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船用蒸汽轮机

作者：A.辛楠·卡洛卡特；亚辛·Ust

船舶和海洋工程系，YıLDıZ技术大学土耳其，asinan@yildiz.edu.tr,

yust@yildiz.edu.tr

摘要

在18世纪和20世纪中期，在那些需要更多动力来推进的船舶上，蒸汽轮机通常被作为主机来推进船舶。在那之后，由于高昂的油价和新技术的引进，例如柴油机和燃气轮机，使得汽轮机的使用大为减少。由于竞争的原因，很多蒸汽涡轮机制造商决定提高汽轮机的效率。现如今，汽轮机常作为主推进装置/组合增压发电机或是减速齿轮出现在那些需要更多动力的船舶上，这些船舶分别为海军核舰艇和商船、液化天然气船、超级油轮、破冰船、游轮和浮式生产储油卸油船。本文将对船舶汽轮机的应用和实用性做一些分析。

关键字：船舶动力装置、组合系统、汽轮机

1.引言

汽轮机作为一种热机，它把高温高压蒸汽的热能通过固定件和转动的叶片以及发电机转换成机械能或是电能。汽轮机系统产生能量和/或区域集中供热作为主机和组合发动机（和燃气轮机、柴油机是相同的）

不论在陆地上还是海上，汽轮机都作为一种提供动力需求的主机或是辅助机械。自1894年以来，第一台涡轮机是被查尔斯爵士使用来推进他的时速为34.5节的“Turbina”号，直到20世纪中期以来，蒸汽涡轮机才被认为是航海应用的最优动力引擎选择。上世纪60、70年代，石油危机后，我们需要生产更高效的发动机，汽轮机在海船的应用开始减少以及像核动力军舰和商用船，游船和液化天然气船都受限于更高的功率。

2.汽轮机运行试验

汽轮机和其他的热机一样，从高温热源吸收热量，然后把热能转换成机械能，将剩余的热排出机外，排出的热量被视为余热。高温高压的蒸汽进入到汽轮机内，通过逐级增加的叶片膨胀到低于标准大气压，在膨胀过程中完成了从热能到机械能的转换。（Sahin，2009）

汽轮机由固定件和运动件组成，按照上下部组成来看，轴承和固定（非移动）叶片在固定部分上，涡轮轴和动叶片在运动部件上。（Akkaya ,2009）

汽轮机部件的质量和协调性对于建立一个高性能的系统是非常重要的，除此之外蒸汽条件也很重要。汽轮机的维修成本和经济寿命取决于蒸汽的质量，其为压力上限150巴、温度上限600℃的范围内，干燥率（0.88-0.98）。

3.汽轮机应用

工业革命之后，蒸汽动力开始取代人力并且在大型工厂得到了使用，由此引发了西方国家社会和经济的变革。数年之后，汽轮机变得更具有效率，更加发达，开始被广泛的应用于陆地和海洋。如今，与使用燃油热机一样，形式各样的汽轮机依然使用于陆地上和海洋上。

A）地热发电装置：地热发电厂利用的是附近地表热水源的热能。这股能量被汽轮机的工作流体蒸汽所吸收，然后沿着汽轮机膨胀。它的效率介于10-25%。

B）太阳能发电装置：作为从生态能源替代品的研究结果来看，太阳能集热器通过太阳射线来产生能量。不管是单一式的还是组合式的太阳能集热器都可以为蒸汽涡轮机提供工作流体所需的能量。该系统还可用于沸点低于水的有机流体低温热源。它的效率介于7-20%。

C）核/化石燃料发电装置：世界上绝大部分的能源生产来自于核电站和化石燃料发电站，这些燃料在锅炉中燃烧，其工作流体的温度可以达到500-600℃的高温，之后进入涡轮，它在汽轮机中膨胀并且产生能量。汽轮机系统在土耳其所有发电系统中的使用率大约达到65%（热力、水电、可再生），这些发电厂一般使用低压或是高压汽轮机。

