船用汽轮机技术特点及发展趋势研究

伍赛特

(上海汽车集团股份有限公司，上海 200438)

0 引言

与传统蒸汽机一样，汽轮机可将蒸汽的热能转换为机械功。但汽轮机的工作原理与蒸汽机的工作原理不同。在蒸汽机中，蒸汽的热能直接转变为活塞运动的动能，然后由曲柄连杆机构再把活塞及活塞杆的往复直线运动转变为曲轴的回转运动。在汽轮机中，蒸汽首先流过特设的喷嘴，其热能也先变为本身流动的动能，然后这种动能再转变为回转的机械功。本文中的船用汽轮机是指供船舶推进或驱动辅机用的汽轮机。

1 现代船舶对动力装置的技术要求

现代船舶对其动力装置提出了一系列技术要求，如下所示[1]。

(1)高可靠性。当船舶离岸后就脱离了供应基地，在海洋上又随时可能受到海潮、风浪等影响，如动力装置出现故障，就会导致该船舶发生危险。军舰动力装置的可靠性还直接关系到其战斗力(直接关系到战斗的胜负)。所以船舶动力装置的可靠性就具有特殊的重要意义。这就要求船舶动力装置应具有强的生命力，即使处于恶劣的工作条件下，甚至在剧烈振动或事故损坏的情况下，仍能保持或恢复某种程度性能的能力。此外，动力装置还应具有足够长的寿命和检修间隔，并且可在两次检修期间保证可靠工作和保持原设计的工作性能[2]。

(2)在所要求的功率条件下，尽可能使机组的重量轻、尺寸小。船舶的排水量和空间是有严格限制的，如动力装置的重量和尺寸愈大，则由它所占用的排水量和空间的比重也就愈大，这就减少了该船舶的运输能力或削弱了该舰的战斗力，军舰为了战斗的需要。对此要求特别严格，有时往往宁可牺牲动力装置的部分效率，以便把节省下来的排水量和空间用于加强军舰的武备或防卫上。

(3)高经济性。提高船舶动力装置的经济性，除了本身的经济意义外，尚由于可减少燃料携带量，从而可提高船舶的运输能力或战斗力，或者在相同的燃料携带量的条件下，提高船舶的续航力，即增大了它的不靠岸航行距离。这不仅具有经济意义，对军舰来说还有战略意义。因此，对经济性的要求通常应从动力装置与燃料携带总重量为最小加以确定。

(4)良好的操纵性(机动性)。所谓操纵性是指发动机迅速改变工况的能力。其表现为：很快起动或停机，很快倒车或发出倒车全功率，迅速在大范围内变动负荷及在各种转速下稳定工作等，以使船舶迅速适应当时的需要和周围的条件。对于军舰来说，由于战斗的需要，如在攻击时能有效打击敌人，在防御时能迅速回避敌人的袭击，应使舰艇的启航、停泊、变速和变向等动作更加自如、灵活和迅速，因而在这方面的要求尤为突出。

此外，还要求船舶动力装置便于制造和管理，对燃料的要求不高，良好的劳动条件等。上述的各项要求既互相联系又相互制约，各类动力装置很难同时全部满足上述各项要求。

2 船用汽轮机的发展概况

英国帕森斯首先将多级反动式汽轮机用作透平尼亚号的推进动力，1897年试航时达到了34.5 kn，超过了当时由蒸汽机推进的驱逐舰航速，显示了汽轮机应用于舰艇上的优越性。此后，汽轮机广泛应用于大中型军舰和客船上，几乎取代了比它早半个多世纪发展起来的往复式蒸汽机。

随着内燃机的日臻完善，尤其是它的油耗率低、机动性好，内燃机作为船船舶动力装置得到了广泛的应用。燃气轮机的兴起。特别是航空燃气轮机的成功经验；有力地促进了燃气轮机在船舶动力装置中的应用。这样，形成了当今船舶动力装置中三种发动机并存，各得其所的局面。

汽轮机动力装置的主要特点在于：它是连续工作的匀速回转机械，其热力过程稳定。与往复式的内燃机相比，汽轮机的寿命较长，零件的磨损较少，且很少需要修理和更换、其次，汽轮机的单机功率比内燃机或燃气轮机更大，且当单机功率愈大时，其优越性愈能得到充分发挥。此外，蒸汽锅炉还可燃用劣质油等。因此，汽轮机适旧于大型船舰、核潜艇以及一些特殊船舶。其他需要功率较小的舰船，大都采用柴油机或燃气轮机。

