輪機導論-第2講-船舶動力裝置1-蒸汽輪機動力裝置

1、第第2章章 船舶動力裝置船舶動力裝置2.1 蒸汽輪機動力裝置蒸汽輪機動力裝置2.2 艦船燃氣輪機裝置艦船燃氣輪機裝置2.3 柴油機動力裝置柴油機動力裝置2.4 核動力裝置核動力裝置2.5 聯(lián)合動力裝置聯(lián)合動力裝置引言引言 船舶動力裝置船舶動力裝置是指將燃料化學能轉化為熱能、機械能使船舶產(chǎn)生推進力保證船舶航行和提供能量消費的全部機械、設備和系統(tǒng)的總合體。n 船舶動力裝置的類型船舶動力裝置的類型引言引言分類方法分類方法按使用工質(zhì)分按使用工質(zhì)分按主機型式分按主機型式分按使用燃料分按使用燃料分類型蒸汽動力裝置蒸汽輪機動力裝置常規(guī)動力裝置燃氣動力裝置燃氣輪機動力裝置核動力裝置蒸汽-燃氣聯(lián)合動力裝置柴油機

2、動力裝置聯(lián)合動力裝置1.1.工質(zhì)工質(zhì) (Working Medium): :用來將熱能轉化為機械能的各種流用來將熱能轉化為機械能的各種流動介質(zhì)動介質(zhì)。工質(zhì)應具有良好的膨脹性、流動性。工質(zhì)應具有良好的膨脹性、流動性。例：柴油機的工質(zhì)是燃氣，蒸汽輪機的工質(zhì)是水蒸氣。燃氣燃氣水蒸汽水蒸汽熱工基礎知識2.2.狀態(tài)參數(shù)：狀態(tài)參數(shù)：用來描述系統(tǒng)宏觀特性的物理量。壓力 (Pressure, P)溫度 (Temperature, T)比容 (Specific volume, V)內(nèi)能 (Internal energy, U) 粒子熱運動的動能和勢能的和。焓 (Enthalpy, H) 系統(tǒng)中能夠做功的能量。熵

3、 (Entropy, S) 物質(zhì)微觀熱運動混亂程度的標志，熱量轉 化為功的程度?；緺顟B(tài)參數(shù)(可測)熱工基礎知識( (1) )壓力壓力 (Pressure, P)壓力：壓力：在工程熱力學中，把工質(zhì)垂直作用在單位容積壁面或分界面上的力稱為壓力。其單位為N。國際單位：國際單位：N/mN/m2 2(Pa)(Pa)工程單位：kgf/cm2, bar英制單位：psi(bf/in2)帕斯卡巴工程氣壓標準氣壓磅力/英寸2毫米汞柱米水柱(Pa)(bar)(at)(atm)(psi)(Torr)N/m210N/m2kgf/cm2760mmHg1bf/in2mmHgmH2O110-51.0210-50.9910-

4、51.4510-47.510-31.0210-4壓力單位換算表熱工基礎知識大氣壓力大氣壓力p pb b (Barometric, atmospheric pressure)：緯度45度平均海平面上常年大氣壓力的平均值為標準大氣壓(atm)。絕對壓力絕對壓力p p(Absolute pressure)：工質(zhì)作用在容器壁面上的實際壓力。表壓力表壓力p pg g(Gauge pressure)：用壓力表壓力表測得的數(shù)值，pg=p-pb。真空度真空度p pv v(Vacuum)：用真空表真空表測得的數(shù)值，pv=pb-p。1atm =760mmHg=101325Pa=0.101325MPa=1bar1a

5、tm =760mmHg=101325Pa=0.101325MPa=1bar熱工基礎知識 ppgapb大氣壓力0bpv p大氣壓力0pbpg= p-pbpv=pb-p(2)溫度(Temperature, T)溫度溫度：表示物質(zhì)冷熱程度的狀態(tài)參數(shù)。溫度的數(shù)值表示方法ssssss叫做溫標溫標(Temperature scale) 。華氏溫標華氏溫標(Fahrenheit)：在標準大氣壓下，純水冰點定為32度，沸點212度，兩點間均分180等份，每份為1華氏度，記作1F，符號tF。攝氏溫標攝氏溫標(Celsius)：在標準大氣壓下，純水冰點定為0度，沸點100度，兩點間均分100等份，每份為1攝氏度，

