科普 舰用动力装置 蒸汽轮机

 

科普舰用动力装置

（复制粘贴自多家网络文章）

【蒸汽机动力装置】

蒸汽动力装置 自英国首次将使用汽轮机的蒸汽动力装置用于“透平尼亚”(Turbinia)号船以来，使用汽轮机的蒸汽动力装置已有近百年的历史。它曾经统治，大功率舰船推进装置领域，近半个世纪之久。

20世纪60年代以来，随着航空发动机改装为舰用燃气轮机的成功，苏、美相继于1962年和1975年分别建成了第一艘全部采用燃气轮机的军舰。

英国在1968年宣布了在护卫舰以上的大吨位军舰上全部采用燃气轮机的政策。加拿大海军也有类似的政策声明。但事实上，采用蒸汽动力装置推进的舰艇仍然是各国海军的主要力量之一。舰用蒸汽动力装置在这些挑战中仍在不断地完善自己，并一直在创新和发展。

因此，舰用蒸汽动力装置，在作为主要的舰艇动力上，仍然有着不可取代的历史地位。

无论在大吨位的航空母舰上，还是在采用压水堆的，核动力潜艇上。蒸汽轮机至今仍是，唯一可用的不可取代的动力装置。

因为前者需要较大的单机功率，使其他的动力装置，很难与之比肩，即使是使用核动力装置的航空母舰，其核心机，究起原理，依然是使用核动力锅炉的，蒸汽轮机而已。

后者的二回路，实际上就是蒸汽循环。 舰用蒸汽动力装置自20世纪60年代以来发展得比较稳定，技术相当成熟，达到了很高的水平。 目前的发展特点如下：

1. 功率有所增大 战前护卫舰蒸汽轮机，单机功率一般仅4410kW(6000bp)，美海军在20世纪40年代末服役的“基林”级驱逐舰，单机功率22050kW(30000hp)。

60年代服役的“薛尔曼”级驱逐舰和“布鲁克”和“诺克斯”级护卫舰，单机功率25725kW(35000hp)。 60年代服役的“孔兹”级驱逐舰的蒸汽动力装置，单机功率31237.5kW(42500hp)，并作为标准动力装置使用。

目前美海军最大的蒸汽动力装置用在航空母舰上，最大单机功率51450kW (70000hp)。 前苏联为了满足各类舰艇对功率的要求，研制了功率不等的各种型号的机组，如TB-9功率为7350kW(10000hp)；TB-8为26460kW (36000hp)；TB-12为33075kW(45000hp)。而单机功率最大的是TB-4为51450kW(70000hp)。

2. 机炉配置情况 战前护卫舰机炉配置一般采用一炉一机一轴的方式。现可能由于汽轮机的单机功率增大等方面的原因，已改为2台锅炉配一机一轴的方案。美国 驱逐舰延用2台锅炉配一台汽轮机驱动一根轴。因此，一般驱逐舰，甚至导弹驱逐领舰均无例外地采用4台锅炉。

苏联20世纪40年代建造的07型 驱逐舰采用1台锅炉配一机一轴方案。50年代建造的56型驱逐舰采用二台锅炉配一机一轴方案。航空母舰仍遵循二炉一机一轴的配置原则。

3. 蒸汽参数上升 美海军二战前1930年至1940年设计和在大战中使用的高速战斗舰艇的标准蒸汽参数一般选用4.22MPa(42.2atm)，454t(但护卫舰是3.16MPa (31.6atm)，399℃)；

战后汽轮机蒸汽初参数有大幅度上升，战斗舰艇一般采用8.45MPa(84.5atm)，510～524℃。

二战后美海军蒸汽参数的提高，并在广泛试验的基础上制定8.45MPa(84.5atm)，510℃为其战斗舰艇的标准蒸汽初参数是因为采用这个参数，可获得单位轴马力在巡航工况时最小热耗量，以及避免初温在超过538℃的时候，将高温蒸汽送入循环系统。防止高温气体给过热器、主汽轮机和蒸汽管路，造成不必要的问题。

其他国家在选择蒸汽参数上历来比较谨慎，它们采用的参数都比美国低。前苏联驱逐舰采用6.4MPa(64atm)，450～470℃；其他国家采用4.5 MPa(45atm)，450℃。也有用6MPa(60atm)，480℃的。日本护卫舰较低，只3.6MPa(36atm)，435℃。经过长期使用之后，目前全世界海军选用的舰用蒸汽参数基本趋于稳定。

4. 锅炉 由于重量轻、体积小、装置总效率高以及运行简单、适于自动控制等优点，美海军战斗舰艇在经过在DL-1-DL-5驱逐领舰上装舰使用之后，已决定放弃二战前用的双炉膛单烟道锅炉，即M型锅炉，而以单炉膛单烟道即D型锅炉取代。