应该指出，各类动力装置的上述使用范围不是绝对的。考虑到各国的工业水平、生产特长和传统习惯、燃料政策、甚至战略方针等具体情况，而在具体选择动力装置的型式时将有很大的差异。

核能汽轮机动力装置在船舶中(尤其在潜艇上)也占一定的比重。随着核反应堆的不断完善和小型化，这个比重将可能有明显的增长，从而为船用汽轮机的发展开辟了广阔的前景。

3 船用汽轮机装置及其传动方式

为使螺旋桨有较高的效率和可靠的工作，要求螺旋桨的转速较低，军舰的航速高、吃水浅，一般其螺旋桨的转速为150 r/min～400r/min，商船为80 r/min～150 r/min。为此，在汽轮机与螺旋桨之间需采用减速设备。

现代齿轮传动机构已达到相当完善的程度，传动效率高达98%左右，不仅操纵方便。还便于把几个轴上的功率传递到一根轴上，从而可减轻重量和缩小尺寸，因而齿轮传动方式获得了广泛应用。

齿轮传动船用汽轮机组的布置由高、中、低压汽轮机，倒航汽轮机，凝汽器和齿轮减速器等组成[3]。汽轮机的高、中、低压缸可根据需要设计成不同的转速，将各缸的功率传递到一个低速轴上，驱动螺旋桨推进船舶行驶。

采用电力传动时，汽轮机与发电机连接，而由电动机带动螺旋桨。这种传动方式由于能量经多次转换，其效率较低，且重量较大，装置较复杂，造价也高。然而，该类传动方式却具有一些重要优点，即：推进轴与汽轮机无刚性连接，可使汽轮机的结构简化(接近于陆用汽轮机)；机组布置比较方便；电动机变速和反向比较灵活，倒航功率可增大，噪声较低等。因此，电力传动方式往往应用于破冰船、航空母舰和大型油船上。

4 船用汽轮机的运行特点

每艘船舶均应有可能由零至最大的前进或后退速度航行。对于不变螺距螺旋桨的船帕、其航速取决于螺旋桨的转速，并与螺旋桨的转速成直线关系变化。由螺旋桨理论可知。其所需的功率与转速的三次方成比例。这样，当船舶航速改变时，所需发动机的功率与船速的三次方成正比[4-9]。也就是说，船速的变化实际上是由改变其发动机的功率(相应改变其转速)来实现的。

船用汽轮机的功率是根据该船舶的航速来决定的。按某一选定的航速相对对应的功率所设计的汽轮机，只有在选定航速下具有最高效率，这个航速被称设计航速，而在偏离设计航速时，汽轮机的效率降低。偏离越大，效率降低越多[10-12]。

考虑到各类船舶航速变化的情况不同，正确选择各类船舶的设计航速，即动力装置的设计工况十分重要。通常应以该船舶在整个运行期间航行时间最多的航速作为设计航速，相应于这个航速的动力装置应具有最高推进效率。

货船极大部分时间是以全速航行的，货船用汽轮机的设计功率即为对应于全速工况约功率。此外，尚应考虑若干的功率储备，以备在遇到不利情况(恶劣的气候条件、船体阻力增大和推进系数降低等)时，仍能保持一定的航行速度，或在必要时(如战时征用等)提高航速。这样，即使其经济性有某些降低，汽轮机亦能在提高功率的情况下正常运行。相应增大功率的工况称最大工况或过负荷工况。

客船是定期航行的，要求能按时到达目的地，即使在不利的航行条件下，仍希望能保持预定的航速。所以这类船舶的设计航速最好低于全速，相应汽轮机的功率一般为全速功率的70%～80%。这样，过负荷功率可稍小，甚至不予考虑。