6、記作1C ，符號tC。開氏溫標開氏溫標(Kelvin)：攝氏零下273.15C為零度，每度的間隔與攝氏溫標相同，記作1K ，符號TK。熱工基礎知識冷卻水、燃油、滑油柴油機排氣數(shù)字顯示3259CtFt)32(95FtCt15.273CtTK(3)(3)比容和密度比容和密度比容比容(Specific volume)：1kg的物質(zhì)所占的容積，m3/kg。mVv V-容積，m-質(zhì)量密度密度(Density)：1m3的物質(zhì)所具有的質(zhì)量，kg/m3。Vmv11v，熱工基礎知識(4)(4)理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)方程 (Ideal gas state equation)RTpv R-氣體常數(shù) (Gas

7、constant)空氣、柴油機的燃氣等，可按理想氣體進行計算。蒸汽、制冷劑蒸汽，不能當作理想氣體。熱工基礎知識3.3.水蒸氣的性質(zhì)水蒸氣的性質(zhì)飽和溫度飽和溫度 ：一定壓力下水開始沸騰的溫度稱為該壓力下的飽和溫度。1atm, 100C; 2atm, 200C。特點：飽和溫度隨壓力的變化而變化，壓力越高對應的飽和溫度越高 。飽和飽和壓力壓力 ：一定溫度下壓力達到某一定值時水開始沸騰的溫度稱為該溫度下的飽和壓力。 特點：僅與溫度有關，溫度越高飽和壓力越高。過熱蒸汽過熱蒸汽 ：水在等壓加熱沸騰汽化完畢后，再加熱蒸汽，溫度升高而壓力不變，這樣的蒸汽稱過熱蒸汽。熱工基礎知識4.4.熱量熱量 ：系統(tǒng)和外界由

8、于溫度差而通過邊界傳遞的能量系統(tǒng)和外界由于溫度差而通過邊界傳遞的能量 外界給系統(tǒng)加熱，外界給系統(tǒng)加熱，Q+Q+； 系統(tǒng)對外界放熱，系統(tǒng)對外界放熱，Q-Q-。熱工基礎知識5.5.功和功率功和功率功功：當封閉系統(tǒng)通過邊界和外界之間發(fā)生相互作用時，如果外界的唯一效果是升起重物，則系統(tǒng)對外界作了功；反之，如果外界的唯一效果是降低重物，則外界對系統(tǒng)作了功。熱工基礎知識5.5.功和功率功和功率 功率功率：單位時間內(nèi)所做的功。其單位為“馬力”(ps)或“千瓦”(kW)。1ps=75kgf.m/s=0.735kW1ps=75kgf.m/s=0.735kWps-工制馬力，hp-英制馬力, 1ps=0.986hp

9、 熱量與功之間關系：熱量與功之間關系：功可以完全地轉化為熱，熱卻只能功可以完全地轉化為熱，熱卻只能部分地轉化為功，而且只能通過工質(zhì)的熱膨脹來實現(xiàn)。部分地轉化為功，而且只能通過工質(zhì)的熱膨脹來實現(xiàn)。熱工基礎知識6.6.熱效率熱效率：效果與代價之比：效果與代價之比 燃油在高壓下噴入汽缸，同汽缸內(nèi)的空氣混合燃燒產(chǎn)生熱量Q1，高溫高壓的燃氣膨脹推動活塞移動，并通過連桿曲柄機構變成回轉運動，帶動推進器回轉，對外界作機械功W。作功用的低溫低壓燃氣排出汽缸，并借走熱量Q2，完成一個工作循環(huán)。根據(jù)能量守恒定律，工質(zhì)在一個循環(huán)中，對外界作的機械功W(效果)等于從高溫熱源吸收的熱量Q1(代價)減去傳給低溫熱源的熱量

10、Q2，即：W=Q1-Q2。熱工基礎知識6.6.熱效率熱效率：效果與代價之比。1212111QQQQQQWW-機械功Q1-從高溫熱源吸收的熱量Q2-傳給低溫熱源的熱量最理想循環(huán)、即熱效率最高的循環(huán)是卡諾循環(huán)最理想循環(huán)、即熱效率最高的循環(huán)是卡諾循環(huán) (Carnot cycle) 100%100%121211TTTTT卡諾T1-高溫熱源溫度，T2-低溫熱源溫度熱工基礎知識7 7、傳熱的基本方式、傳熱的基本方式（1 1）導熱）導熱導熱導熱(Heat conduction)：不依賴于物體各部分的相對位移熱量在物體內(nèi)部進行的熱量傳遞。/FtQQ-導熱熱流量, WF-面積, m2-厚度, m-導熱系數(shù), W

