摘? 要：概要介紹汽輪機(jī)的概念與分類，并由此引入其在水面艦船領(lǐng)域的應(yīng)用。由于汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及噴嘴和工作葉片的相對位置，在完成安裝后，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子只能實(shí)現(xiàn)單方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。在水面艦船作機(jī)動(dòng)航行時(shí)，汽輪機(jī)必須提高倒車功率以提高艦船的機(jī)動(dòng)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(jī)的定義。重點(diǎn)介紹倒車汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)作過程及工況特點(diǎn)，并將其與能實(shí)現(xiàn)反向旋轉(zhuǎn)的柴油機(jī)進(jìn)行對比。除傳統(tǒng)的機(jī)械式結(jié)構(gòu)外，汽輪機(jī)也可與電力推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)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(jī)。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；倒車汽輪機(jī)；柴油機(jī)；內(nèi)燃機(jī)；水面艦船；電力推進(jìn)

中圖分類號：U664.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)是以蒸汽為工質(zhì)的熱力渦輪機(jī)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(shè)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(jī)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(jī)”[2]；排汽壓力高于大氣壓力的稱“背壓式汽輪機(jī)”。進(jìn)汽壓力低于其臨界壓力的稱“亞臨界汽輪機(jī)”；高于臨界壓力的稱“超臨界汽輪機(jī)”；更有“超臨界汽輪機(jī)”。還有供熱式汽輪機(jī)、工業(yè)汽輪機(jī)、再熱式汽輪機(jī)等。具有轉(zhuǎn)速高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、功率大、結(jié)構(gòu)簡單和耐用可靠等特點(diǎn)，是火力發(fā)電廠、核電站、大型船舶中最主要的原動(dòng)機(jī)。由于燃料燃燒時(shí)與工質(zhì)相互隔絕，不像柴油機(jī)那樣在氣缸內(nèi)直接燃燒，故又稱為外燃機(jī)。

1? 艦用汽輪機(jī)動(dòng)力裝置

艦船在內(nèi)河和海上航行承擔(dān)著一定的使命。對船舶而言，承擔(dān)著輸送旅客和貨物的任務(wù)；對軍艦而言，平時(shí)對祖國的海岸線承擔(dān)巡邏及對魚船實(shí)行護(hù)航任務(wù)，戰(zhàn)時(shí)對來犯敵艦以反擊，并實(shí)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(wù)，就必須具有能夠在水上或水下航行的特點(diǎn)。使艦船能按一定的速度航行的綜合設(shè)備稱為艦船動(dòng)力裝置。除推進(jìn)艦船航行外，艦船動(dòng)力裝置還供應(yīng)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(jī)械化自動(dòng)化的操作。因此，艦船動(dòng)力裝置有“艦船心臟”之稱[3-4]。

推進(jìn)艦船航行的動(dòng)力稱為主動(dòng)力。艦用汽輪機(jī)是用于推進(jìn)船舶航行的汽輪機(jī)[5]。由于機(jī)動(dòng)航行的需要，汽輪機(jī)必須能夠提高倒車功率，以保證船舶的航行安全。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)速較高，需經(jīng)減速裝置減速后帶動(dòng)螺旋槳。在汽輪機(jī)內(nèi)設(shè)有倒車級，可使汽輪機(jī)作正、反2個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，以滿足船舶的操縱需要。

其中，艦用汽輪機(jī)的發(fā)展與陸上發(fā)電站的實(shí)際情況迥然不同，因?yàn)榕炗闷啓C(jī)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(jī)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(shí)施倒航。有時(shí)正在全速航行的艦船需在最短的時(shí)間內(nèi)停止航行并開始倒航，在進(jìn)出港口和離靠碼頭時(shí)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(jìn)動(dòng)力提出的一項(xiàng)機(jī)動(dòng)性指標(biāo)。