提升军舰的最大航速具有重要意义，因为舰艇的速度与其生命力密切相关，且现代化的战斗要求舰艇具有较高的速度，有时根据战斗情况需要持续维持全速。但根据军舰的服役条件，在非战斗时期通常以低速航行的。因此，还必须考虑以巡航速度和经济速度航行的问题。货船有两种主要的动力工况，即：(1)全速工况，它决定了汽轮机的重量和尺寸，并使汽轮机具有最高的效率；(2)最大负荷工况，主要保证汽轮机装置具有更大的功率，以备在非常情况下维持船舶的正常航行。此外，尚应考虑到当船舶在进行泊离操作或低速航行(如在港湾中或雾中航行)时，保证汽轮机能在低负荷下运行。当然，这时对动力装置的效率要求可降低。客船的情况与货船相类似，主要区别在于，客船用汽轮机的设计功率是相应于客运速度的功率。军舰用汽轮机的运行工况比较复杂。全速航行时，汽轮机的效率不仅关系到动力装置的经济性，还能决定装置的重量和尺寸，并对低负荷的效率有一定影响。军舰大部分时间是以低速航行的，而低速航行时汽轮机的效率决定了军舰的续航力。

军舰用汽轮机不仅在全速工况应具有必要的效率，即使当功率降低至全速功率的10%时，也要求有一定的效率。这两种相互矛盾的要求，往往是这样解决的，即以全速工况或接近于全速工况作为设计工况，而采用一些附加措施来提高低速时的效率。

5 船用汽轮机的设计特点

5.1 设计参数的确定

5.1.1 主蒸汽参数的确定

提高汽轮机的主蒸汽参数可以提高其循环的热效率，降低汽轮机的油耗率。但提高蒸汽参数(主要是压力)后[13]，蒸汽的体积流量减少，导致汽轮机内效率降低。为此蒸汽参数的选择，应与机组的功率结合起来考虑，才能获得较好的经济效果。现代电站汽轮机釆用了较高的蒸汽参数，并有进一步提高的趋势。船用汽轮机虽趋向于采用高的蒸汽参数，但由于下列原因，其蒸汽参数总是低于固定式发电用汽轮机，并且保持一定的距离。其主要原因是：

(1)船用汽轮机的单机容量相对较小，即使从提高效率的观点考虑，也不宜采用很高的蒸汽参数。

(2)船用汽轮机动力装置要求很高的可靠性和机动性，如要求迅速正倒向航行、起动和停机等，采用过高的蒸汽参数会带来一定困难，并且在迅速变动工况的条件下，高的蒸汽参数(尤其是提高温度)会影响机组的可靠性。对于军舰来说，在战斗时还可能遭到意外的破损，为了有利于对破损的抢救，亦不宜采用过高的蒸汽参数。

(3)船舶要求其汽轮机动力装置的重量和尺寸较小。在单机功率相对不大的条件下，提高其蒸汽参数会导致整个装置(尤其是锅炉)的重量和尺寸增大，提高对金属材料的要求并增加造价。

此外，当蒸汽参数提高后，要求相应提高其给水质量，这在船舶条件下，需要付出较大的代价。同时高参数汽轮机装置会使机炉舱的温度升高，导致劳动条件劣化等。因此，从使用的角度出发也不希望采用很高的蒸汽参数。

从增进军舰的战斗素质的观点出发，对汽轮机动力装置的可靠性、机动性以及重量和尺寸等有更高的要求。因此，军舰用汽轮机装置的蒸汽参数，一般又低于相应功率民用船舶汽轮机装置的参数。

5.1.2 排汽压力的确定

降低汽轮机的排汽压力，可减少蒸汽循环的冷源损失，从而可显著地提高循环的热效率。但凝汽器的压力取决于舷外水(冷却水)的温度[14-16]、流量和凝汽器的冷却面积。在冷却水温一定的条件下，降低凝汽压力不仅需要增大凝汽器的尺寸、重量和冷却水泵的功耗．而且随着排汽比容的迅速增大，导致汽轮机低压部分的尺寸和重量增大。为此，船用汽轮机往往采用较低的真空度，军舰用的汽轮机由于要求尽可能减小重量和尺寸，其真空度应更低些。各类船用汽轮机具体的排汽压力应由多个方案的论证后确定。

5.2 回热系统的选取

从船用汽轮机中抽汽加热给水，也可有效地提高蒸汽循环的热效率[17]。因此，在商船用汽轮机中亦被广泛应用，但抽汽加热的级数较固定式汽轮机为少。这是因为船舶要求其汽轮机装置的重量较轻、占用空间较少、结构和运行较简单，此外，船用汽轮机还往往广泛应用其他辅机的乏汽加热给水。

