第8章 船舶汽輪機和燃?xì)廨啓C

1、 第8章 船舶汽輪機和燃?xì)廨啓C第8章 船舶汽輪機和燃?xì)廨啓C渦輪機（也稱透平）是以連續(xù)流動的蒸汽或燃?xì)鉃楣べ|(zhì)，以葉片為主要工作部件，通過工質(zhì)在葉片機構(gòu)中膨脹將熱能轉(zhuǎn)換成機械功的旋轉(zhuǎn)機械。汽輪機和燃?xì)廨啓C都是渦輪機，前者以蒸汽為工質(zhì)，后者以燃?xì)鉃楣べ|(zhì)，盡管兩者所用的工質(zhì)不一樣，但都是屬于旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機，其基本工作原理是一樣的，都是利用高速流動的工質(zhì)推動葉輪轉(zhuǎn)動而對外輸出機械功的。渦輪機和往復(fù)式熱力發(fā)動機相比，最突出的特點是運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、單機功率大。8.1 渦輪機概述渦輪機械按其使用的功用，通?？梢苑殖蓛纱箢悾?） 用作產(chǎn)生動力的渦輪機，如蒸汽輪機、燃?xì)廨啓C；2） 消耗機械的渦輪機械，如各種泵、壓縮機

2、、風(fēng)扇等渦輪機械。上述每一大類，又可以按照流體通過機器的流道特征，再分成三類。工作流體的流向與旋轉(zhuǎn)軸基本平行的渦輪機械，稱為軸流式渦輪機械；工作流體主要在與旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面上流動的渦輪機械，稱為徑流式渦輪機械；轉(zhuǎn)子出口處徑向與軸向速度分量兼有的渦輪機械，稱為混流式渦輪機械，分別見圖8-1 a)、b)、c)。不論是渦輪機、泵、還是壓縮機，都可以設(shè)計成軸流式、徑流式或混流式。圖8-1渦輪機三種型式研究船用渦輪機的熱力設(shè)計和工作特性，它的主要理論依據(jù)是熱力學(xué)和氣體動力學(xué)。所運用的基本定律是質(zhì)量守恒定律、動力學(xué)定律、能量守恒定律等基本定律，這些定律與氣體的特定性質(zhì)無關(guān)，適用于任何氣體，是揭示渦輪機中工

3、質(zhì)流動及其能量轉(zhuǎn)換的基本方程。具體的研究包括：1）闡述渦輪機中能量轉(zhuǎn)換以及工質(zhì)流動所遵循的基本規(guī)律；2) 分析通流部分中的能量損失以及各種氣動熱力參數(shù)、幾何參數(shù)對效率的影響；3) 氣動熱力設(shè)計和試驗研究的理論和方法；4）分析非設(shè)計工況的工作特性。但是，渦輪機通流部分中氣體的運動是一種性質(zhì)極為復(fù)雜的，同時又伴隨能量傳遞和熱交換的高溫可壓縮粘性氣體的，三元不定常的流動過程。在實際工程設(shè)計計算和試驗研究中，通常假定氣體在渦輪機中的流動，包括在靜葉片內(nèi)的絕對運動和動葉片內(nèi)的相對運動，都是定常流動，在附面層外的主流區(qū)可以忽略粘性力的，與外界絕熱的，軸對稱流動。在流道橫截面變化不大，流線曲率甚小的渦輪短葉

4、片中，氣體的運動常常采用一元流動近似。實踐證明，以上的近似和簡化對于渦輪機中的氣體流動的計算，基本上能獲得足夠的精確度。渦輪機一般由一列固定于靜子上的靜葉片和列裝在轉(zhuǎn)子上與轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)動的動葉片所組成的級串聯(lián)起來，加上進、排氣裝置組成。因此渦輪級是將高溫高壓的工質(zhì)所具有的熱能轉(zhuǎn)換為機械功的基本單元。渦輪機是由若干個工作條件和結(jié)構(gòu)相類似的獨立的渦輪級依次排列而溝成，渦輪機的工作以級的工作為基礎(chǔ)，進而形成整個渦輪機的工作原理。所以，人們總是在研究渦輪級的工作原理的基礎(chǔ)上進而討論整個渦輪機的工作原理。8.1.1渦輪級的概念1.渦輪級中流體參數(shù)的變化渦輪級是由固定于靜子上的靜葉片和裝在轉(zhuǎn)子上與轉(zhuǎn)子一起轉(zhuǎn)

5、動的動葉片所組成，將高溫高壓的工質(zhì)所具有的熱能轉(zhuǎn)換為機械功的基本單元。渦輪級中通過旋轉(zhuǎn)中心軸的剖面圖稱為縱剖面圖，見圖8-2。以半徑為r的圓周將所有靜、動葉片切割展開成平面，得到兩排葉柵截面展開圖，見圖8-3。由渦輪級縱剖面圖可見，0-0截面為靜葉進口截面，1-1截面為靜葉出口，亦即動葉進口截面，2-2截面為動葉出口截面。各特征截面的參數(shù)用相應(yīng)下標(biāo)0、1或2表示。氣體流經(jīng)渦輪時，主要氣動參數(shù)的變化如圖8-3所示。175圖8-2渦輪級的縱剖面圖圖8-3渦輪級中流體參數(shù)的變化氣體通過靜葉柵時，從壓力P。膨脹到P1,伴隨有定的加速(C1>C0)。動葉柵以轉(zhuǎn)速n運動。其進、出口圓周速度為u,分別

