8 2 11 22 11 cosu2C uC W 8 3 sin sin sin 111 1 11 1 1 WCWC m 同理 可得动叶出口气流的绝对速度及其方向角为 8 4 22 22 22 cosu2W uW C 8 5 sin sin 222 1 2 CW 8 1 28 1 2 涡轮机的基本工作原理涡轮机的基本工作原理 图 8 6 所示为小型单级冲动式汽轮机的 简图 其主要零件包括喷嘴和装在叶轮上的 动叶 图 8 6a 工质连续不断地流过喷嘴 和动叶流道 图 8 6b 工质首先在喷嘴中 膨胀 工质压力 p 降低 绝对速度 c 增大 将所含热能转换成动能 然后高速流动的工 质再进入动叶流道 压力继续再降低 并在 动叶上产生作用力 推动叶轮转动 由于叶 轮是和涡轮机主轴连接成一体的 故蒸汽的 动能转换成了主轴输出的机械功 图 8 6 单级冲动式汽轮机的简图 除了冲动式涡轮机外 还有一种反动式 涡轮机 它是一种同时利用冲动力和反动力 推动叶轮旋转输出机械功的 根据反动作用 原理产生反动力推动物体运动的例子 以发 射运载火箭最为典型 当火箭燃料燃烧 燃 气高速喷离火箭射向大气 此时 高速的气 流就给火箭体一个与气流方向相反的反作用 力 推动火箭向前运动 反动式涡轮机与冲 动式涡轮机的不同点在于工质在它的动叶栅 通道中同时实现热能变动能与动能变机械功 的两重能量变化 反动式涡轮机总是多级的 在结构上它以静叶代替喷嘴 而以鼓式转子 代替轮式转子 图 8 7 表示一部反动式涡轮 机的简图 图的上方曲线 分别表示其中 工质压力与速度的变化 图 8 7 反动式涡轮机 1 静叶 2 汽缸 3 动叶 4 转子 8 28 2 船舶船舶汽轮机汽轮机 现代汽轮机的结构较复杂 往往由若干级组成 每一级包括一列静叶 或喷嘴 和一列 动叶 根据用途 船舶汽轮机可以分成主汽轮机和辅汽轮机两种 前者是在船舶主推进系统 中驱动推进器的 后者则是用来驱动各种船用辅机的 船舶主汽轮机机组主要由主汽轮机 冷凝器和齿轮减速器组成 图 8 8 为典型的船舶主汽轮机结构剖视图 图 8 8 船舶主汽轮机机组 1 高压汽轮机 2 低压汽轮机 3 冷凝器 4 齿轮减速器 5 主推力轴承 6 支承轴承 8 2 18 2 1 船舶船舶汽轮机的分类汽轮机的分类 船舶汽轮机种类很多 并有不同的分类方法 下面作简要介绍 按结构形式分类按结构形式分类 有单级汽轮机和由若干级组成的多级汽轮机 各级装在一个汽缸内 的单缸汽轮机和各级分装在几个汽缸 分高 中 低压汽缸 内的多缸汽轮机 各级装在一 根轴上的单轴汽轮机和各级装在两根平行轴上的双轴汽轮机 按工作原理分类按工作原理分类 有蒸汽主要在各级喷嘴 或静叶 中膨胀的冲动式汽轮机 蒸汽在静 叶和动叶中都膨胀的反动式汽轮机和蒸汽在喷嘴中膨胀后的动能在几列动叶上加以利用的速 度级汽轮机 按热力特性分类按热力特性分类 分为凝汽式 供热式 背压式 抽汽式和饱和蒸汽汽轮机等类型 1 凝汽式汽轮机 汽轮机排出的蒸汽流入凝汽器 排汽压力低于大气压力 具有良好 的热力性能 是最为常用的一种汽轮机 2 供热式汽轮机 既提供动力驱动发电机或其他机械 又提供生产或生活用热 具有 较高的热能利用率 3 背压式汽轮机 排汽压力大于大气压力的汽轮机 4 抽汽式汽轮机 从中间级抽出蒸汽供热的汽轮机 5 饱和蒸汽轮机 以饱和状态的蒸汽作为新蒸汽的汽轮机 按汽流方向分类按汽流方向分类 有蒸汽沿轴向逐级流动的轴流式汽轮机 蒸汽沿径向从内径向外径 逐级流动的径流式汽轮机 8 2 28 2 2 船舶汽轮机组的构造主要部件船舶汽轮机组的构造主要部件 