军舰用汽轮机装置常常在很低的工况下运行，这就很难体现抽汽加热给水的效果。此外，军舰对汽轮机动力装置的重量、尺寸、结构及其运行有着更高的要求。因此，在军舰用汽轮机装置中很少采用由主汽轮机抽汽加热给水的方式。

5.3 各缸转速及其功率分配

大型船用汽轮机通常采用多缸结构。常用的多缸结构型式有：双缸机组(由高压缸和低幢扯组成)；三缸机组(由高压缸、中压缸和低压缸组成)；军舰用汽轮机的低速级组有时自成一个汽缸，这样，三缸机组则由低速缸、高压缸和低压缸组成。

船用汽轮机采用分缸结构的主要目的，在于使汽轮机-齿轮机组的重量和尺寸最小。采用多缸结构后，各缸均可按其最有利的转速设计，汽轮机本身的重量不会显著增加。但由于功率分散到几个小齿轮上，使每个小齿轮传递的功率减小，整个齿轮减速器的重量和尺寸则可显著减小。此外，船用汽轮机必需设置倒航级组，而军舰汽轮机通常还装有级数颇多的低速级组，这就使汽轮机的级数较多，如将其安装在一个汽缸中，往往难于满足临界转速的要求。一般临界转速应大于最大工作转速的20%～30%，如降低转速而增大直径，则又会增大汽轮机的重量和尺寸，在此情况下就不得不采用多缸结构。

采用多缸结构后，各缸的温度差减小，运行时的热应力相对减小，有利于提高机组的机动性。各缸按其有利转速设计后，有利于提高各缸的内效率，可使整个汽轮机的经济性得到改善。采用较低的低压缸转速，可减小末级叶片和叶轮的应力，从而提高其可靠性。此外，当汽轮机遭局部损坏时，可由单缸航行返港，增加了舰船的生命力。

基于上述原因，无论是军舰还是商船用汽轮机，一般均采用多缸结构。但考虑到汽缸数增加后，其结构复杂，制造成本略有增高，且增加了蒸汽在导管中的流动损失、端轴封的漏汽损失以及轴承的摩擦损失等。因此，船用汽轮机的汽缸数不宜过多。现代典型船用汽轮机多数为双缸结构。

从减小汽轮机重量和尺寸的观点出发，总是希望尽可能利用汽轮机的高速性，提高汽轮机转速后，不仅汽轮机的平均直径或级数可以减小，而且可增大叶栅高度，也有利于提高效率。随着齿轮减速器的日益完善，它已实现实际上需要的传动比。因此，船用汽轮机的转速已经不再受低速的螺旋桨的限制，而可以按各自有利的转速选定了。

限制提高汽轮机低压缸转速的主要因素是，它的末级叶轮和叶片的强度。一般轮盘式转子允许的最大圆周速度约为300 m/s，用于反动式汽轮机的鼓筒式转子则为200 m/s，由高强度轮盘组合成鼓筒式转子允许的最大圆周速度与轮盘式转子相近。当选定转子结构型式和圆周速度后，即可确定低压缸的转速。通常其转速范围为3 000 r/min～6 000 r/min。

流经高压缸的蒸汽的体积流量较小，相应所需的通流面积和平均直径均较小，可以选用较高的转速。但在选择高压缸转速时，应考虑到高、低压缸间合理的功率分配，以便使齿轮减速器和汽轮机总的重量与尺寸最小。为此，高、低压缸的转速不宜差别太大。对于双缸汽轮机来说，高压缸的转速通常为低压缸转速的1.2～1.8倍。具体设计时，尚应对方案设计进行技术经济分析和临界转速验算后确定。

考虑到高压缸小齿轮的直径总是小于低压缸小齿轮的直径，为使各缸小齿轮处于相同的应力条件，宜分配给低压缸较大的功率。否则，如高压缸分配的功率较大时，则其小齿轮的直径相应增大，在一定的传动比条件下，就意味着需要增大齿轮减速器的尺寸和重量。

由于汽轮机低压缸的蒸汽的体积流量较大，转速较低，其重量和尺寸已较大，如过多增大低压缸的功率，将进一步增大其重量和尺寸。为使齿轮与汽轮机组的重量和尺寸最小，应考虑不同船舶的具体情况恰当地分配各缸的功率。