11、/(mC)導熱、對流換熱、輻射換熱熱工基礎知識（2 2）對流換熱）對流換熱對流換熱對流換熱(Convective heat exchange)：運動著的流體與固體表面接觸時的換熱過程成為對流換熱。tFQ-放熱系數(shù)，W/(m2C)t-溫差，C熱工基礎知識（3 3）輻射換熱）輻射換熱輻射換熱輻射換熱(Radiation heat exchange)：靠電磁波中的可見光線和紅外線來傳遞熱量。tFQ2輻輻-輻射放熱系數(shù)，W/(m2C)F2-吸收輻射熱的物體表面積，m2穿透QD反射QR投射輻射能Qn吸收QA輻射能的吸收、反射和透射輻射能的吸收、反射和透射熱工基礎知識（4 4）傳熱過程）傳熱過程傳熱過程傳

12、熱過程 (Process of heat exchange)：導熱、對流、輻射三種傳熱方式的復合過程。tFKQK-傳熱系數(shù)，W/(m2C)t-傳熱溫差，CF-傳熱面積，m2熱工基礎知識 船舶蒸汽輪機動力裝置是以鍋爐產(chǎn)生的蒸汽為工質(zhì)，以汽輪機作為主機，其功率通過減速器，傳遞到螺旋槳以推進船舶。2.1 蒸汽輪機動力裝置 一、基本組成和簡單熱力循環(huán) 1 1 、蒸汽輪機動力裝置的基本組成與工作原理、蒸汽輪機動力裝置的基本組成與工作原理 下圖所示為其組成部件 1-鍋爐；2-蒸汽過熱器；3-空氣預熱器；4-高壓汽輪機；5-低壓汽輪機；6-主冷凝器；7-凝水泵；8-給水預熱器；9-給水泵；10-減速齒輪；1

13、1-螺旋槳；12-循環(huán)水圖 船舶蒸汽輪機動力裝置的基本組成 (1)燃油燃燒燃油燃燒 燃油由燃油泵從油柜中抽出并加壓后送至位于鍋爐中的噴油器，由噴油器噴入鍋爐爐膛，在爐膛內(nèi)與鼓風機送來的空氣進行氧化反應（即燃燒），從而釋放出大量的熱能，這些熱能將鍋爐中的水加熱成為高溫高壓的蒸汽。A.蒸汽過熱器；蒸汽過熱器；B.汽輪機；汽輪機；C.冷凝器；冷凝器；D.給水泵；給水泵；K. 鍋爐鍋爐n 蒸汽輪機的基本工作過程蒸汽輪機的基本工作過程 (2)蒸汽作功蒸汽作功 蒸汽由管路引入主汽輪機，在主汽輪機中將從鍋爐中帶來的壓能和熱能轉變?yōu)闄C械能。機械能由汽輪機的輸出軸傳動，通過后傳動裝置（減速齒輪箱）和軸系帶動螺旋

14、槳轉動。A.蒸汽過熱器；蒸汽過熱器；B.汽輪機；汽輪機；C.冷凝器；冷凝器；D.給水泵；給水泵；K. 鍋爐鍋爐n 蒸汽輪機的基本工作過程：蒸汽輪機的基本工作過程： (3)工質(zhì)循環(huán)工質(zhì)循環(huán) 做完功后的蒸汽進入主冷凝器，被流過冷凝器的海水冷凝成凝水，再經(jīng)給水加熱器加熱后，由主給水泵，重新被加熱成蒸汽，形成一個周而復始的循環(huán)。A.蒸汽過熱器；蒸汽過熱器；B.汽輪機；汽輪機；C.冷凝器；冷凝器；D.給水泵；給水泵；K. 鍋爐鍋爐n 蒸汽輪機的基本工作過程：蒸汽輪機的基本工作過程： 圖 簡單蒸汽動力裝置的理想循環(huán) 2、簡單熱力循環(huán)A.蒸汽過熱器；蒸汽過熱器；B.汽輪機；汽輪機；C.冷凝器；冷凝器；D.給

