艦用倒車汽輪機技術特點及運行過程研究

摘? 要：概要介紹汽輪機的概念與分類，并由此引入其在水面艦船領域的應用。由于汽輪機的結(jié)構(gòu)特點，以及噴嘴和工作葉片的相對位置，在完成安裝后，汽輪機的轉(zhuǎn)子只能實現(xiàn)單方向的轉(zhuǎn)動。在水面艦船作機動航行時，汽輪機必須提高倒車功率以提高艦船的機動性，滿足航行的需要，保證艦船的航行安全，從而引入倒車汽輪機的定義。重點介紹倒車汽輪機的結(jié)構(gòu)特性、運作過程及工況特點，并將其與能實現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)的柴油機進行對比。除傳統(tǒng)的機械式結(jié)構(gòu)外，汽輪機也可與電力推進系統(tǒng)實現(xiàn)搭配，從而提供倒車功率，該類方案則無須配備倒車汽輪機。

關鍵詞：汽輪機；倒車汽輪機；柴油機；內(nèi)燃機；水面艦船；電力推進

中圖分類號：U664.1? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0084-06

Abstract： This paper briefly introduces the concept and classification of steam turbine， and introduces its application in the field of surface warship. Due to the structural characteristics of the steam turbine and the relative position of the nozzle and the working blade， the rotor of the steam turbine can only rotate in one direction after installation. During the mobile navigation of a surface ship， the steam turbine must provide reversing power to improve the maneuverability of the ship， meet the needs of navigation， and ensure the navigation safety of the ship， thus introducing the definition of reversing steam turbine. This paper focuses on the structural characteristics， operation process and working conditions of the reversing steam turbine， and compares it with the diesel engine which can realize reverse rotation. In addition to the traditional mechanical structure， the steam turbine can also be matched with the electric propulsion system to provide reversing power， which does not need to be equipped with a reversing steam turbine.

Keywords： steam turbine; reverse turbine; diesel engine; internal combustion engine; surface ship; electric propulsion

汽輪機是以蒸汽為工質(zhì)的熱力渦輪機械[1]。壓力蒸汽由專門的鍋爐提供，經(jīng)過渦輪后由專門的冷凝設備（冷凝器）使之冷凝成水并由專門的水泵（上水泵）再壓入鍋爐，完成封閉循環(huán)。工質(zhì)是水蒸汽，燃料在鍋爐中燃燒將熱能傳遞給水蒸汽變成壓能，壓能在渦輪中經(jīng)轉(zhuǎn)化成回轉(zhuǎn)機械能。

將排汽引入凝汽器中，蒸汽凝結(jié)成水，使排汽壓力低于大氣壓力的稱“凝汽式汽輪機”[2]；排汽壓力高于大氣壓力的稱“背壓式汽輪機”。進汽壓力低于其臨界壓力的稱“亞臨界汽輪機”；高于臨界壓力的稱“超臨界汽輪機”；更有“超臨界汽輪機”。還有供熱式汽輪機、工業(yè)汽輪機、再熱式汽輪機等。具有轉(zhuǎn)速高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、功率大、結(jié)構(gòu)簡單和耐用可靠等特點，是火力發(fā)電廠、核電站、大型船舶中最主要的原動機。由于燃料燃燒時與工質(zhì)相互隔絕，不像柴油機那樣在氣缸內(nèi)直接燃燒，故又稱為外燃機。

1? 艦用汽輪機動力裝置

艦船在內(nèi)河和海上航行承擔著一定的使命。對船舶而言，承擔著輸送旅客和貨物的任務；對軍艦而言，平時對祖國的海岸線承擔巡邏及對魚船實行護航任務，戰(zhàn)時對來犯敵艦以反擊，并實行戰(zhàn)略追擊，力圖全殲敵人，保衛(wèi)祖國神圣海疆。艦船要執(zhí)行上述任務，就必須具有能夠在水上或水下航行的特點。使艦船能按一定的速度航行的綜合設備稱為艦船動力裝置。除推進艦船航行外，艦船動力裝置還供應艦船所需的一切能量，以保證艦船上各方面的需用及一切機械化自動化的操作。因此，艦船動力裝置有“艦船心臟”之稱[3-4]。

