蒸汽轮机基础：修订间差异

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 ==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。
+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等，采用的都是蒸汽轮机。而在二战时期，蒸汽轮机更是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。
 ==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。
+蒸汽轮机（steam turbine），又音译为蒸汽透平机，或在特定场合下直接简称为轮机/透平机，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通过膨胀推动活塞往复运动的做功方式，蒸汽轮机中的蒸汽在膨胀后将会推动一系列的叶轮旋转，从而将能量转化为机械能，通过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）——我们可以把它想象成一个风车：蒸汽在膨胀的时候体积扩大，就会形成往外吹的“蒸汽风”，而这股风则会吹着叶轮不停旋转。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。等到二战前夕，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。
 ==蒸汽轮机的结构==
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 [[文件:蒸汽轮机组.png|缩略图|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，蒸汽轮机组可以简单分为直接传动式（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。
+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，蒸汽轮机组可以简单分为直接传动式（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，而是先经过一个减速齿轮箱，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。而通过减速齿轮箱的减速，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。
 [[文件:齿轮减速机组.jpg|缩略图|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]]
-==联轴器、倒车组件与盘车装置==
+==齿轮箱、倒车组件与盘车装置==
-要注意一点。用在齿轮减速式蒸汽轮机组中的联轴器并不同于车辆用的变速齿轮箱，它并不具备换挡功能。这是因为船用蒸汽轮机的动力负载通常都比较大，在这种情况下设置可变档位的齿轮箱，齿轮箱的可靠性一般都不会很高——这也就是为什么大多数内燃机车都不是直接由柴油机带动车轮旋转，而是由柴油机带动发电机先发出电流，再由电流驱动电动机，最后由电动机驱动车轮，通过对电流的调节来控制车轮的工况——因为可变档位的齿轮箱一般都适应不了由柴油机到车轮的巨大动力传递。同时，为了适应从蒸汽轮机处传来的巨大扭力，联轴器中使用的并不是简单的齿轮，而是斜齿轮，这种齿轮的咬合和分离都是逐渐完成的，动力传递更为柔和流畅。
+要注意一点。用在齿轮减速式蒸汽轮机组中的齿轮箱并不同于车辆用的变速齿轮箱，它并不具备换挡功能。这是因为船用蒸汽轮机的动力负载通常都比较大，在这种情况下设置可变档位的齿轮箱，齿轮箱的可靠性一般都不会很高——这也就是为什么大多数内燃机车都不是直接由柴油机带动车轮旋转，而是由柴油机带动发电机先发出电流，再由电流驱动电动机，最后由电动机驱动车轮，通过对电流的调节来控制车轮的工况——因为可变档位的齿轮箱一般都适应不了由柴油机到车轮的巨大动力传递。同时，为了适应从蒸汽轮机处传来的巨大扭力，齿轮箱中使用的并不是简单的齿轮，而是斜齿轮，这种齿轮的咬合和分离都是逐渐完成的，动力传递更为柔和流畅。
