第8章 船舶汽轮机和燃气轮机 174 第8章 船舶汽轮机和燃气轮机 涡轮机（也称透平）是以连续流动的蒸汽或燃气为工质，以叶片为主要工作部件，通过工质在叶片机构中膨胀将热能转换成机械功的旋转机械。汽轮机和燃气轮机都是涡轮机，前者以蒸汽为工质，后者以燃气为工质，尽管两者所用的工质不一样，但都是属于旋转式热力发动机，其基本工作原理是一样的，都是利用高速流动的工质推动叶轮转动而对外输出机械功的。涡轮机和往复式热力发动机相比，最突出的特点是运转平稳、单机功率大。
8.1 涡轮机概述 涡轮机械按其使用的功用，通常可以分成两大类： 1） 用作产生动力的涡轮机，如蒸汽轮机、燃气轮机； 2） 消耗机械的涡轮机械，如各种泵、压缩机、风扇等涡轮机械。 上述每一大类，又可以按照流体通过机器的流道特征，再分成三类。工作流体的流向与旋转轴基本平行的涡轮机械，称为轴流式涡轮机械；工作流体主要在与旋转轴垂直的平面上流动的涡轮机械，称为径流式涡轮机械；转子出口处径向与轴向速度分量兼有的涡轮机械，称为混流式涡轮机械，分别见图8-1 a)、b)、c)。不论是涡轮机、泵、还是压缩机，都可以设计成轴流式、径流式或混流式。
图8-1涡轮机三种型式 研究船用涡轮机的热力设计和工作特性，它的主要理论依据是热力学和气体动力学。所运用的基本定律是质量守恒定律、动力学定律、能量守恒定律等基本定律，这些定律与气体的特定性质无关，适用于任何气体，是揭示涡轮机中工质流动及其能量转换的基本方程。具体的研究包括： 1）阐述涡轮机中能量转换以及工质流动所遵循的基本规律； 2) 分析通流部分中的能量损失以及各种气动热力参数、几何参数对效率的影响； 3) 气动热力设计和试验研究的理论和方法； 4）分析非设计工况的工作特性。 但是，涡轮机通流部分中气体的运动是一种性质极为复杂的，同时又伴随能量传递和热交换的高温可压缩粘性气体的，三元不定常的流动过程。在实际工程设计计算和试验研究中，通常假定气体在涡轮机中的流动，包括在静叶片内的绝对运动和动叶片内的相对运动，都是定常流动，在附面层外的主流区可以忽略粘性力的，与外界绝热的，轴对称流动。在流道横 第8章 船舶汽轮机和燃气轮机 175 截面变化不大，流线曲率甚小的涡轮短叶片中，气体的运动常常采用一元流动近似。实践证明，以上的近似和简化对于涡轮机中的气体流动的计算，基本上能获得足够的精确度。 涡轮机一般由一列固定于静子上的静叶片和—列装在转子上与转子一起转动的动叶片所组成的级串联起来，加上进、排气装置组成。因此涡轮级是将高温高压的工质所具有的热能转换为机械功的基本单元。涡轮机是由若干个工作条件和结构相类似的独立的涡轮级依次排列而沟成，涡轮机的工作以级的工作为基础，进而形成整个涡轮机的工作原理。所以，人们总是在研究涡轮级的工作原理的基础上进而讨论整个涡轮机的工作原理。
8.1.1涡轮级的概念 1.涡轮级中流体参数的变化 涡轮级是由固定于静子上的静叶片和装在转子上与转子一起转动的动叶片所组成，将高温高压的工质所具有的热能转换为机械功的基本单元。涡轮级中通过旋转中心轴的剖面图称为纵剖面图，见图8-2。以半径为r的圆周将所有静、动叶片切割展开成平面，得到两排叶栅截面展开图，见图8-3。由涡轮级纵剖面图可见，0-0截面为静叶进口截面，1-1截面为静叶出口，亦即动叶进口截面，2-2截面为动叶出口截面。各特征截面的参数用相应下标0、1或2表示。气体流经涡轮时，主要气动参数的变化如图8-3所示。