2? 艦用汽輪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及主要組成

2.1? 艦用汽輪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

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

2.2? 艦用汽輪機(jī)的組成部分

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

2.2.1? 正車汽輪機(jī)

正車汽輪機(jī)是推進(jìn)艦船航行的主發(fā)動(dòng)機(jī)。一般有2種型式，即沖動(dòng)式和反動(dòng)式汽輪機(jī)。由于各有優(yōu)缺點(diǎn)，故選用何種型式為好，一般均根據(jù)各設(shè)計(jì)部門和制造廠的經(jīng)驗(yàn)與習(xí)慣，來選用沖動(dòng)式或反動(dòng)式。有時(shí)在雙缸汽輪機(jī)中采用混合型式，即高壓汽輪機(jī)采用沖動(dòng)式，低壓汽輪機(jī)采用反動(dòng)式。

正車汽輪機(jī)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(jī)中連接高、低壓缸之間的容汽管）等。轉(zhuǎn)子部分包括動(dòng)葉片、圍帶、葉輪、轉(zhuǎn)子和推力盤等。汽輪機(jī)中噴嘴、靜葉片、動(dòng)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(shí)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(jī)械能，帶動(dòng)螺旋槳，推進(jìn)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(shí)使轉(zhuǎn)動(dòng)部分和靜子部分保持應(yīng)有的間隙。

2.2.2? 倒車汽輪機(jī)

倒車汽輪機(jī)是使艦船實(shí)現(xiàn)倒航的機(jī)構(gòu)。通常而言，其不會單獨(dú)組成一個(gè)獨(dú)立的部分，而是配置在正車汽輪機(jī)中。在雙缸結(jié)構(gòu)中，倒車汽輪機(jī)一般設(shè)置在低壓汽輪機(jī)中。倒車汽輪機(jī)由于不經(jīng)常長期使用，故對經(jīng)濟(jì)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(gè)壓力級的。

2.2.3? 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制和保護(hù)系統(tǒng)

調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是汽輪機(jī)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(dòng)作。調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)則控制汽輪機(jī)各部分按給定要求協(xié)調(diào)動(dòng)作。因此，一臺汽輪機(jī)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(jī)的功率方法，被稱為汽輪機(jī)的功率調(diào)節(jié)或簡稱“汽輪機(jī)調(diào)節(jié)”。改變蒸汽流量和焓降均可改變汽輪機(jī)的功率。因此，調(diào)節(jié)汽輪機(jī)功率的方法也分為2類，一類是改變汽輪機(jī)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(jī)構(gòu)組成。另一類是改變汽輪機(jī)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(gè)單座閥或雙座閥門閉啟的機(jī)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(shè)置很多閥門，故只能滿足常用的幾個(gè)工況實(shí)行變量調(diào)節(jié)，其他工況只能靠局部節(jié)流來實(shí)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(wù)是根據(jù)艦船的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)和航程中的要求，迅速地、平穩(wěn)地、正確地改變汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，使其達(dá)到指令所要求的工況運(yùn)轉(zhuǎn)。以及在穩(wěn)定工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，自動(dòng)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(jī)艙就地控制和遠(yuǎn)距離集中控制2種方式?？刂频男褪接惺植贆C(jī)械控制、液壓控制、氣動(dòng)控制、電-氣控制、電-液控制及全電控制等。目前，艦用汽輪機(jī)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(yuǎn)距離集中控制外，一般均設(shè)有機(jī)旁手操控制。

保護(hù)系統(tǒng)亦是汽輪機(jī)的重要組成部分之一。其使命是確保汽輪機(jī)安全可靠運(yùn)行，避免產(chǎn)生嚴(yán)重事故，所以是一種安全措施。故一般在汽輪機(jī)易于構(gòu)成嚴(yán)重事故的部件上設(shè)置保護(hù)裝置，并將所有保護(hù)裝置聯(lián)成一個(gè)完整的保護(hù)系統(tǒng)，時(shí)刻監(jiān)視著汽輪機(jī)的運(yùn)行。一旦出現(xiàn)發(fā)生事故的預(yù)兆時(shí)，其可發(fā)出報(bào)警信號，以引起運(yùn)行人員的密切注意；或者自動(dòng)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(hù)系統(tǒng)會自動(dòng)、迅速地關(guān)閉汽輪機(jī)的速關(guān)閥，切斷向汽輪機(jī)供汽，使其迅速停機(jī)，以確保汽輪機(jī)的安全。

