舰船蒸汽轮机动力系统简介

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2.锅炉

锅炉是利用燃料燃烧释放出的热能或其他能量将工质加热到一定参数的设备。应用于加热水使之转变为蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，也称为蒸汽发生器。蒸汽锅炉最基本的热力参数有三个：一是蒸汽温度，二是蒸汽压力，三是蒸发量。

蒸汽温度和压力对应的是蒸汽轮机初温初压参数，也就是进口温度和压力（当然由于有蒸汽管道，从锅炉出口到蒸汽轮机入口通常会有5～10%的压力损失和3～10℃的温度损失）。

蒸发量就是锅炉产生的蒸汽的流量，单位是吨/时。

锅炉的热功率等于新蒸汽出口焓值与给水的进口焓值的差与蒸汽流量的乘积。由此可见，在蒸汽参数（温度、压力）和给水参数（温度）确定的情况下，蒸发量就体现了锅炉的热功率。

锅炉是一个燃烧器，组织空气和燃料的燃烧放热，形成高温燃气，高温燃气在锅炉炉膛和烟道中流过换热器表面，将热能传递给换热器另一侧的工质——水，自身温度降低，最终从烟囱排出。按照结构划分，锅炉可分成火管锅炉和水管锅炉两大类。火管锅炉是燃料燃烧后产生的烟气在火筒或烟管中流过，对火筒或烟管外水、汽或汽水混合物加热。水管锅炉则是在炉膛中布置多根水管，高温烟气对水管内的水、汽或水汽混合物加热。

火管锅炉结构简单，造价低廉，但是因为水——汽两侧换热面积受到限制，所以提高单炉热功率有困难，而水管锅炉因为水管直径可以做到较小，数量多，明显增大换热面积，因此单炉功率可以做到更大。

从20世纪20年代起，水管锅炉逐渐取代了火管锅炉。此后舰船汽轮机动力装置均采用了水管式锅炉。

电站锅炉通常使用煤作燃料。在20世纪以前，舰用锅炉大都也用煤作燃料，由人工铲煤添煤。军舰用煤大都为无烟煤，因为一方面无烟煤燃烧后没有浓浓的黑烟，不易被发现（增大了被发现的距离），提高了隐蔽性，另一方面无烟煤杂质少，发热值高，携带同样重量的燃料可以达到更大的航程。

无烟煤的热值大约是28-30MJ/kg，325℃/25大气压的蒸汽焓值3069kJ/kg。因此蒸发量10吨/时、蒸汽参数325℃/25大气压的燃煤锅炉，每分钟大约需要18公斤煤。而一艘总功率4万马力的战舰，需要这样的的锅炉大约20～30台。可见司炉工的体力消耗有多大。

人工铲煤添煤，不仅在军舰需要全速航行时司炉工拼尽体力，而且当就近的燃料舱燃料用尽的时候还要调动所有可以调动的人力、甚至包括枪炮手来运煤，把煤炭从偏远的煤舱搬运到离锅炉较近的煤舱。另外在军舰加煤时至少要动员全舰1/4的人力，由此引起的紧张、劳累和不适很可能在作战的重要时刻影响军舰的战斗力。

现代石油历史始于1846年，当时生活在加拿大大西洋省区的亚布拉罕•季斯纳发明了从煤中提取煤油的方法。1852年波兰人依格纳茨•卢卡西维茨（Ignacy
ukasiewicz）发明了使用更易获得的石油提取煤油的方法。次年波兰南部克洛斯诺附近开辟了第一座现代的油矿。这些发明很快就在全世界普及开来了。1861年在巴库建立了世界上第一座炼油厂。

但19世纪石油工业的发展缓慢，提炼的石油主要是用来作为油灯的燃料。这个情况一直到20世纪初随着内燃机的发明而骤变，进入20世纪，作为内燃机燃料（汽油、柴油）的一次能源载体，石油产量迅速增长。作为汽油、柴油副产品的重油（也称作燃料油）产量也大幅度增长。由于是副产品，所以重油价格十分便宜，逐渐被用于锅炉燃料。

随后发现，作为液体燃料，重油的燃料供应系统相比于煤的供应系统简单得多，同时重油的单位热值更高（重油热值约41MJ/kg），装载同样重量的燃料，重油能够让军舰得到更远的航程。

1912年到1914年，英国皇家海军开始建造完全以石油为燃料的“伊丽莎白女王”级战列舰。同一时期日本也开始采用煤、油混合燃料锅炉，此后军舰锅炉燃料则逐渐由煤向重油转化。

