摘要：通过介绍汽轮机的布置型式、通流部分设计特点、除湿技术的应用等，概括了船用主动力汽轮机的结构特点。根据未来船用汽轮机的发展方向，提出了在通流设计、结构集成、除湿技术等方面需要开展的研究工作。
关键词： 汽轮机 通流 结构集成 除湿技术
1.引言
汽轮机作为船舶主动力的历史由来已久，其具有功率大、造价低、寿命长、可靠性高、制造及运营经验丰富等优点，从上世纪六十年代开始就作为我国第一代舰船的主动力装置广泛应用。在现役的舰船中，釆用汽轮机作为主动力装置的舰船仍然占据着重要的地位?[1]。?
船用汽轮机的工作环境和使用条件与电站汽轮机不同，它安装在易变形的船体基座上，还经常受到船体摇摆、冲击的影响，它的正常运转直接关系到全船的安全，因而对其可靠性要求更高，它的体积、重量也受到船体的严格限制，船舶在进出港口或执行任务时需要经常变速或倒航，因此对汽轮机的机动性也有特殊的要求。一直以来，船用汽轮机按照自己的特点不断发展。
2.船用主动力汽轮机主要结构特点
2.1汽轮机主要型式
各海军强国在舰船主汽轮齿轮机组配置型式上不尽相同。在水面舰船方面，无论美国还是俄罗斯均采用采用单机双缸主汽轮机（分为高压汽轮机和低压汽轮机）+平行轴外啮合齿轮传动减速器的型式；在核潜艇方面，美国仍采用与水面舰船相同的机组配置型式，而俄罗斯则通常采用单缸汽轮机+同轴线输入输出的行星齿轮传动减速器型式，两种型式主机组各具特色，都在其海军装备中广泛应用。
较典型的双缸船用主汽轮齿轮机组布置主要由高压汽轮机、低压汽轮机、冷凝器、外啮合平行轴减速器等主要部分组成。新蒸汽在高压汽轮机内膨胀做工后，进行低压汽轮机继续膨胀做功，然后排入冷凝器冷却；高、低压汽轮机的功率经减速器并车后通过输出端法兰向外传递。
单缸汽轮机只有一个汽缸和一根转子，正车倒车汽轮机配置在同一个气缸内，其主要布置如图2所示。新蒸汽在汽轮机内膨胀做工后直接排入冷凝器冷却；汽轮机的功率经减速器并车后通过输出端法兰向外传递。。
2.2通流部分设计特点
船用汽轮机可采用冲动式或反动式，由于各有优缺点，所以选用何种型式一般根据设计部门和制造厂的经验与习惯选用。为了提高机动性，大多采用整锻式或焊接式转子。舰船在全速时要求汽轮机发出尽可能大的功率，以提高航速。但舰船在大部分使用时间内以低速(10～40%额定功率)巡航，故要求汽轮机在低负荷时也需要有较高的效率，以增加续航力。
分缸设计时可将高压轴和低压轴设计成不同的转速，尽量提高各级的轮周速度以增加级的焓降，减少级数。高压轴采用较高转速（5000～10000转/分），以缩小转子直径；增加前几级的叶片高度，以提高效率；低压轴采用较低转速（3000～5000转/分），以降低末几级叶片和轮盘的应力。?功率较小的舰用汽轮机也常采用旁通调节法，即在高负荷时蒸汽绕过高压部分，直接进入低压部分，以增加蒸汽流量?[2]。?