船用主汽轮机都是多级汽轮机 现代船用主汽轮机的级数一般为 20 30 级 且分置在 两个或三个汽缸里 我们知道 汽轮机按上述工作原理是不能倒转的 为了保证船舶能够倒 航 在汽轮机上必须安装由若干级组成的倒车级 船用主汽轮机的倒车级一般都安装在中压 缸和低压缸内 三缸式机组 或者只装在低压缸内 双缸式机组 它的叶片安装方向与正车级 正好相反 当正车旋转时 没有蒸汽通往倒车级 倒车级只是空转 因此会增加一些能量损 失 当船舶要倒航时 关闭正车进汽阀而打开倒车进汽阀 蒸汽被引入倒车级 主汽轮机就 反转 通常倒车汽轮机的功率取为正车汽轮机功率的 40 50 因为并不要求具备高度的 经济性 所以级数都不多 对于军舰用汽轮机 为了提高在低负荷时的经济性 还可采用附加的低速级 低速级分 为在巡航速度下用的巡航级和在经济速度下用的经济级 为了使蒸汽能从一个汽缸流入另一个汽缸 并使低压缸流出的蒸汽进入凝汽器 在装置 中安装有一定长度的大直径容汽管 为了便于操纵 还设有各种仪表和阀等 这些均是汽轮 机组的重要辅助设备 凝汽器是汽轮机组的重要的组成部分 在其中进行着蒸汽凝结 汽轮机组的第三个组成 部分为传动设备 它安放在汽轮机与推进器轴系之间 图 8 9 所示为带一级减速齿轮的三缸 式汽轮机一齿轮机组示意图 图 8 9 船舶汽轮机 齿轮机组示意图 该机组由三个顺航汽轮机 高囚缸汽轮机 中压缸汽轮机和低压缸汽轮机 和两个倒航汽 轮机 倒航高压缸汽轮机和倒航低压缸汽轮机 组成 后者分别安置在顺航中压缸和低压缸汽 轮机内 新鲜蒸汽顺次地在各汽轮机内膨胀 工作后的废汽排入横挂在低压缸汽轮机下的凝汽器 中 高速的汽轮机将热能转化为机械能 通过齿轮减速机构和传动轴系 带动螺旋桨产生推 力 克服船舶阻力使船以一定速度前进 汽轮机本体由静止部分和转动部分构成 静止部分称作 静子 包括喷嘴 隔板 汽 缸和轴承等主要部件 转动部分就是转子 它由动叶 叶轮及主轴等组成 1 喷嘴 汽轮机第一级喷嘴是直接装在汽缸上的 近代汽轮机采用喷嘴调节方式 这种汽轮机的 第一级常称为调节级 调节级喷嘴总是分成若干组布置在汽缸上 其喷嘴的组数通常与调节 汽阀个数相对应 称为喷嘴组或喷嘴弧段 中压机组常采用单个铣制的喷嘴块焊接而成 见 图 8 10 中的件 4 图中首块 3 与末块 5 的作用是把喷嘴组互相隔开 分成若干组 高压机组 采用另一种型式 即喷嘴组是整锻铣制焊接结构 图 8 10 单个铣制的喷嘴及安装 1 外环 2 内环 3 首块 4 喷嘴块 5 末块 2 汽缸 汽缸就是汽轮机的外壳 它的作用是将汽轮机的通流部分 喷嘴 动叶片等 与大气隔 绝 形成一个封闭的汽室 以使蒸汽在其中流动做功 由于汽缸的外面敷装着厚厚的保温层 因此平时看不到它的真实形状 汽缸的形状较复杂 并且要承受较高的蒸汽压力 因此都做得比较厚 它是汽轮机中最笨重的部件 图 8 11 为一 台高压单缸凝汽式汽轮机的汽缸外形图 图 8 11 高压单缸凝汽式汽轮机汽缸外形图 为了便于加工 安装与检修 通常汽缸沿水平中分面做成上下两半 上部称上缸 又称 大盖 下部称下缸 它们之间通过法兰 螺栓相连接 汽缸的水平接合面必须保证严密 不 允许漏汽 为此连接上 下缸的法兰常常比汽缸壁还要厚得多 同时螺栓采用加热紧固的方 法以防止热松弛 保证上下缸的连接有足够的强度与预紧力 由于蒸汽在汽缸内的压力和温度是逐级降低的 因此常采用垂直接合面或者分缸的办法 将汽缸分成高压缸 中压缸和低压缸 这样只在压力 温度较高的高压缸和中压缸采用高温 耐热合金钢材 