15、水泵；給水泵；K. 鍋爐鍋爐簡單的蒸汽動力裝置的理想循環(huán)叫做簡單的蒸汽動力裝置的理想循環(huán)叫做朗肯循環(huán)朗肯循環(huán)右圖為朗肯循環(huán)的T-S圖。圖中：4-5：水在汽鍋中，壓力P1下被加熱到沸騰溫度的過程；5-6：在汽鍋中，在壓力P1下的汽化過程；6-1：在壓力P1下，在蒸汽過熱器中的過熱過程；1-2：蒸汽在汽輪機中的絕熱膨脹過程，并輸出功；2-3：在壓力P2下，乏汽在冷凝器中的凝結過程；3-4：冷凝水在水泵中的絕熱壓縮過程，并消耗功。 1）朗肯循環(huán)及過程）朗肯循環(huán)及過程 了解加入的熱量q1、放出的熱量q2、膨脹功 lT 、水泵所消耗的功lP、有效功l0、有效熱量q0、熱效率t 等的函數(shù)式。 2）循環(huán)參數(shù)

16、關系）循環(huán)參數(shù)關系(1) 加入的熱量加入的熱量q1在過程4-5、5-6和6-1中，熱量是在一定的壓力P1下加入，等壓下加入的熱量可以由過程的初始和終點的焓差來表示。加入的熱量q1為 ：在T-S圖上，此熱量可用加熱線下的面積m-4-5-6-1-n-m表示。 411iiq 2）循環(huán)參數(shù)關系）循環(huán)參數(shù)關系(2) 放出的熱量放出的熱量q2過程2-3是循環(huán)的等壓放熱過程，所放出的熱量q2為 ：在T-S圖上，此熱量可用面積m-3-2-n-m來表示。 322iiq 2）循環(huán)參數(shù)關系）循環(huán)參數(shù)關系 (3) 膨脹功膨脹功 lT 汽輪機中的膨脹功 lT ：(絕熱膨脹等熵過程)21iilT (4)水泵所消耗的功水泵

17、所消耗的功lP 循環(huán)中水泵所消耗的功lP ：(絕熱壓縮等熵過程) (5)有效功有效功l0 循環(huán)的有效功l0 ：(相當于1-2-3-4-5-6-1的面積)34iilp)()(34210iiiilllpT 2）循環(huán)參數(shù)關系）循環(huán)參數(shù)關系 (6)有效熱量有效熱量q0 循環(huán)的有效熱量q0 ： (7)熱效率熱效率t 循環(huán)熱效率t ：)()(3241210iiiiqqq413421413241121)()()()(iiiiiiiiiiiiqqqt 2）循環(huán)參數(shù)關系）循環(huán)參數(shù)關系 在較低的初始蒸汽參數(shù)的動力裝置（3MPa以下）中，水泵消耗的功 比 小得多，可以略去不計，則循環(huán)熱效率的近似式為：4121iii

18、it34ii 41ii 注：注： 2）循環(huán)參數(shù)關系）循環(huán)參數(shù)關系3）提高循環(huán)熱效率的方法）提高循環(huán)熱效率的方法 a) 在相同的背壓P2下，提高蒸汽的初始溫度t1和壓力 P1。 b) 在相同的蒸汽初始壓力 P1和初始溫度 t1下，降低背壓 P2 也能使熱能效率提高。 c) 采用給水預熱器，利用已在主機作過部分功的蒸汽的汽化潛熱來預熱給水。使進入冷凝器的蒸汽量減少，而被冷卻水帶走的熱量也就減少了，循環(huán)熱效率得到提高。 二、汽輪機原理與結構 汽輪機是一種旋轉式發(fā)動機，蒸汽在汽輪機中的工作過程是連續(xù)的，且具有兩次能量轉換：先是蒸汽的熱能轉變?yōu)槠鞯膭幽?，然后是動能轉變?yōu)檗D動葉輪的機械功。低壓凝汽式汽輪

19、機低壓凝汽式汽輪機單級沖動式汽輪機 l- 軸；2-葉輪；3-葉片；4-噴管；5-機殼（汽缸）；6-軸承。 1.沖動式汽輪機沖動式汽輪機 蒸汽首先在噴管中膨脹，在膨脹過程中蒸汽的壓力降低而流速大大提高。如圖所示，壓力由P0下降至P1，速度由C0增加至C1。高速汽流隨即進入工作葉片3所形成的彎曲形槽道，按照它的形狀使汽流拐彎時，就產(chǎn)生了離心力作用在葉片上，從而推動葉輪旋轉，從軸上輸出機械功。 1) 結構與原理 2 2）特點）特點 a)噴管的橫截面大小是逐漸變化的。 b)蒸汽僅在噴管產(chǎn)生不同程度的膨脹，即壓力降低而速度增加。 c)工作葉片槽道橫截面大小不變，蒸汽流過時并不發(fā)生膨脹，同時壓力也沒有什么