由于军舰用汽轮机往往配备有级数较多的低速级组，如分配给低压缸的功率较多，则对设计和安置低速级组是较为有利的。此外，军舰通常在低速工况下航行的，在此工况下低压缸的功率会相应减小，如全速工况低压缸具有较大功率，那么低负荷时高、低压缸功率分配不均匀程度可减小。因此，高压缸的功率会适当小于低压缸的功率，对于军舰用汽轮机更为合适。

由于商船用汽轮机不存在低速级组问题，且低负荷工作的时间很少，因而低负荷时高、低压缸功率分配的不均匀性并不重要。如仍然分配给低压缸较大功率，则会导致低压缸的重量和尺寸过大，而在低压缸中又往往需要安置倒航汽轮机，同时整个汽轮机的纵向尺寸又是由低压缸的尺寸决定的，所以低压缸的功率过大并不合适。但低压缸的功率也不宜过小，因为在倒航时，低压缸小齿轮需要传递倒航转矩，如低压缸的功率过小，且低压缸小齿轮又是按此功率设计的，则在倒航时其扭矩有可能要超过设计值。

6 提高低速航行时汽轮机效率的措施

低速航行时，汽轮机效率降低的主要原因有：(1)由于汽轮机功率降低，蒸汽流量减小[18]，导致汽轮机各级比焓降会重新分配。对于喷嘴调节汽轮机来说，调节级比焓降显著增大[19]，其余各压力级的比焓降为：前面级基本不变，往后各级依次递减，末级降低最多；节流调节汽轮机主要表现为节流阀中的节流损失迅速增大，其他各压力级比焓降的变化与喷嘴调节汽轮机相同；(2)汽轮机转速降低。如汽轮机进、出口的蒸汽参数不变，但由于各级的速比均有不同程度降低，导致汽轮机效率降低。

舰用汽轮机的调节级工作特性如下，在低负荷时调节级比焓降显著增大，与此同时，汽轮机转速降低，使调节级的速比急剧下降，导致该级效率迅速降低。在低负荷时，一方面调节级比焓降所占汽轮机总比焓降的比重较大，另一方面调节级的效率又较低。因此，会使整个汽轮机的效率显著降低，这是低速航行时汽轮机效率降低的关键所在。

船用汽轮机的转速越低，其效率降低程度也越显著。与其他热力发动机相比，这是汽轮机作为船舶动力的一项重大缺点。为此，采取了一系列措施以改善低负荷时汽轮机的经济性。主要有下列四种，即采用低速级组，采用低速汽轮机，采用串并联汽轮机，以及采用滑参数调节。

6.1 低速级组

配置低速级组可有效提高低速航行时汽轮机的效率，因此，在舰艇上被广泛采用。低速级组可分为内旁通低速级组和外旁通低速级组两类。

6.1.1 内旁通低速级组

该汽轮机的高压缸具有一个双列调节级，紧靠调节级后有由六个压力级组成的低速级组，之后是三个全速级，调节级与全速级之间设有内旁通阀。全速工况时，蒸汽经喷嘴调节阀进入调节级做功后，绕过低速级组经内旁通阀进入全速级(只有少量蒸汽流经低速级组，以作冷却用)。在等于或小于低速工况时，旁通阀关闭，蒸汽由调节级直接进入低速级组，再进入全速级。低负荷时，低速级组投入工作的目的[20-21]，在于分担调节级由于汽轮机负荷降低而增加的比焓降，使调节级-低速级组均具有较高的效率，从而改善整个汽轮机的效率。

在设计内旁通低速级组时，尚需妥善处理以下几个问题：(1)因受结构方面的限制，其级数不能很多；(2)每个低速级所能承担的比焓降较小，因为此时转速较低，其直径一般又小于全速级；(3)低负荷时不但调节级的比焓降增加较大。而且由于转速降低，如欲保持其最佳速比，必将使低速级组承担更多的比焓降，即需增加更多的低速级。根据上述矛盾，往往会采用折衷的处理办法，即放弃低速时保持调节级最佳速比的要求，让调节级后的压力等于或接近于设计工况的压力。这样，由于调节级比焓降保持或接近不变，低速时的效率就不会有明显下降。削减低速级的另一途径，是采用可以承担较大比焓降，同时又具有一定效率的双列速度级。