推進艦船航行的動力稱為主動力。艦用汽輪機是用于推進船舶航行的汽輪機[5]。由于機動航行的需要，汽輪機必須能夠提高倒車功率，以保證船舶的航行安全。同時，由于轉(zhuǎn)速較高，需經(jīng)減速裝置減速后帶動螺旋槳。在汽輪機內(nèi)設有倒車級，可使汽輪機作正、反2個方向的轉(zhuǎn)動，以滿足船舶的操縱需要。

其中，艦用汽輪機的發(fā)展與陸上發(fā)電站的實際情況迥然不同，因為艦用汽輪機需要在高扭矩下有較低的轉(zhuǎn)速（200～500 r/min左右），以避免與螺旋槳工作不匹配。

與發(fā)電用汽輪機有所不同，艦船在內(nèi)河和海上航行，執(zhí)行一定的使命。在一般情況下都是正向航行，但在特殊情況下需實施倒航。有時正在全速航行的艦船需在最短的時間內(nèi)停止航行并開始倒航，在進出港口和離靠碼頭時亦需經(jīng)常變換艦船的航向等。所以要求艦船具有倒航能力。對軍艦來講，這是對主推進動力提出的一項機動性指標。

2? 艦用汽輪機的技術特點及主要組成

2.1? 艦用汽輪機的技術特點

汽輪機發(fā)展較成熟，應用的范圍很廣，具有許多特點：①單機功率大，但由于推進器尺寸的限制，通常不需要生產(chǎn)更大功率的艦用汽輪機；②汽輪機工作時很平穩(wěn)、均勻，機件間的摩擦部件少，因此裝置工作可靠，壽命長，可達30年，與艦艇服役年限相一致；③在大功率范圍內(nèi)，汽輪機的比重量比柴油機輕；④可使用劣質(zhì)重油；⑤起動時間較長，在緊急情況下也至少需15～20 min；⑥經(jīng)濟性較差，這是由其外燃特性所決定的；⑦附屬設備多，裝置十分復雜。

2.2? 艦用汽輪機的組成部分

艦用汽輪機系統(tǒng)由正車汽輪機、倒車汽輪機、調(diào)節(jié)控制和保護系統(tǒng)及冷凝器等組成。

2.2.1? 正車汽輪機

正車汽輪機是推進艦船航行的主發(fā)動機。一般有2種型式，即沖動式和反動式汽輪機。由于各有優(yōu)缺點，故選用何種型式為好，一般均根據(jù)各設計部門和制造廠的經(jīng)驗與習慣，來選用沖動式或反動式。有時在雙缸汽輪機中采用混合型式，即高壓汽輪機采用沖動式，低壓汽輪機采用反動式。

正車汽輪機由靜子部分和轉(zhuǎn)子部分組成。靜子部分包括汽缸（或殼體）、隔板套、隔板、噴嘴、靜葉片、軸承、軸承座、汽封和連通管（雙缸汽輪機中連接高、低壓缸之間的容汽管）等。轉(zhuǎn)子部分包括動葉片、圍帶、葉輪、轉(zhuǎn)子和推力盤等。汽輪機中噴嘴、靜葉片、動葉片、葉輪和轉(zhuǎn)子是主要部件，被稱為通流部分。蒸汽在其中實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變成為轉(zhuǎn)子軸上的機械能，帶動螺旋槳，推進艦船航行。支持軸承承受轉(zhuǎn)子徑向載荷。推力軸承承受由于蒸汽壓力降落而作用在轉(zhuǎn)子軸上的軸向力。徑向軸承和推力軸承同時使轉(zhuǎn)動部分和靜子部分保持應有的間隙。

2.2.2? 倒車汽輪機

倒車汽輪機是使艦船實現(xiàn)倒航的機構(gòu)。通常而言，其不會單獨組成一個獨立的部分，而是配置在正車汽輪機中。在雙缸結(jié)構(gòu)中，倒車汽輪機一般設置在低壓汽輪機中。倒車汽輪機由于不經(jīng)常長期使用，故對經(jīng)濟性要求較低，而只要求可靠性高和結(jié)構(gòu)簡單。所以，一般多選用雙列或三列速度級。但也有選用2～3個壓力級的。

2.2.3? 汽輪機調(diào)節(jié)控制和保護系統(tǒng)