目前艦船上常用的保護(hù)裝置有：汽輪機(jī)超速保護(hù)系統(tǒng)、滑油壓力降低保護(hù)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子軸向位移保護(hù)系統(tǒng)、冷凝器真空下降保護(hù)系統(tǒng)及盤車聯(lián)鎖保護(hù)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(jī)排汽凝結(jié)成水。同時(shí)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(jī)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(jī)發(fā)出所需的功率并保證整個(gè)推進(jìn)裝置正常工作。

簡言之，冷凝器的基本任務(wù)是建立必要的真空，滿足汽輪機(jī)背壓的要求，保證汽輪機(jī)在任何工況下正常運(yùn)行。同時(shí)使冷凝水的質(zhì)量（主要指含鹽量和含氧量）達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)，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(gè)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(gè)鋼制薄壁殼體焊接結(jié)構(gòu)，其包括接受汽輪機(jī)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?zé)崾健８鶕?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(shí)亦有單通道和雙通道冷凝器。

3? 倒車汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)

考慮到汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，噴嘴和工作葉片在安裝后，轉(zhuǎn)子只能單向轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，由于艦船機(jī)動(dòng)航行的需要，例如進(jìn)出港口、在復(fù)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(wù)等情況下，艦船主汽輪機(jī)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(jī)的布置而定。如果正車汽輪機(jī)采用單缸型式，則倒車級布置在正車汽輪機(jī)的低壓端；如果正車汽輪機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子上，工作葉片的安裝方向與正車汽輪機(jī)工作葉片的安裝方向相反。

倒車汽輪機(jī)是由1臺2列或3列速度級汽輪機(jī)組成的，并為艦船倒航提供動(dòng)力來源。倒車汽輪機(jī)與正車汽輪機(jī)背對背地安裝在同一根軸上，并使用同一個(gè)排氣口。倒車汽輪機(jī)通常安裝在低壓軸上，在艦船向前行駛時(shí)處于真空狀態(tài)，從而可避免高風(fēng)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(jī)或倒車汽輪機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)航行。由于倒車汽輪機(jī)的效率相對較低，需要尋找別的方法以改進(jìn)經(jīng)濟(jì)性。

部分艦船上，將倒車汽輪機(jī)配置在正車汽輪機(jī)的汽缸內(nèi)，由此可獲得最簡單的結(jié)構(gòu)。在單缸汽輪機(jī)中，倒車汽輪機(jī)配置在末級排汽一端，與正車汽輪機(jī)共用一個(gè)通向冷凝器的排汽道。在雙缸汽輪機(jī)中，倒車汽輪機(jī)也可配置在低壓汽輪機(jī)氣缸內(nèi)。假如低壓汽輪機(jī)為雙流配置兩側(cè)進(jìn)汽結(jié)構(gòu)，則倒車汽輪機(jī)也設(shè)計(jì)成雙流式結(jié)構(gòu)。如低壓汽輪機(jī)為中間進(jìn)汽，則倒車汽輪機(jī)分別配置在兩側(cè)。如需將倒車汽輪機(jī)配置在低壓汽輪機(jī)汽缸內(nèi)，則有一項(xiàng)問題需特別注意，即艦船處于倒航工況時(shí)，倒車汽缸的熱應(yīng)力較大。在正車汽輪機(jī)運(yùn)行過程中，倒車汽缸處于低溫狀態(tài)。當(dāng)突然轉(zhuǎn)入倒航運(yùn)行時(shí)，高溫蒸汽進(jìn)入處于低溫的倒車汽缸中會引起較大的熱應(yīng)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(yīng)力。不然將影響汽輪機(jī)的操縱和可靠性。

