蒸汽轮机基础

前言：

作为一种历史悠久的动力装置，蒸汽轮机直到今天还被各国海军广泛地应用着。举例来说，所有正在服役的核动力舰艇以及一些常规动力舰艇，如我国的001和001A型航母、俄国的库兹涅佐夫号载机巡洋舰，采用的都是蒸汽轮机。而在二战时期，蒸汽轮机更是成为了主流海军强国主战舰艇几乎唯一的动力来源。然而，在大多数介绍海军舰艇的资料中，对其使用的蒸汽轮机却往往鲜有提及。本文将从几个比较粗浅的方面，尝试对蒸汽轮机这种动力装置进行简单的解释，以消除一些因资料缺乏而导致的疑惑乃至误解。

1.何谓蒸汽轮机

蒸汽轮机，又名蒸汽透平机（steam turbine）的音译，是指以蒸汽作为工作介质、以旋转叶轮为主要工作部件的动力机械。不同于往复式蒸汽机中蒸汽的做功方式，即通过膨胀推动活塞往复运动，蒸汽轮机中的蒸汽在膨胀后将会推动一系列的叶轮旋转，并由输出轴带动需要驱动的机械（一般是螺旋桨或发电机，有时也会用于驱动强压通风鼓风机）。显然，蒸汽在蒸汽轮机中的做功过程应当是连续的，因此其输出功率要比间断做功的往复式蒸汽机高得多。在1897年首艘采用蒸汽轮机的船舶“透平尼亚”号出现之后，蒸汽轮机很快便迎来了大发展：在二战前夕，几乎所有海军强国的主战舰艇都广泛装备了蒸汽轮机。所以，对蒸汽轮机的认识和理解，是海军舰艇研究中一个无论如何都绕不开的坎。

2.蒸汽轮机的结构

几乎所有蒸汽轮机都包含有以下三个结构：

①静叶栅

②动叶栅

③汽缸。

正如在往复式蒸汽机和内燃机中，汽缸是用于约束工质使其不能外溢的外壳，蒸汽轮机的汽缸也是约束蒸汽的外壳。为了防止蒸汽通过汽缸壁与外界发生热交换，从而导致蒸汽损失内能，汽缸的外侧一般都涂覆有很厚的绝热材料——通常是石棉和水泥。考虑到检修的需要，汽缸一般都分为两部分，即下部的汽缸座和上部的汽缸盖；在蒸汽轮机故障时，只需把汽缸盖吊起来，就可对内部进行修理。由蒸汽推动的叶轮被称为动叶栅，装在蒸汽轮机的转轴上，可随转轴转动；而在动叶栅的前面还有一圈叶轮，只不过这圈叶轮并不是套在转轴上的，而是固定在汽缸内，和动叶栅靠得很近。因为这圈叶轮是固定的，不能转动，所以被称为“静叶栅”。静叶栅的主要作用是作为蒸汽的膨胀场所：从锅炉引入的高温高压蒸汽进入汽缸后，在静叶栅内发生膨胀，以很高的速度击向其后的动叶栅，由此推动动叶栅高速旋转。所以，我们其实可以把静叶栅近似地看做一圈沿环向排列的小喷嘴。一层静叶栅和一层动叶栅互相配合，就组成了蒸汽轮机中最基本的单位——级（stage）。考虑到一级轮机可能不能完全榨取出蒸汽中所蕴含的能量，大型的船用蒸汽轮机通常都是由数级串联而成的；蒸汽从入口向出口处流动，依次在每一级中膨胀做功，每次做功都损失一些能量——好比一只球从楼梯上逐级滚落下来，每滚下一级都会损失一些重力势能。

这是俄克拉荷马城号巡洋舰的高压轮机，动叶栅和静叶栅的位置如图所示

3.蒸汽轮机组

一般来说，当锅炉输出的蒸汽所含能量比较高时，即使经过了多级的膨胀，蒸汽在一个汽缸中也很难膨胀完全。反过来说，如果要使蒸汽在单一汽缸内膨胀完全，那么这个汽缸中就必须串联大量的级，带来的直接后果就是汽缸的长度会变得难以控制。而在寸土寸金的战舰上，一个十余米乃至数十米长的汽缸显然是不可接受的。所以，船用蒸汽轮机往往会采用另一种解决方案，即将一个非常长的单一汽缸打散成两部分或三部分，之间用蒸汽管连接，由此形成一个蒸汽轮机组。因为蒸汽轮机组中的数个汽缸未必非要前后串列布置，而是可以左右并列布置，一套蒸汽轮机组的长度便可以较单一的汽缸有较为显著的下降。