图8-2涡轮级的纵剖面图 图8-3涡轮级中流体参数的变化 气体通过静叶栅时，从压力P。膨胀到P1,伴随有—定的加速(C1>C0)。动叶栅以转速n运动。其进、出口圆周速度为u,分别用u1、u2表示。相对速度为W1的气流通过动叶栅时，从压力p1膨胀到p2，同时对外输出机械功。其出口相对速度为W2，绝对速度为C2。通常希望绝对
速度C2接近轴线方向Z，即绝对出口气流角2接接近90°，以减小绝对出口速度C2相应的动
能22C／2。 第8章 船舶汽轮机和燃气轮机 176 2.速度三角形 涡轮级中气流速度大小及其方向的变化，或者说是动量的变化，可以清楚地用图8-5所示的速度三角形来表示。除了反映涡轮级中气流的运动情况以外，速度三角形还大致给出了叶栅的形状以及叶栅和涡轮级的某些重要特征，因而也就规定了涡轮级工作过程的特点。各级以及某一级沿叶高各个截面上速度三角形的选择和确定是涡轮机气动设计的重要内容。各
图8-5 涡轮级速度三角形 级动叶栅前后的绝对速度为相对速度和牵连速度的矢量和：
iii
uWC （8-1）
式中： 60/ndruiii （m/s） 其中n是转子转动的转速(转／分)，di是动叶栅前或后的某一直径(米)，ui是与di相应的圆周速度(米／秒)。式(8-1)指出三个速度矢量组成封闭的三角形，称为速度三角形。气流角
如图8-5所示。气体在静叶栅中膨胀，以绝对速度C1喷离静叶栅，与叶轮旋转平面的夹角为1，此为静叶出口气流方向角，气流角度见图8-5所示。当气体进入动叶栅时，由于动叶栅是以圆周速度为u在转动，当以旋转叶轮为参照物时，进入动叶栅的气体速度就不是C1,而是气体
与动叶栅的相对速度1W。1W与叶轮旋转的夹角为1，1为动叶进口气流的方向角。由三角形的余弦定理、正弦定理可以得到速度与气流角之间的相互关系。动叶进口气流的相对速度及其方向角为：
112211cosu2C-uCW （8-2）
)/sin(sin)/(sin11111111WCWCm （8-3）
同理，可得动叶出口气流的绝对速度及其方向角为： 222222cosu2W-uWC （8-4）
) /sin(sin22212CW （8-5） 第8章 船舶汽轮机和燃气轮机 177 8.1.2涡轮机的基本工作原理 图8-6所示为小型单级冲动式汽轮机的简图，其主要零件包括喷嘴和装在叶轮上的动叶（图8-6a）。工质连续不断地流过喷嘴和动叶流道（图8-6b）。工质首先在喷嘴中膨胀，工质压力p降低，绝对速度c增大，将所含热能转换成动能。然后高速流动的工质再进入动叶流道，压力继续再降低，并在动叶上产生作用力，推动叶轮转动，由于叶轮是和涡轮机主轴连接成一体的，故蒸汽的动能转换成了主轴输出的机械功。 图8-6 单级冲动式汽轮机的简图
除了冲动式涡轮机外，还有一种反动式涡轮机，它是一种同时利用冲动力和反动力推动叶轮旋转输出机械功的。根据反动作用原理产生反动力推动物体运动的例子，以发射运载火箭最为典型。当火箭燃料燃烧，燃气高速喷离火箭射向大气，此时，高速的气流就给火箭体一个与气流方向相反的反作用力，推动火箭向前运动。反动式涡轮机与冲动式涡轮机的不同点在于工质在它的动叶栅通道中同时实现热能变动能与动能变机械功的两重能量变化，反动式涡轮机总是多级的，在结构上它以静叶代替喷嘴，而以鼓式转子代替轮式转子。图8-7表示一部反动式涡轮机的简图，图的上方曲线ⅠⅡ分别表示其中工质压力与速度的变化。
图8-7 反动式涡轮机
1静叶，2汽缸，3动叶，4转子 第8章 船舶汽轮机和燃气轮机
