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蒸汽动力装置

蒸汽动力装置以水蒸气(或其他物质的蒸汽)作为工质,利用化学能、核能、地热能或太阳能等,按一定的热循环方式使热能转换成机械能的装置。

1958年由沪东造船厂建造的“民主14号”乙型沿海客货船采用了1100kW的四缸三胀式蒸汽往复机。1958年6月由沪东造船厂制成1765kW的五缸单流式蒸汽机用于“和平25号”和“和平28号”沿海货船上。往复蒸汽机由于整个动力装置效率低、平衡性能差、重量尺寸大等原因当时在国外已基本淘汰。

20世纪60年代从苏联引进图纸,由大连造船厂建造了9555kW(13000hp)汽轮机用作万吨远洋货船“跃进”号和“红旗”号的主机。到了70年代,由上海汽轮机厂根据“跃进”号引进的汽轮机图纸,改进为功率1 1800kW(16000hp)的汽轮机用于“远望”号航天测量船上,当时主要是考虑船上有许多测量仪器和设备对振动和噪声要求较高。该船动力装置的主要参数为蒸汽压力5MPa,过热蒸汽470℃,主机额定功率11 800kW,5台汽轮发电机组5×1200kW。主副汽轮机组由2台32t/h的D型水管锅炉并行供汽机舱采用集控,主机启动、停车、换向、变速,以及主锅炉和其他辅机均在主机集控室监视,并通过微处理机对全部热工参数监视报警、彩色屏幕显示、自动打印。

用汽轮机动力装置推进的船舶,在国际上1970年~1976年每年建造约120艘,1977年-1980年每年仅建造20艘左右,1986年以后除了核动力舰船和大型航空母舰、船外已很少采用。但在我国80年代以后大型舰船上仍有采用。

在20世纪中期前后,世界上各主要海军国家都大量采用了蒸汽动力装置作为大型舰船的主动力,蒸汽动力装置的水平为主锅炉容量65~120t/h,每台主汽轮机的功率为27500kW(35000 hp)、36800kW(50000 hp)和51500kW(70000hp),采用蒸汽的参数为4.4~6.3MPa、450℃-490摄氏度,美国航空母舰则采用8.27MPa、510℃,油耗在全航速时为381~558 g/(kWh)目前我国有单轴推进功率1 1756kW(16000hp)~26500kW(36000hp)的多型蒸汽动力装置。 [1]

蒸汽动力装置由于汽轮机采用高参数工质和高转速工作转子的连续工作过程,所以机组功率大;工作时运转稳定、噪音小、振动小、工作可靠性好,寿命长、使用期限可高达105小时以上;可使用劣质燃料油等。但由于舰用蒸汽动力装置的单位功率的质量大,尺寸大,管路系统复杂;燃油消耗率大,装置效率低;在相同的燃料储藏量,其续航力低;机动性差,暖机所需时间长,工况过渡时间也长,对于舰船动力来说是其致命的弱点,因此从发展的眼光来看限制了舰船蒸汽动力装置的发展。 [2]

以船舶用蒸汽动力装置为例。

舰船用蒸汽动力装置一般由主锅炉、高、(中)、低压汽轮机、倒车汽轮机、主冷凝器、调车装置、减速齿轮箱、轴系、各型独立汽轮辅机、给水预热和除氧器、控制与监测系统等组成。

(1)舰用主锅炉

工作过程燃油和空气按一定比例在炉膛中混合燃烧释放出热量后,锅筒中的水吸收热量产生饱和蒸汽,蒸汽集中在汽部,将绝大部分饱和蒸汽导人蒸汽过热器,经过再次加热以后变为过热蒸汽,并分别送至所需使用的设备处。锅炉的基本性能如下。

①工作蒸汽压力 通常是指锅炉中蒸汽的压力,现代舰用锅炉工作蒸汽压力在4.41-8.33 MPa。

②过热蒸汽温度 指过热器出口处的蒸汽温度,现代舰用锅炉过热蒸汽温度在400~510℃。

③锅炉效率一般是指单位时间内被锅炉有效地接受的热量与同一时间内锅炉炉膛内燃料完全燃烧所能放出的总热量之比。现代舰用锅炉效率在0.7-0.9。

(2)舰用汽轮机装置

汽轮机装置主要由高压汽轮机;中、低压汽轮机;倒车级或倒车汽轮机;主冷凝器;减速齿轮箱;调车装置等部件组成。在汽轮机装置喷嘴中首先将蒸汽的热能转换成动能,然后在动叶片中变蒸汽的动能为机械的机械功。

汽轮机组的有效功率是既考虑了汽轮机内部损失,又考虑了汽轮机各种外部损失(又称机械损失,包括带动倒车级的空转损失、克服各种轴承阻力的损失、齿轮减速器的损失、轴系损失等)之后实际传给推进器轴的功率。

汽轮机机组的有效效率是汽轮机机组有效功率与汽轮机理论功率之比值。

舰艇在航行时,汽轮主机和螺旋桨的工作必须互相匹配,才能充分发挥它们各自的效能。二者匹配得好,还可以在特殊条件下(例如拖带、单桨航行等)尽可能保持舰艇有较好的机动性能。

(3)汽轮机装置的主要汽轮辅机

利用汽轮机来带动的各种辅机称为汽轮辅机。辅汽轮机由于总级数较少,一般为单缸式。

按照汽缸中心线的布置位置,舰船汽轮机可以分成卧式和立式两种。前者的汽缸中心线是水平的,后者的汽缸中心线是垂直的。主汽轮机和汽轮发电机都采用卧式。立式汽轮机由于在舱内占地面积小,常用来带动各种专用辅机(给水泵、滑油机、燃油泵、循环水泵等)。

舰船辅汽轮机的排汽压力有凝汽式和背压式两种。前者的排汽入冷凝器,所以其排汽压力等于冷凝器压力(是真空);后者的排汽汇集于废气总管,废气总管压力大于大气压力,称为背压式,这些汽用于给水加热器,炉水造水等设备。 [2]

蒸汽动力装置的安装布置以俄罗斯“现代”级(SOVERMENNY)驱逐舰具有普遍的代表性,主锅炉、蒸汽轮机及齿轮箱通常设置在同一个水密舱中,组成完整的一套蒸汽动力装置。通常左、右舷分别安装布置主锅炉、蒸汽轮机及齿轮箱。原则上机舱中各设备的布置应便于安装、调试、操作、维修与损害管制,并尽可能使机舱内形成一环形通道,以便于舰员在应急状态下及时到达战位。

蒸汽动力装置系统较多,并且高温蒸汽管路多,特别是包敷绝热材料后管径较大,因此设备安装和管系布置要充分考虑与周围任一船体构件、电缆、辅助设备之间的间距,一般留有大于50 mm的间距;设备的备件及专用工具在备件室或维修活动处所的附近位置牢固固定,表面温度较高的设备和管路应与易燃管路、舱、箱柜保持合适的距离,电子电器设备、箱柜上方应避开油、水、气、汽管路的接头及设备泄放管;设备带压泄放及水、汽管的安全阀、泄放阀的排放口应引至舷外或安全处。

机舱内各系统的布置为主要辅助设备的维修、更换留有必需的空间,尽可能少拆卸管子、电缆、通风管道和其他已安装设备的情况下实施。 [2]


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