此外，美海军还将强制循环锅炉装在DL-2和DL-3两驱逐领舰上使用。经验证明，采用强制循环锅炉是不合适的。此两舰在完工六七年后仍换用自然循环锅炉就说明了这点。

因此，美海军至今仍未采用强制循环锅炉。外刊报道，国外经验认为，在舰船上，增压锅炉、强制循环锅炉均不宜采用，已放弃了这方面的研制工作。

5. 前苏联在20世纪40年代建造的07型驱逐舰采用三筒双烟道锅炉，而50年代建造的56型驱逐舰则采用：

单烟道、单炉膛圆形锅炉、圆型单烟道锅炉， 这一锅炉的综合性能，明显比之前的，三筒双烟道锅炉优越。

其单位蒸汽产量的金属耗量低，由原来的0.614kg/kg蒸汽下降到0.47kg/kg蒸汽。饱和蒸汽干度也由原来的95～93％提高 到98.5％。另外，尺寸也较紧凑，还有比较高的热效率。

 舰船锅炉的蒸汽过热器主要有立式和卧式两种。英、美、德、日、法等国多采用U型环管式和M型盘管式。60年代改进成II型，主要是想在过热器区留出空间，以便在检修或清理时人能够进入。

英国舰用锅炉曾大量采用过“梅勒斯科”式蒸汽过热器。这种过热器管子与联箱采用可拆式连接，过热器可单独卸出。

前苏联的舰用锅炉采用立式过热器较多，且在护卫舰和驱逐舰上，大都布置在烟道的对流区。这种过热器的蒸汽温度随工况变化而变化。

而英、美等国则大都将过热器置于近炉膛处，呈半辐射式，因而过热器蒸汽温度特性比较平稳。有的锅炉的过热器蒸汽温度，当由全负荷变为巡航 负荷时，其温度变化仅30℃。

英、美等国对过热器的温度调节非常重视，英国常常采用挡板调节。较新的是采用二次过热器，它可把低工况下的蒸汽温度调到与全工况时一样，从而改善了低工况下的装置效率。

6. 动力装置的比重日趋下降 航空母舰蒸汽动力装置的比重量，二战前在CV-2“列克星敦”号上是单位千瓦44.9kg，而1968年服役的CVA-67“肯尼迪”号则已降至单位千瓦20.4kg。

蒸汽轮机本身的比重量下降更多，美海军的DLG9-13，DI～23-24导弹驱逐领舰的蒸汽轮机，其比重量仅1kg/kW(0.74kg/hp)。 日本和苏联舰用蒸汽动力装置的比重量已分别下降到21kg/kW(15.5kg/hp)和12.9kg/kW(9.5kg/hp)。

7. 油耗也日趋下降 美海军航空母舰的蒸汽动力装置的油耗已由CV-2“列克星敦”号的587.6s/(kW?h)(4329/(hP?h))下降到“肯尼迪”号的381g/(kW?h) (280S/ (kW?h))。DL-2“密撤尔”级驱逐领舰为364.6g/(kW?h) (268S/(hp?h))。DD-931"薛尔曼级驱逐领舰为370g/(kW?h)(272S/(hP?h))。

8. 日本下降到408.2S/(kW?h)(300S/(hp?h))。前苏联的TB-12比TB-8下降了25％，为444.9g/(kW?h)(327R/(hp?h))。

9. 采取措施，提高汽轮机在低工况时的经济性，是舰用蒸汽动力装置的重要指标，应力求在低工况时有全工况的经济性能。

美海军“薛尔曼”级驱逐舰，全工况和低工况的油耗相等，均370g/(kW?h)(272g/(hp?h))；

“孔兹”级导弹驱逐舰，低工况油耗为382.3g/(kW?h)(281g/(hp?h))； “李希”级导弹驱逐领舰为406.1S/(kW?h)(298.5g/(hp?h))；

10. 日本海上自卫队的“天津风”号和“望月”号舰的蒸汽动力装置，在低工况时的效率也基本上达到了与全工况相近的水平。

提高低工况的经济性，最有效的措施是提高其在低工况时的特性数值。这就需要增加低速时的工作级数。因此，目前舰用汽轮机组除个别小功率机组外，几乎无例外地都设有低速级组(低速汽轮机)。根据低速级组的配置方式，可分为内旁通、外旁通、巡航汽轮机和串～并联汽轮机等四种基本类型。巡航汽轮机的配置是外旁通配置的扩展。

它实质上是将外旁通的低速级组装在一个专门的汽缸中而构成。它又有巡航汽轮机直接连接；巡航汽轮机直接连接，全速时通冷凝器；巡航汽轮机以减速器连接；巡航汽轮机以减速器连接，全速时通冷凝器，以及巡航汽轮机以减速器和离合器连接等五种形式。