6.1.2 外旁通低速级组

通常，会由双列调节级及其后面一个压力级组成外旁通低速级组，并配置在全速级的前方。当船舶全速航行时，蒸汽直接由外旁通阀导入汽轮机，此时喷嘴调节阀关闭，只有少量蒸汽通过外旁通级组，以带走由于空转而产生的摩擦鼓风损失所形成的热量。当低速航行时，外旁通阀关闭，蒸汽由阀门进入汽轮机，即外旁通低速级组投入工作。

由于外旁通汽轮机在全速时会由某一中间级进汽。因此，通常外旁通阀属节流调节，所以外旁通低速级组投入工作的目的，是为了消除节流调节汽轮机在低负荷时应具有的节流损失，从而提高了低负荷时汽轮机的效率。外旁通低速级组的比焓降，即为该负荷下节流损失所对应的比焓降。

外旁通低速级组同样受高压缸结构的限制，其级数不会很多。此外，外旁通汽轮机在全速工况时，蒸汽需从高压缸中部引入，高压缸的相应部分必须承受较高的压力和温度，这就提高了对材质的要求。为了克服上述缺点，采取了一些改进措施，主要有：(1)旁通蒸汽具有独立的进汽室，并与汽缸隔开，从而可降低对汽缸材质的要求；(2)旁通工况采用了喷嘴调节，不但使旁通工况具有较高的效率，而且还扩展了旁通工况的工作范围，从而可在一定程度上减少旁通低速级组的级数。

6.2 低速汽轮机

如上所述，将低速级组设置在高压缸中，其级数和焓降均有一定限度。因此，采用低速级组的效果就会受到限制。为克服上述缺点，出现了将低速级组从高压缸中分出来而自成一缸的结构，并称为低速汽轮机或巡航汽轮机。

目前，低速汽轮机与齿轮-汽轮机组的连接型式有：

(1)借助于联轴器直接与高压缸连接。由于其转速与高压缸相同，将低速级组从高压缸中独立出来的优点未能充分利用。只是在级数和直径等选择上略有余地，所以效果不明显；

(2)借助于齿轮传动，按一定的传动比与高压缸连接。由于其转速不受高压缸的限制，所以可按最佳方案设计，效果较明显，但其受汽轮机转速升高后所产生的高应力的限制，同时与直接连接一样，全速时需参与空转而消耗功率；

(3)在(2)的基础上，采用同步离合器与高压缸连接。低速工况时将离合器接入，低速汽轮机参与工作，高于低速工况时离合器会自动脱开，低速汽轮机停止运行[22]。这样，不但避免了空转的功耗，而且可按低速汽轮机的需要提高转速，以实现最佳设计，从而使低速级组从高压缸分离出来的优点得到充分发挥。

采用低速汽轮机后，增加了装置的复杂性、重量和尺寸，并且会遇到低速汽轮机由非工作状态迅速进入工作状态的情况。此时，低速汽轮机中的温度变化较剧烈，这对汽轮机工作的机动性是很不利的，对可靠性也会产生一定影响。因此，低速汽轮机的应用并不多，只是当巡航速度明显低于全速，并且设置低速汽轮机确有较大效益时才会采用。

6.3 串并联汽轮机

为克服低速汽轮机的上述缺点，从而出现了串并联汽轮机、低速时采用串联工作方式，高负荷时采用并联工作方式[23]。

采用串并联方法的主要优点，在于提高汽轮机的机动性并消除了低速级组的空转功耗，因而在较大型的舰用汽轮机中得到一定发展(因为只有蒸汽流通较大时；才能保证有足够大的并联通流面积，保持必要的经济性)。但是这类汽轮机较难做到在两种工况下均为最佳设计，因而只能获得有限的经济效益。此外，这种汽轮机的配汽结构较复杂。

6.4 滑参数调节

所谓滑参数调节，就是直接改变锅炉所产生蒸汽的参数，以改变进入汽轮机蒸汽的等熵比焓降，从而调节汽轮机的功率。

这类功率调节的特点在于，低负荷时采用较低的蒸汽参数，高负荷时采用较高的蒸汽参数。这样，当低负荷时由于蒸汽的等熵比焓降减小，同一工况时的蒸汽流量相应增加，这不但可使调节级的比焓降增加较少(级前参数降低，级后压力相对升高)，低速级的级数可减少外。尚可使中间级的效率降低较少，并且消耗于给水泵的功率也可相应减少。因此，如将滑参数调节方法与低速级组配合起来使用，既可使低负荷时具有良好的经济性，又可使汽轮机的结构简化。