6、用u1、u2表示。相對速度為W1的氣流通過動葉柵時，從壓力p1膨脹到p2，同時對外輸出機械功。其出口相對速度為W2，絕對速度為C2。通常希望絕對速度C2接近軸線方向Z，即絕對出口氣流角接接近90°，以減小絕對出口速度C2相應(yīng)的動能2。2.速度三角形渦輪級中氣流速度大小及其方向的變化，或者說是動量的變化，可以清楚地用圖8-5所示的速度三角形來表示。除了反映渦輪級中氣流的運動情況以外，速度三角形還大致給出了葉柵的形狀以及葉柵和渦輪級的某些重要特征，因而也就規(guī)定了渦輪級工作過程的特點。各級以及某一級沿葉高各個截面上速度三角形的選擇和確定是渦輪機氣動設(shè)計的重要內(nèi)容。各圖8-5 渦輪級速度三角

7、形級動葉柵前后的絕對速度為相對速度和牽連速度的矢量和： （8-1）式中： （m/s）其中n是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)分)，di是動葉柵前或后的某一直徑(米)，ui是與di相應(yīng)的圓周速度(米秒)。式(8-1)指出三個速度矢量組成封閉的三角形，稱為速度三角形。氣流角如圖8-5所示。氣體在靜葉柵中膨脹，以絕對速度C1噴離靜葉柵，與葉輪旋轉(zhuǎn)平面的夾角為，此為靜葉出口氣流方向角，氣流角度見圖8-5所示。當(dāng)氣體進入動葉柵時，由于動葉柵是以圓周速度為u在轉(zhuǎn)動，當(dāng)以旋轉(zhuǎn)葉輪為參照物時，進入動葉柵的氣體速度就不是C1,而是氣體與動葉柵的相對速度。與葉輪旋轉(zhuǎn)的夾角為，為動葉進口氣流的方向角。由三角形的余弦定理、正弦定理

8、可以得到速度與氣流角之間的相互關(guān)系。動葉進口氣流的相對速度及其方向角為： （8-2） （8-3）同理，可得動葉出口氣流的絕對速度及其方向角為： （8-4） （8-5） 1778.1.2渦輪機的基本工作原理圖8-6所示為小型單級沖動式汽輪機的簡圖，其主要零件包括噴嘴和裝在葉輪上的動葉（圖8-6a）。工質(zhì)連續(xù)不斷地流過噴嘴和動葉流道（圖8-6b）。工質(zhì)首先在噴嘴中膨脹，工質(zhì)壓力p降低，絕對速度c增大，將所含熱能轉(zhuǎn)換成動能。然后高速流動的工質(zhì)再進入動葉流道，壓力繼續(xù)再降低，并在動葉上產(chǎn)生作用力，推動葉輪轉(zhuǎn)動，由于葉輪是和渦輪機主軸連接成一體的，故蒸汽的動能轉(zhuǎn)換成了主軸輸出的機械功。圖8-6 單級沖動

9、式汽輪機的簡圖除了沖動式渦輪機外，還有一種反動式渦輪機，它是一種同時利用沖動力和反動力推動葉輪旋轉(zhuǎn)輸出機械功的。根據(jù)反動作用原理產(chǎn)生反動力推動物體運動的例子，以發(fā)射運載火箭最為典型。當(dāng)火箭燃料燃燒，燃?xì)飧咚賴婋x火箭射向大氣，此時，高速的氣流就給火箭體一個與氣流方向相反的反作用力，推動火箭向前運動。反動式渦輪機與沖動式渦輪機的不同點在于工質(zhì)在它的動葉柵通道中同時實現(xiàn)熱能變動能與動能變機械功的兩重能量變化，反動式渦輪機總是多級的，在結(jié)構(gòu)上它以靜葉代替噴嘴，而以鼓式轉(zhuǎn)子代替輪式轉(zhuǎn)子。圖8-7表示一部反動式渦輪機的簡圖，圖的上方曲線分別表示其中工質(zhì)壓力與速度的變化。圖8-7 反動式渦輪機1靜葉，2汽缸

10、，3動葉，4轉(zhuǎn)子1788.2 船舶汽輪機現(xiàn)代汽輪機的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，往往由若干級組成，每一級包括一列靜葉（或噴嘴）和一列動葉。根據(jù)用途，船舶汽輪機可以分成主汽輪機和輔汽輪機兩種，前者是在船舶主推進系統(tǒng)中驅(qū)動推進器的，后者則是用來驅(qū)動各種船用輔機的。船舶主汽輪機機組主要由主汽輪機、冷凝器和齒輪減速器組成。圖8-8為典型的船舶主汽輪機結(jié)構(gòu)剖視圖。圖8-8 船舶主汽輪機機組1-高壓汽輪機 2-低壓汽輪機 3-冷凝器 4 -齒輪減速器 5-主推力軸承 6-支承軸承8.2.1船舶汽輪機的分類船舶汽輪機種類很多，并有不同的分類方法，下面作簡要介紹。按結(jié)構(gòu)形式分類 有單級汽輪機和由若干級組成的多級汽輪機；各級裝