舰用锅炉与地面电站锅炉最显著的不同之处是，舰用锅炉对外形、尺寸和重量有严格的限制，通常宁可降低锅炉的热效率（注：锅炉的热效率是产生的蒸汽焓值增量除以消耗的燃料燃烧热值，这个参数与整个蒸汽轮机动力系统的热效率相去甚远）也会设法减小锅炉的重量和尺寸。例如，一般情况下舰用锅炉不设置空气预热器，甚至也不设置省煤器。

空气预热器是的作用是利用锅炉尾段温度较低的烟气加热锅炉进口空气，提高锅炉进气温度，以便节省燃料，提高热效率。

因为空气预热器是气——气换热，两面的换热系数都不高，所以要达到良好的热交换效果就必须增大换热面积，这就使空气预热器不仅体积大，重量也相当大。为了节省可贵的排水量，舰用锅炉不设置空气预热器。

省煤器同样是锅炉尾段换热设备，是利用尾段温度低于主蒸汽温度的烟气加热给水，以充分利用烟气热能，提高热效率。通常为了防止变工况下因偏离设计参数而引起锅炉尾段温度超过蒸汽蒸发温度导致省煤器内的给水汽化，省煤器必须具有一定的容积，因此具有一定的重量。有的舰用锅炉为了更大限度地降低重量，就连省煤器也省了。

舰用锅炉蒸发量在10～200吨/时之间，这在地面电站锅炉中属于小型设备。同时，为了保障较高的可靠性和可维护性，舰用锅炉蒸汽参数略低于相应蒸发量的电站锅炉。

另外，在结构上，锅炉应能适应船舶摇摆、倾侧和冲击等航行条件。要有一定的汽、水贮存容积，以适应舰船动力系统频繁和大幅度改变负荷的需要。

为了能适应船舶的频繁和大幅度的负荷变动，舰用锅炉大多是锅筒式自然循环锅炉，很少用辅助循环锅炉，更不采用直流锅炉。

3.凝汽器

凝汽器是一个换热器，作用是将从涡轮排出的水蒸汽冷凝成液态水，送到给水泵增压，以便送回锅炉进行循环工作。

从蒸汽涡轮做功之后排出来的工质——水蒸汽，，大部分还是汽态的，虽然焓值仍较高，但因为压力很低，无法随高压的给水进入锅炉。而给气体增压需要消耗大量能量（实际上气体增压就是绝热膨胀的逆过程），相比之下，给液态的水增压则不需要太多能量（这也是蒸汽轮机采用的郎肯热力循环能够对外输出有效功的原因），所以需要将排汽冷凝成液态水。这个过程就是在凝汽器中完成的。

凝汽器内设置有很多细小的管子，由传热性能好的紫铜或铝合金制造，乏蒸汽在其中流过，而冷却剂（海水、循环淡水或者空气，舰用凝汽器通常采用海水冷却）在管子外面流过，与内部的蒸汽发生热交换，使蒸汽冷凝成液态水。

舰用汽轮机为了降低重量，要尽量减少级数，特别是低压级级数，因为低压级轮周直径大，重量大。但减少了级数，排汽背压就高了，排汽温度也相应的高。这就要求凝汽器容量更大。所以舰用蒸汽轮机凝汽器容量要比同等功率的电站蒸汽轮机凝汽器的大，幸好战舰是在海上行动，有充足的海水可用做冷却剂。

4.减速箱

为了得到比较高的轮周功和热效率，蒸汽涡轮的转速都比较高，通常高压转子转速为5000～10000转／分，低压转子转速为3000～5000转／分。但是，为了让螺旋桨具有较高的推进效率，它的转速是不能太高的，否则螺旋桨表面会由于与水之间强烈的摩擦导致局部水发生汽化，产生空泡，消耗大量的能量。通常商船螺旋桨转速为80～150转／分，而军舰为了减小重量，采用稍高的转速，通常为150～400转／分（战列舰等大型军舰高速下螺旋桨转速一般为150～250转／分）。所以不能由汽轮机轴直接驱动螺旋桨。

为此，除电力推进螺旋桨外，在汽轮机与螺旋桨之间一般都用减速比很大的齿轮减速器（通常为2级或3级减速），高速、重载、高精度齿轮减速器是船用汽轮机组的关键部分。

为了抬高汽轮机的位置，以便在低压缸下放置凝汽器，在减速器中常将各级小齿轮置于同级大齿轮的上半部。在机舱高度受到限制的船舶中，有的将凝汽器置于低压缸的前端，汽轮机轴向排汽。

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