調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是汽輪機的重要組成部分之一。其好比人體的大腦控制著人體各部分的協(xié)調(diào)動作。調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)則控制汽輪機各部分按給定要求協(xié)調(diào)動作。因此，一臺汽輪機必須配備調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)包括2部分。第一部分為調(diào)節(jié)系統(tǒng)，指的是改變汽輪機的功率方法，被稱為汽輪機的功率調(diào)節(jié)或簡稱“汽輪機調(diào)節(jié)”。改變蒸汽流量和焓降均可改變汽輪機的功率。因此，調(diào)節(jié)汽輪機功率的方法也分為2類，一類是改變汽輪機的蒸汽流量的方法，稱為變量調(diào)節(jié)方法，亦稱噴嘴調(diào)節(jié)。其由若干噴嘴組、噴嘴閥及控制閥門相繼開啟的配汽機構(gòu)組成。另一類是改變汽輪機焓降的調(diào)節(jié)方法，被稱為變質(zhì)調(diào)節(jié)方法，亦稱節(jié)流調(diào)節(jié)。最常用的節(jié)流調(diào)節(jié)由一個單座閥或雙座閥門閉啟的機構(gòu)組成。對艦船而言，絕對的變量調(diào)節(jié)是不存在的。特別是軍用艦船，因選用的工況較多，由于結(jié)構(gòu)上的原因，不能設置很多閥門，故只能滿足常用的幾個工況實行變量調(diào)節(jié)，其他工況只能靠局部節(jié)流來實現(xiàn)。而民用船舶一般采用噴嘴、節(jié)流聯(lián)合調(diào)節(jié)型式。第二部分為控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的基本任務是根據(jù)艦船的戰(zhàn)術技術和航程中的要求，迅速地、平穩(wěn)地、正確地改變汽輪機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，使其達到指令所要求的工況運轉(zhuǎn)。以及在穩(wěn)定工況運轉(zhuǎn)時，自動地調(diào)整轉(zhuǎn)速，使其偏差值保持在允許范圍內(nèi)。

艦船控制系統(tǒng)可采用機艙就地控制和遠距離集中控制2種方式?？刂频男褪接惺植贆C械控制、液壓控制、氣動控制、電-氣控制、電-液控制及全電控制等。目前，艦用汽輪機常采用液壓控制系統(tǒng)，但正逐步向電-液或全電控制系統(tǒng)過渡。對軍艦來說，為了保證安全可靠，除采用遠距離集中控制外，一般均設有機旁手操控制。

保護系統(tǒng)亦是汽輪機的重要組成部分之一。其使命是確保汽輪機安全可靠運行，避免產(chǎn)生嚴重事故，所以是一種安全措施。故一般在汽輪機易于構(gòu)成嚴重事故的部件上設置保護裝置，并將所有保護裝置聯(lián)成一個完整的保護系統(tǒng)，時刻監(jiān)視著汽輪機的運行。一旦出現(xiàn)發(fā)生事故的預兆時，其可發(fā)出報警信號，以引起運行人員的密切注意；或者自動地調(diào)整某些參數(shù)以消除事故的發(fā)生。一旦發(fā)生危急情況，保護系統(tǒng)會自動、迅速地關閉汽輪機的速關閥，切斷向汽輪機供汽，使其迅速停機，以確保汽輪機的安全。

目前艦船上常用的保護裝置有：汽輪機超速保護系統(tǒng)、滑油壓力降低保護系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子軸向位移保護系統(tǒng)、冷凝器真空下降保護系統(tǒng)及盤車聯(lián)鎖保護系統(tǒng)等。

2.2.4? 冷凝器

冷凝器可依靠由循環(huán)水泵提供的舷外海水，將汽輪機排汽凝結(jié)成水。同時借助于抽氣器，不斷將冷凝器中積存的空氣抽除掉，使汽輪機排汽口建立并維持一定的真空度。所得到的純凈的冷凝水通過給水系統(tǒng)打回鍋爐，使汽輪機發(fā)出所需的功率并保證整個推進裝置正常工作。

簡言之，冷凝器的基本任務是建立必要的真空，滿足汽輪機背壓的要求，保證汽輪機在任何工況下正常運行。同時使冷凝水的質(zhì)量（主要指含鹽量和含氧量）達到規(guī)定的指標，以保證給水系統(tǒng)和鍋爐的正常工作。

冷凝器由海水側(cè)和蒸汽-冷凝水側(cè)2個部分組成。海水側(cè)通常用有色合金制成的冷卻海水管子、管板、水室和各種附件構(gòu)成。蒸汽-冷凝水側(cè)是一個鋼制薄壁殼體焊接結(jié)構(gòu)，其包括接受汽輪機排汽的喉部、容納排汽和冷卻海水管子的外殼、冷凝水箱和各種附件。艦船冷凝器均為表面回熱式。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置和使用要求不同有單流程和雙流程冷凝器，同時亦有單通道和雙通道冷凝器。