从而节约优质的合金钢材料 在新蒸汽参数较高的再热机组中 常采用双层 汽缸结构 见图 8 12 在双层缸之间通有一定压力和温度的蒸汽 这样内外缸所承受的压差 均较低 而且只有内缸承受高温蒸汽的作用 因此内 外缸壁和法兰均可做得薄一些 外缸 由于承受的温度和压差均较低 故还可用较次一级的材料制造 这样不但节约了优质合金钢 材 更重要的是汽缸薄了以后 可使它在启动 停机及负荷改变时的热应力大大减小 给汽 轮机运行带来了极大的方便 图 8 12 双层汽缸示意图 图 8 12 低压缸采用双缸分流式结构的汽轮机 1 高压缸 2 连通 过桥管 3 低压 缸 为了提高凝汽式汽轮机低压段各级的通 流能力 在现代大型汽轮机中常采用低压缸 分流的结构 如图 4 13 所示 若把汽轮机 的最后几级分设在两个形状完全对称的汽缸 中 使低压汽流 其比容甚大 分别在两个汽 缸中同时进行膨胀 这就相当于把有关各级 的通流面积增加了一倍 那末蒸汽的容积流 量即可允许大大地增长 在主轴穿过汽缸的地方还设有轴封装置 以限制汽缸内的高压蒸汽向外漏出和阻止外 界大气漏入处于负压条件下工作的低压缸内 轴封装置有多种不同的型式 但其原理大同 小异 其中以曲径式轴封 亦称迷宫式轴封 应用最为广泛 图 8 13 所示是一种经常用 于真空端的高低齿型曲径式轴封 图 8 13 高低齿型曲径式轴封 1 均衡室 2 轴封套 3 机轴 4 信号管 5 疏水小孔 在轴封套 2 的里侧装有许多高低相间的环形金属薄齿片 各高低薄齿片分另别与机轴上 的凹槽或凸台相对 彼此间只有极小的轴向间隙 使各相邻薄齿片之间形成一连串的环形小 汽室 汽轮机运行时 只要向轴封的均衡室 1 内送入压力较外界大气压力略高的蒸汽 使之 经过多次节流后流向轴封的真空侧和大气侧 即可达到阻止外界大气漏入低 压缸的目的 在汽缸的高压端 情况与此相类似 缸内压力蒸汽经曲径式轴封装置往外泄漏时 每通过一 道轴封片都要起一次节流作用 显然 轴封片与机轴间的径向间隙愈小 轴封片的片数愈多 阻力就愈大 漏汽量也就愈少 但间隙不能太小 否则定子与转子可能相碰 汽缸支撑在机座 又称台板 上 机座又通过垫铁固定在基础上 汽缸与机座不是紧固在 一起的 这是因为汽缸受热后要膨胀 若将汽缸与机座紧固在一起 就会约束与跟制汽缸的 这种热膨胀 使汽缸产生不均匀变形 引起中心变动 因此必须保证汽缸受热时能自由膨胀 但这种自由膨胀必须加以合理引导 以保证汽缸和转子的几何中心一致 为此目的 通常在 汽缸与机座之间设有各种导向滑销 这些滑销组成了引导汽缸膨胀的滑销系统 3 动叶片 动叶片是汽轮机中数量最多的重要组成部件之一 叶片制造有铣制 轧制 模锻及精密铸造等几种 图 8 14 为冷轧成型的叶片 由图可 见 叶片一般由围带 5 工作部分 1 和叶根 2 三部分组成 叶片间用隔叶件 4 分隔开 以形 成叶栅通道 叶片顶部留有铆钉头 6 供安装围带之用 这种围带为铆接围带 全铣制叶片 的围带 工作部分 叶根和隔叶件是一个完整的整体 所以安装起来十分方便 叶片的根部常有 T 型 外包 T 型 叉型 及纵树型等不同型式 见图 8 14 T 型叶根 常用于离心力不大的高压级 叉型及纵树型 则用于离心力较大的低压级 特别是末几级 长叶片 汽轮机在运行中其动叶承受很大的应力 不仅承受汽流所加给的弯曲应力 同时还承 受高速旋转时离心力作用所产生的拉伸应力 在多级汽轮机中 由于蒸汽比容随着压力的 逐级降低而迅猛增大 蒸汽的容积流量将越 来越大 这就要求动叶随着逐级加长 高压 段前几级叶片较短 中 小型机组的第一级 