11、在一個汽缸內(nèi)的單缸汽輪機和各級分裝在幾個汽缸（分高、中、低壓汽缸）內(nèi)的多缸汽輪機；各級裝在一根軸上的單軸汽輪機和各級裝在兩根平行軸上的雙軸汽輪機。按工作原理分類 有蒸汽主要在各級噴嘴(或靜葉)中膨脹的沖動式汽輪機、蒸汽在靜葉和動葉中都膨脹的反動式汽輪機和蒸汽在噴嘴中膨脹后的動能在幾列動葉上加以利用的速度級汽輪機。按熱力特性分類 分為凝汽式、供熱式、背壓式、抽汽式和飽和蒸汽汽輪機等類型。1）凝汽式汽輪機 汽輪機排出的蒸汽流入凝汽器，排汽壓力低于大氣壓力。具有良好的熱力性能，是最為常用的一種汽輪機。2）供熱式汽輪機 既提供動力驅(qū)動發(fā)電機或其他機械，又提供生產(chǎn)或生活用熱，具有較高的熱能利用率。3）背

12、壓式汽輪機 排汽壓力大于大氣壓力的汽輪機。4）抽汽式汽輪機 從中間級抽出蒸汽供熱的汽輪機。5）飽和蒸汽輪機 以飽和狀態(tài)的蒸汽作為新蒸汽的汽輪機。按汽流方向分類 有蒸汽沿軸向逐級流動的軸流式汽輪機，蒸汽沿徑向從內(nèi)徑向外徑逐級流動的徑流式汽輪機。8.2.2船舶汽輪機組的構(gòu)造主要部件船用主汽輪機都是多級汽輪機，現(xiàn)代船用主汽輪機的級數(shù)一般為2030級，且分置在兩個或三個汽缸里。我們知道，汽輪機按上述工作原理是不能倒轉(zhuǎn)的，為了保證船舶能夠倒航，在汽輪機上必須安裝由若干級組成的倒車級。船用主汽輪機的倒車級一般都安裝在中壓缸和低壓缸內(nèi)(三缸式機組)，或者只裝在低壓缸內(nèi)(雙缸式機組)，它的葉片安裝方向與正車級

13、正好相反。當(dāng)正車旋轉(zhuǎn)時，沒有蒸汽通往倒車級，倒車級只是空轉(zhuǎn)，因此會增加一些能量損失。當(dāng)船舶要倒航時，關(guān)閉正車進汽閥而打開倒車進汽閥，蒸汽被引入倒車級，主汽輪機就反轉(zhuǎn)。通常倒車汽輪機的功率取為正車汽輪機功率的40%50%，因為并不要求具備高度的經(jīng)濟性，所以級數(shù)都不多。對于軍艦用汽輪機，為了提高在低負(fù)荷時的經(jīng)濟性，還可采用附加的低速級。低速級分 為在巡航速度下用的巡航級和在經(jīng)濟速度下用的經(jīng)濟級。 為了使蒸汽能從一個汽缸流入另一個汽缸，并使低壓缸流出的蒸汽進入凝汽器，在裝置 中安裝有一定長度的大直徑容汽管。為了便于操縱，還設(shè)有各種儀表和閥等。這些均是汽輪機組的重要輔助設(shè)備。 凝汽器是汽輪機組的重要的

14、組成部分，在其中進行著蒸汽凝結(jié)。汽輪機組的第三個組成部分為傳動設(shè)備，它安放在汽輪機與推進器軸系之間。圖8-9所示為帶一級減速齒輪的三缸式汽輪機一齒輪機組示意圖。圖8-9 船舶汽輪機-齒輪機組示意圖該機組由三個順航汽輪機(高囚缸汽輪機、中壓缸汽輪機和低壓缸汽輪機)和兩個倒航汽輪機(倒航高壓缸汽輪機和倒航低壓缸汽輪機)組成。后者分別安置在順航中壓缸和低壓缸汽輪機內(nèi)。新鮮蒸汽順次地在各汽輪機內(nèi)膨脹，工作后的廢汽排入橫掛在低壓缸汽輪機下的凝汽器中。高速的汽輪機將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，通過齒輪減速機構(gòu)和傳動軸系，帶動螺旋槳產(chǎn)生推力，克服船舶阻力使船以一定速度前進。汽輪機本體由靜止部分和轉(zhuǎn)動部分構(gòu)成。靜止部分

15、稱作“靜子”，包括噴嘴、隔板、汽缸和軸承等主要部件；轉(zhuǎn)動部分就是轉(zhuǎn)子，它由動葉、葉輪及主軸等組成。1. 噴嘴汽輪機第一級噴嘴是直接裝在汽缸上的。近代汽輪機采用噴嘴調(diào)節(jié)方式，這種汽輪機的第一級常稱為調(diào)節(jié)級。調(diào)節(jié)級噴嘴總是分成若干組布置在汽缸上，其噴嘴的組數(shù)通常與調(diào)節(jié)汽閥個數(shù)相對應(yīng)，稱為噴嘴組或噴嘴弧段。中壓機組常采用單個銑制的噴嘴塊焊接而成，見圖8-10中的件4。圖中首塊3與末塊5的作用是把噴嘴組互相隔開，分成若干組。高壓機組采用另一種型式，即噴嘴組是整鍛銑制焊接結(jié)構(gòu)。圖8-10 單個銑制的噴嘴及安裝1外環(huán)； 2內(nèi)環(huán)； 3首塊； 4噴嘴塊； 5末塊2 汽缸 汽缸就是汽輪機的外殼，它的作用是將汽輪