3? 倒車汽輪機的結(jié)構(gòu)

考慮到汽輪機的結(jié)構(gòu)特點，噴嘴和工作葉片在安裝后，轉(zhuǎn)子只能單向轉(zhuǎn)動。但是，由于艦船機動航行的需要，例如進出港口、在復雜航道內(nèi)航行、在惡劣海洋條件下航行及執(zhí)行作戰(zhàn)任務等情況下，艦船主汽輪機必須能夠提供倒車功率，以保證艦船的航行安全。

倒車級的布置需要依正車汽輪機的布置而定。如果正車汽輪機采用單缸型式，則倒車級布置在正車汽輪機的低壓端；如果正車汽輪機采用雙缸型式，則倒車級布置在低壓缸最末級的后面。倒車級一般安裝在主汽輪機轉(zhuǎn)子上，工作葉片的安裝方向與正車汽輪機工作葉片的安裝方向相反。

倒車汽輪機是由1臺2列或3列速度級汽輪機組成的，并為艦船倒航提供動力來源。倒車汽輪機與正車汽輪機背對背地安裝在同一根軸上，并使用同一個排氣口。倒車汽輪機通常安裝在低壓軸上，在艦船向前行駛時處于真空狀態(tài)，從而可避免高風阻的損失。在艦船行駛過程中，可根據(jù)需要將蒸汽輸入正車汽輪機或倒車汽輪機來實現(xiàn)機動航行。由于倒車汽輪機的效率相對較低，需要尋找別的方法以改進經(jīng)濟性。

部分艦船上，將倒車汽輪機配置在正車汽輪機的汽缸內(nèi)，由此可獲得最簡單的結(jié)構(gòu)。在單缸汽輪機中，倒車汽輪機配置在末級排汽一端，與正車汽輪機共用一個通向冷凝器的排汽道。在雙缸汽輪機中，倒車汽輪機也可配置在低壓汽輪機氣缸內(nèi)。假如低壓汽輪機為雙流配置兩側(cè)進汽結(jié)構(gòu)，則倒車汽輪機也設計成雙流式結(jié)構(gòu)。如低壓汽輪機為中間進汽，則倒車汽輪機分別配置在兩側(cè)。如需將倒車汽輪機配置在低壓汽輪機汽缸內(nèi)，則有一項問題需特別注意，即艦船處于倒航工況時，倒車汽缸的熱應力較大。在正車汽輪機運行過程中，倒車汽缸處于低溫狀態(tài)。當突然轉(zhuǎn)入倒航運行時，高溫蒸汽進入處于低溫的倒車汽缸中會引起較大的熱應力和熱變形，所以在結(jié)構(gòu)上需要采取一定措施（如盡可能使各部分缸壁厚薄均勻、具有合理的定位結(jié)構(gòu)，保證在任何情況下能自由膨脹而不破壞對中等情況），由此減小并消除熱應力。不然將影響汽輪機的操縱和可靠性。

設計倒車汽輪機這類裝置的目的主要是用于滿足艦船的機動性要求，并確保艦船安全可靠運行。因此，需要盡可能地在結(jié)構(gòu)簡單和輕巧的條件下，確保艦船所需的功率。故一般多選用雙列速度級作為倒車汽輪機的級，因為只有速度級能滿足倒車汽輪機的上述要求。當速度級滿足不了功率的要求時，可外加1～2個簡單壓力級。這樣，一方面可達到結(jié)構(gòu)簡單緊湊、尺寸小、重量輕的目的，同時也可減少汽輪機正車運行時倒車級的空轉(zhuǎn)損失，提高汽輪機的經(jīng)濟性。

4? 倒車汽輪機的工況特點

倒車汽輪機應具有良好的操縱性。汽輪機處于全速正車運行工況時，當接到全速倒航的緊急指令后，應能在很短的時間內(nèi)關閉正車汽輪機的操縱閥，同時迅速打開倒車汽輪機的操縱閥，并實現(xiàn)全速倒航。上述工況被稱為制動工況，一般要求的時間為15～20 s。此時，需使艦船的滑行距離盡可能小，一般約為艦船長度的3～4倍。除此之外，還要求倒車汽輪機能夠使艦船具有一定長期倒航的速度，并且在此速度下航行，艦船不至喪失操縱性。倒車汽輪機所需的功率，就是按照上述要求決定的。