178 8.2 船舶汽轮机 现代汽轮机的结构较复杂，往往由若干级组成，每一级包括一列静叶（或喷嘴）和一列动叶。根据用途，船舶汽轮机可以分成主汽轮机和辅汽轮机两种，前者是在船舶主推进系统中驱动推进器的，后者则是用来驱动各种船用辅机的。船舶主汽轮机机组主要由主汽轮机、冷凝器和齿轮减速器组成。图8-8为典型的船舶主汽轮机结构剖视图。
图8-8 船舶主汽轮机机组 1-高压汽轮机 2-低压汽轮机 3-冷凝器 4 -齿轮减速器 5-主推力轴承 6-支承轴承
8.2.1船舶汽轮机的分类 船舶汽轮机种类很多，并有不同的分类方法，下面作简要介绍。 按结构形式分类 有单级汽轮机和由若干级组成的多级汽轮机；各级装在一个汽缸内的单缸汽轮机和各级分装在几个汽缸（分高、中、低压汽缸）内的多缸汽轮机；各级装在一根轴上的单轴汽轮机和各级装在两根平行轴上的双轴汽轮机。 按工作原理分类 有蒸汽主要在各级喷嘴(或静叶)中膨胀的冲动式汽轮机、蒸汽在静叶和动叶中都膨胀的反动式汽轮机和蒸汽在喷嘴中膨胀后的动能在几列动叶上加以利用的速度级汽轮机。 按热力特性分类 分为凝汽式、供热式、背压式、抽汽式和饱和蒸汽汽轮机等类型。 1）凝汽式汽轮机 汽轮机排出的蒸汽流入凝汽器，排汽压力低于大气压力。具有良好的热力性能，是最为常用的一种汽轮机。 2）供热式汽轮机 既提供动力驱动发电机或其他机械，又提供生产或生活用热，具有较高的热能利用率。 3）背压式汽轮机 排汽压力大于大气压力的汽轮机。 第8章 船舶汽轮机和燃气轮机 179 4）抽汽式汽轮机 从中间级抽出蒸汽供热的汽轮机。 5）饱和蒸汽轮机 以饱和状态的蒸汽作为新蒸汽的汽轮机。 按汽流方向分类 有蒸汽沿轴向逐级流动的轴流式汽轮机，蒸汽沿径向从内径向外径逐级流动的径流式汽轮机。
8.2.2船舶汽轮机组的构造主要部件 船用主汽轮机都是多级汽轮机，现代船用主汽轮机的级数一般为20～30级，且分置在两个或三个汽缸里。我们知道，汽轮机按上述工作原理是不能倒转的，为了保证船舶能够倒航，在汽轮机上必须安装由若干级组成的倒车级。船用主汽轮机的倒车级一般都安装在中压缸和低压缸内(三缸式机组)，或者只装在低压缸内(双缸式机组)，它的叶片安装方向与正车级正好相反。当正车旋转时，没有蒸汽通往倒车级，倒车级只是空转，因此会增加一些能量损失。当船舶要倒航时，关闭正车进汽阀而打开倒车进汽阀，蒸汽被引入倒车级，主汽轮机就反转。通常倒车汽轮机的功率取为正车汽轮机功率的40%～50%，因为并不要求具备高度的经济性，所以级数都不多。 对于军舰用汽轮机，为了提高在低负荷时的经济性，还可采用附加的低速级。低速级分 为在巡航速度下用的巡航级和在经济速度下用的经济级。 为了使蒸汽能从一个汽缸流入另一个汽缸，并使低压缸流出的蒸汽进入凝汽器，在装置 中安装有一定长度的大直径容汽管。为了便于操纵，还设有各种仪表和阀等。这些均是汽轮机组的重要辅助设备。 凝汽器是汽轮机组的重要的组成部分，在其中进行着蒸汽凝结。汽轮机组的第三个组成部分为传动设备，它安放在汽轮机与推进器轴系之间。图8-9所示为带一级减速齿轮的三缸式汽轮机一齿轮机组示意图。
图8-9 船舶汽轮机-齿轮机组示意图 该机组由三个顺航汽轮机(高囚缸汽轮机、中压缸汽轮机和低压缸汽轮机)和两个倒航汽轮机(倒航高压缸汽轮机和倒航低压缸汽轮机)组成。后者分别安置在顺航中压缸和低压缸汽轮机内。 新鲜蒸汽顺次地在各汽轮机内膨胀，工作后的废汽排入横挂在低压缸汽轮机下的凝汽器中。高速的汽轮机将热能转化为机械能，通过齿轮减速机构和传动轴系，带动螺旋桨产生推力，克服船舶阻力使船以一定速度前进。