16、機的通流部分(噴嘴、動葉片等)與大氣隔絕，形成一個封閉的汽室，以使蒸汽在其中流動做功。由于汽缸的外面敷裝著厚厚的保溫層，因此平時看不到它的真實形狀。汽缸的形狀較復(fù)雜，并且要承受較高的蒸汽壓力，因此都做得比較厚。它是汽輪機中最笨重的部件。圖8-11為一臺高壓單缸凝汽式汽輪機的汽缸外形圖。圖8-11 高壓單缸凝汽式汽輪機汽缸外形圖為了便于加工、安裝與檢修，通常汽缸沿水平中分面做成上下兩半，上部稱上缸(又稱大蓋)，下部稱下缸，它們之間通過法蘭、螺栓相連接。汽缸的水平接合面必須保證嚴(yán)密，不允許漏汽。為此連接上、下缸的法蘭常常比汽缸壁還要厚得多。同時螺栓采用加熱緊固的方法以防止熱松弛，保證上下缸的連接有

17、足夠的強度與預(yù)緊力。由于蒸汽在汽缸內(nèi)的壓力和溫度是逐級降低的，因此常采用垂直接合面或者分缸的辦法，將汽缸分成高壓缸、中壓缸和低壓缸。這樣只在壓力、溫度較高的高壓缸和中壓缸采用高溫耐熱合金鋼材，從而節(jié)約優(yōu)質(zhì)的合金鋼材料。在新蒸汽參數(shù)較高的再熱機組中，常采用雙層汽缸結(jié)構(gòu)，見圖8-12。在雙層缸之間通有一定壓力和溫度的蒸汽，這樣內(nèi)外缸所承受的壓差均較低，而且只有內(nèi)缸承受高溫蒸汽的作用，因此內(nèi)、外缸壁和法蘭均可做得薄一些。外缸由于承受的溫度和壓差均較低，故還可用較次一級的材料制造。這樣不但節(jié)約了優(yōu)質(zhì)合金鋼材，更重要的是汽缸薄了以后，可使它在啟動、停機及負(fù)荷改變時的熱應(yīng)力大大減小，給汽輪機運行帶來了極大

18、的方便。181圖8-12 雙層汽缸示意圖 圖8-12 低壓缸采用雙缸分流式結(jié)構(gòu)的汽輪機 1高壓缸： 2連通（過橋管） 3低壓缸為了提高凝汽式汽輪機低壓段各級的通流能力，在現(xiàn)代大型汽輪機中常采用低壓缸分流的結(jié)構(gòu)，如圖413所示。若把汽輪機的最后幾級分設(shè)在兩個形狀完全對稱的汽缸中，使低壓汽流(其比容甚大)分別在兩個汽缸中同時進行膨脹，這就相當(dāng)于把有關(guān)各級的通流面積增加了一倍，那末蒸汽的容積流量即可允許大大地增長。在主軸穿過汽缸的地方還設(shè)有軸封裝置，以限制汽缸內(nèi)的高壓蒸汽向外漏出和阻止外界大氣漏入處于負(fù)壓條件下工作的低壓缸內(nèi)。軸封裝置有多種不同的型式，但其原理大同小異，其中以曲徑式軸封(亦稱迷宮式軸

19、封)應(yīng)用最為廣泛。圖8-13所示是一種經(jīng)常用于真空端的高低齒型曲徑式軸封。 圖8-13 高低齒型曲徑式軸封 1均衡室； 2軸封套； 3機軸； 4信號管； 5疏水小孔在軸封套2的里側(cè)裝有許多高低相間的環(huán)形金屬薄齒片，各高低薄齒片分另別與機軸上的凹槽或凸臺相對，彼此間只有極小的軸向間隙，使各相鄰薄齒片之間形成一連串的環(huán)形小汽室。汽輪機運行時，只要向軸封的均衡室1內(nèi)送入壓力較外界大氣壓力略高的蒸汽，使之經(jīng)過多次節(jié)流后流向軸封的真空側(cè)和大氣側(cè)，即可達到阻止外界大氣漏入低 壓缸的目的。在汽缸的高壓端，情況與此相類似，缸內(nèi)壓力蒸汽經(jīng)曲徑式軸封裝置往外泄漏時，每通過一道軸封片都要起一次節(jié)流作用。顯然，軸封片

20、與機軸間的徑向間隙愈小，軸封片的片數(shù)愈多，阻力就愈大，漏汽量也就愈少。但間隙不能太小，否則定子與轉(zhuǎn)子可能相碰。汽缸支撐在機座(又稱臺板)上，機座又通過墊鐵固定在基礎(chǔ)上。汽缸與機座不是緊固在一起的，這是因為汽缸受熱后要膨脹。若將汽缸與機座緊固在一起，就會約束與跟制汽缸的這種熱膨脹，使汽缸產(chǎn)生不均勻變形，引起中心變動。因此必須保證汽缸受熱時能自由膨脹，但這種自由膨脹必須加以合理引導(dǎo)，以保證汽缸和轉(zhuǎn)子的幾何中心一致。為此目的，通常在汽缸與機座之間設(shè)有各種導(dǎo)向滑銷，這些滑銷組成了引導(dǎo)汽缸膨脹的滑銷系統(tǒng)。3.動葉片動葉片是汽輪機中數(shù)量最多的重要組成部件之一。葉片制造有銑制、軋制、模鍛及精密鑄造等幾種，圖