4.1? 制動及全速倒航工況

該工況實際上包含制動及全速倒航的整個過程。根據(jù)實際運行的經(jīng)驗，對于民用船舶而言，制動工況的轉(zhuǎn)速約為正車額定轉(zhuǎn)速的50%～60%，能承受相當于80%～90%的正車全速扭矩。此時的功率相當于正車全速功率的40%左右。對于軍艦而言，倒車汽輪機的功率一般約為正車全速功率的20%～30%，再提高倒車汽輪機的功率對滑行距離的減小影響甚微。鑒于現(xiàn)代海戰(zhàn)條件和新式武器的使用，軍艦對最小滑行距離的要求稍有降低。在不失去艦船操縱性能的前提下，通常會通過艦船的長期倒航條件來決定倒車汽輪機的功率。在此情況下，倒車汽輪機的功率可設定為正車汽輪機全功率的15%～20%，有時甚至取為10%。

由于制動工況時間極短，汽輪機系統(tǒng)通常在正轉(zhuǎn)停止后立刻開始倒轉(zhuǎn)，因而倒車汽輪機需要具備足夠的強度余量。在制動工況下，倒車汽輪機工作葉片所承受的蒸汽彎曲應力較大，一般都超過材料的屈服極限，但考慮到此為瞬時作用，故許用應力一般設定為材料的強度極限。

在全速倒航時，由于轉(zhuǎn)速較高，正車級以葉片凹面迎風空轉(zhuǎn)，且因此時冷凝器真空度降低，摩擦損失較大，期間造成機組過熱，排汽口發(fā)熱或因冷凝器真空度下降而使換熱面過熱，造成冷卻水管與管板脹管處松脫，逆轉(zhuǎn)時軸承油膜受到破壞等因素限制。

4.2? 長期倒航工況

對于艦船而言，長期倒航工況，一般都是在萬不得已的緊急情況下才會使用，使用時間一般不受限制。

長期倒航工況所需的功率較小，一般為短期倒車功率的50%左右。此時要保證艦船在長期倒航時具備一定的操縱性，汽輪機可以實現(xiàn)長時間倒航運行。由于轉(zhuǎn)速較低，且蒸汽流量較小，汽輪機、減速器、冷凝器的工作都不至于產(chǎn)生不良影響，其工作時間原則上不受限制。

倒車汽輪機所需的工作蒸汽一般采用正車蒸汽參數(shù)，或比該參數(shù)略低。這是由于倒車蒸汽管較細，流動阻力增大所致。若新蒸汽參數(shù)較高，為了不使汽輪機汽缸低溫部分產(chǎn)生過大的熱應力，通常會采用減溫措施以降低進入倒車汽輪機工作蒸汽的溫度。此時要求倒車汽輪機重量及尺寸盡可能小，以便于布置，從而多采用較高的排氣壓力。

在艦用核動力裝置中，在短時間進行倒航時，為了盡量減少一回路的參數(shù)波動，希望倒航運行時倒車汽輪機充分利用該回路內(nèi)的全部蒸汽（否則該部分蒸汽會在減溫、減壓后被排放到冷凝器內(nèi)）。因此在設計倒車汽輪機時，無須重點考慮經(jīng)濟性要求。結(jié)構(gòu)簡單，布置方便，工作安全、可靠是選擇倒車汽輪機結(jié)構(gòu)型式的主要考慮因素。

5? 倒車汽輪機的參數(shù)調(diào)節(jié)過程

為了實現(xiàn)艦船的倒航，并滿足在緊急情況下的制動要求，艦用汽輪機都配置有倒車汽輪機。在設計倒車汽輪機時，首先要確定其功率、轉(zhuǎn)速及蒸汽初、終參數(shù)。

倒車汽輪機的功率可根據(jù)滑行距離來選取。所謂滑行距離是指艦船全速航行時，突然接到倒航命令，從關閉正車進汽閥開始，到全力開啟倒車進汽閥，艦船逐漸減速以至停止前進，整個過程艦船向前滑行的距離，該距離通常以艦船長度的倍數(shù)來表示。滑行距離與艦船正向航行時的慣性和阻力有關，也與倒車功率的大小有關。倒車功率通常用倒車功率與正車功率之比來表示?？紤]低壓小齒輪承受的負荷不超過正車時的最大值，即所傳遞的轉(zhuǎn)矩不大于正車時的值。

