蒸汽轮机发展

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1、从透平尼亚到LNG船-船用蒸汽轮机极简史1897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34.5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13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5千瓦。经过不断改进，用于发电的蒸汽轮机的功率已经提升到300KW，而透平尼亚的功率则猛增5倍，达到1500千瓦（2000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-VI

2、PER号和COBRA号建造发动机，她们均为4轴推进，单舰总功率为10000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30节，那帕森斯就将被罚款10万英镑。不过结果毫无悬念，两艘驱逐舰都达到了37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50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71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

3、）以及位于转子上的动叶片，蒸汽的进气压力为157PSI，排气压力为1PSI。  由于每一级的压力只减少2PSI，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。1904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。1909年，帕森斯为TIGER号战列巡洋舰提供了总功率为

4、108000马力的蒸汽轮机，就此一项，就可比采用蒸汽机减少1000吨重量。  在民用领域，第一艘安装蒸汽轮机的是1900年建造的650吨轮船KINGEDWARD号。1905年，ALIEN航运公司的Virginian和Victorian分别装上总功率1.1万马力的蒸汽轮机，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2.1万马力  更为令人振奋的是，1907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3.6万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7.3万马力的蒸汽轮机，这是当时世界上最

5、强大的动力，使毛里塔尼亚号的27节的航速记录保持了22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。1910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

6、题。 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。1910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

7、，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1920年代早期消亡。  在一战前，蒸汽轮机的压力在200-250PSI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1.5磅/马力.小时，总体热效率为11.5%，船上需要200名司炉工日夜工作，直到1921年，她被改造成烧油。  从1920年代开始，由于采用新的材料，锅炉的

8、性能得到极大提高，1930年，650华氏度，350PSI的蒸汽锅炉