叶片长度通常为 15 20mm 大型汽轮机末 级叶片长度可达 650 800mm 甚至更长 随着叶片长度的增加 长叶片将承受十分巨 大的拉伸应力 大型汽轮机末级叶片长度可 达 650 800mm 甚至更长 随着叶片长度 的增加 长叶片将承受十分巨大的拉伸应力 图 8 14 轧制叶片 1 工作部分 3 叶根部分 3 轮缘 4 隔叶件 5 围带 6 铆钉头 4 转子和主轴 汽轮机的转动部分总称转子 它包括主轴 叶轮 动叶片和其他各种附设在主轴上的转 动部件 汽轮机转子可分为转轮型和转鼓型两大类 前者用于冲动式汽轮机 后者用于反动式汽 轮机 图 8 15 和图 8 16 分别表示它们的基本结构 由图可见 多级汽轮机各级叶轮的直径 由高压段至低压段是逐渐增大的 这是因为蒸汽压力逐级降低 其比容不断增大 因而通流 面积也应逐渐增大所致 图 8 15 转轮型转子 根据转轮型转子制造工艺的不同又可分为套装式转子 整锻式转子和焊接式转子三类 图 8 15 为套装式转子 这种转子的叶轮是单独加工的 其内孔直径比相应部位的轴径略小 套装时首先将叶轮加热 待内孔受热膨胀变大后热套在轴上 冷却后叶轮即紧紧地固定在轴 上 为了传递叶轮的扭矩 还设置一个或两个对称布置的平键 如图 8 17 所示 套装式转 子的缺点是在高温下工作时 叶轮可能松动 故只适用于中 低参数的汽轮机或高压机组的 低压部分 图 8 16 转鼓型转子 图 8 17 套装叶轮在轴上的固定 1 轴 2 叶轮 3 间距套筒 4 平键 汽轮机的转子由两个相隔一定距离的轴承来支承 成为一弹性体 具有一定的横向振动 自振频率 汽轮机的工作转速不应与转子的自振频率相重合 数值上等于转子横向自振频率 的转速 称为该转子的 临界转速 汽轮机实际运行中决不允许汽轮机转子以临界转速运 行 否则机组将毁于强烈的大振幅振动 多数汽轮机制造厂都采用较工作转速高 20 25 或 30 40 的转速为临界转速 凡临界转速高于工作转速的转子 称为刚性转子 临界转速低 于工作转速的转子 称为挠性转子 挠性转子的汽轮机在启动升速的过程中 为避免出现大 振幅的振动 当转速接近临界转速时 必须迅速开大主汽阀 使转速尽可能快地通过临界转 速区 8 2 38 2 3 船舶船舶汽轮机推进装置汽轮机推进装置 1 单级汽轮机速度特性曲线 图 8 18 单级汽轮机速度特性曲线 汽轮机冲动级速度特性曲线如图 8 18 所示 图中的 n 是叶片速度与汽流速度之比 图中可见当叶片速度是汽流速度的 1 2 时 汽轮机功率发出最大功率 当叶片速度为零 时 汽轮机转矩 力 最大 但不输出机械 功 当叶片转速逐渐上升 汽轮机转矩 力 逐渐下降 功率逐渐上升 当速比超过 1 2 时 功率和转矩都下降 当叶片速度与汽流 速度之比为 1 时 汽轮机输出的转矩 力 和功率都为零 实际上当转速改变时汽轮机中所发生的 现象要复杂得多 因为各级中的蒸汽参数以 及流过的蒸汽量都要改变 然而上面所介绍 的扭矩和功率随转速而变化的关系大体上仍 适用于多级汽轮机 实验证明 在汽轮机开始回转时的扭矩值约为正常工作时的二倍 这点对于船用汽轮机 的启动是一个有利的特性 汽轮机功率随转速的变化成抛物线关系 当转速降低时功率的下 降较为缓慢 2 汽轮机推进装置的工作特点 1 由图 8 18 的单级汽轮机速度特性曲线可见 汽轮机在开始回转时 即 n0 0 的扭矩值 约为正常工作时扭矩值的二倍 这样使汽轮机带螺旋桨启动比较迅速 这一特性对汽轮机推 进装置启动是十分有利的 a 汽轮机工作特性 b 内燃机工作特性 图 8 19 