倒車汽輪機的蒸汽初溫由鍋爐特性決定，對艦用汽輪機而言，倒車蒸汽溫度需要降低，艦用汽輪機的倒車蒸汽溫度大致與正車全速時相同。

對倒車汽輪機終壓的選擇，一方面考慮到汽輪機效率較低，帶入冷凝器的熱量較多，而冷凝器冷卻水供水情況（特別是對自流循環(huán)機組而言）較差，從冷凝器特性來說真空度將有所降低，另一方面從汽輪機設計方面來說，為了減小倒車汽輪機的尺寸重量，也宜采用較高的背壓。一般艦用汽輪機的倒車汽輪機終壓可取為20～50 kPa，個別有用到80 kPa，過高的背壓要考慮冷凝器管端密封和熱變形等情況。

由選定的初、終蒸汽參數(shù)，從而得出其等熵焓降，隨后應確定蒸汽流量或效率。通常需要考慮鍋爐及整個動力裝置的機動性，倒車汽輪機的蒸汽流量不宜取得過小，一般取為正車時的70%～85%左右，由此求出應有的倒車汽輪機有效效率，以取定倒車汽輪機機械效率，可求出其所要求的內(nèi)效率。

6? 倒車汽輪機運行過程研究

艦船前進時，倒車汽輪機級或倒車汽輪機不會進汽，并被正車汽輪機級或正車汽輪機帶動倒轉(zhuǎn)。為了減少被帶動倒轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的鼓風摩擦損失，倒車汽輪機級或倒車汽輪機通常都設計成級數(shù)少、結(jié)構(gòu)簡單的型式，一般是采用1個二列速度級或再加1～2個沖動級。

一旦需要制動時，首先關閉正車操縱閥，使工作蒸汽不再進入正車汽輪機級或正車汽輪機內(nèi)。這時，主汽輪機的轉(zhuǎn)子在慣性力作用下繼續(xù)按原來的方向轉(zhuǎn)動（通常稱為惰轉(zhuǎn)），艦船在慣性力作用下繼續(xù)向前滑行，但是，螺旋槳由于受到水的阻力，轉(zhuǎn)速迅速降低。正車操縱閥關閉后，立即開啟倒車操縱閥，使工作蒸汽進入倒車汽輪機（在機動操縱前，預先開啟好倒車隔離閥），發(fā)出一定的倒車功率，迫使正車汽輪機先是停止轉(zhuǎn)動，接著開始倒轉(zhuǎn)，從而帶動螺旋槳產(chǎn)生后退的推力，使艦船停止航行，該過程被稱為回汽制動。

顯然，如果能在停止正車進汽后，立即用全速時使用的初參數(shù)蒸汽進行回汽制動，則變向所需要的時間最短。但此時汽輪機轉(zhuǎn)子和減速齒輪的受力情況大幅惡化，其中產(chǎn)生的應力明顯增大。

為了確保艦船汽輪機機齒輪機組在各種工況下都能安全工作，通常在操作規(guī)程中對回汽制動的操作有嚴格的規(guī)定。其中包括在什么時候可以開啟倒車操縱閥，在什么情況下可以增大倒車操縱閥的開度，以及開度的大小等。對部分艦船而言，只有在正車汽輪機調(diào)節(jié)級噴嘴前的蒸汽壓力降至零時，才允許開啟倒車操縱閥，當汽輪機正車轉(zhuǎn)速降至零時，倒車汽輪機調(diào)節(jié)級前的蒸汽壓力不得超過額定值的10%～20%；汽輪機開始倒轉(zhuǎn)后才允許逐步增大倒車操縱閥的開度。

交替使用正車汽輪機或倒車汽輪機時，除出現(xiàn)上述各種應力增大的情況外，還會出現(xiàn)受熱情況的變化。例如，當艦船從前進轉(zhuǎn)變成后退時，正車汽輪機級不再進汽，本應逐漸冷卻，但是由于被倒車汽輪機帶動倒轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大的鼓風摩擦損失，結(jié)果反而使正車汽輪機級內(nèi)的溫度升高，特別是在前幾級內(nèi)尤為顯著。因此，在艦船倒航時，正車汽輪機級內(nèi)的溫度與艦船前進時大不相同，并且隨艦船后退持續(xù)時間長短而變化。由于該緣故，在操作規(guī)程中對交替使用正車、倒車汽輪機級或汽輪機的操作有嚴格的規(guī)定，其中包括艦船短時間后退和長時間允許使用的汽輪機轉(zhuǎn)速，回汽制動后汽輪機必須穩(wěn)定運行一定時間，然后才允許繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速等，以避免部分汽輪機級內(nèi)的溫度過高，產(chǎn)生過大的熱變形和熱應力。