串联～并联汽轮机是外旁通或直接连接巡航汽轮机的扩展。在低速时，蒸汽经过低速级再到全速级(串联工作)，而全速时，蒸汽则同时进入低速级和全速级，工作后一起排入低压汽轮机(并联工作)。 串～并联汽轮机在二战后得到海军工程界的重视(尽管此概念早在第一次世界大战中已经形成，并在美海军DD-251级等91艘驱逐舰上用过)， 美海军二战后就放弃了巡航汽轮机这种形式，比较倾向于采用串～并联汽轮机。

美海军战后建造的驱逐舰“薛尔曼”级等的25725kW(35000hp)汽轮机，航母“萨拉托加”号45937.5 kW(62500hp)[51450kW(70000hp)]汽轮机都采用了串～并联方式。

日本1973年和1980年建造的“榛名”级和“白根”级驱逐舰，也都不再使用巡航汽轮机，而采用串～并联汽轮机。 串～并联汽轮机在0.2以上工况，汽耗曲线比较平缓，比巡航汽轮机直接连接型汽轮机优越。

除此之外，串～并联汽轮机还较内旁通、外旁通和巡航汽轮机方式优越之处，是消除了高速时的空转，既避免了高速时的空转损失，又使结构布置紧凑。

还有就是，由于串～并联汽轮机，在全工况和低工况下都有蒸汽通过，且进汽端都位于低速级和全速级的中部，始终接触高温蒸汽，温度场变化小，因此机动性也较高。

尽管目前的舰用蒸汽动力装置，已经十分成熟，但是在不久的未来，仍可以在，通流部分的效率方面，缩小整机尺寸的重量方面，提高经济性和机动性，并且改善低工况性能等方面，进行完善与改进。

 

一、美国"萨拉托加"号航空母舰的蒸汽动力装置  

(一)研制背景和研制计划  “萨拉托加”号(CVA-60)航空母舰是第二次世界大战后，美海军第一批建造的攻击型航空母舰，“萨拉托加”号是“福莱斯特”级航空母舰的第二艘舰。  

(二) 系统组成和主要性能  

主要由蒸汽锅炉、过热器、蒸汽轮机、冷凝器和减速齿轮装置等组成。  1.蒸汽锅炉  此锅炉为带蒸汽空气预热器的单炉膛D型锅炉。  

蒸汽锅炉性能参数如下：  

蒸汽蒸发量(t/h)：118.2；蒸汽压力(MPa(atm))：8.45(84.5)；过热蒸汽温度(T)：540；锅炉受热面积(㎡)：575；蒸汽过热器受热面积(㎡)：  155；上水预热器受热面积(㎡)：682；总受热面积(㎡)：1412；炉膛容积(m3)：25.8；喷油嘴数7(只)；

锅炉尺寸(长×宽×高，min)：4875 ×6300×6850；

炉膛热强度(kJ/m3(kcal/m3))：16.74×106(4×106)；

1t蒸汽蒸发量所占机舱面积(㎡/t)：0.26；

1t蒸汽蒸发量所占机舱体积(m3/t)：1.78；

蒸汽锅炉效率：0.89。  

2. 蒸汽轮机           

该机为无巡航汽轮机，有中压汽轮机的串联-并联式。高压汽轮机有一个双速度级和5级冲动式压力级；中压汽轮机有7级冲动式叶片。

第1级不是双速度级，但轮盘直径较大(故实现焓降大)；低压汽轮机为分流式，各有5级冲动式叶片。

还有倒车汽轮机，当低功率运行时，只打开高压汽轮机的喷嘴控制阀，蒸汽通过高压汽轮机的双速度级和5级压力级，并经蒸汽输送管进入中压汽轮机。

蒸汽经高、中压汽轮机作功后，进入分流式低压汽轮机(串联运行)；当需要大功率时，进入高压汽轮机和中压汽轮机的喷嘴阀同时打开，蒸汽各自分别流入高压汽轮机和低工况时的中压汽轮机(此时的中压汽轮机实际上也是高压汽轮机)，然后两者共同将作完功的蒸汽经蒸汽输送管送入低压汽轮机(并联运行)。  

“萨拉托加”号航空母舰的蒸汽轮机也有抽汽开口，可将蒸汽抽至除氧器用作给水预热。  

CVA-60“萨拉托加”号航母蒸汽轮机的特性如下：  单机最大功率[kW(hp)]：45937.5(62500)[51450(70000)]；蒸汽初压(MPa(bar))：8.45(84.5)；蒸汽初温(℃)：510；油耗(g/(kW?h)(g/(hp? h)))：363.3(267)；  3.减速装置  该装置为双级减速齿轮装置，有上、下两个箱体。