汽轮机和内燃机工作特性图对比 2 汽轮机和内燃机的特性曲线表示在图 8 19 上 虚线表示发动机保持额定功率 ee nM 时的曲线 汽轮机推进装置在系泊工况下 即入p 0 时 螺旋桨转速降低 汽轮机 ee nM 效率下降 功率亦减少 交点 D 所能发出的扭矩较额定功率不变所能发出的扭矩 点 C 略低 如图 a 而内燃机的特性曲线近似为一直线 为安全起见 系泊工况下的功率较额 ee nM 定值进一步降低 D 点的扭矩值仅为 C 点的 90 如图 b 将汽轮机和内燃机两者的 特性相比可以发现 汽轮机具有较良好的驱动性能 能更高地利用额定功率 保证 ee nM 发出较大的驱动力 这对船舶启航 倒车 螺旋桨被木头或冰块卡住等场合是很有用的 3 汽轮机的速度特性曲线形态接近于二次抛物线 表明外界航行阻力工况起变化 如航 行时遇到了较大的阻力 见图 8 20 汽轮机推进较之内燃机推进能输出更高的功率 如图 N1 N2 即负荷较大时 汽轮机具有较好的推进性能 图 8 20 发动机和螺旋桨配合图 3 船舶汽轮机动力装置组成及特点 1 船舶汽轮机动力装置组成 船舶推进装置是为保证船舶航行方向和航行速度提供推进力的一整套装置 推进力就是 船舶的活动能力 提供推进力是动力装置的根本任务 因此推进装置是船舶动力装置的主体 它包括 主发动机组 推进器和传动设备和轴系 主发动机组是发出推进动力的发动机 常称 主机 以及为它服务的辅助设备与系统 以汽轮机为主机的推进装置 其汽轮机需要蒸汽锅炉及时供应蒸汽 因此蒸汽锅炉及其系统 也是属于主发动机组 为使汽轮机和蒸汽锅炉正常工作 还分别需要滑油 燃油 空气 凝 水 给水 冷却水等 因此相应要配备一些水泵 油泵 冷却器 加热器 油水柜 过滤器 等机械和设备 这些往往都围绕机炉舱中的汽轮机 锅炉布置 它们相互之间以及与汽轮机 锅炉之间均用管路联结 这些为主机和锅炉服务的管路系统称为辅助系统 亦称动力系统 图 8 21 所示为船舶汽轮机推进装置产生推力能过程和主要设备示意图 图上简要地描 述了船舶汽轮机推进装置 汽轮机推进螺旋桨的推力能的产生过程及主要设备和系统连接概 况 图 8 21 船舶汽轮机动力装置产生推力能过程和主要设备示意图 采用燃油的汽轮机动力装置产生螺旋桨推力能过程是一系列能量转换的过程 如图所 示 供应能量的燃油由燃油 日用 柜送到锅炉中燃烧 燃油在锅炉内燃烧时 它的化学能首 先转变为烟气的热能 当烟气沿锅炉炉膛及其后面的烟道流过时 它的热能就逐步传递给在 锅炉各部分受热面内流动的水 蒸汽以及空气 锅炉所产生的新蒸汽进入汽轮机后逐级进行 膨胀 蒸汽的部分热能先转变为汽流的动能 高速汽流施加作用力于汽轮机的叶片上 推动 了叶轮连同整个转子旋转 于是汽流的动能被转换成汽轮机轴上的机械能 汽轮机通过联轴 器 齿轮减速箱和轴系带动螺旋桨推进器转动 螺旋桨推进器将轴系传递的机械能转变为推 动船舶前进的动力 2 船舶汽轮机动力装置的特点和组成 汽轮机是利用蒸汽的热能来作功的热力发动机 它是先把蒸汽的热能转变为动能 然后 再以高速度的气流作用在转动的叶片上 从而转变为机械能的旋转发动机 汽轮机本身没有 往复运动的部件 因此这类装置的特点是 1 1 单机功率大单机功率大 在现有动力中 汽轮机的单机功率最大 它的功率不受气缸尺寸的限 制 在汽轮机中蒸汽的流速很高 可在较小的通流面积中流过大量的蒸汽 因此有大的单机 功率 陆用火电站汽轮机组单机最大功率为 1300MW 舰船汽轮机单机功率受到舰船推进器 螺旋桨尺寸和制造上的限制 远远小于陆用机组功率 目前 单机功率最大已达 