D）船舶动力装置：汽轮机可以用作主发动机或是组合发动机来推动船舶，也可以作为发电机来产生足够的功率提供给辅机的运作。

在这项研究中，船舶蒸汽轮机系统（无论是主机还是组合发动机）的工作原理、应用、以及带来的利益都将被涉及到。

4.船用蒸汽轮机

汽轮机是一种可以达到很高转速的旋转机械（超过3000转/分）。如果汽轮机达到很高的转速就可以产生更多的功率，因而工作效率得到提升。然而船舶螺旋桨在低转速的时候效率更高（200-300转/分）。汽轮机和螺旋桨之间的冲突可以用固定式减速齿轮或涡轮交流发电机来完成（爱易斯，1982）

船用汽轮机作为主机可以分为两组：第一组是带有减速齿轮或涡轮发电机的汽轮机，第二组是作为主机或是组合发动机。

表1船用汽轮机应用

我们可以列出为什么游轮的主辅机、核海军和商船、液化天然气船、高速集装箱船浮式生产储油船都采用汽轮机。

·尽管柴油机的效率更高，但它不能很好的满足电力供应，船舶的推动过程中对电力的需求是很高的。

·比柴油发动机更小，更轻，以便它承载更多的旅客，货物，弹药或燃料。

·更低或是没有震动和噪声的产生。

·虽然汽轮机初期成本较贵，但是维修成本较低。

液化天然气船运营商使用汽轮机的一个最重要的原因就是液化天然气会沸腾蒸发，每天0.1-0.25%的液化天然气在标准大气工况下成为气体，这种情况下降低了液化天然气的总量，而这部分损失可以通过锅炉得到充分利用来给发动机或是甲板机械来提供热量（三菱重工研究，2004）

海军舰艇需要高功率快速移动以躲避和组织攻击。更多的功率意味着更多的燃料消耗和储存。在战争和暴风雨天气中加油，这太难了，多数海军舰艇必须使用核燃料在海洋中航行很长一段时间。

汽轮机是一种单方向移动的机器，所以它必须置于船尾，如果你想在汽轮机和螺旋桨之间使用减速齿轮，你必须使用可翻转汽轮机和可调桨距的螺旋桨。然而涡轮发电机的应用不需要反向齿轮涡轮机，船舶是通过电力传输来推进的。

船舶用电必须有固定的电压。因此，即使涡轮机的负荷是变化的，它的转速也必须是恒定的。为了保持电压恒定，我们可以在交流发电机和涡轮机时间使用任一调速器或减速齿轮。

图1海军核推进系统和美国企业（美国科学家联合会-美国海军）

在汽轮发电机组系统中，高温高压的蒸汽在叶片上逐级增加时，涡轮转子开始转动。该旋转轴功率转换为用以在同一轴上与涡轮转子上运行的交流发电机使用的电力推进和甲板使用。

涡轮发电机系统可用于在废热回收系统的主/单引擎或组合式柴油机或燃气轮机中。当废热被利用时，系统的效率也随之提高。

所需要的电力，特别是对于浮式生产储卸油船船用发电机可连接西门子sst-300汽轮机组生产。在使用120巴和520℃的蒸汽，转速为1500-1800转/分时，装置生产功率可达50兆瓦，使用包装设计减少了安装时间和装配面积。它的包装和水平设计使用户在不同的负荷状况下做出快速的改变。除此之外，这种设计很容易为维修提供备件，从而降低了维修时间和成本。