也有采用反方向滑动的，即当汽轮机负荷增大时，蒸汽参数反而降低。显然，这样采用的目的，不是考虑经济性，而是为了高负荷时的可靠性。此处不予详述。

这种功率调节方法，由于对锅炉的调节提出了较高要求，从而使锅炉的控制复杂化。此外，还由于锅炉的机动性较差。所以目前仍较少应用。

采用上述措施后，其低负荷时的效率可得到一定程度的提高，但是往往会使结构复杂。制造费用增加，并附加了一些重量，且多占了一些空间，有时甚至要降低全速工况的效率。因此，该方案只适用于舰用汽轮机。对于商船用汽轮机而言，由于在低速工况下运行的时间较短，因而效率降低所产生的影响不大，并且可由汽轮机的操纵与结构的简化获得补偿，所以一般不会优先采用。

在实际船用汽轮机设计中，除了采用上述四种措施外，需要根据各类船舶的不同特点和要求，采取一些简易的办法，以适当改善汽轮机低负荷时的经济性。

在某些船舶中，有时会采用某一折衷的负荷作为汽轮机的设计负荷。由于所选择的设计工况比较接近于低负荷工况。因此，汽轮机在低负荷时的效率下降较少。相对来说，也就提高了低负荷的经济性。当然，这样选择设计工况的结果，必然要降低一些全负荷的效率，同时在结构上还必须考虑在全负荷或超负荷时增加流量的方法。

对某些轻型舰艇，为了减少汽轮机的重量和尺寸，也希望采取一些较简单的办法以提高其经济性。常用的是双列-单列调节级方法。即双列调节级按低负荷设计，在低负荷运行时，第一组阀门开启，蒸汽进入双列调节级，从而可保持调节级有高的效率。随着负荷增大，其余阀门开启，蒸汽进入该级的另一弧段，与这一弧段相对应处无转向导叶，但装有转向器，该转向器使蒸汽绕过调节级的第二列动叶。在装有转向器的那部分弧段上，调节级的性能相当于单列级。全速运行时第一组阀门关闭。这样，调节级即过渡为单列运行，并在高负荷时具有较高的效率。这种设计方法特别适用于小功率、单缸汽轮机，也成功地应用在带内、外旁通调节的汽轮机中。

在设计船用汽轮机时，应选择具有良好变工况性能的叶型，以便在广泛工况范围内具有较高的效率。

上述用于提高汽轮机低负荷时效率的方法，各有其优缺点，究竟采用何种方法为宜，需视舰船对汽轮机低速工况的功率、经济性、机动性和重量尺寸等要求来考虑。此外，还与汽轮机的全功率和蒸汽参数等有关。一般需对多种技术方案的详细分析和综合论证后，权衡利弊得失，才能作出正确的选择。当然，设计部门和制造厂家的经验及传统习惯也有一定影响。

7 倒航汽轮机

汽轮机依照其工作原理是不可逆转的，为了保证船舶在泊离码头、遭遇危险或其他需要的情况下。能迅速停止前进并实现后退运动，几乎所有船舶均设置由几个级组成的专用倒航级组成，通常被称为倒航汽轮机。

因为设置倒航汽轮机是根据操纵船舶的需求提出的，所以它的功率并不决定于倒航的速度，而是决定于正以全速航行的船舶能迅速停航或倒航的要求。当船舶需要突然停止或倒航时，使船舶向前滑行的距离最短，一般希望这个滑行距离能控制在3～4 个整船的长度。

为了简化结构并减小重量和尺寸，通常倒航汽轮机不会单独采用一个汽缸，而是布置在顺航汽轮机的汽缸中。倒航级组一般布置在低压缸中。当自顺航突然过渡到倒航时，低压缸的温度变化较剧烈，设计时应采取相应的措施，以消除或减小它的热变形和热应力，否则会影响汽轮机的机动性和可靠性。在有些三缸结构的机组中，为了改善低压缸的受热情况，会将倒航汽轮机分成高、低两个级组，分别布置在顺航汽轮机的中、低压缸中。但这样安排的结构较复杂，目前已较少采用。