艦船長時間倒航時出現(xiàn)的問題，主要是正車汽輪機級由于鼓風摩擦損失產(chǎn)生的熱量而發(fā)生過熱。通常采取的相應措施有2個：一是限制汽輪機在艦船長時間倒航時發(fā)出的功率和轉(zhuǎn)速；另一個是對正車汽輪機級進行降溫，例如，有的艦船主汽輪機在正車汽輪機汽缸的進汽端裝有自動閥，其在艦船長時間后退時會自動開啟，使正車進汽空間與冷凝器內(nèi)真空空間相連通。這樣，艦船在長時間后退時，就會有一部分從倒車汽輪機級流出的排汽，從正車汽輪機級的末級流過整個正車汽輪機級的通流部分，起到一定的降溫作用。另外，還必須經(jīng)常注意正車汽輪機汽缸的溫度，絕不允許超過規(guī)定的限度。

同樣，在主汽輪機變向時，也會有一部分蒸汽凝結(jié)成水。因此，要仔細按規(guī)定疏水。同時，必須保持工作蒸汽初參數(shù)，冷凝器內(nèi)真空穩(wěn)定和潤滑系統(tǒng)工作正常。

由于結(jié)構(gòu)上的限制，倒車汽輪機通常布置在低壓缸汽輪機的排汽側(cè)，與低壓缸汽輪機轉(zhuǎn)子同軸。隨著機組功率的增加，倒車汽輪機的功率亦在提高。

7? 倒車汽輪機與柴油機的對比

汽輪機和具有曲柄連桿機構(gòu)的往復式內(nèi)燃機不一樣，其為不可逆轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機[6]。因此，正如上文所述，為了獲得艦船倒航能力，必須配備與正車汽輪機相對的倒車汽輪機。

艦船停止運動和螺旋槳換向的持續(xù)時間取決于艦船的排水量和船速、主機和傳動裝置的型式、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，以及將調(diào)節(jié)機構(gòu)轉(zhuǎn)接到停止和換向所需的操作時間。

柴油機通常不可能通過全速正車來實現(xiàn)換向而要求降低船速，因而要有相應的時間損失。在這種條件下，換向持續(xù)時間可達3～4 min。在汽輪機動力裝置中，倒車汽輪機能夠發(fā)出的反向轉(zhuǎn)矩明顯大于柴油機，所以齒輪減速式汽輪機組可以由全速開始換向。

柴油機和汽輪機的倒車功率存在著顯著差異，盡管在這2種情況下主機都遵循螺旋槳規(guī)律進行工作。在倒航時，柴油機總是處于超負荷狀態(tài)，因為水的阻力大，且螺旋槳效率低，倒航的曲線總是比正車更為陡峭。此外，在倒航時，由于結(jié)構(gòu)上的限制或者個別組合件和零件的應力不允許增加，所以不能達到說明書規(guī)定的發(fā)動機額定功率。

就艦用汽輪機動力裝置而言，為了實現(xiàn)倒航，專門設有倒車汽輪機，并且為了減少重量和尺度而將其制成簡化型式，級數(shù)少，因而效率低。在這種情況下，倒車汽輪機的蒸汽消耗量急劇增加。

動力裝置長時間倒航的能力取決于所容許的強度和磨損儲備。十字頭型柴油機在倒航時所產(chǎn)生的側(cè)推力，會由倒航導板所承受；倒航導板的支承面通常小于正車導板，因而會使導板受熱和加劇磨損。因此，長時間倒航工作的船舶（如破冰船和拖船）中必須設置雙側(cè)導板。對汽輪機動力裝置而言，由于低壓汽輪機通常與倒車汽輪機裝于同一殼體中，因此會過度受熱，所以其倒航持續(xù)工作時間會受到限制。

