蒸汽轮机发展.doc

从透平尼亚到 LNG 船- 船用蒸汽轮机极简史1897 年，透平尼亚号在维多利亚女王的观舰式上横空出世，她 达到了前所未有的 34.5 节的航速，使整个世界为之震动 查尔斯 .帕森 斯的精彩表演向全世界表明，蒸汽轮机一种船舶新动力已经具备了挑 战传统往复式蒸汽机的能力帕森斯的蒸汽轮机的输出功率不断提升， 在 13 年前，他建造了世 界上第一台实用的蒸汽轮机，当时功率只有 5 千瓦经过不断改进， 用于发电的蒸汽轮机的功率已经提升到 300KW ，而透平尼亚的功率则 猛增 5 倍，达到 1500 千瓦（ 2000 马力）在观舰式上的成功，使帕森 斯迅速赢得了海军部的订单，那就是为海军建造两艘驱逐舰 -VIPER 号 和 COBRA 号建造发动机，她们均为 4 轴推进，单舰总功率为 10000 马力既然将海军同意作为小白鼠， 帕森斯也不得不付出一些代价 在 合同中，海军制定了惩罚性条款， 如果这两艘军舰的航速达不到 30 节， 那帕森斯就将被罚款 10 万英镑不过结果毫无悬念，两艘驱逐舰都达 到了 37 节的惊人航速之所以帕森斯能把他的汽轮机的功率越做越大， 是因为他设计的精巧，他把低速和低应力的设计方法融合在他的汽轮 机中，从而使他的公司在近 50 年中保持行业的领先地位。

他的第一艘 船透平尼亚号的轮机设计中，他采用了多达 71 级的反动式设计每一 级包含一圈固定在缸体上、起导向作用的静叶片（喷嘴）以及位于转 子上的动叶片，蒸汽的进气压力为 157PSI，排气压力为1PSI由于每一级的压力只减少2PSI，蒸汽流的能量在每一级上缓慢而 均匀的释放，因此帕森斯式蒸汽轮机不需要承受很大应力如果要增 加输出功率，只需要将叶片的面积加大，提高蒸汽的流量即可由于 蒸汽的流速不高，因此对材料的要求也相应降低，可靠性也不会随着 功率的提升而降低基于这一设计原理思路，帕森斯的轮机可以满足费希尔上将所需 要的在海军竞赛时期日益增长的舰船推进需要 1904 年，第一艘无畏 舰采用了蒸汽轮机，综合性能当然是无与伦比的 1909 年，帕森斯为 TIGER 号战列巡洋舰提供了总功率为 108000 马力的蒸汽轮机，就此一 项，就可比采用蒸汽机减少 1000 吨重量在民用领域，第一艘安装蒸汽轮机的是 1900 年建造的 650 吨轮 船 KING EDWARD号905 年,ALIEN 航运公司的 Virginian 和 Victorian 分别装上总功率 1.1 万马力的蒸汽轮机，成为第一批远洋汽轮机轮船， 邱纳德公司卡帕西亚号则达到了 2.1 万马力更为令人振奋的是， 1907 年，毛里塔尼亚号从德国人那些装备沉 重蒸汽机的邮轮手中重新夺回了蓝缎带，这艘 3.6 万吨的豪华邮轮装 备的就是帕森斯蒸汽轮机。

帕森斯为毛里塔尼亚号装备了总功率为 7.3 万马力的蒸汽轮机，这是当时世界上最强大的动力，使毛里塔尼亚号 的 27 节的航速记录保持了 22 年早期的反动式汽轮机采用的是铸铁缸盖，缸盖与下部缸体通过螺 栓紧固在一起，而转子就放置在缸体内缸体上固定有叶片，其两端 分别位于沟槽的内表面，转子上也安装有叶片，转子叶片与固定叶片 交叉设置气流流过静叶片对气流起到偏转作用，气流吹动转子的叶片，同 时在转子中气体膨胀，气流速度加快，从而对动叶片产生一个反冲作 用，因此反冲式汽轮机由此得名早期的蒸汽轮机都是直接通过传动 轴推动螺旋桨的，但螺旋桨需要较低的转速才能发挥效能，而汽轮的 转速又比较高 1910 年，单级齿轮减速蒸汽轮机的出现解决了两者 之间的匹配问题巨大的成功使帕森斯在全球建立了一个托拉斯， 它通过专利和许可 证授权的方式垄断了汽轮机技术 1910 年后的一段时间内， 布朗 -柯蒂 斯公司也开始进入这一市场，他们设计和建造冲动式蒸汽轮机这种 汽轮机比帕森斯式汽轮机更紧凑和轻巧，同样的功率和转速，冲动式 汽轮机只需要反动式汽轮机级数的一半在冲动式汽轮机中，蒸汽压力的下降只发生在静叶片或喷嘴中发 生，从喷嘴中膨胀的蒸汽有很高的速度，吹动动叶片带动转子旋转。