带有减速齿轮的汽轮机作为主机时，特别是在高功率需求的大型船舶上供船舶推进和甲板机械使用。减速齿轮在高速涡轮机和低速螺旋桨之间提供了平衡，并防止损坏系统。

大多数的主机生产制造商，如川崎重工、三菱重工、现在重工，对于有更高功率需求时，他们都选择带有减速齿轮装置的汽轮机。他们还做了如何使得系统

更具生态、效率和经济方面的研究。为了达到这个目的，他们尝试：

·蒸汽再次加热应用

·使用高温高压的蒸汽

·生产更多抗性材料

·使用废热回收系统

图2先进的余热回收系统（波兰CIMAC杂志）和12兆瓦冷凝汽轮发电机组

浮式生产储油船（德来赛兰）

自2010年以来，新一代的汽轮机系列（URA）已经由川崎重工生产，URA级的风力涡轮机的规格（川崎手册）：

·双缸交叉复合脉冲/反应型

·再次加热应用

·发展涡轮机材料

·更高的压力和温度范围（100-120巴amp;560-565℃）

·适用的功率范围是从20600到36800千瓦

图3川崎URA船用汽轮机（川崎重工）和主机减速齿轮的应用（三菱重工）

水平分离式壳体使得维修和检查工作更方便，包装式设计节省了空间减轻了涡轮机的重量，以及最大限度地减少人工成本和安装时间。URA-500汽轮机的重量是370吨，低于相同输出功率的柴油机（~ 750吨）（川崎重工）。

再热应用适用于三菱乌斯涡轮而使效率提高燃料消耗减少。虽然传统的蒸汽轮机可以使用60巴和515℃的蒸汽，但乌斯涡轮机可以达到100巴、560℃。输出功率范围为26-37兆瓦，他们还在对更高功率的输出做进一步的研究（44兆瓦）。

5.联合汽轮机系统

由于石油价格和国际环境保护法规的不断增加，土地和海洋发电厂必须要更具经济性和生态性。为了降低每年的成本，大多数电厂使用低价格和非环境友好的燃料。因此，这些工厂必须做出一些规定和补充燃料能量以及尽可能利用那些废热。出于这个目的，我们要研发更有效的和更生态的主发动机和辅助发动机系统，把废热转换成有用能的系统被命名为联合系统。

在组合系统，燃气轮机/柴油发动机的废气是用来产生有用的能量使其使用在甲板或辅助发动机上。为了完成能量转换，一般而言选择汽轮机。在蒸汽轮机中的工作流体，蒸汽，产生于废气和水在热回收装置的热传递，使得在相同的燃料中获得跟过的功率。该应用程序提高了系统的效率，减少了废气的排放量。

蒸汽轮机可以使用在不同的发动机和不同的操作原理。例如：

-蒸汽和燃气轮机在与一个或多个发电机工作产生电力（蒸汽燃气联合装置）

-汽轮机作为主机，当需求更大功率的时候，燃气轮机也投入使用（汽-燃联合型）

-与此同时，柴油机和燃气轮机发电（柴-燃联合型）

-柴油机是主发动机，蒸汽轮机和动力涡轮是回收系统的一部分。

如果功率比效率更重要，环境法规和维护成本也很重要，那么燃气涡轮机将是合适的选择。由于其较低的重量，体积较小，功率为每吨（千瓦/千克），燃气涡轮机是生产制造商的首选，据实际应用显示，较小的安装空间可以容纳更多的乘客和货物。然而，燃气轮机的燃料更加昂贵，其废气也更具有价值，所以为了利用废热，系统中需要添加废热锅炉和蒸汽轮机以及一个新的电力系统，这个系统被命名为余热蒸汽发电机（回热蒸汽锅炉）（莱苏奥，2007）。

燃气轮机的排气温度在500-600℃之间变化，排气压力可达165巴。废气离开燃气轮机进入余热锅炉在温度之间的约为550-600℃，离开余热锅炉通常为80-100℃之间。在联合循环蒸汽循环水进入余热锅炉废气预热器部分为过冷液体。在废气预热器中水的温度升高，变为饱和液体。当蒸发到一定的温度时；在过热器部分被过度加热达到最终温度。（莱苏奥，2007）。

燃料消耗和燃料成本取决于各种因素。其中一个是辅助蒸汽锅炉的燃料消耗，辅锅炉产生的热供日常的洗衣、加热、干燥等应用以及新鲜淡水的获取，这些应用都需要大量的热，特别是在游轮上。然而，这些热都可以从回热蒸汽锅炉中获取，从汽轮机的出口位置或是中间的某个部分获取。

5.1对联合系统的若干研究

Deltamarin公司做了一个不同功率系统的大型游轮的油耗研究，其典型的电力需求在港口是8-9兆瓦，在海上是50兆瓦。这艘船需要大量的热来生产新鲜淡水以及为住所提供服务，大

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