由单一汽缸多级式蒸汽轮机向蒸汽轮机组的演化

但蒸汽轮机组的出现导致了一个新的问题：对于单一蒸汽轮机来说，它们的轴始终只有一根。然而变成蒸汽轮机组之后，机组中的每台蒸汽轮机都需要一根输出轴，因此传动便成了一个问题。根据传动方式的不同，蒸汽轮机组又可以分为直接传动式（direct drive）和齿轮减速式（geared turbine）两种。其中直接传动式就是上图中给出的构型，三个汽缸各自给出一根输出轴，且输出轴直接带动螺旋桨。对于这样的蒸汽轮机组，一套机组会有两根及以上的轴，这就是为什么狮级战列巡洋舰仅用两套蒸汽轮机组就能做到四根传动轴：这两套蒸汽轮机的高压轮机各自驱动一根外侧传动轴，而低压轮机则各自驱动一根内侧传动轴。而二战中的大部分舰艇使用的都是齿轮减速蒸汽轮机；这种蒸汽轮机组的输出轴并不直接驱动螺旋桨，而是先经过一个齿轮联轴器，通过齿轮分别传动同一根大轴，把来自数个汽缸的输出动力并联到同一根轴上。与此同时，由于经过了齿轮的减速，输出到螺旋桨上的转速往往会较蒸汽轮机一开始输出的转速低很多，这对于驱动螺旋桨的蒸汽轮机来说意义非凡——以得梅因级的蒸汽轮机组为例，其高压轮机直接输出的转速高达6015转每分钟，低压轮机也有4829转每分钟的转速。如此夸张的转速如果输出到螺旋桨上，就势必会造成所谓的空化现象——由于螺旋桨叶旋转时把其前方的海水推开了，而四周的海水又来不及向其后方填补，螺旋桨桨叶的背面就会出现一个短暂的低压区；在这个低压区内，海水因急剧的压力下降而剧烈汽化，形成大量水蒸汽的气泡。在通常情况下，这些气泡会很快消散；但当螺旋桨的转速高到一定程度时，前面的水蒸汽还来不及消散，后一片桨叶就已经撞进了其中。如此一来，螺旋桨桨叶实际上就是在大量的水蒸汽气泡中旋转，很少或根本不能接触到海水——不用说，这样的现象肯定会使得螺旋桨推进效率骤降。而通过齿轮联轴器的减速，传递到螺旋桨上的转速已经低至每分钟数百转，这样就可以有效地避免这一不利现象。

这是克利夫兰级巡洋舰的齿轮减速蒸汽轮机组。可以看到，从高压缸和低压缸各自引出一根输出轴，两根输出轴再通过齿轮并到中间的主轴上

4.蒸汽轮机的分类

根据不同的标准，蒸汽轮机通常可以分为以下几类：

①按照蒸汽推动叶片做功的方式：冲击式和反击式

②按照蒸汽在轮机中的流向：单流式和双流式。

一般来说，单流式蒸汽轮机充当蒸汽轮机组中的高压轮机比较多，而低压轮机往往由双流式轮机担任。

5.冲击式和反击式

反击式蒸汽轮机是出现较早的一种蒸汽轮机。在第一艘使用蒸汽轮机驱动的船舶“透平尼亚”号上，装备的就是一套由高、中、低压三个汽缸组成的反击式蒸汽轮机。

所谓反击式蒸汽轮机的概念其实很简单。为了能够更好地理解它的工作原理，我们需要想象一个模型。

反击式蒸汽轮机模型

如图所示。蒸汽从叶轮的中心流入，体积逐渐膨胀，经弯曲叶片的引导后向叶轮四周流动，最后从叶片末梢斜向外地喷出；根据牛顿第三运动定律，我们知道，这些从叶片末梢出射的蒸汽会给叶片施加一个反作用力，迫使叶片旋转起来。由于蒸汽的流动方向与叶轮的旋转方向相反，这种蒸汽轮机被成为“反击式蒸汽轮机”（reaction turbine）。

不过，以上只是模型中的情况。在实际运用中，反击式蒸汽轮机的叶片并非像模型中的那样排列，而是如下图这般排列：