如上文所述，主機種類對艦船倒航所產(chǎn)生的影響也較為明顯，其原因可從2個方面來理解。一方面柴油機換車時間較汽輪機更短，前者約需90～120 s，后者約需120～180 s。柴油機主機供油停止后，需使螺旋槳無符合轉(zhuǎn)動并降速至某一程度后，用壓縮空氣通入氣缸，使主機停轉(zhuǎn)后再進行倒航啟動，其優(yōu)點是可以較快地采用較高的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)正航或倒航。汽輪機則有正車汽輪機和倒車汽輪機，倒航時，需停止向正車汽輪機供汽，接著再向倒車汽輪機供汽才能使螺旋槳反轉(zhuǎn)；為了能盡快地輸出倒航動力，只要能提供大量蒸汽即可。然而，因受倒車汽輪機和減速齒輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩所限，從正航、停轉(zhuǎn)、倒航的轉(zhuǎn)換來看只能采取漸減漸增的方式進行，而且穩(wěn)定下來也頗費時。另一方面柴油機的倒車功率與常用功率之比也較汽輪機高，這也為緊急停船距離的縮短提供了條件。

8? 新式艦用汽輪機倒航系統(tǒng)

另一種新式艦用汽輪機倒航系統(tǒng)即為汽輪機電力推進系統(tǒng)。與以齒輪傳動的常規(guī)汽輪機動力裝置不同，該系統(tǒng)通過1臺汽輪機驅(qū)動1臺主發(fā)電機，并配有主發(fā)電機勵磁用的直流發(fā)電機，由主發(fā)電機發(fā)電驅(qū)動電機，再驅(qū)動螺旋槳。槳的變速過程與機構(gòu)的減速過程，均可通過電力傳動來實現(xiàn)，由于電機的轉(zhuǎn)向性能較好，相應也能控制螺旋槳的轉(zhuǎn)向。因此，在該情況下螺旋槳可反轉(zhuǎn)，這里就不需要在汽輪機上加倒車級。

與一般艦用汽輪機相比，艦用汽輪機的高壓汽輪機和低壓汽輪機轉(zhuǎn)速都更高，這也是艦用汽輪機的共同特點。采用這樣高的轉(zhuǎn)速，一方面是為了更好地適應較高的螺旋槳轉(zhuǎn)速（由較大的航速及螺旋槳的效率特性所決定）和更充分地利用兩級傳動齒輪所能達到的減速比；另一方面是為了盡可能減小汽輪機的尺寸和重量。由于轉(zhuǎn)速高，低壓汽輪機需要設計成雙流程的形式；在功率和背壓相同的情況下，其總重量仍舊小于一般商船用低壓汽輪機的重量。

9? 結(jié)束語

實踐表明，作為艦船的主動力裝置，汽輪機能取得較好的效果。這是由于汽輪機具有較突出的優(yōu)點：經(jīng)濟性較好、運行平穩(wěn)、安全可靠、維護保養(yǎng)簡單和重量輕尺寸小，特別是單機功率較大。因此，不論在陸用發(fā)電站設備上，或在大型軍艦和民用船舶上，汽輪機均已得到了廣泛應用。在核能發(fā)電站及核動力艦船上，汽輪機同樣受到了青睞[7]。

根據(jù)本身的構(gòu)造，汽輪機僅可在一個方向轉(zhuǎn)動，為了確保艦船能在一定的航速下實現(xiàn)倒航，由此設置了倒車汽輪機，并成為艦用汽輪機動力裝置中不可缺少的組成部分。同時，由于倒車汽輪機僅在進出港機動操縱和緊急情況下才使用，而且通常使用時間不長，因此對其經(jīng)濟性要求并不高，但是要求結(jié)構(gòu)緊湊、長度上的限制較為嚴格，所以倒車汽輪機大都采用速度級的型式，以減少倒車汽輪機的級數(shù)。與此相對，采用電力推進的汽輪機艦船上則無須額外配裝倒車汽輪機。當汽輪機能量傳輸至推進軸上時，推進軸可通過電機來驅(qū)動螺旋槳。

參考文獻：

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[5] 伍賽特.船用汽輪機技術特點及發(fā)展趨勢研究[J].傳動技術，2022，36（1）：41-48.

[6] 伍賽特.閉式循環(huán)熱力發(fā)動機技術特點及應用研究[J].上海節(jié)能，2023（3）：296-305.

[7] 伍賽特.核電汽輪機結(jié)構(gòu)設計及運行特點研究[J].科技創(chuàng)新與應用，2021，11（16）：98-100，103.