設(shè)計(jì)倒車汽輪機(jī)這類裝置的目的主要是用于滿足艦船的機(jī)動(dòng)性要求，并確保艦船安全可靠運(yùn)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(jī)的級，因?yàn)橹挥兴俣燃壞軡M足倒車汽輪機(jī)的上述要求。當(dāng)速度級滿足不了功率的要求時(shí)，可外加1～2個(gè)簡單壓力級。這樣，一方面可達(dá)到結(jié)構(gòu)簡單緊湊、尺寸小、重量輕的目的，同時(shí)也可減少汽輪機(jī)正車運(yùn)行時(shí)倒車級的空轉(zhuǎn)損失，提高汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

4? 倒車汽輪機(jī)的工況特點(diǎn)

倒車汽輪機(jī)應(yīng)具有良好的操縱性。汽輪機(jī)處于全速正車運(yùn)行工況時(shí)，當(dāng)接到全速倒航的緊急指令后，應(yīng)能在很短的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉正車汽輪機(jī)的操縱閥，同時(shí)迅速打開倒車汽輪機(jī)的操縱閥，并實(shí)現(xiàn)全速倒航。上述工況被稱為制動(dòng)工況，一般要求的時(shí)間為15～20 s。此時(shí)，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(jī)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(jī)所需的功率，就是按照上述要求決定的。

4.1? 制動(dòng)及全速倒航工況

該工況實(shí)際上包含制動(dòng)及全速倒航的整個(gè)過程。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，對于民用船舶而言，制動(dòng)工況的轉(zhuǎn)速約為正車額定轉(zhuǎn)速的50%～60%，能承受相當(dāng)于80%～90%的正車全速扭矩。此時(shí)的功率相當(dāng)于正車全速功率的40%左右。對于軍艦而言，倒車汽輪機(jī)的功率一般約為正車全速功率的20%～30%，再提高倒車汽輪機(jī)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(jī)的功率。在此情況下，倒車汽輪機(jī)的功率可設(shè)定為正車汽輪機(jī)全功率的15%～20%，有時(shí)甚至取為10%。

由于制動(dòng)工況時(shí)間極短，汽輪機(jī)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(jī)需要具備足夠的強(qiáng)度余量。在制動(dòng)工況下，倒車汽輪機(jī)工作葉片所承受的蒸汽彎曲應(yīng)力較大，一般都超過材料的屈服極限，但考慮到此為瞬時(shí)作用，故許用應(yīng)力一般設(shè)定為材料的強(qiáng)度極限。

在全速倒航時(shí)，由于轉(zhuǎn)速較高，正車級以葉片凹面迎風(fēng)空轉(zhuǎn)，且因此時(shí)冷凝器真空度降低，摩擦損失較大，期間造成機(jī)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(shí)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(shí)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(shí)要保證艦船在長期倒航時(shí)具備一定的操縱性，汽輪機(jī)可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間倒航運(yùn)行。由于轉(zhuǎn)速較低，且蒸汽流量較小，汽輪機(jī)、減速器、冷凝器的工作都不至于產(chǎn)生不良影響，其工作時(shí)間原則上不受限制。

倒車汽輪機(jī)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(xì)，流動(dòng)阻力增大所致。若新蒸汽參數(shù)較高，為了不使汽輪機(jī)汽缸低溫部分產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，通常會采用減溫措施以降低進(jìn)入倒車汽輪機(jī)工作蒸汽的溫度。此時(shí)要求倒車汽輪機(jī)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(dòng)力裝置中，在短時(shí)間進(jìn)行倒航時(shí)，為了盡量減少一回路的參數(shù)波動(dòng)，希望倒航運(yùn)行時(shí)倒車汽輪機(jī)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(shè)計(jì)倒車汽輪機(jī)時(shí)，無須重點(diǎn)考慮經(jīng)濟(jì)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(jī)結(jié)構(gòu)型式的主要考慮因素。

