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蒸汽轮机基础

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前言[编辑]

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[编辑]

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[编辑]

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,冲动动叶栅或是在动叶栅中继续膨胀,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

蒸汽轮机组[编辑]

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。

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

齿轮箱、倒车组件与盘车装置[编辑]

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。

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。

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。

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[编辑]

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。

冲击式和反击式轮机[编辑]

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,而是如图中这般排列:

反击式蒸汽轮机的叶轮

其中的FB就是静叶栅,而MB则是动叶栅。可以看出,在经静叶栅膨胀后,蒸汽喷入动叶栅,在动叶栅中继续膨胀,并由叶片导引着斜向下射出,这一过程中产生的反作用力会导致动叶栅向上旋转。

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,那么它一般来说就是帕森斯公司的反击式蒸汽轮机。

这是一台帕森斯轮机,各位可以数数看它串联了多少级

而冲击式蒸汽轮机的蒸汽在动叶栅中是不膨胀的。它在静叶栅中已经完成膨胀,随后高速冲击勺形的动叶栅叶片,冲动叶片旋转。显而易见,这样的蒸汽轮机动叶栅正面和背面的压差较大,因此容易发生振动和形变;但也正是基于这一原因,冲击式蒸汽轮机单级所能榨取的蒸汽能量要远较反击式蒸汽轮机来得多。所以,当锅炉提供的蒸汽能量越来越高时,冲击式蒸汽轮机就可以在更小的体积下实现对能量的较充分利用,完美契合了战舰对小体积、大功率的动力装置的需求。这样,我们也就不难理解,为什么当冲击式蒸汽轮机的技术成熟之后,会受到那么多海军强国的青睐了。

冲击式蒸汽轮机的叶轮

围带与拉筋[编辑]

如果大家有幸见过冲击式蒸汽轮机的转子,就会发现它的叶轮有点像我们小时候玩过的玩具风车,叶片的末梢被一条环形的带子连在一起;而在叶片的中部还有数条环形的筋,把叶片串到了一块儿。

冲击式蒸汽轮机的叶轮

而这两个部件就是冲击式蒸汽轮机克服弊病、逐渐占据市场份额的关键——围带和拉筋。

拉筋指的是叶片中部的、将叶片串连起来的环形加强筋。它的原理实际上非常简单:由于拉筋的存在,所有叶片都被连成了一个整体。这样,如果其中一个或数个叶片在较大的压差下发生振动,那么其他不振动的叶片就会通过拉筋拉住这几个叶片,使它们振不起来。这种方法非常简单粗暴,但非常有用,且其背后的技术含量也不低:拉筋应该设在哪里,甚至叶片上让拉筋穿过的孔的形状,这些都是有讲究的。

而围带则是将叶片末梢连在一起的环形圈带。首先,它有着和叶片拉筋一样的作用,即把所有叶片串成一个整体,利用其它不振动的叶片来抑制某几片叶片的振动;其次,由于蒸汽轮机在工作时动叶栅高速旋转,在其中流动的蒸汽因离心作用将有朝外辐向运动的趋势。如果没有围带将叶片末梢封闭,就会有一部分蒸汽从叶片末端流出,造成能量的损失;而加装围带之后,这些蒸汽就会在运动到叶片末梢时被围带堵住,进而使蒸汽的利用效率得以提高。

围带和拉筋

单流式和双流式[编辑]

根据蒸汽在轮机中的流动方向,蒸汽轮机又可以分为单流式和双流式两种类型。

首先是单流式。

回想一下我们之前看到过的俄克拉荷马城的高压轮机。在这台轮机中,蒸汽是从轮机右端的喷嘴阀处进入汽缸的,依次向左流过12级叶片,最终从左侧的排汽管流出。在这种蒸汽轮机中,蒸汽永远都是从一端进入、从另一端流出,流动方向是单向的,因此这种蒸汽轮机被称作单流式蒸汽轮机(single-flow turbine)。

俄克拉荷马城的高压轮机,这是一种典型的单流式蒸汽轮机

而双流式蒸汽轮机就比较特殊了。

我们回想一下之前见过的俄克拉荷马城的低压轮机。我们可以发现,它的叶栅并不是从头到尾依次串联的,而是关于蒸汽管镜面对称的,依次向两边排列。蒸汽从蒸汽管中进入,然后向两侧分别通过九个级,最后从汽缸的两端排出。因为蒸汽在这种轮机中是沿两个方向流动的,所以我们将这种轮机称为“双流式蒸汽轮机”(double-flow turbine)。

俄克拉荷马城的低压轮机,蒸汽在其中沿两个方向运动

那么为什么要这么做呢?

经过之前的讲解我们知道,蒸汽在蒸汽轮机中做功的过程,实质上是一个不断膨胀的过程。所以,经高压轮机榨取能量后的蒸汽,在进入低压轮机时,体积较刚进入高压轮机时往往会显著膨胀。所以,如果有同样质量的蒸汽从其中通过,低压轮机的叶栅就必须做得更大,以充分容纳体积增加后的蒸汽——换句话说就是叶轮的半径会更大。这一现象在三胀往复式蒸汽机中同样存在:在三胀往复式蒸汽机中,从高压缸到中压缸再到低压缸,三个汽缸的半径逐渐增加。

三胀往复式蒸汽机,其汽缸从高压缸到中压缸再到低压缸依次增大

然而这一现象在三胀往复式蒸汽机中是可以接受的。因为在三胀往复式蒸汽机中,活塞做的是直线的往复式运动,并不受向心力的支配;而在高速旋转的蒸汽轮机叶片中,根据向心力公式F=mω²r,半径越大,约束叶片使之不发生断裂所需的向心力也越大,即叶片的强度也要越大。而在材料技术没有取得显著突破的情况下,无限制增加叶片强度显然不太可能。

——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[编辑]

布朗-柯蒂斯[编辑]

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[编辑]

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[编辑]

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。

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[编辑]

法国的冲击式蒸汽轮机生产方。

帕森斯[编辑]

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[编辑]

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[编辑]

美国的重要船用蒸汽轮机生产方。