[科普中国]-汽轮机动力装置

船舶动力装置

船舶动力装置为船舶提供推进力，主要有蒸汽轮机动力装置、柴油机动力装置、汽轮机动力装置、电力推进装置、氢燃料内燃机等几种。船舶动力装置的发展与人类对自然能源的利用息息相关。在20世纪初期石油大规模使用以前，煤是主要燃料。上个世纪70年代发生的石油危机与日益严重的环境问题，使得西方发达国家逐步将目光从石油燃料向非石油燃料上转移。在此背景下，生物燃料应运而生，人们甚至制造出了以植物油为燃料的发动机。然而，碳是生物燃料的主要成分之一，使用生物燃料时仍会释放出CO2，并不能根除其对大气造成的污染。天然气是一种清洁能源，用作燃料时对环境的污染较小。更理想的能源是氢气，目前已经得到了全世界的广泛重视，并已在汽车发动机领域取得了不少突破，因此其在船舶动力系统中的应用也指日可待。1

简介蒸汽机在船舶上的应用是人类在交通运输领域所取得的重大突破，具有跨时代的意义。蒸汽机可分为往复式蒸汽机与蒸汽轮机两种，由于功重比与效率的优势，蒸汽轮机已经完全取代了往复式蒸汽机。一个典型的蒸汽轮机动力装置主要由4部分组成，即供水泵、水管锅炉、涡轮机以及冷凝器，利用锅炉烧出来的蒸汽，冲击叶轮使其旋转，从而带动推进器产生推力。蒸汽轮机动力装置具有功率大、结构简单、造价低廉等优点，但其热效率低、重量大，某些运动部件由于运转惯性过大而难以平衡，所以目前已较少使用。

发展历史汽轮机作为船舶动力装置出现在1896年，英国人C.帕森成功地将他发明的汽轮机作为推进动力机应用于一艘快艇上，试航速度达每小时34.5海里。此后汽轮机广泛用于大功率船上。

早期的船用汽轮机直接驱动螺旋桨，不经过减速。为了使螺旋桨能在理想的转速下工作，后来在汽轮机动力装置上加装了减速齿轮，使汽轮机和螺旋桨都能以各自的最佳速度运转。到1916年，几乎所有的船用汽轮机都采用了减速装置，减速比由初期的1:20提高到1:80以上。

工作原理汽轮机动力装置的主机是汽轮机，又称蒸汽透平，它是一种将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。它的主要用作发电用的原动机，也可直接驱动各种泵、风机、压缩机和船舶螺旋桨等。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要。

船舶汽轮机一般由高压缸、低压缸两个汽缸组成，如图所示。蒸汽由锅炉产生后进入高压缸、低压缸后，逐级进行膨胀，蒸汽推动汽轮机转子转动，蒸汽的部分热能转变为汽流动能，进而转换成汽轮机轴上的机械能。汽轮机通过联轴器，齿轮减速箱和轴系带动螺旋浆推进器转动，螺旋浆推进器将轴系传递的机械能转变为推动水的推力，推动船舶运动。

锅炉产生的蒸汽首先送入高压缸，做功后经连通管进入低压缸，继续膨胀做功；倒车级设置在低压缸内，由专门的倒车调节阀控制进汽量，低压缸为两头进汽。对于主汽轮机组调节回路可以采用两种方法实现转速控制，分别是改变进入汽轮机的蒸汽量，或改变蒸汽参数。前者是保持锅炉提供的蒸汽参数不变，通过开大或关小喷嘴阀的开度，使蒸汽节流面改变从而改变作功能力，通常称为节流控制。后者是改变锅炉提供的蒸汽流量参数，使不同的稳定工况分别对应于喷嘴阀处于全开的状态，通常称为喷嘴控制或汽量控制。由于在设计时已考虑喷嘴阀在全开时压力损失较小，所以不影响机组的效率。由于船舶主汽轮机的工况较多，又不可能设置相应数量的喷嘴阀，故通常将喷嘴控制与节流控制相结合。2

特点船舶汽轮机动力装置的运行环境是在海洋中，那么它与固定式的电站汽轮机装置是不同的，具体来说有以下特点：

服从螺旋浆工作规律船舶的任务是按照行驶的需要，以一定的速度和方向航行。因此，为了满足船舶航行任务的需要，汽轮机的主要完成的任务是，带动螺旋浆转动，使之推动船舶航行。因而，汽轮机功率必须满足螺旋浆的需要，所以汽轮机必须按带动的螺旋浆转动的规律工作。航速改变是通过改变螺旋浆的转速来实现，随之需要控制汽轮机转速。这就是船舶动力装置的主要特点。

控制系统的要求船舶航行时工况经常变化，需要汽轮机能够在各种工况下稳定工作，而且负荷变化范围大，所以船舶汽轮机动力装置要有高的控制性。这也是船舶汽轮机和陆用火电汽轮机装置的一个很大的不同点。

重量尺寸的限制由于船舶是利用本身的设备，来自行移动的移动式建筑物，因而汽轮机的重量尺寸以及燃料消耗的影响都不能与电厂固定式的汽轮机同等对待。汽轮机装置的重量和尺寸越大，它占用的排水量和容积就越大。所以船舶汽轮机的重量和尺寸就受到了限制，不能太大。2

优缺点汽轮机动力装置的优点是单机功率大，效率高。这是因为船用汽轮机都采用了减速装置，汽轮机可以更高的速度运转，从而提高了效率，机体尺寸也可以相应缩小，整个装置更加紧凑，重量也大大减轻,螺旋桨工作效率也大大提高。同时，汽轮机工作可靠，运转平稳，无振动和噪声，检修工作量小，还可以燃用劣质油，所以，汽轮机成为理想的大功率船用动力装置。至今某些大型船舶和高速舰艇上仍采用汽轮机动力装置。

汽轮机的缺点是油耗高，即使采用再热循环的汽轮机装置，每马力小时的油耗仍达180～190克，比低速柴油机高40%左右。正是这样的原因，柴油机动力装置由于单机功率、燃烧劣质油的能力和可靠性的提高，逐渐取代了汽轮机。