5? 倒車汽輪機(jī)的參數(shù)調(diào)節(jié)過程

為了實(shí)現(xiàn)艦船的倒航，并滿足在緊急情況下的制動(dòng)要求，艦用汽輪機(jī)都配置有倒車汽輪機(jī)。在設(shè)計(jì)倒車汽輪機(jī)時(shí)，首先要確定其功率、轉(zhuǎn)速及蒸汽初、終參數(shù)。

倒車汽輪機(jī)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(shí)，突然接到倒航命令，從關(guān)閉正車進(jìn)汽閥開始，到全力開啟倒車進(jìn)汽閥，艦船逐漸減速以至停止前進(jìn)，整個(gè)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?；芯嚯x與艦船正向航行時(shí)的慣性和阻力有關(guān)，也與倒車功率的大小有關(guān)。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(fù)荷不超過正車時(shí)的最大值，即所傳遞的轉(zhuǎn)矩不大于正車時(shí)的值。

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

對倒車汽輪機(jī)終壓的選擇，一方面考慮到汽輪機(jī)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(jī)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(jī)設(shè)計(jì)方面來說，為了減小倒車汽輪機(jī)的尺寸重量，也宜采用較高的背壓。一般艦用汽輪機(jī)的倒車汽輪機(jī)終壓可取為20～50 kPa，個(gè)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(yīng)確定蒸汽流量或效率。通常需要考慮鍋爐及整個(gè)動(dòng)力裝置的機(jī)動(dòng)性，倒車汽輪機(jī)的蒸汽流量不宜取得過小，一般取為正車時(shí)的70%～85%左右，由此求出應(yīng)有的倒車汽輪機(jī)有效效率，以取定倒車汽輪機(jī)機(jī)械效率，可求出其所要求的內(nèi)效率。

6? 倒車汽輪機(jī)運(yùn)行過程研究

艦船前進(jìn)時(shí)，倒車汽輪機(jī)級或倒車汽輪機(jī)不會進(jìn)汽，并被正車汽輪機(jī)級或正車汽輪機(jī)帶動(dòng)倒轉(zhuǎn)。為了減少被帶動(dòng)倒轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的鼓風(fēng)摩擦損失，倒車汽輪機(jī)級或倒車汽輪機(jī)通常都設(shè)計(jì)成級數(shù)少、結(jié)構(gòu)簡單的型式，一般是采用1個(gè)二列速度級或再加1～2個(gè)沖動(dòng)級。

一旦需要制動(dòng)時(shí)，首先關(guān)閉正車操縱閥，使工作蒸汽不再進(jìn)入正車汽輪機(jī)級或正車汽輪機(jī)內(nèi)。這時(shí)，主汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子在慣性力作用下繼續(xù)按原來的方向轉(zhuǎn)動(dòng)（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(guān)閉后，立即開啟倒車操縱閥，使工作蒸汽進(jìn)入倒車汽輪機(jī)（在機(jī)動(dòng)操縱前，預(yù)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(jī)先是停止轉(zhuǎn)動(dòng)，接著開始倒轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)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(dòng)。