55000kW 2 2 工作可靠性好 寿命长工作可靠性好 寿命长 汽轮机是一种直接产生回转运动的机械 它不存在像柴油 机那样一套曲柄连杆机构的周期性往复运动部件 因而工作过程连续 稳定 工作转数较高 高的工作转数使其重量轻 尺寸小 结构紧凑 工作时很平稳 因而机械磨损小 检修间隔 长 其工质初温较燃气轮机低得多 因而循环寿命长 可高达 100000h 以上 在工作中汽轮 机的故障率很低 工作可靠性好 3 3 燃用廉价劣质燃料燃用廉价劣质燃料 汽轮机动力装置提供蒸汽工质的蒸汽锅炉可以烧廉价的劣质 燃料 在柴油机没有解决燃用重油的年代里 更显示了它的优越性 但汽轮机动力装置由于多次能量转换 循环过程中有大量的汽化潜热在凝汽器中被冷 却水带走 加上所采用的工质初温较低 因此 汽轮机动力装置热效率较低 既不如柴油机 额定功率下也不如燃气轮机 装置组成复杂 蒸汽来自锅炉 为汽轮机 锅炉服务配套的机 械设备较多 还有汽轮机装置机动性比柴油机以及燃气轮机装置差 重量指标也不如燃气轮 机装置小 由于汽轮机装置蒸汽循环的放热温度极低 汽轮机装置工作可靠性高等特点 它与燃气 轮机等动力装置组成联合动力装置 如燃一蒸联合动力装置 COGAS 蒸一燃联合动力装置 COSAG 等可以充分发挥各机型的优势 具有较大发展前途 8 38 3 燃气轮机燃气轮机 燃气轮机是一种以空气及燃气为工质 靠连续燃烧燃料做功的旋转式热力发动机 主要 结构有三部分 1 压气机 2 燃烧室 3 动力涡轮 其工作原理为 轴流式压气机从外部吸 收空气 压缩后送入燃烧室 同时燃料 气体或液体燃料 也喷入燃烧室与高温压缩空气混 合 在受控方式下进行定压燃烧 生成的高温高压烟气进入透平膨胀做功 推动动力叶片高 速旋转 从而使得转子旋转做功 转子做功的大部分用于驱动压气机 约 1 3 左右的功被输 出用来驱动负载 如发电机 螺旋桨等 船用燃气轮机以其功率大 结构紧凑 重量轻 效率高 便于操纵和实现自动化等突出 特点 已成为当今世界包括炮艇 轻型护卫舰 护卫舰 驱逐舰 巡洋舰到轻型航母的主要 推进主机和发电机组的原动机 并且已在进入高速 大功率 先进的民用船舶市场 8 3 18 3 1 燃气轮机工作原理燃气轮机工作原理 舰船燃气轮机主要由压气机 燃烧室和燃气涡轮等部件组成 图 8 22 所示即为某一舰 用燃气轮机示意图 图 8 22 某舰用燃气轮机示意图 在运转中 燃气轮机的压气机由大气中吸取一定量的空气并将其压缩到某一压力后就供 向燃烧室以及燃烧室与机匣之间的环形通道 流向燃烧室的那部分空气是供给燃烧室作油气 混合并燃烧用的 而流向环形通道的那一部分空气 则是用作冷却燃烧室和掺混高温燃气的 燃油和空气混合 燃烧后所产生的炽热气体 其温度高达 1500 2000 这种高温燃气 必 然要对燃烧室进行强烈的辐射热交换和对流热交换 如果燃烧室的内壁不进行冷却 那就极 易烧坏 所以保证在环形通道中间有一定量的空气流过是很有必要的 另外 燃烧室的高温 燃气 如果直接流入燃气涡轮中 涡轮的材料也承受不了 所以也需要有大量的冷却空气去 和这种高温燃气掺混 将燃气温度降到燃气涡轮材料所许可的最高持续温度 燃气经掺混而 达到一定允许温度后 就流向燃气涡轮并膨胀作功 然后排入大气 从图 8 22 中可见 燃气涡轮组件分为高压涡轮和低压涡轮二部分 高压涡轮通过联轴节 驱动压气机 而低压涡轮则通过中间轴和挠性联轴节驱动螺旋桨 习惯上 常将压气机 燃 烧室和驱动压气机的高压涡轮看作一个整体 称为燃气发生器 而将驱动螺旋桨的低压涡轮 称作动力涡轮 或称自由涡轮 