21、8-14為冷軋成型的葉片。由圖可見，葉片一般由圍帶5、工作部分1和葉根2三部分組成。葉片間用隔葉件4分隔開，以形成葉柵通道，葉片頂部留有鉚釘頭6，供安裝圍帶之用，這種圍帶為鉚接圍帶。全銑制葉片的圍帶，工作部分、葉根和隔葉件是一個完整的整體，所以安裝起來十分方便。183葉片的根部常有T型、外包T型，叉型及縱樹型等不同型式，見圖8-14。T型葉根常用于離心力不大的高壓級，叉型及縱樹型則用于離心力較大的低壓級，特別是末幾級長葉片。汽輪機在運行中其動葉承受很大的應(yīng)力，不僅承受汽流所加給的彎曲應(yīng)力，同時還承受高速旋轉(zhuǎn)時離心力作用所產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力。在多級汽輪機中，由于蒸汽比容隨著壓力的逐級降低而迅猛增大，

22、蒸汽的容積流量將越來越大，這就要求動葉隨著逐級加長。高壓段前幾級葉片較短。中、小型機組的第一級葉片長度通常為1520mm；大型汽輪機末級葉片長度可達650800mm，甚至更長。隨著葉片長度的增加，長葉片將承受十分巨大的拉伸應(yīng)力。大型汽輪機末級葉片長度可達650800mm，甚至更長。隨著葉片長度的增加，長葉片將承受十分巨大的拉伸應(yīng)力。圖8-14 軋制葉片1.工作部分； 3 葉根部分； 3輪緣； 4隔葉件； 5.圍帶； 6鉚釘頭4轉(zhuǎn)子和主軸汽輪機的轉(zhuǎn)動部分總稱轉(zhuǎn)子，它包括主軸、葉輪、動葉片和其他各種附設(shè)在主軸上的轉(zhuǎn)動部件。汽輪機轉(zhuǎn)子可分為轉(zhuǎn)輪型和轉(zhuǎn)鼓型兩大類，前者用于沖動式汽輪機，后者用于反動式汽

23、輪機，圖8-15和圖8-16分別表示它們的基本結(jié)構(gòu)。由圖可見，多級汽輪機各級葉輪的直徑由高壓段至低壓段是逐漸增大的，這是因為蒸汽壓力逐級降低，其比容不斷增大，因而通流面積也應(yīng)逐漸增大所致。圖8-15轉(zhuǎn)輪型轉(zhuǎn)子根據(jù)轉(zhuǎn)輪型轉(zhuǎn)子制造工藝的不同又可分為套裝式轉(zhuǎn)子，整鍛式轉(zhuǎn)子和焊接式轉(zhuǎn)子三類。圖8-15為套裝式轉(zhuǎn)子，這種轉(zhuǎn)子的葉輪是單獨加工的，其內(nèi)孔直徑比相應(yīng)部位的軸徑略小，套裝時首先將葉輪加熱，待內(nèi)孔受熱膨脹變大后熱套在軸上，冷卻后葉輪即緊緊地固定在軸上。為了傳遞葉輪的扭矩，還設(shè)置一個或兩個對稱布置的平鍵(如圖8-17所示)。套裝式轉(zhuǎn)子的缺點是在高溫下工作時，葉輪可能松動，故只適用于中，低參數(shù)的汽輪機

24、或高壓機組的低壓部分。183圖8-16轉(zhuǎn)鼓型轉(zhuǎn)子圖8-17套裝葉輪在軸上的固定1軸 2葉輪 3間距套筒 4平鍵汽輪機的轉(zhuǎn)子由兩個相隔一定距離的軸承來支承，成為一彈性體，具有一定的橫向振動自振頻率。汽輪機的工作轉(zhuǎn)速不應(yīng)與轉(zhuǎn)子的自振頻率相重合，數(shù)值上等于轉(zhuǎn)子橫向自振頻率的轉(zhuǎn)速，稱為該轉(zhuǎn)子的“臨界轉(zhuǎn)速”，汽輪機實際運行中決不允許汽輪機轉(zhuǎn)子以臨界轉(zhuǎn)速運行，否則機組將毀于強烈的大振幅振動。多數(shù)汽輪機制造廠都采用較工作轉(zhuǎn)速高2025%或3040%的轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速。凡臨界轉(zhuǎn)速高于工作轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子，稱為剛性轉(zhuǎn)子；臨界轉(zhuǎn)速低于工作轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子，稱為撓性轉(zhuǎn)子。撓性轉(zhuǎn)子的汽輪機在啟動升速的過程中，為避免出現(xiàn)大振幅的振動

25、，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速時，必須迅速開大主汽閥，使轉(zhuǎn)速盡可能快地通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)。8.2.3船舶汽輪機推進裝置1. 單級汽輪機速度特性曲線圖8-18單級汽輪機速度特性曲線汽輪機沖動級速度特性曲線如圖8-18所示。圖中的n是葉片速度與汽流速度之比。圖中可見當(dāng)葉片速度是汽流速度的1/2時，汽輪機功率發(fā)出最大功率。當(dāng)葉片速度為零時，汽輪機轉(zhuǎn)矩（力）最大，但不輸出機械功，當(dāng)葉片轉(zhuǎn)速逐漸上升，汽輪機轉(zhuǎn)矩（力）逐漸下降，功率逐漸上升，當(dāng)速比超過1/2 時，功率和轉(zhuǎn)矩都下降，當(dāng)葉片速度與汽流速度之比為1時，汽輪機輸出的轉(zhuǎn)矩（力）和功率都為零。實際上當(dāng)轉(zhuǎn)速改變時汽輪機中所發(fā)生的現(xiàn)象要復(fù)雜得多，因為各級中的蒸汽參數(shù)以