在冲动式汽轮机中，喷嘴中喷射的蒸汽速度和轮机的转速成正比，蒸 汽速度越快，轮机转速越高布朗-柯蒂斯的冲动式汽轮机转速比帕森斯式高很多，随着减速齿 轮的出现，使冲动式汽轮机可采用更高的转速设计，这对使用的材料 也提出了更高的要求，这点也正是帕森斯从一开始就担心的虽然冲 动式汽轮机在重量和尺寸方面都有明显的优势，但由于当时人们在技 术上还未完全掌握叶轮的高转速与振动之间的关系这导致布朗 -柯蒂 斯蒸汽轮机故障频发，最终该公司在 1920 年代早期消亡在一战前， 蒸汽轮机的压力在 200-250PSI 左右，也没有采用过热 蒸汽，所以效率相对比较低 毛里塔尼亚号的煤耗为 1.5 磅/马力 .小时， 总体热效率为 11.5% ，船上需要 200 名司炉工日夜工作，直到 1921 年，她被改造成烧油从 1920 年代开始，由于采用新的材料， 锅炉的性能得到极大提高， 1930年，650华氏度，350PSI的蒸汽锅炉已经很普遍了而陆地上， 发电厂使用锅炉的蒸汽温度已经提高到 750 华氏度英国海军部提出 了提高动力系统的效率需求，并要求帕森斯采用高温高压蒸汽不幸 的是，在驱逐舰 ACHERON 上测试的结果表明，帕森斯式蒸汽轮机在 采用高温高压蒸汽后产生了严重的振动问题，不得不放弃测试。

皇家海军没有别的选择， 只能继续使用这种可靠有余但效率不足的 主机二战的爆发使这种低效率充分的体现出来，帕森斯汽轮机公司 的垄断也走到了尽头两次大战期间，商船的主机功率需求增长缓慢，民用轮船需要的动 力普遍在 3000 马力以下，蒸汽机足以满足需求， 而且在这个功率水平， 蒸汽机反而显示出更高的效率高速渡轮，客货轮，邮轮由于对动力有着较高的要求，蒸汽轮机在 这些船上开始广泛使用从 1930 年的不莱梅号开始，到国王号，诺曼 底和邱纳德的两艘 “王后”号，这些超级豪华邮轮无一不使用蒸汽轮机作 为动力这些豪华邮轮中的大多数都采用了帕森斯专利技术制造的单级齿 轮减速蒸汽轮机诺曼底号则采用了不同的方式，她采用的是冲动式 汽轮机和电力推进， 但是蒸汽参数仍维持在 350PSI 和 700 华氏度，输 出功率为 16.5 万马力，而女王号为 16 万马力，她们都采用 4 轴推进邱纳德两艘女王号上庞大的蒸汽轮机机组体现了帕森斯公司一如 既往的保守风格，每一套轮机都由高中低压气缸组成，总的降压级别 达到 70 级与之形成鲜明对比的是诺曼底号上的一台主机组只有高低 压 2 个气缸， 15 级降压随着柴油机的出现， 蒸汽动力逐步丧失了竞争能力。

从 1911 年第 一艘远洋柴油机船 SELANDIA 号投入使用到二战爆发前的 1930 年代 末，柴油机单机输出功率已经上升到 1.2 万马力，新建轮船中每 3 艘 就有 2 艘采用柴油机动力1930 年代中期，随着美国海军的扩张，对蒸汽轮机的需求愈发强 烈，美国人深感不能依靠英国技术他们决定在蒸汽轮机制造领域进 行自主研发最终美国人决定采用通用电气公司 GE 研制的冲动式蒸汽 轮机装备本国战舰，这些汽轮机的蒸汽压力为 600PSI，825 华氏度， 参数比帕森斯蒸汽轮机高出许多 GE 的汽轮机采用了标准化的设计， 每套蒸汽轮机组采用 1 个高压和 1 个低压透平并排方式，轮机的转子 输出连接到一台双级链式齿轮减速器上，链式减速器的齿轮输入端连 接到主减速齿轮上，主齿轮再与次级齿轮连接驱动螺旋桨虽然原理非常简单，但是由于轮机输出的功率大，各级齿轮之间 受力情况复杂，齿轮间需要精密配合和协作才能完成传动，齿轮的加 工需要依赖精密切割机床加工 而当时全世界美国拥有这种加工技术， 这使他们可以利用高温、高压蒸汽并采用高转速的冲动式原理制造出 大功率、高效能的蒸汽轮机GE 汽轮机的高压透平的转速高达 6000 转/ 分，低压透平的转速也有5000 转，在通过低压透平后，蒸汽进入冷凝器凝积成水产生真空，从 而提高效率。

