【关键词】蒸汽动力系统 机动性 研究现状 展望
1 前言
舰船蒸汽动力系统设备主要包括增压锅炉、涡轮增压机组、主汽轮机组、冷凝器、除氧器、推进系统以及辅助设备等，舰船蒸汽动力系统以水蒸汽作为工作介质，系统工作时将化石燃料的化学能在舰船增压锅炉炉膛中燃烧转变成高温的烟气，高温的烟气将热量传递给工质，使工质转换为符合一定压力和温度要求的蒸汽，然后蒸汽通过主汽轮机将热能转换为机械能，机械能通过轴系传递到螺旋桨，最终螺旋桨转动用来驱动推进舰船航行[1-2]。因此，舰船蒸汽动力系统的工作过程是热力学、机械学、控制科学等十分复杂的交叉学科问题[3-4]。
舰船在航行过程中切换速度、换向以及停车距离能力，是用来评判舰船机动性能的关键技术参数。舰船航行中汽轮机转速变化频繁，工况多变，受到扰动因素多，易引起主汽压力在非正常数值区间波动，使得系统工作不稳定，为系统运行带来安全隐患。本文综合评述舰船蒸汽动力系统机动性研究现状，并对需要进一步深入研究的内容进行展望。
2 舰船蒸汽动力系统机动性问题的研究现状
舰船动力装置的动态运行是最常见也是最重要的一种状态，舰船航行时需要经常改变航行速度，蒸汽动力装置运行时动态性能的好坏是评判舰船运行稳定性及其战斗能力的重要指标。
2.1 回汽技术在舰船机动性中的研究现状
回汽技术是指在蒸汽动力系统快速降负荷过程中，正车汽轮机进汽阀迅速关小，为缓解汽包的超压状态，倒车汽轮机进汽阀快速开启，将一部分过热蒸汽通过倒车汽轮机然后直接排入冷凝器，当蒸汽动力系统负荷下降到一定程度时，倒车汽轮机进汽阀减小至关闭，经过系统各部分自动控制调节，最终达到低负荷稳定运行状态。通过建立舰船蒸汽动力系统数学模型，将回汽控制技术加入到舰船蒸汽动力系统中，运用系统仿真方法将有回汽技术与无回汽技术的舰船蒸汽动力系统对比分析，得出回汽技术能够缓解正车汽轮机进汽阀和倒车汽轮机进汽阀开关动作速度，使各设备部分蒸汽压力不至于超压，对系统安全稳定运行起到保障作用[5]。应用数值模拟方法计算正车航行时，蒸汽动力系统主管路的温度场、速度场和压力场稳态分布情况，结合回汽过程流量数学模型对动力装置进行动态计算，分析回汽制动过程过热蒸汽流量变化对主管路波动情况。仿真计算得出，回汽制动时，各主要设备管路能够满足主汽轮机组各工况切换运行要求[6]。这些研究对提高舰船机动性能具有重要意义。
2.2 惯性分析在舰船机动性中的研究现状
在舰船蒸汽动力系统快速降负荷过程中，由于增压锅炉的热惯性、涡轮增压机组的机械惯性等影响因素，锅炉汽包压力、过热蒸汽压力等参数会出现急剧上升现象，当压力上升过高时，会影响到动力装置正常工作要求，致使系统无法正常稳定运行。从蒸汽动力装置运行原理与结构特性角度看，将上述热惯性与机械惯性应用到较小排水量船舶上是全面和科学的，具有工程性指导意义。但是当应用到较大排水量船舶时，由于倒车汽轮机产生的功率与动力装置各设备结构与组成特性等限制条件，此时要阻止较大排水量船舶航行很难克服巨大的船体惯性，只有等到船舶自由滑行且航速降到一定数值即船体惯性减小时，才可以进行全倒车功率制动。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为了解决一是航速为多少才可以进行全功率倒车工况；二是舰船全速航行状态，然后停止供汽给正车汽轮机，需要多久才能够达到满功率工况所要求的航速问题，通过在船舶制动过程中加入船体惯性的影响，对比母型船舶得到允许全速倒车制动时的航速，根据自由滑行过程中几组滑行数据构建船体滑行速度和时间关系等，得到加入船体惯性的船舶蒸汽动力系统制动能力分析方法[7-8]。这些研究工作对舰船机动性论证和试验试航等具有重要指导意义。
2.3 安全性分析在舰船机动性中的研究现状
为了舰船能够在短时间内进行降速与换向过程，应用回汽技术时促使回汽过程作用力和螺旋桨负载作用力共同加载，正车汽轮机由合力负载阻止转速迅速降至指定转速。当在回汽制动过程中，用具有较高参数的过热蒸汽进行回汽制动时，倒车汽轮机运行状态发生了极大转变，很有可能会超出倒车级动叶的抗弯强度，易发生由于在变工况过程中运行参数超限而引起倒车级动叶断裂的情况，通过在回汽制动过程中，建立倒车级受力数学模型，利用汽轮机单只动叶基面受力分析，构建倒车级动叶的最大弯曲应力数学模型，同时结合构建好的数学模型应用仿真工具搭建倒车汽轮机仿真模型，仿真计算在回汽制动过程中，倒车级动叶上的最大弯曲应力，输入边界条件，即可得输出过热蒸汽作用在倒车级第一级和第二级动叶片上的最大弯曲应力随时间变化曲线。仿真计算结果得出倒车级第2级动叶弯曲应力超出安全许用应力的可能性较大，对动力装置安全性构成威胁。舰船实际回汽制动时应适当减缓倒车汽轮机进汽阀开启速度和幅度[9]。同样构建了主减速齿轮装置轮齿应力数学模型和仿真模型，得出回汽制动时轮齿弯曲应力及齿面挤压应力情况[10]。这些研究对提高舰船降速和换向过程的安全性具有重要意义。
3 舰船蒸汽动力系统机动性问题的未来发展及展望
目前关于舰船机动性方面的研究主要集中在回汽技术、汽力装置应力分析、汽力装置冷凝器进汽温度分析等，回汽技术可以迅速缓解锅炉压力的提升，但是通过倒车汽轮机排出的蒸汽，相当于是锅炉产汽后未能得到利用即直接排入冷凝器，属于对能量的一种浪费。同时多次使用回汽会对倒车汽轮机叶片产生冲击，影响汽轮机使用年限[5,11]。未来应该运用仿真与实验相结合的方法，探求出更加精细及优化的回汽技术，更好的应用在缓解锅炉超压及提高系统运行经济性方面。
参考文献：
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[10] 陈博，朱泳.汽力装置回汽制动工况下主减速齿轮装置轮齿应力模型[J].机电设备，2015，（5）：6-9.
[11] 朱泳，陈博.汽力装置回汽制动工况下主冷凝器进汽温度模型[J].机电设备，2015，32（6）：10-13.
论文作者:张红磊
论文发表刊物:《科技中国》2017年11期
论文发表时间:2018/5/2
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