8 3 28 3 2 舰船燃气轮机装置的主要优缺点舰船燃气轮机装置的主要优缺点 舰船动力装置主要有 蒸汽动力装置 柴油机动力装置 核动力装置 燃气动力装置和 联合动力装置 前两种装置发展得最早 广泛应用于各类舰船 后面三种 是上世纪 60 年 代年初来迅速发展起来的新型动力装置 舰船燃气轮机动力装置是指以燃气轮机为主机的全燃化动力装置 它自五十年代末期起 尤其是六十年代中期以来 已得到了极其广泛的应用 功率总数日益增长 装舰使用范围日 益扩大 已由快艇发展到了护卫舰 导弹驱逐舰 巡洋舰和直升机航空母舰等 这完全在于 舰用燃气轮机装置比其它各种装置有着一些突出的优点所致 即 1 燃气轮机对舰船所需的功率指令反应迅速 从冷态启动到发出全功只需 2 3 分钟 在紧急状态下 还可缩短到 1 分钟左右 这一点大大优于蒸汽轮机和大功率中 低柴油机 并为改善舰船的机动性和操纵性创造了优越的条件 2 舰船燃气轮机的单机功率比较大 各国在 4000 12000 马力和 20000 32000 马力的 功率范围内 均已有各自比较成熟的机组 目前 有些单机功率已达 50000 马力 因此 燃 气轮机的发展已为舰船航速的提高和其动力装置的简化提供了有利的条件 3 舰船燃气轮机的重量尺寸 非常轻巧 加速用燃气轮机装置的单位重量为 0 65 1 3kg kW 全工况用燃气轮机装置为 2 4kg kW 每持续轴马力的机组重量约为柴油 机的 1 10 这一点 对于舰艇来说 极其可贵 它既能有效地缩小动力装置的重量尺寸 增加燃油装载量 扩大通讯和武备的容量 又能提高生命力和续航力 4 舰船燃气轮机的所有辅助系统和设备 均附设于机组本体上 而且配有可靠的自动控 制和调节设备 因此 操作简便 容易实现全船自动化和远距离集中操纵等 5 因为燃气轮机是回转机械 又比较轻巧 结构上容易实施合理的减振支承和挠支承 所以机械噪声源少 机械噪声量小 且不易通过舰体向水下传播 使作战舰的隐性有所改善 6 舰船燃气轮机的运行可靠性较好 其翻修寿命有的已能达到 10000 小时 另外 也正 由于机组本身的重量尺寸比较小 容易实现快速更换 当需要翻修时 极易将整机通过进 排气管道吊离舰船 目前 已能在 24 小时内完成整个吊装和更换工作 这样就大大高了舰 船的实际服役率 同时 也大大简化了舰上的维修保养工作 有利于减少在舰人员 7 与蒸汽和柴油机动力装置相比 燃气轮机的滑油消耗量比较低 目前已达 1 5kg h 故可用较小的滑油柜来代替庞大的滑油储存舱 8 正由于燃气轮机轻巧 又容易实现全自动化监控和远距离集中控制 故一般均将机 组置于密闭机罩内 以利隔声 隔热 防化 防原 从而改善了机舱工作条件 如图 8 23 所示 这在蒸汽动力装置和柴油机动力装置舰船上是难以办到的 图 8 23 美国 LM2500 舰用燃气轮机机组 基于上述这些独特的优点 世界各国均大力研究和发展舰船燃气轮机 且将其装于各类 新建水面舰艇上 特别是中小型水面舰艇上 但是 任何事物总是一分为二的 在舰船燃气 轮机动力装置的发展中 与蒸汽 柴油机动力装置相比 还有许多急待进一步研究解决的问 题 譬如 1 燃气轮机的油耗率与柴油机相比 还是偏高 特别是非额定工况 4000 12000 马力 的舰船燃气轮机 额定负荷下的燃油消耗率约为 230 320 克 马力 时 20000 马力以上的 大功率机组 作为简单循环的燃气轮机的典型例子是 2500 燃气轮机 从上世纪 年代 初期开始 经 30 年的不断完善 改进 发展和提高 研制出其发展型 2500 压比从 18