船用蒸汽轮机简史

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-VIPER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）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KING EDWARD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，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，锅炉的性能得到极大提高，1930年，650华氏度，350PSI的蒸汽锅炉已经很普遍了。而陆地上，发电厂使用锅炉的蒸汽温度已经提高到750华氏度。英国海军部提出了提高动力系统的效率需求，并要求帕森斯采用高温高压蒸汽。不幸的是，在驱逐舰ACHERON上测试的结果表明，帕森斯式蒸汽轮机在采用高温高压蒸汽后产生了严重的振动问题，不得不放弃测试。

皇家海军没有别的选择，只能继续使用这种可靠有余但效率不足的主机。二战的爆发使这种低效率充分的体现出来，帕森斯汽轮机公司的垄断也走到了尽头。

两次大战期间，商船的主机功率需求增长缓慢，民用轮船需要的动力普遍在3000马力以下，蒸汽机足以满足需求，而且在这个功率水平，蒸汽机反而显示出更高的效率。

高速渡轮，客货轮，邮轮由于对动力有着较高的要求，蒸汽轮机在这些船上开始广泛使用。从1930年的不莱梅号开始，到国王号，诺曼底和邱纳德的两艘“王后”号，这些超级豪华邮轮无一不使用蒸汽轮机作为动力。

这些豪华邮轮中的大多数都采用了帕森斯专利技术制造的单级齿轮减速蒸汽轮机。诺曼底号则采用了不同的方式，她采用的是冲动式汽轮机和电力推进，但是蒸汽参数仍维持在350PSI和700华氏度，输出功率为16.5万马力，而女王号为16万马力，她们都采用4轴推进。

邱纳德两艘女王号上庞大的蒸汽轮机机组体现了帕森斯公司一如既往的保守风格，每一套轮机都由高中低压气缸组成，总的降压级别达到70级。与之形成鲜明对比的是诺曼底号上的一台主机组只有高低压2个气缸，15级降压。

随着柴油机的出现，蒸汽动力逐步丧失了竞争能力。从1911年第一艘远洋柴油机船SELANDIA号投入使用到二战爆发前的1930年代末，柴油机单机输出功率已经上升到1.2万马力，新建轮船中每3艘就有2艘采用柴油机动力。

1930年代中期，随着美国海军的扩张，对蒸汽轮机的需求愈发强烈，美国人深感不能依靠英国技术。他们决定在蒸汽轮机制造领域进行自主研发。最终美国人决定采用通用电气公司GE研制的冲动式蒸汽轮机装备本国战舰，这些汽轮机的蒸汽压力为600PSI，825华氏度，参数比帕森斯蒸汽轮机高出许多。

GE的汽轮机采用了标准化的设计，每套蒸汽轮机组采用1个高压和1个低压透平并排方式，轮机的转子输出连接到一台双级链式齿轮减速器上，链式减速器的齿轮输入端连接到主减速齿轮上，主齿轮再与次级齿轮连接驱动螺旋桨。

虽然原理非常简单，但是由于轮机输出的功率大，各级齿轮之间受力情况复杂，齿轮间需要精密配合和协作才能完成传动，齿轮的加工需要依赖精密切割机床加工。而当时全世界美国拥有这种加工技术，这使他们可以利用高温、高压蒸汽并采用高转速的冲动式原理制造出大功率、高效能的蒸汽轮机。

GE汽轮机的高压透平的转速高达6000转/分，低压透平的转速也有5000转，在通过低压透平后，蒸汽进入冷凝器凝积成水产生真空，从而提高效率。蒸汽压力越高、轮机转速也越快、效率也越高，因此整套GE机组只需要用18级降压，其中高压11级，低压7级。

冲动式轮机的转子与反动式轮机鼓型的转子也完全不同，转子上有串有多个碟形圆盘。早期这些盘的截面为向轴方向收缩，现在采用的是整体锻造。叶片则镶嵌在这些圆盘外延的四周。