蒸汽压力越高、轮机转速也越快、效率也越高，因此整 套GE机组只需要用18级降压，其中高压11级，低压7级冲动式轮机的转子与反动式轮机鼓型的转子也完全不同，转子上 有串有多个碟形圆盘早期这些盘的截面为向轴方向收缩，现在采用 的是整体锻造叶片则镶嵌在这些圆盘外延的四周在 1940-1946 年 间， GE 提供了 804 套冲动式蒸汽轮机，输出功率在 25000-53000 马 力之间，它们在重量和尺寸方面明显比早期的汽轮机小得多在二战期间，特别是对航程要求较高的太平洋战场 GE蒸汽轮机 的燃油效率得到充分的体现战后，蒸汽轮机普遍采用了冲动式设计 不过解决转子高速旋转稳定性问题的还得归功于英国人 WilfredCampbell提出的，他加入的正是美国 GE公司正是他在1924年在美 国机械工程师协会上发表的一篇论文对当代冲动式汽轮机的发展起到 了至关重要的作用1944 年，为了满足船用汽轮机的需求，帕森斯公司成立了一个新 的机构(PAMETRADA)，这个机构成立的目的是专门从事反动式蒸汽轮 机的设计，并以生产许可证的形式进行销售PAMETRADA取得了不错 的业绩，在二战后一段不长的时间内，英国仍是世界最大的造船国家。

PAMETRADA设计的蒸汽轮机在450艘轮船上得到了安装，直到它在 1967年关闭PAMETRADA的关闭主要是因为柴油机已经广泛渗透到 蒸汽轮机的传统市场，柴油机的油耗可比蒸汽轮机降低 30%，另外一个重要因素是由于英国造船业的衰退，这些原因使 PAMETRADA 的许 可证变得失去应有的价值战后舰用汽轮机的设计在 GE 汽轮机的基础上又有提升， 这种提升 是通过提高蒸汽参数和使用更为优良的材料和更科学的设计方法获得 的美国军舰上使用的蒸汽参数已经达到 1200PSI 和 950 华氏度蒸汽轮机也找到了新的应用领域，那就是核动力推进核动力在 美国和苏联的潜艇和水面舰艇上都有大量使用，美国核动力航空母舰 装备了 4 台蒸汽轮机， 总功率达 28 万马力 不过蒸汽轮机在水面舰艇 上的地位已经被燃气轮机所取代， 不过出人意料的是苏联在 1980 年代 仍装备蒸汽动力的现代级驱逐舰战后中东石油异军突起，石油需求的猛增促使超级油轮的出现， VLCC 出现后，她们需要 3.2 万马力才能达到 15 节的航速，而革命性 的集装箱的出现改变了海运的面貌， 高速的集装箱船需要更大的功率 在 60 年代末到 70 年代中期，柴油机的功率还无法到达如此高的功率 要求，在 1972-1976 年期间，使用蒸汽轮机驱动的新船总吨位每年都 超过柴油机船， 这种情况自 1920 年代后是没有出现过的， 这很大程度 上归功于超级油轮的建造。

为满足船用推进的需求，蒸汽轮机的主要的供货商 GE 公司和 STAL-LAVAL公司研发了标准化的设计，采用 900PSI和950华氏度的 蒸汽，使用热效率达到 0.44 磅/马力.小时设计精良的交叉复合式蒸 汽轮机利用现代材料和产品设计方法使叶片可以采用很高的速度，整 体结构更为紧凑 Stal-Laval 公司通过使用行星齿轮减速箱，使蒸汽轮50%机的尺寸和重量更趋紧凑两家公司通过授权生产方式各自占有 的市场份额日本的造船企业，如果三菱、石船岛播磨、川崎等则成 为主要的供货商这一时期，轮机自动化技术迅速发展，无人机舱开始出现，轮机 控制完全可以在舰桥内直接完成 轮机的可靠性也取得了长足的进步， 除了锅炉等高压设备必须定期接受检查以外，其它的部件可以几年不 需要检修然而蒸汽轮机市场的短暂复苏在 1970 年代末期戛然而止， 1973 年和 1979 年爆发的两次石油危机使石油的价。