20、變化，而蒸汽以較低的速度流出。 d)高速汽流通過工作葉片彎曲的槽道產(chǎn)生離心力作用于汽輪機葉輪而作功。 這種僅僅利用噴嘴噴出高速汽流的動能通過離心力作用推動葉輪而作功的汽輪機，就稱為沖動式汽輪機。 1.沖動式汽輪機沖動式汽輪機2反動式汽輪機反動式汽輪機 1-進汽管 2-進汽室 3-導向葉片 4-工作葉片 5-機殼 6-轉鼓 7-軸承 8-平衡活塞 9-止推軸承單級反動式汽輪機1) 結構結構 2) 2)原理原理 當蒸汽自進汽管1進入進汽室2，經(jīng)固定不動的導向葉片時壓力下降，由P1降低到P；而蒸汽速度大為提高，由C0提高到C1。 高速汽流隨即流入裝在轉鼓6上的工作葉片4，并沿葉片間槽道轉變方向，其離

21、心力作用于工作葉片上，同時由于工作葉片槽道截面不斷變化，因此蒸汽在工作葉片中流過時繼續(xù)膨脹使壓力進一步降低到P2，由于工作葉輪中汽流相對速度增加,由W1增至W2，產(chǎn)生了反作用力，兩者合力的作用使轉鼓得到旋轉，把動能轉變?yōu)闄C械功。2反動式汽輪機反動式汽輪機 3）特點）特點 a) 導向葉片槽道和工作葉片槽道的橫截面大小都是變化的。 b) 蒸汽在導向葉片槽道和工作葉片槽道產(chǎn)生不同程度的膨脹，即壓力降低而速度增加。 c) 高速汽流通過工作葉片彎曲的槽道時產(chǎn)生離心力和因進出口汽流(相對速度增加形成的)速度差而產(chǎn)生反作用力。 d) 離心力和反作用力共同推動汽輪機葉輪而作功。 e) 工作葉片前后二端有壓力差

22、，因此產(chǎn)生了不平衡的軸向推力。 2反動式汽輪機反動式汽輪機 1）級的概念 一列工作葉片加上它所屬的一列噴管或?qū)蛉~片構成汽輪機的“一級”。 2）分級的作用 使葉輪圓周速度u與氣流速度c之比值（通常稱u/c為特性比）處于最佳范圍，以提高汽輪機的效率。 3）分級的方法 有兩種分級的方法：一種是速度分級，另一種為壓力分級。 3. 多級式汽輪機多級式汽輪機 如果蒸汽在一列噴管中獲得的動能，分別由兩列或多列工作葉片來接受，亦即蒸汽的速度分別在兩列或多列工作葉片中依次地降落，則稱為速度分級的汽輪機。 l- 工作葉片； 2-工作葉片； 3-導向葉片；4-噴管；5-機殼（汽缸）雙速度級的汽輪機簡圖i) 速度分

23、級的汽輪機速度分級的汽輪機 速度分級的汽輪機，由于效率較低，作為獨立的原動機只能做成小功率的用來帶動輔機。它的特點是結構簡單，重量尺寸較小，造價便宜。 l- 工作葉片； 2-工作葉片； 3-導向葉片；4-噴管；5-機殼（汽缸）雙速度級的汽輪機簡圖i) 速度分級的汽輪機速度分級的汽輪機 壓力分級汽輪機是將汽輪機的全部壓力降落分配在若干級內(nèi)完成，這樣在每一級中的焓降就不致很大，蒸汽從每一級的噴管中流出的速度亦較低，在汽輪機適當?shù)霓D速下，蒸汽的動能可以較完全地被一列工作葉片所接受而轉變?yōu)橥苿愚D子旋轉的機械功。具有三壓力級的沖動式汽輪機簡圖ii) 壓力分級汽輪機壓力分級汽輪機 壓力分級的汽輪機效率可以比速度分級的汽輪機效率高，因此一般大功率的汽輪機總是采用壓力分