26、及流過的蒸汽量都要改變。然而上面所介紹的扭矩和功率隨轉(zhuǎn)速而變化的關(guān)系大體上仍適用于多級汽輪機。實驗證明，在汽輪機開始回轉(zhuǎn)時的扭矩值約為正常工作時的二倍，這點對于船用汽輪機的啟動是一個有利的特性，汽輪機功率隨轉(zhuǎn)速的變化成拋物線關(guān)系，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時功率的下降較為緩慢。2.汽輪機推進裝置的工作特點1）由圖8-18的單級汽輪機速度特性曲線可見，汽輪機在開始回轉(zhuǎn)時(即n0=0)的扭矩值約為正常工作時扭矩值的二倍，這樣使汽輪機帶螺旋槳啟動比較迅速。這一特性對汽輪機推進裝置啟動是十分有利的。a) 汽輪機工作特性 b) 內(nèi)燃機工作特性圖8-19 汽輪機和內(nèi)燃機工作特性圖對比2)汽輪機和內(nèi)燃機的特性曲線表示在圖8

27、-19上，虛線表示發(fā)動機保持額定功率時的曲線。汽輪機推進裝置在系泊工況下，即入p=0時，螺旋槳轉(zhuǎn)速降低，汽輪機效率下降，功率亦減少，交點D所能發(fā)出的扭矩較額定功率不變所能發(fā)出的扭矩(點C)略低，如圖a)。而內(nèi)燃機的特性曲線近似為一直線，為安全起見，系泊工況下的功率較額定值進一步降低，D點的扭矩值僅為C點的90%，如圖b)。將汽輪機和內(nèi)燃機兩者的特性相比可以發(fā)現(xiàn)，汽輪機具有較良好的驅(qū)動性能，能更高地利用額定功率，保證發(fā)出較大的驅(qū)動力。這對船舶啟航，倒車，螺旋槳被木頭或冰塊卡住等場合是很有用的。3)汽輪機的速度特性曲線形態(tài)接近于二次拋物線，表明外界航行阻力工況起變化，(如航行時遇到了較大的阻力)，

28、見圖8-20。汽輪機推進較之內(nèi)燃機推進能輸出更高的功率(如圖N1>N2)，即負(fù)荷較大時，汽輪機具有較好的推進性能。185圖8-20 發(fā)動機和螺旋槳配合圖3.船舶汽輪機動力裝置組成及特點1）船舶汽輪機動力裝置組成船舶推進裝置是為保證船舶航行方向和航行速度提供推進力的一整套裝置。推進力就是船舶的活動能力，提供推進力是動力裝置的根本任務(wù)，因此推進裝置是船舶動力裝置的主體，它包括：主發(fā)動機組，推進器和傳動設(shè)備和軸系。主發(fā)動機組是發(fā)出推進動力的發(fā)動機(常稱“主機”)以及為它服務(wù)的輔助設(shè)備與系統(tǒng)。以汽輪機為主機的推進裝置，其汽輪機需要蒸汽鍋爐及時供應(yīng)蒸汽，因此蒸汽鍋爐及其系統(tǒng)也是屬于主發(fā)動機組。為使

29、汽輪機和蒸汽鍋爐正常工作，還分別需要滑油、燃油、空氣、凝水給水、冷卻水等，因此相應(yīng)要配備一些水泵、油泵、冷卻器、加熱器、油水柜、過濾器等機械和設(shè)備，這些往往都圍繞機爐艙中的汽輪機、鍋爐布置，它們相互之間以及與汽輪機、鍋爐之間均用管路聯(lián)結(jié)。這些為主機和鍋爐服務(wù)的管路系統(tǒng)稱為輔助系統(tǒng)(亦稱動力系統(tǒng))。 圖8-21 所示為船舶汽輪機推進裝置產(chǎn)生推力能過程和主要設(shè)備示意圖。圖上簡要地描述了船舶汽輪機推進裝置、汽輪機推進螺旋槳的推力能的產(chǎn)生過程及主要設(shè)備和系統(tǒng)連接概況。 圖 8-21 船舶汽輪機動力裝置產(chǎn)生推力能過程和主要設(shè)備示意圖采用燃油的汽輪機動力裝置產(chǎn)生螺旋槳推力能過程是一系列能量轉(zhuǎn)換的過程。如圖

30、所 示，供應(yīng)能量的燃油由燃油(日用)柜送到鍋爐中燃燒。燃油在鍋爐內(nèi)燃燒時，它的化學(xué)能首先轉(zhuǎn)變?yōu)闊煔獾臒崮?。?dāng)煙氣沿鍋爐爐膛及其后面的煙道流過時，它的熱能就逐步傳遞給在鍋爐各部分受熱面內(nèi)流動的水、蒸汽以及空氣。鍋爐所產(chǎn)生的新蒸汽進入汽輪機后逐級進行膨脹，蒸汽的部分熱能先轉(zhuǎn)變?yōu)槠鞯膭幽?，高速汽流施加作用力于汽輪機的葉片上，推動了葉輪連同整個轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，于是汽流的動能被轉(zhuǎn)換成汽輪機軸上的機械能。汽輪機通過聯(lián)軸器，齒輪減速箱和軸系帶動螺旋槳推進器轉(zhuǎn)動，螺旋槳推進器將軸系傳遞的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿哟扒斑M的動力。2）船舶汽輪機動力裝置的特點和組成汽輪機是利用蒸汽的熱能來作功的熱力發(fā)動機。它是先把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)