-[[文件:联轴器齿轮.jpg|缩略图|美国海军使用的联轴器，注意其齿轮的齿并不是和轴平行的，而是斜的]]
+[[文件:联轴器齿轮.jpg|缩略图|美国海军使用的齿轮箱，注意其齿轮的齿并不是和轴平行的，而是斜的]]
-而既然联轴器中不能设置多个档位，那么通过设置倒挡来改变主轴转向从而实现倒船的方案显然也是不现实的。但是，战舰并不会因此就没有倒船的需求；比如在港口这类狭小的水域内进行机动时，倒船的能力就会显得尤为必要。因此，一些蒸汽轮机中会设置所谓的“倒车组件”：这也是一套蒸汽轮机系统，但它并没有独立的汽缸，而是寄生于低压蒸汽轮机的汽缸内，一般都设置在低压蒸汽轮机的末级之后。倒车组件的叶片朝向和其余蒸汽轮机的相反，因此当蒸汽流入倒车组件时，倒车组件就会驱动低压轮机的轴反向旋转，经联轴器带动主轴一起反转。在倒车组件和低压轮机的末级之间设有隔板；这是因为倒车组件的级数很少，蒸汽在其中不可能完全做功，因此流出倒车组件的蒸汽往往还携带有相当的温度和压力。而在战舰倒车的时候，由于低压轮机的叶轮在倒车组件的驱动下反转，低压轮机就会产生一个反向的吸力；如果不设置隔板，那么从倒车组件流出的高温高压蒸汽就会被低压轮机吸入其中，导致低压轮机过热。
+而既然齿轮箱中不能设置多个档位，那么通过设置倒挡来改变主轴转向从而实现倒船的方案显然也是不现实的。但是，战舰并不会因此就没有倒船的需求；比如在港口这类狭小的水域内进行机动时，倒船的能力就会显得尤为必要。因此，一些蒸汽轮机中会设置所谓的“倒车组件”：这也是一套蒸汽轮机系统，但它并没有独立的汽缸，而是寄生于某一蒸汽轮机的汽缸内，一般都设置在低压蒸汽轮机的末级之后。倒车组件的叶片朝向和其余蒸汽轮机的相反，因此当蒸汽流入倒车组件时，倒车组件就会驱动低压轮机的轴反向旋转，经齿轮箱带动主轴一起反转。在倒车组件和低压轮机的末级之间设有隔板；这是因为倒车组件的级数很少，蒸汽在其中不可能完全做功，因此流出倒车组件的蒸汽往往还携带有相当的温度和压力。而在战舰倒车的时候，由于低压轮机的叶轮在倒车组件的驱动下反转，低压轮机就会产生一个反向的吸力；如果不设置隔板，那么从倒车组件流出的高温高压蒸汽就会被低压轮机吸入其中，导致低压轮机过热。
 [[文件:俄克拉荷马城低压轮机.jpg|缩略图|这是俄克拉荷马城的低压轮机，被圈出来的部分就是倒车组件]]
-在一些战舰的联轴器中还会安装所谓的盘车装置（jacking motor）。这是一种功率比较小的电动机，通过一个离合器连接到高压轮机的输出齿轮上；当离合器手柄被拉下时，盘车装置与高压轮机输出齿轮之间的离合器咬合，同时盘车装置接通，带动高压轮机以极缓慢的速度旋转；而高压轮机的转动又会经高压轮机输出齿轮-主轴齿轮-低压轮机输出齿轮最终传递到低压轮机上，使低压轮机也缓慢旋转。这是因为蒸汽的入口通常都不在汽缸的轴线上，而是在汽缸的上方；基于这个原因，当蒸汽轮机在启动前预热时，如果动叶栅不旋转，那么上面的叶片就会因为更靠近蒸汽入口而变得更热，而下面的叶片则会因为远离蒸汽入口而相对较冷，使得动叶栅上下受热不均匀。而盘车装置则可以使轮机的叶片在预热时缓慢旋转，像烤羊肉串时不断翻动肉串一样，确保每一片叶片都能均匀受热。当然，在蒸汽轮机完全接入开始工作时，盘车装置的离合器就会断开；否则，高速旋转的蒸汽轮机通过离合器直接带动盘车装置，很容易就会将其烧毁。
+在一些战舰的齿轮箱中还会安装所谓的盘车装置（jacking motor）。这是一种功率比较小的电动机，通过一个离合器连接到高压轮机的输出齿轮上；当离合器手柄被拉下时，盘车装置与高压轮机输出齿轮之间的离合器咬合，同时盘车装置接通，带动高压轮机以极缓慢的速度旋转；而高压轮机的转动又会经高压轮机输出齿轮-主轴齿轮-低压轮机输出齿轮最终传递到低压轮机上，使低压轮机也缓慢旋转。这是因为蒸汽的入口通常都不在汽缸的轴线上，而是在汽缸的上方；基于这个原因，当蒸汽轮机在启动前预热时，如果动叶栅不旋转，那么上面的叶片就会因为更靠近蒸汽入口而变得更热，而下面的叶片则会因为远离蒸汽入口而相对较冷，使得动叶栅上下受热不均匀。而盘车装置则可以使轮机的叶片在预热时缓慢旋转，像烤羊肉串时不断翻动肉串一样，确保每一片叶片都能均匀受热。当然，在蒸汽轮机完全接入开始工作时，盘车装置的离合器就会断开；否则，高速旋转的蒸汽轮机通过离合器直接带动盘车装置，很容易就会将其烧毁。