下箱体支撑大齿轮，用螺栓将下箱体连接到齿轮箱的底座上。底座又与舰体相连。

上箱体支撑套筒轴，上箱体的上面还装有箱盖，诸如盘车装置、转速表的传动轴、滑油泵的传动轴等辅助设备也装在齿轮箱上。

下箱体下的齿轮箱座内还有滑油系统的油槽，汽轮机和减速齿轮装置所用的滑油都流至此滑油槽中。

齿轮箱盖上还装设有滑油流量表和轴承温度表的附件，此外，在齿轮箱上还装有几块铰链检查板，用于定期检查齿轮滑油喷嘴的喷油量。这些检查板平时用挂锁锁住。  

CVA-60航空母舰的蒸汽动力装置，共有蒸汽锅炉8台，蒸汽轮机4台，整个蒸汽动力装置的比重量为19.2kg/kW(14.1kg/hP)。  

(三) 技术特点分析及述评  

CVA-60“萨拉托加”号航空母舰于1955年服役，该舰使用的蒸汽轮机动力装置，在装备萨拉托加号的同时，用用于“福莱斯特”级另两艘航空母舰。

而且，之后建造的“小鹰”级常规动力航空母舰，使用的蒸汽轮机系统，也和萨拉托加号同型。

所以，该蒸汽动力装置，代表了20世纪50年代以来，美国大型舰用蒸汽动力装置的，阶段性最高水平。

 

二. 美国31237.5kW(42500hP)蒸汽动力装置

(一) 研制背景和研制计划  

从实际情况看，美国海军当时想发展一型，适于导弹驱逐舰和导弹巡洋舰的标准蒸汽动力装置，以使蒸汽动力装置有大致的功率分档

即护卫舰级22050～25725kW(30000～35000hp)，

驱逐舰和巡洋舰级31237.5kW(42500hp)，

航空母舰45937.5～51450kW(62500-70000hp)，

于是，研制此31237.5kW(42500hp)的舰用蒸汽动力装置，并规定在研制成功，通过军方验收之后，作为标准蒸汽动力装置制式采用。

（二）系统组成和主要性能  

主要由蒸汽锅炉、过热器、蒸汽轮机、冷凝器和减速齿轮装置等组成。  

1. 蒸汽锅炉  该锅炉为双筒斜管自然循环单炉膛D型水管锅炉。有关性能参数如下：  

蒸汽蒸发量(t/h)：75.25；蒸汽压力MPa(bar)：8.45(84.5)；

过热蒸汽温度(t)：510；

炉膛热负荷(kJ/(m3?h)(keal/(m3?h)))：16.74～29.72 ×106(4-7.1×106)；

锅炉效率：0.83～0.85；锅炉单位蒸汽重量(kg/kg)：约0.8；  

2.蒸汽轮机  该机为带有高、低压缸的外旁通冲动式汽轮机。

高压汽轮机共有10级冲动式叶片；低压汽轮机为分流式，各有5级冲动式叶片。还有倒车汽轮机。当低功率时，使用高压汽轮机内的5级低速级。经过低速级作功的蒸汽，其后进入低压汽轮机。           

31237.5kW(42500hp)蒸汽轮机装置有如下性能：  

功率(kW(hp))：31237.5(42500)；

蒸汽初压(MPa(bar))：8.45(84.5)；

蒸汽初温(℃)：510；转速(高压转子/低压转子)(r/min)：7206/5943；尺寸(长×宽×高)(rain)：4100×4410×3090；

重量(kg)：31350；单位千瓦重(ks)：1.0；

冷凝器压力(MPa(bar))：0.017(0.17)；

31237.5kW(42500hp)舰用蒸汽动力装置，主要用于美海军“孔兹”、“李希”和“贝尔克拉普”等舰级的，导弹驱逐领舰使用。

它们均装有4台锅炉和2台31237.5kW(42500hp)蒸汽轮机。

 为一机两炉配置。在布置时，机、炉各占2舱。  

“孔兹”级导弹驱逐领舰的蒸汽动力装置的总重为870t，比重量为13.96kg/kW(10.25kg/hp)。

（三）技术特点分析及述评  

在解决低工况运行的经济性方面，本机采用了外旁通的方法。

汽轮机采用外旁通设计，具有结构简单、操纵方便、尺寸小、重量轻等优点。  

但自第二次世界大战以来，美海军趋向于发展串联～并联式汽轮机来解决低工况的性能。

此机也是这个时期研制的产品，采用了外旁通，且又被美海军规定为标准的驱逐舰、驱逐领舰和巡洋舰的蒸汽轮机，不能不认为这是此机的最大特征。

从选用的蒸汽参数，以及汽轮机本身的比重量的特性来看，

本机仅为1.0kg/kW(0.74ks/hP)，由此可知，此机的确代表了，当时、乃至现在的最高水平。