31、變?yōu)閯幽?，然后再以高速度的氣流作用在轉(zhuǎn)動的葉片上，從而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的旋轉(zhuǎn)發(fā)動機。汽輪機本身沒有往復(fù)運動的部件，因此這類裝置的特點是： (1)單機功率大 在現(xiàn)有動力中，汽輪機的單機功率最大。它的功率不受氣缸尺寸的限制，在汽輪機中蒸汽的流速很高，可在較小的通流面積中流過大量的蒸汽，因此有大的單機功率。陸用火電站汽輪機組單機最大功率為1300MW，艦船汽輪機單機功率受到艦船推進器螺旋槳尺寸和制造上的限制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于陸用機組功率。目前，單機功率最大已達55000kW。(2)工作可靠性好，壽命長 汽輪機是一種直接產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動的機械，它不存在像柴油機那樣一套曲柄連桿機構(gòu)的周期性往復(fù)運動部件，因而工作過程連續(xù)

32、、穩(wěn)定、工作轉(zhuǎn)數(shù)較高。高的工作轉(zhuǎn)數(shù)使其重量輕，尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，工作時很平穩(wěn)，因而機械磨損小，檢修間隔長。其工質(zhì)初溫較燃?xì)廨啓C低得多，因而循環(huán)壽命長，可高達100000h以上。在工作中汽輪機的故障率很低，工作可靠性好。(3)燃用廉價劣質(zhì)燃料 汽輪機動力裝置提供蒸汽工質(zhì)的蒸汽鍋爐可以燒廉價的劣質(zhì)燃料，在柴油機沒有解決燃用重油的年代里，更顯示了它的優(yōu)越性。 但汽輪機動力裝置由于多次能量轉(zhuǎn)換，循環(huán)過程中有大量的汽化潛熱在凝汽器中被冷卻水帶走，加上所采用的工質(zhì)初溫較低，因此，汽輪機動力裝置熱效率較低，既不如柴油機，額定功率下也不如燃?xì)廨啓C。裝置組成復(fù)雜，蒸汽來自鍋爐，為汽輪機、鍋爐服務(wù)配套的機械設(shè)備較

33、多。還有汽輪機裝置機動性比柴油機以及燃?xì)廨啓C裝置差，重量指標(biāo)也不如燃?xì)廨啓C裝置小。由于汽輪機裝置蒸汽循環(huán)的放熱溫度極低，汽輪機裝置工作可靠性高等特點，它與燃?xì)廨啓C等動力裝置組成聯(lián)合動力裝置，如燃一蒸聯(lián)合動力裝置(COGAS)、蒸一燃聯(lián)合動力裝置(COSAG)等可以充分發(fā)揮各機型的優(yōu)勢，具有較大發(fā)展前途。8.3燃?xì)廨啓C燃?xì)廨啓C是一種以空氣及燃?xì)鉃楣べ|(zhì)、靠連續(xù)燃燒燃料做功的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機，主要結(jié)構(gòu)有三部分：1.壓氣機；2.燃燒室；3.動力渦輪。其工作原理為：軸流式壓氣機從外部吸收空氣，壓縮后送入燃燒室，同時燃料（氣體或液體燃料）也噴入燃燒室與高溫壓縮空氣混合，在受控方式下進行定壓燃燒。生成的高溫

34、高壓煙氣進入透平膨脹做功，推動動力葉片高速旋轉(zhuǎn)，從而使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)做功，轉(zhuǎn)子做功的大部分用于驅(qū)動壓氣機，約1/3左右的功被輸出用來驅(qū)動負(fù)載，如發(fā)電機、螺旋槳等。船用燃?xì)廨啓C以其功率大、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高、便于操縱和實現(xiàn)自動化等突出特點，已成為當(dāng)今世界包括炮艇、輕型護衛(wèi)艦、護衛(wèi)艦、驅(qū)逐艦、巡洋艦到輕型航母的主要推進主機和發(fā)電機組的原動機，并且已在進入高速、大功率、先進的民用船舶市場。 8.3.1燃?xì)廨啓C工作原理艦船燃?xì)廨啓C主要由壓氣機、燃燒室和燃?xì)鉁u輪等部件組成。圖8-22所示即為某一艦用燃?xì)廨啓C示意圖。 圖8-22 某艦用燃?xì)廨啓C示意圖在運轉(zhuǎn)中，燃?xì)廨啓C的壓氣機由大氣中吸取一定量的空氣并將

35、其壓縮到某一壓力后就供向燃燒室以及燃燒室與機匣之間的環(huán)形通道。流向燃燒室的那部分空氣是供給燃燒室作油氣混合并燃燒用的，而流向環(huán)形通道的那一部分空氣，則是用作冷卻燃燒室和摻混高溫燃?xì)獾?。燃油和空氣混合、燃燒后所產(chǎn)生的熾熱氣體，其溫度高達15002000。這種高溫燃?xì)?，必然要對燃燒室進行強烈的輻射熱交換和對流熱交換。如果燃燒室的內(nèi)壁不進行冷卻，那就極易燒壞。所以保證在環(huán)形通道中間有一定量的空氣流過是很有必要的。另外，燃燒室的高溫燃?xì)猓绻苯恿魅肴細(xì)鉁u輪中，渦輪的材料也承受不了，所以也需要有大量的冷卻空氣去和這種高溫燃?xì)鈸交欤瑢⑷細(xì)鉁囟冉档饺細(xì)鉁u輪材料所許可的最高持續(xù)溫度。燃?xì)饨?jīng)摻混而達到一定允許