在1940-1946年间，GE提供了804套冲动式蒸汽轮机，输出功率在25000-53000马力之间，它们在重量和尺寸方面明显比早期的汽轮机小得多。

在二战期间，特别是对航程要求较高的太平洋战场。GE蒸汽轮机的燃油效率得到充分的体现。战后，蒸汽轮机普遍采用了冲动式设计。

不过解决转子高速旋转稳定性问题的还得归功于英国人Wilfred Campbell提出的，他加入的正是美国GE公司。正是他在1924年在美国机械工程师协会上发表的一篇论文对当代冲动式汽轮机的发展起到了至关重要的作用。

1944年，为了满足船用汽轮机的需求，帕森斯公司成立了一个新的机构(PAMETRADA)，这个机构成立的目的是专门从事反动式蒸汽轮机的设计，并以生产许可证的形式进行销售。

PAMETRADA取得了不错的业绩，在二战后一段不长的时间内，英国仍是世界最大的造船国家。PAMETRADA设计的蒸汽轮机在450艘轮船上得到了安装，直到它在1967年关闭。

PAMETRADA的关闭主要是因为柴油机已经广泛渗透到蒸汽轮机的传统市场，柴油机的油耗可比蒸汽轮机降低30%，另外一个重要因素是由于英国造船业的衰退，这些原因使PAMETRADA的许可证变得失去应有的价值。

战后舰用汽轮机的设计在GE汽轮机的基础上又有提升，这种提升是通过提高蒸汽参数和使用更为优良的材料和更科学的设计方法获得的。美国军舰上使用的蒸汽参数已经达到1200PSI和950华氏度。

蒸汽轮机也找到了新的应用领域，那就是核动力推进。核动力在美国和苏联的潜艇和水面舰艇上都有大量使用，美国核动力航空母舰装备了4台蒸汽轮机，总功率达28万马力。不过蒸汽轮机在水面舰艇上的地位已经被燃气轮机所取代，不过出人意料的是苏联在1980年代仍装备蒸汽动力的现代级驱逐舰。

战后中东石油异军突起，石油需求的猛增促使超级油轮的出现，VLCC出现后，她们需要3.2万马力才能达到15节的航速，而革命性的集装箱的出现改变了海运的面貌，高速的集装箱船需要更大的功率。

在60年代末到70年代中期，柴油机的功率还无法到达如此高的功率要求，在1972-1976年期间，使用蒸汽轮机驱动的新船总吨位每年都超过柴油机船，这种情况自1920年代后是没有出现过的，这很大程度上归功于超级油轮的建造。

为满足船用推进的需求，蒸汽轮机的主要的供货商GE公司和STAL-LAVAL公司研发了标准化的设计，采用900PSI和950华氏度的蒸汽，使用热效率达到0.44磅/马力.小时。设计精良的交叉复合式蒸汽轮机利用现代材料和产品设计方法使叶片可以采用很高的速度，整体结构更为紧凑。

Stal-Laval公司通过使用行星齿轮减速箱，使蒸汽轮机的尺寸和重量更趋紧凑。两家公司通过授权生产方式各自占有50%的市场份额。日本的造船企业，如果三菱、石船岛播磨、川崎等则成为主要的供货商。

这一时期，轮机自动化技术迅速发展，无人机舱开始出现，轮机控制完全可以在舰桥内直接完成。轮机的可靠性也取得了长足的进步，除了锅炉等高压设备必须定期接受检查以外，其它的部件可以几年不需要检修。

然而蒸汽轮机市场的短暂复苏在1970年代末期戛然而止，1973年和1979年爆发的两次石油危机使石油的价格暴涨。对节能的关注使大冲程，低速柴油机的优势完全体现出来，它们的燃油消耗率仅为0.31磅/马力.小时。

蒸汽轮机如今只能在一小片领域找到立足之地，那就是LNG船的推进，因为她们使用从LNG中蒸发的天然气作为燃料，但是就是这个小小的市场现在也受到双燃料柴油机以及LNG再液化系统的威胁。蒸汽轮机在民用船舶市场已成昨日黄花。

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