蒸汽轮机发展

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从透平尼亚到船船用蒸汽轮机极简史 LNG- 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。 1910 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，而透平尼亚的功率则猛增倍，达到千瓦（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号和号建造发动机，她们均为轴推进，单舰总功率为马力。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节，那帕森斯就将被罚款万英镑。不过结果毫无悬念，两艘驱逐舰都达到了节的惊人航速。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，排气压力为。由于每一级的压力只减少，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。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。年，帕森斯为号战列巡洋舰提供了总功率为马力的蒸汽轮机，就此一项，就可比采用蒸汽机减少吨重量。在民用领域，第一艘安装蒸汽轮机的是年建造的吨轮船号。年，航运公司的和分别装上总功率万马力的蒸汽轮机，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万马力更为令人振奋的是，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，使毛里塔尼亚号的节的航速记录保持了年。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。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。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，最终该公司在年代早期消亡。在一战前，蒸汽轮机的压力在左右，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磅马力小时，总体热效率为，船上需要名司炉工日夜工作，直到年，她被改造成烧油。从年代开始，由于采用新的材料，锅炉的性能得到极大提高，年，华氏度，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和华氏度，输出功率为万马力，而女王号为万马力，她们都采用轴推进。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个气缸，级降压。随着柴油机的出现，蒸汽动力逐步丧失了竞争能力。从年第一艘远洋柴油机船号投入使用到二战爆发前的年代末，柴油机单机输出功率已经上升到万马力，新建轮船中每艘就有艘采用柴油机动力。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，华氏度，参数比帕森斯蒸汽轮机高出许多。的汽轮机采用了标准化的设计，每套蒸汽轮机组采用个高压和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。汽轮机的高压透平的转速高达转分，低压透平的转速也有转，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，因此整套机组只需要用级降压，其中高压级，低压级。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。在年间，提供了套冲动式蒸汽轮机，输出功率在马力之间，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。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提出的，他加入的正是美国公司。正是他在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。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，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。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。设计的蒸汽轮机在艘轮船上得到了安装，直到它在年关闭。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，另外一个重要因素是由于英国造船业的衰退，这些原因使的许可证变得失去应有的价值。战后舰用汽轮机的设计在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和华氏度。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台蒸汽轮机，总功率达万马力。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，出现后，她们需要万马力才能达到节的航速，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。在年代末到年代中期，柴油机的功率还无法到达如此高的功率要求，在年期间，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公司和公司研发了标准化的设计，采用和华氏度的蒸汽，使用热效率达到磅马力小时。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。公司通过使用行星齿轮减速箱，使蒸汽轮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年代末期戛然而止，年和年爆发的两次石油危机使石油的价格暴涨。对节能的关注使大冲程，低速柴油机的优势完全体现出来，它们的燃油消耗率仅为磅马力小时。蒸汽轮机如今只能在一小片领域找到立足之地，那就是船的推进，因为她们使用从中蒸发的天然气作为燃料，但是就是这个小小的市场现在也受到双燃料柴油机以及再液化系统的威胁。蒸汽轮机在民用船舶市场已成昨日黄花。 189734.5.135300KW515002000-VIPERCOBRA4100003010375071157PSI1PSI2PSI19041909TIGER10800010001900650KINGEDWARD1905ALIENVirginianVictorian1.12.119073.67.327221910---1920200-250PSI1.5/.11.5%200192119201930650350PSI750ACHERON30001930“”350PSI70016.5164702151911SELANDIA19301.2321930GE600PSI825GE11GE6000/5000GE181171940-1946GE80425000-53000GEWilfredCampbellGE19241944(PAMETRADA)PAMETRADAPAMETRADA4501967PAMETRADA30%PAMETRADAGE1200PSI9504281980VLCC3.21560701972-19761920GESTAL-LAVAL900PSI9500.44/.Stal-Laval50%1970197319790.31/.LNGLNGLNG