7.1 倒航汽轮机的功率和转速

为减小船舶的滑行距离，必须增大倒航的转矩，相应增大倒航汽轮机的功率。但是增大倒航功率存在一定的困难，因为这需要增大倒航汽轮机的重量和尺寸，增加顺航时倒航汽轮机的空转损失。此外，还受到减速器强度方面的限制。

船舶设计及其运行实践表明，对于各种类型的船舶，其倒航功率约为顺航功率的20%～60%。其中民用船舶为40%～60%，而军用舰艇则为20%～35%。其中，轻型舰艇的倒航功率靠近下限，大型军舰的倒航功率则靠近上限。这是因为军舰的顺航功率较大，而船体又较小的缘故。对于破冰船来说，由于其工作性质需要经常倒航，所以倒航功率要求很大。

在确定了倒航汽轮机的功率和转速后，应校核倒航级组所在汽缸齿轮传动的强度，使其不会超过顺航时的扭矩。如发现其应力超出了齿轮的允许值，则应设法满足强度要求，必要时可考虑将倒航级组分设于两个汽缸内。

7.2 倒航汽轮机的蒸汽参数和流量

为确保汽轮机工作时的高度可靠性和机动性，一般希望引入倒航汽轮机的蒸汽的温度较低(低于顺航时50℃～60℃)，这一要求对于倒航级组全部布置在低压缸时尤为重要。为此。在设计时应考虑产生低温蒸汽的可能性。但这会导致装置的结构和运行的复杂化，所以在现代船舶上趋向于采用与顺航汽轮机相同的进汽温度，通过改进倒航汽轮机进汽机构的结构，以消除或减小可能出现的温度应力。

为减小倒航汽轮机的蒸汽管道和阀门配汽机构的重量和尺寸，通常进汽的节流损失比顺航时更大。军舰用倒航汽轮机的进汽压力为顺航时的0.80～0.85；商船用倒航汽轮机的压力可视具体情况而适当提高。

为减小倒航汽轮机末级的排汽面积，尽管这时凝汽器的压力较低，但倒航汽轮机的设计却采用了较高的排汽压力。

为保证倒航时锅炉能正常工作，开始倒航时的蒸汽流量不能降低过多，并与锅炉的型式有关。对于热容量大、机动性差的锅炉，其倒航蒸汽的流量较大，如燃煤的水管锅炉，其倒航的蒸汽流量约为顺航流量的0.8～0.9；燃油水管锅炉可降低到顺航流量的0.7～0.8。

按上述确定的参数即可设计倒航汽轮机。鉴于倒航汽轮机主要是在操纵船舶时短时使用，对效率的要求不高，故在其具有一定功率的条件下，尽可能使其结构具有简单和紧凑的特点。通常会将倒航汽轮机设计成具有缩放喷嘴的双列速度级，有时在其后面再加1～2个压力级，以提高其效率。

8 船用汽轮机的技术发展趋势

各国现有的大型高速舰船(核潜艇、排水量为5 000 t以上的水面舰艇)和数万吨级的洋货船，采用汽轮机推进的仍占最大比例。随着舰船吨位增大和航速的提高，船用汽轮机发展的总趋势如下。

(1)单机功率增大。目前，已建成的舰船汽轮机装置，已普遍注意了标准化和通用化，既适用于超级油轮，又可用于航空母舰。

(2)大幅度提高经济性。由于普遍采用高的蒸汽参数和再热循环，新型船用汽轮机装置的经济性已接近于船用大型低速柴油机的水平。与以前的机组相比，其油耗率降低了约20%～26%。

(3)自动化与远距离控制。为确保机组的可靠性，减少运行人员和改善操作人员的工作环境，新的船用汽轮机装置普遍采用自动化的集中控制，一些舰船还实现了远距舰桥控制(即机舱无人的高度自动化)。

(4)简化结构。为减小汽轮机动力装置的尺寸和重量。所采取的主要措施有：减少汽轮机的汽缸数，凝汽器与汽轮机同一平面布置，采用滑压-节流调节以及串联式汽轮机自调系统等。

9 结论

阐述了船用汽轮机的技术特点及实际运用，并对其未来技术发展趋势进行了展望。汽轮机与蒸汽机与内燃机不同，并未采用往复机构。同时，汽轮机有着较高的功率，且运用及操作方式较为简单，因此在大型船舶中得到了广泛应用。未来，汽轮机的单机功率、经济性及自动化仍将进一步提升，在船舶领域仍将有着广阔的应用前景。