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

為了確保艦船汽輪機(jī)機(jī)齒輪機(jī)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(dòng)的操作有嚴(yán)格的規(guī)定。其中包括在什么時(shí)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(jī)調(diào)節(jié)級噴嘴前的蒸汽壓力降至零時(shí)，才允許開啟倒車操縱閥，當(dāng)汽輪機(jī)正車轉(zhuǎn)速降至零時(shí)，倒車汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級前的蒸汽壓力不得超過額定值的10%～20%；汽輪機(jī)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(jī)或倒車汽輪機(jī)時(shí)，除出現(xiàn)上述各種應(yīng)力增大的情況外，還會出現(xiàn)受熱情況的變化。例如，當(dāng)艦船從前進(jìn)轉(zhuǎn)變成后退時(shí)，正車汽輪機(jī)級不再進(jìn)汽，本應(yīng)逐漸冷卻，但是由于被倒車汽輪機(jī)帶動(dòng)倒轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大的鼓風(fēng)摩擦損失，結(jié)果反而使正車汽輪機(jī)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(shí)，正車汽輪機(jī)級內(nèi)的溫度與艦船前進(jìn)時(shí)大不相同，并且隨艦船后退持續(xù)時(shí)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(jī)級或汽輪機(jī)的操作有嚴(yán)格的規(guī)定，其中包括艦船短時(shí)間后退和長時(shí)間允許使用的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，回汽制動(dòng)后汽輪機(jī)必須穩(wěn)定運(yùn)行一定時(shí)間，然后才允許繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速等，以避免部分汽輪機(jī)級內(nèi)的溫度過高，產(chǎn)生過大的熱變形和熱應(yīng)力。

艦船長時(shí)間倒航時(shí)出現(xiàn)的問題，主要是正車汽輪機(jī)級由于鼓風(fēng)摩擦損失產(chǎn)生的熱量而發(fā)生過熱。通常采取的相應(yīng)措施有2個(gè)：一是限制汽輪機(jī)在艦船長時(shí)間倒航時(shí)發(fā)出的功率和轉(zhuǎn)速；另一個(gè)是對正車汽輪機(jī)級進(jìn)行降溫，例如，有的艦船主汽輪機(jī)在正車汽輪機(jī)汽缸的進(jìn)汽端裝有自動(dòng)閥，其在艦船長時(shí)間后退時(shí)會自動(dòng)開啟，使正車進(jìn)汽空間與冷凝器內(nèi)真空空間相連通。這樣，艦船在長時(shí)間后退時(shí)，就會有一部分從倒車汽輪機(jī)級流出的排汽，從正車汽輪機(jī)級的末級流過整個(gè)正車汽輪機(jī)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(jī)汽缸的溫度，絕不允許超過規(guī)定的限度。

同樣，在主汽輪機(jī)變向時(shí)，也會有一部分蒸汽凝結(jié)成水。因此，要仔細(xì)按規(guī)定疏水。同時(shí)，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(jī)通常布置在低壓缸汽輪機(jī)的排汽側(cè)，與低壓缸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子同軸。隨著機(jī)組功率的增加，倒車汽輪機(jī)的功率亦在提高。

7? 倒車汽輪機(jī)與柴油機(jī)的對比

汽輪機(jī)和具有曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)不一樣，其為不可逆轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)[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(jī)相對的倒車汽輪機(jī)。

艦船停止運(yùn)動(dòng)和螺旋槳換向的持續(xù)時(shí)間取決于艦船的排水量和船速、主機(jī)和傳動(dòng)裝置的型式、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以及將調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)接到停止和換向所需的操作時(shí)間。

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

柴油機(jī)和汽輪機(jī)的倒車功率存在著顯著差異，盡管在這2種情況下主機(jī)都遵循螺旋槳規(guī)律進(jìn)行工作。在倒航時(shí)，柴油機(jī)總是處于超負(fù)荷狀態(tài)，因?yàn)樗淖枇Υ?，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(shí)，由于結(jié)構(gòu)上的限制或者個(gè)別組合件和零件的應(yīng)力不允許增加，所以不能達(dá)到說明書規(guī)定的發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率。

就艦用汽輪機(jī)動(dòng)力裝置而言，為了實(shí)現(xiàn)倒航，專門設(shè)有倒車汽輪機(jī)，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(jī)的蒸汽消耗量急劇增加。