舰船汽轮机的特点之一是设置倒车汽轮机，这是对主推进动力提出的一项机动性指标，是舰船汽轮机中不可缺少的组成部分。倒车汽轮机应具有良好的操纵性，一般，它不单独组成一个独立的部分，而配置在正车汽轮机的汽缸内。倒车功率通常为正车功率的40～50%，在正车级与倒车级之间装有挡板，以防倒航时高温排汽被大量吸入正车级，引起过热和消耗功率。
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2.3除湿技术的应用
船用主汽轮机末几级均工作在湿蒸汽状态下，蒸汽湿度的增大不仅会降低汽轮机效率，并且蒸汽内的大水滴会对叶片产生冲蚀破坏，影响机组安全，缩短机组寿命，对汽轮机的安全运行造成很大隐患，为此船用汽轮机设计中要求叶片工作湿度不大于12%。在叶片设计时除考虑选用抗蚀叶片材料外，还采用了多种除湿技术，包括外部除湿技术和内部除湿技术。
（1）外部除湿技术
对于双缸核动力机组，其汽轮机高压缸的排汽湿度已经接近12%，因此必须在高、低压汽轮机间设置外部汽水分离器才能保证提高低压汽轮机的蒸汽参数，保证低压汽轮机叶片的安全。图3为某型外置式汽水分离器结构原理图，其工作原理是，高压汽轮机所排出的湿蒸汽由上至下进入分离器，蒸汽在分离器底部发生180o反向流动，依靠蒸汽与水滴间的密度差和惯性，较大水滴将从蒸汽中分离出来，沉积在分离器底部，从而实现第一级的汽水分离；反向后的蒸汽在旋流叶片的作用下螺旋式向上流动，在离心力的作用下，湿蒸汽中的剩余水分被甩向壁面，通过疏水孔流到分离器底部，进而被排出，实现二级汽水分离。
（2）内部除湿技术
船用汽轮机内部除湿技术，已实现工程应用的包括外缘除湿技术、除湿级技术、空心导叶除湿技术等，其中以除湿级技术的除湿效率最为显著。
外缘除湿结构是在在汽缸内壁相应位置处设置集水腔室，在该处把水滴收集起来并予以排除。外缘除湿是最常见的汽轮机内部除湿技术，一般除湿效率较低，可作为其它除湿手段的应用补充。
除湿级是在汽轮机通流部分内安装的一种和汽轮机同轴的高速级分离器，能显著的提高汽轮机装置的经济性和可靠性，在某种情况下可以取代外置式汽水分离器。蒸汽在通过除湿动叶时，蒸汽中的水分附着在叶片表面，这些叶片表面上的水分在叶片离心力的作用下，通过叶片背弧上的捕水槽、动叶顶部的叶冠和疏水孔，可实现收集并排入集水腔室内，从而排出汽缸达到蒸汽除湿的目的。除湿级的除湿效果可达40～60%左右。
空心导叶除湿是将导叶内作成空腔，通过腔室借助抽吸、吹扫或加热的方法将附在导叶表面的液膜或导叶尾缘积聚的大液滴去掉，以增加蒸汽干度。由于空心导叶除湿技术是实施在静止元件上，工程可实施性强，目前仍是汽轮机内部除湿的主要选用方法。
3.未来船用汽轮机发展方向
舰船所追求的可靠性、快速性、紧凑性和隐蔽性等诸多要求，有力地推动了船用汽轮机的发展。现代船用汽轮机正向着高效率、高功率密度、高度集成化、高度隐蔽性等方向发展。可以预见，未来船用汽轮机在通流设计、结构集成、除湿技术等诸多方面都有很多的研究工作。
3.1结构集成技术的发展
随着舰船主汽轮机尺寸、重量要求日益严格，在追求汽轮机功率增大的同时，而不允许较大幅度的增大舱段尺度和舱室容积，所以追求主机组中各设备的小型化、采用各设备的集成技术，以提高汽轮机功率密度成为未来汽轮机发展的重要技术。汽轮机结构集成的体现包括，汽轮机与支撑舱筏的集成设计，汽轮机、冷凝器与舱筏的高度融合，汽轮机与旁路排放箱的集成设计等。
3.2除湿技术的发展
传统外置式汽水分离器体积巨大，占据了较大的舱室容积空间，对机组的安装、操控都产生了一定的影响，机组的安装空间需求与有限的舱室容积形成一对十分显著的矛盾。为解决这一问题，需要对汽水分离器进行改进，拓展思路，开发新型。所以，对于双缸机组未来有必要在保证机组发功能力和安全运行的前提下研制一种小型、高效的外置汽水分离装置来取代传统的汽水分离器，以提高机组运行经济性、简化系统管路、优化机组布置方式、有效节约机舱布置空间。
对于汽轮机内部除湿技术，需考虑改进除湿结构和多种除湿技术组合使用，以继续提高除湿效率。
4.结论
虽然汽轮机作为舰船主动力推进装置的历史由来已久，但诸如通流设计、结构集成、除湿技术等诸多方面都还有很多工作值得深入研究。可以预见，这些研究成果将应用到未来汽轮机设计当中，使船用主动力汽轮机呈现新的面貌。
参考文献
1.刘文朝. 船用汽轮机虚拟现实仿真系统的研究[D]. 大连海事大学, 2013.
2.张俊迈, 周永泉. 汽轮机舰船的发展与发展我国舰船汽轮机问题[J]. 海军工程大学学报, 1980(2):3-14+91-92.
论文作者:李国镔
论文发表刊物:《科技新时代》2018年6期
论文发表时间:2018/8/14
标签：汽轮机论文; 舰船论文; 蒸汽论文; 技术论文; 船用论文; 叶片论文; 通流论文; 《科技新时代》2018年6期论文;