蒸汽动力装置

蒸汽动力装置

自英国首次将使用汽轮机的蒸汽动力装置用于“透平尼亚”(Turbinia)号船以来，使用汽轮机的蒸汽动力装置已有近百年的历史。它曾经统治大功率舰船推进装置领域近半个世纪。20世纪60年代以来，随着航空发动机改装为舰用燃气轮机的成功，苏、美相继于1962年和1975年分别建成了第一艘全部采用燃气轮机的军舰。英国在1968年宣布了在护卫舰以上的大吨位军舰上全部采用燃气轮机的政策。加拿大海军也有类似的政策声明。但事实上，采用蒸汽动力装置推进的舰艇仍然是各国海军的主要力量之一。舰用蒸汽动力装置在这些挑战中仍在不断地完善自己，并有了新的发展。因此，舰用蒸汽动力装置在作为主要的舰艇动力上仍然有着不可取代的历史地位。无论在大吨位的航空母舰上，还是在采用压水堆的核动力潜艇上至今仍是唯一可用的不可取代的动力装置。因为前者需要较大的单机功率，使其他的动力装置不能与之攀比。后者的二回路实际上就是蒸汽循环。

舰用蒸汽动力装置自20世纪60年代以来发展得比较稳定，技术相当成熟，达到了很高的水平。

目前的发展特点如下：

1.功率有所增大

战前护卫舰蒸汽轮机，单机功率一般仅4410kW(6000bp)，美海军在20世纪40年代末服役的“基林”级驱逐舰，单机功率22050kW(30000hp)。60年代服役的“薛尔曼”级驱逐舰和“布鲁克”和“诺克斯”级护卫舰，单机功率25725kW(35000hp)。60年代服役的“孔兹”级驱逐舰的蒸汽动力装置，单机功率31237.5kW(42500hp)，并作为标准动力装置使用。目前美海军最大的蒸汽动力装置用在航空母舰上，最大单机功率51450kW(70000hp)。前苏联为了满足各类舰艇对功率的要求，研制了功率不等的各种型号的机组，如TB-9功率为7350kW(10000hp)；TB-8为26460kW(36000hp)；TB-12为33075kW(45000hp)。而单机功率最大的是TB-4为51450kW(70000hp)。

2.机炉配置情况

战前护卫舰机炉配置一般采用一炉一机一轴的方式。现可能由于汽轮机的单机功率增大等方面的原因，已改为2台锅炉配一机一轴的方案。美国驱逐舰延用2台锅炉配一台汽轮机驱动一根轴。因此，一般驱逐舰，甚至导弹驱逐领舰均无例外地采用4台锅炉。苏联20世纪40年代建造的07型驱逐舰采用1台锅炉配一机一轴方案。50年代建造的56型驱逐舰采用二台锅炉配一机一轴方案。航空母舰仍遵循二炉一机一轴的配置原则。

3.蒸汽参数上升

美海军二战前1930年至1940年设计和在大战中使用的高速战斗舰艇的标准蒸汽参数一般选用4.22MPa(42.2atm)，454t(但护卫舰是3.16MPa(31.6atm)，399℃)；战后汽轮机蒸汽初参数有大幅度上升。战斗舰艇一般采用8.45MPa(84.5atm)，510～524℃。

二战后美海军蒸汽参数的提高，并在广泛试验的基础上制定8.45MPa(84.5atm)，510℃为其战斗舰艇的标准蒸汽初参数是因为采用这个参数，可获得单位轴马力在巡航工况时最小热耗量，以及避免初温在超过538℃时带给过热器、主汽轮机和蒸汽管路以新的设计问题。

其他国家在选择蒸汽参数上历来比较谨慎，它们采用的参数都比美国低。前苏联驱逐舰采用6.4MPa(64atm)，450～470℃；其他国家采用4.5 MPa(45atm)，450℃。也有用6MPa(60atm)，480℃的。日本护卫舰较低，只3.6MPa(36atm)，435℃。

经过长期使用之后，目前全世界海军选用的舰用蒸汽参数基本趋于稳定。

4.锅炉

由于重量轻、体积小、装置总效率高以及运行简单、适于自动控制等优点，美海军战斗舰艇在经过在DL-1-DL-5驱逐领舰上装舰使用之后，已决定放弃二战前用的双炉膛单烟道锅炉，即M型锅炉，而以单炉膛单烟道即D型锅炉取代。

此外，美海军还将强制循环锅炉装在DL-2和DL-3两驱逐领舰上使用。经验证明，采用强制循环锅炉是不

合适的。此两舰在完工六七年后仍换用自然循环锅炉就说明了这点。因此，美海军至今仍未采用强制循环锅炉。外刊报道，国外经验认为，在舰船上，增压锅炉、强制循环锅炉均不宜采用，已放弃了这方面的研制工作。