36、溫度后，就流向燃?xì)鉁u輪并膨脹作功，然后排入大氣。 從圖8-22中可見，燃?xì)鉁u輪組件分為高壓渦輪和低壓渦輪二部分。高壓渦輪通過聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動壓氣機，而低壓渦輪則通過中間軸和撓性聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動螺旋槳。習(xí)慣上，常將壓氣機、燃燒室和驅(qū)動壓氣機的高壓渦輪看作一個整體，稱為燃?xì)獍l(fā)生器，而將驅(qū)動螺旋槳的低壓渦輪稱作動力渦輪，或稱自由渦輪。8.3.2 艦船燃?xì)廨啓C裝置的主要優(yōu)缺點艦船動力裝置主要有：蒸汽動力裝置、柴油機動力裝置、核動力裝置、燃?xì)鈩恿ρb置和聯(lián)合動力裝置。前兩種裝置發(fā)展得最早，廣泛應(yīng)用于各類艦船，后面三種，是上世紀(jì)60年代年初來迅速發(fā)展起來的新型動力裝置。艦船燃?xì)廨啓C動力裝置是指以燃?xì)廨啓C為主機的全燃化動

37、力裝置。它自五十年代末期起，尤其是六十年代中期以來，已得到了極其廣泛的應(yīng)用。功率總數(shù)日益增長，裝艦使用范圍日益擴大，已由快艇發(fā)展到了護衛(wèi)艦、導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、巡洋艦和直升機航空母艦等。這完全在于艦用燃?xì)廨啓C裝置比其它各種裝置有著一些突出的優(yōu)點所致，即：1)燃?xì)廨啓C對艦船所需的功率指令反應(yīng)迅速，從冷態(tài)啟動到發(fā)出全功只需23分鐘，在緊急狀態(tài)下，還可縮短到1分鐘左右。這一點大大優(yōu)于蒸汽輪機和大功率中、低柴油機，并為改善艦船的機動性和操縱性創(chuàng)造了優(yōu)越的條件；2)艦船燃?xì)廨啓C的單機功率比較大。各國在400012000馬力和2000032000馬力的功率范圍內(nèi)，均已有各自比較成熟的機組，目前，有些單機功率已達5

38、0000馬力。因此，燃?xì)廨啓C的發(fā)展已為艦船航速的提高和其動力裝置的簡化提供了有利的條件；3)艦船燃?xì)廨啓C的重量尺寸，非常輕巧。加速用燃?xì)廨啓C裝置的單位重量為0.651.3kg/kW，全工況用燃?xì)廨啓C裝置為24kg/kW。每持續(xù)軸馬力的機組重量約為柴油機的110。這一點，對于艦艇來說，極其可貴。它既能有效地縮小動力裝置的重量尺寸，增加燃油裝載量、擴大通訊和武備的容量，又能提高生命力和續(xù)航力；4)艦船燃?xì)廨啓C的所有輔助系統(tǒng)和設(shè)備，均附設(shè)于機組本體上，而且配有可靠的自動控制和調(diào)節(jié)設(shè)備。因此，操作簡便，容易實現(xiàn)全船自動化和遠(yuǎn)距離集中操縱等；5)因為燃?xì)廨啓C是回轉(zhuǎn)機械，又比較輕巧，結(jié)構(gòu)上容易實施合理的減

39、振支承和撓支承，所以機械噪聲源少，機械噪聲量小，且不易通過艦體向水下傳播，使作戰(zhàn)艦的隱性有所改善；6)艦船燃?xì)廨啓C的運行可靠性較好，其翻修壽命有的已能達到10000小時。另外，也正由于機組本身的重量尺寸比較小，容易實現(xiàn)快速更換。當(dāng)需要翻修時，極易將整機通過進、排氣管道吊離艦船。目前，已能在24小時內(nèi)完成整個吊裝和更換工作。這樣就大大高了艦船的實際服役率。同時，也大大簡化了艦上的維修保養(yǎng)工作，有利于減少在艦人員；7)與蒸汽和柴油機動力裝置相比，燃?xì)廨啓C的滑油消耗量比較低。目前已達15kgh，故可用較小的滑油柜來代替龐大的滑油儲存艙； 8)正由于燃?xì)廨啓C輕巧，又容易實現(xiàn)全自動化監(jiān)控和遠(yuǎn)距離集中控制

40、，故一般均將機組置于密閉機罩內(nèi)， 以利隔聲、隔熱、防化、防原，從而改善了機艙工作條件。如圖8-23所示。這在蒸汽動力裝置和柴油機動力裝置艦船上是難以辦到的。圖8-23 美國LM2500艦用燃?xì)廨啓C機組基于上述這些獨特的優(yōu)點，世界各國均大力研究和發(fā)展艦船燃?xì)廨啓C，且將其裝于各類新建水面艦艇上，特別是中小型水面艦艇上。但是，任何事物總是一分為二的。在艦船燃?xì)廨啓C動力裝置的發(fā)展中，與蒸汽、柴油機動力裝置相比，還有許多急待進一步研究解決的問題。譬如：1)燃?xì)廨啓C的油耗率與柴油機相比，還是偏高，特別是非額定工況。400012000馬力的艦船燃?xì)廨啓C，額定負(fù)荷下的燃油消耗率約為230320克馬力·時，20000馬力以上的大功率機組，作為簡單循環(huán)的燃?xì)廨啓C的典型例子是2500燃?xì)廨啓C，從上世紀(jì)年代初期開始，經(jīng)30年的不斷完善、改進、發(fā)展和提高，研制出其發(fā)展型2500，壓比從18.8增至22.2，功率從21兆瓦提