-[[文件:盘车装置.jpg|缩略图|这是一台联轴器靠近高压涡轮输出齿轮的部分，那台电动机就是盘车装置]]
+[[文件:盘车装置.jpg|缩略图|这是一台齿轮箱靠近高压涡轮输出齿轮的部分，那台电动机就是盘车装置]]
 ==蒸汽轮机的分类==
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 作为最早应用在船舶动力上的蒸汽轮机，反击式蒸汽轮机自然有其可取之处。从上面的图中我们可以看到，由于蒸汽在动叶栅中继续膨胀，它在顺着弯曲的叶片向后流动之余也会向下顶推下一片叶片。这样，作用在下一片叶片正面和背面的压力差就不会那么大，从而避免了叶片因为两侧压差过大而产生形变和振动。正是凭借着这个优势，在早期冲击式蒸汽轮机因技术不成熟而屡屡发生故障时，帕森斯的反击式蒸汽轮机占据了巨大的市场份额。
-然而，这个优势其实是一把双刃剑。经过上面的分析我们发现，从反击式蒸汽轮机动叶栅背面流出的蒸汽其实还具有一定的压力，这就表示反击式蒸汽轮机单级所能榨取的能量其实是比较有限的。因此，当蒸汽压力和温度随着锅炉技术的发展而逐渐升高时，反击式蒸汽轮机就需要相当数量的级才能较充分地利用蒸汽中的能量，使蒸汽轮机的体积迅速上升。所以，各位以后看到二战时期舰用蒸汽轮机的剖视图，如果里面的转子有二十甚至三十个串联的动叶栅，那么它就一定是帕森斯公司的反击式蒸汽轮机。
+然而，这个优势其实是一把双刃剑。经过上面的分析我们发现，从反击式蒸汽轮机动叶栅背面流出的蒸汽其实还具有一定的压力，这就表示反击式蒸汽轮机单级所能榨取的能量其实是比较有限的。因此，当蒸汽压力和温度随着锅炉技术的发展而逐渐升高时，反击式蒸汽轮机就需要相当数量的级才能较充分地利用蒸汽中的能量，使蒸汽轮机的体积迅速上升。所以，各位以后看到二战时期舰用蒸汽轮机的剖视图，如果里面的转子有二十甚至三十个串联的动叶栅，那么它一般来说就是帕森斯公司的反击式蒸汽轮机。
 [[文件:帕森斯轮机.jpg|缩略图|这是一台帕森斯轮机，各位可以数数看它串联了多少级]]
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 ——那么既然从增加叶片半径这条路走走不通，唯一能行得通的路也就只有减小流量了。这样，单位时间内通过叶栅的蒸汽体积减小，叶轮就可以做得更小一些。因此，双流式蒸汽轮机将原本的一股蒸汽分成了两股，使每一股的流量都是原先的一半左右，并使其从两个方向流过两组叶片。所以，这种蒸汽轮机是先天适合作为蒸汽轮机组的低压轮机的。
+==几个著名的蒸汽轮机生产方==
+===布朗-柯蒂斯===
+试图在船用蒸汽轮机中引入冲击式原理的先驱。因冲击式蒸汽轮机的技术在当时还不成熟，于20世纪20年代初期破产。
+===布鲁姆&福斯===
+布鲁姆&福斯是二战期间德国海军主要的蒸汽轮机供应商。其生产的蒸汽轮机机组通常为三缸机组，做功方式则是冲击式和反击式混合；以俾斯麦的布鲁姆&福斯蒸汽轮机为例，它的高压轮机是一台冲击式蒸汽轮机，而中压轮机和低压轮机则是反击式。
+===技术本部===
+日本海军技术本部，代表性产品为技本式蒸汽轮机。此种轮机实际上是从美国威斯汀豪斯引进的三流式蒸汽轮机组的仿制品：这种机组的高压轮机是个双流冲击式蒸汽轮机；蒸汽从轮机的两端进入，分别向中心流动，最后从轮机中间排出。与此同时，一股蒸汽从经轮机前部进入的蒸汽中分离出来，流向三菱帕森斯式反击式蒸汽轮机。当战舰低速巡航时，蒸汽在进入高压轮机后可以不进入叶栅，而是直接绕流到通往反击式蒸汽轮机的蒸汽管中，仅由一台反击式蒸汽轮机输出功率。
+[[文件:技本式蒸汽轮机.jpeg|缩略图|技本式三流式蒸汽轮机，注意蒸汽在高压轮机中的流动方向]]
+===拉托-布列塔尼===
+法国的冲击式蒸汽轮机生产方。
+===帕森斯===
+最早搞出船用蒸汽轮机的公司，一二战期间主要涉猎反击式蒸汽轮机业务。所以，如果在某艘战舰上看到“帕森斯”式蒸汽轮机，那它用的一般都是反击式蒸汽轮机组。
+===通用电气===
+美国的重要船用蒸汽轮机生产方，其燃气轮机业务也相当出名。
+===威斯汀豪斯===
+另译“西屋”，美国的重要船用蒸汽轮机生产方。