前苏联在20世纪40年代建造的07型驱逐舰采用三筒双烟道锅炉，而50年代建造的56型驱逐舰则采用单烟道单炉膛圆形锅炉。圆型单烟道锅炉比三筒双烟道锅炉优越，其单位蒸汽产量的金属耗量低，由原来的0.614kg/kg蒸汽下降到0.47kg/kg蒸汽。饱和蒸汽干度也由原来的95～93％提高到98.5％。另外，尺寸也较紧凑，还有比较高的效率。

舰船锅炉的蒸汽过热器主要有立式和卧式两种。英、美、德、日、法等国多采用U型环管式和M型盘管式。60年代改进成II型，主要是想在过热器区留出空间，以便在检修或清理时人能够进入。

英国舰用锅炉曾大量采用过“梅勒斯科”式蒸汽过热器。这种过热器管子与联箱采用可拆式连接。过热器可单独卸出。

前苏联的舰用锅炉采用立式过热器较多，且在护卫舰和驱逐舰上，大都布置在烟道的对流区。这种过热器的蒸汽温度随工况变化而变化。而英、美等国则大都将过热器置于近炉膛处，呈半辐射式，因而过热器蒸汽温度特性比较平稳。有的锅炉的过热器蒸汽温度，当由全负荷变为巡航负荷时，其温度变化仅30℃。英、美等国对过热器的温度调节非常重视，英国常常采用挡板调节。较新的是采用二次过热器，它可把低工况下的蒸汽温度调到与全工况时一样，从而改善了低工况下的装置效率。

5.动力装置的比重日趋下降

航空母舰的蒸汽动力装置的比重量，二战前在CV-2“列克星敦”号上是单位千瓦44.9kg，而1968年服役的CVA-67“肯尼迪”号则已降至单位千瓦20.4kg。蒸汽轮机本身的比重量下降更多，美海军的DLG9-13，DI～23-24导弹驱逐领舰的蒸汽轮机，其比重量仅1kg/kW(0.74kg/hp)。日本和苏联舰用蒸汽动力装置的比重量已分别下降到21kg/kW(15.5kg/hp)和12.9kg/kW(9.5kg/hp)。

6.油耗也日趋下降

美海军航空母舰的蒸汽动力装置的油耗已由CV-2“列克星敦”号的587.6s/(kW?h)(4329/(hP?h))下降到“肯尼迪”号的381g/(kW?h) (280S/(kW?h))。DL-2“密撤尔”级驱逐领舰为364.6g/(kW?h) (268S/(hp?h))。DD-931"薛尔曼"级驱逐领舰为370g/(kW?h)(272S/(hP?h))。日本下降到408.2S/(kW?h)(300S/(hp?h))。前苏联的TB-12比TB-8下降了25％，为444.9g/(kW?h)(327R/(hp?h))。

7.采取措施提高汽轮机在低工况时的经济性

低工况的经济性是舰用蒸汽动力装置的重要指标，应力求在低工况时有全工况的经济性能。美海军“薛尔曼”级驱逐舰，全工况和低工况的油耗相等，均370g/(kW?h)(272g/(hp?h))；“孔兹”级导弹驱逐舰，低工况油耗为382.3g/(kW?h)(281g/(hp?h))；“李希”级导弹驱逐领舰为406.1S/(kW?h)(298.5g/(hp?h))；"密撤尔"级驱逐舰为425.9g/(kW，h)(313g/(hp?h))。日本海上自卫队的“天津风”号和“望月”号舰的蒸汽动力装置，在低工况时的效率也基本上达到了与全工况相近的水平。

提高低工况的经济性，最有效的措施是提高其在低工况时的特性数值。这就需要增加低速时的工作级数。因此，目前舰用汽轮机组除个别小功率机组外，几乎无例外地都设有低速级组(低速汽轮机)。根据低速级组的配置方式，可分为内旁通、外旁通、巡航汽轮机和串～并联汽轮机等四种基本类型。巡航汽轮机的配置是外旁通配置的扩展。它实质上是将外旁通的低速级组装在一个专门的汽缸中而构成。它又有巡航汽轮机直接连接；巡航汽轮机直接连接，全速时通冷凝器；巡航汽轮机以减速器连接；巡航汽轮机以减速器连接，全速时通冷凝器，以及巡航汽轮机以减速器和离合器连接等五种形式。

串联～并联汽轮机是外旁通或直接连接巡航汽轮机的扩展。在低速时，蒸汽经过低速级再到全速级(串联工作)，而全速时，蒸汽则同时进入低速级和全速级，工作后一起排入低压汽轮机(并联工作)。

串～并联汽轮机在二战后得到海军工程界的重视(尽管此概念早在第一次世界大战中已经形成，并在美海军DD-251级等91艘驱逐舰上用过)，美海军二战后就放弃了巡航汽轮机这种形式，比较倾向于采用串～并联汽轮机。美海军战后建造的驱逐舰“薛尔曼”级等的25725kW(35000hp)汽轮机，航母“萨拉托加”号45937.5 kW(62500hp)[51450kW(70000hp)]汽轮机都采用了串～并联方式。日本1973年和1980年建造的“榛名”