動(dòng)力裝置長時(shí)間倒航的能力取決于所容許的強(qiáng)度和磨損儲備。十字頭型柴油機(jī)在倒航時(shí)所產(chǎn)生的側(cè)推力，會由倒航導(dǎo)板所承受；倒航導(dǎo)板的支承面通常小于正車導(dǎo)板，因而會使導(dǎo)板受熱和加劇磨損。因此，長時(shí)間倒航工作的船舶（如破冰船和拖船）中必須設(shè)置雙側(cè)導(dǎo)板。對汽輪機(jī)動(dòng)力裝置而言，由于低壓汽輪機(jī)通常與倒車汽輪機(jī)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(shí)間會受到限制。

如上文所述，主機(jī)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(gè)方面來理解。一方面柴油機(jī)換車時(shí)間較汽輪機(jī)更短，前者約需90～120 s，后者約需120～180 s。柴油機(jī)主機(jī)供油停止后，需使螺旋槳無符合轉(zhuǎn)動(dòng)并降速至某一程度后，用壓縮空氣通入氣缸，使主機(jī)停轉(zhuǎn)后再進(jìn)行倒航啟動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是可以較快地采用較高的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)正航或倒航。汽輪機(jī)則有正車汽輪機(jī)和倒車汽輪機(jī)，倒航時(shí)，需停止向正車汽輪機(jī)供汽，接著再向倒車汽輪機(jī)供汽才能使螺旋槳反轉(zhuǎn)；為了能盡快地輸出倒航動(dòng)力，只要能提供大量蒸汽即可。然而，因受倒車汽輪機(jī)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(jìn)行，而且穩(wěn)定下來也頗費(fèi)時(shí)。另一方面柴油機(jī)的倒車功率與常用功率之比也較汽輪機(jī)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(jī)倒航系統(tǒng)

另一種新式艦用汽輪機(jī)倒航系統(tǒng)即為汽輪機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)。與以齒輪傳動(dòng)的常規(guī)汽輪機(jī)動(dòng)力裝置不同，該系統(tǒng)通過1臺汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)1臺主發(fā)電機(jī)，并配有主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁用的直流發(fā)電機(jī)，由主發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)電機(jī)，再驅(qū)動(dòng)螺旋槳。槳的變速過程與機(jī)構(gòu)的減速過程，均可通過電力傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，由于電機(jī)的轉(zhuǎn)向性能較好，相應(yīng)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(jī)上加倒車級。

與一般艦用汽輪機(jī)相比，艦用汽輪機(jī)的高壓汽輪機(jī)和低壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速都更高，這也是艦用汽輪機(jī)的共同特點(diǎn)。采用這樣高的轉(zhuǎn)速，一方面是為了更好地適應(yīng)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(dòng)齒輪所能達(dá)到的減速比；另一方面是為了盡可能減小汽輪機(jī)的尺寸和重量。由于轉(zhuǎn)速高，低壓汽輪機(jī)需要設(shè)計(jì)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(jī)的重量。

9? 結(jié)束語

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

根據(jù)本身的構(gòu)造，汽輪機(jī)僅可在一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，為了確保艦船能在一定的航速下實(shí)現(xiàn)倒航，由此設(shè)置了倒車汽輪機(jī)，并成為艦用汽輪機(jī)動(dòng)力裝置中不可缺少的組成部分。同時(shí)，由于倒車汽輪機(jī)僅在進(jìn)出港機(jī)動(dòng)操縱和緊急情況下才使用，而且通常使用時(shí)間不長，因此對其經(jīng)濟(jì)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(yán)格，所以倒車汽輪機(jī)大都采用速度級的型式，以減少倒車汽輪機(jī)的級數(shù)。與此相對，采用電力推進(jìn)的汽輪機(jī)艦船上則無須額外配裝倒車汽輪機(jī)。當(dāng)汽輪機(jī)能量傳輸至推進(jìn)軸上時(shí)，推進(jìn)軸可通過電機(jī)來驅(qū)動(dòng)螺旋槳。

參考文獻(xiàn)：

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