船舶动力装置概论第十三次课-第四章.ppt

1,舰长，304.5米，宽75米，吃水10.5米； 排水量，55,000吨（标准），67,500吨（满载）； 动力系统，4台蒸气轮机，149兆瓦，200,000匹马力； 航速，29节；续航力，7000海里/18节；自持力，45天。,上节课要点,2,4.4 尾部受热面（部分） 经济器和空气预热器 4.5 锅炉的基本工作过程 锅炉中的热交换 锅炉的自然水循环 蒸汽的净化 锅炉的通风 4.6 船舶锅炉的自动控制概述,本节课要点,4.7 汽轮机一般概念 4.8 汽轮机的基本结构 4.9 汽轮机的功率调节及运行特点,3,汽轮机,4,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.7汽轮机一般概念,5,汽轮机（steam turbine） 将蒸汽的能量转换成为机械功的旋转式动力机械。又称蒸汽透平。主要作为发电用的原动机。 汽轮机单机功率大、效率高、运行平稳，在现代火力发电厂和核电站中都用它驱动发电机。汽轮发电机组所发的电量占总发电量的80%以上。 此外汽轮机还用来驱动大型鼓风机、水泵和气体压缩机，也用作舰船的动力。还可以利用汽轮机的排汽或中间抽汽满足生产和生活上的供热需要 。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.7汽轮机一般概念,6,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.7汽轮机一般概念,7,凝汽式汽轮机,抽汽式汽轮机,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.7汽轮机一般概念,8,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.7汽轮机一般概念,9,公元1世纪，亚历山大的希罗记述的利用蒸汽反作用力而旋转的汽转球，是最早的反动式汽轮机的雏形。 1629年，意大利的G.de布兰卡提出由一股蒸汽冲击叶片而旋转的转轮。 1882年，瑞典的C.G.P.de拉瓦尔制成第一台5马力（3.67千瓦）的单级冲动式汽轮机。 1884年，英国的C.A.帕森斯制成第一台10马力（7.35千瓦）的多级反动式汽轮机。 1910年，瑞典的B. F.容克斯川兄弟制成辐流的反动式汽轮机。 20世纪初，法国的A.拉托和瑞士的H.佐莱分别制造了多级冲动式汽 轮机，美国的C.G.柯蒂斯制成多个速度级的汽轮机。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.7汽轮机一般概念,10,一、汽轮机的特点,汽轮机是用蒸汽的热能来做功的热力发动机，它是先把蒸汽的热能转变为高速运动的动能，高速汽流再作用在转动的工作叶片上发出机械功，其能量是经过两次转换而获得机械功的，汽轮机没有往复运动部件。 1、单机功率大； 发电汽轮机组可达1200MW，船舶主汽轮机可达55MW。 2、工作可靠性好，寿命长； 工作寿命可达20年以上。 3、可燃用劣质燃料。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.7汽轮机一般概念,11,二、汽轮机的结构组成,舰船用主蒸汽轮机由汽轮机、冷凝器、齿轮减速器等组成。总称为气轮齿轮机组。 汽轮机又可分为汽轮机通流部分、汽轮机静止部分和汽轮机转动部分。 通流部分由静止部分的喷嘴叶片和转动的工作叶片形成的曲折的环形蒸汽通道，并有若干级串联组成。蒸汽在通流部分内完成能量转换，是决定汽轮机经济性能的关键部分。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.7汽轮机一般概念,12,三、汽轮机的分类方法,1、按工作原理分为冲动式汽轮机和反动式汽轮机。 蒸汽仅仅在喷嘴内发生膨胀过程，在工作叶片通道内部不发生膨胀过程的汽轮机，称为冲动式汽轮机。在喷嘴内和在工作轮叶片内都发生膨胀过程的汽轮机称为反动式汽轮机。 2、按功用分为分为主汽轮机和辅助汽轮机。 3、按工作转速可分为变转速汽轮机和定转速汽轮机。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,13,舰船汽轮机的功率不超过55MW（地面发电高参数蒸汽轮机的功率高达1200MW），蒸汽参数相对较低。主汽轮机一般有1015级，为了在舱室内布置方便，多做成双缸机组。 为满足舰船操纵性能要求，目前都布置有为使螺旋桨倒转提供倒车功率的倒车机组。 军舰用蒸汽轮机的功率相当大，但是在处于战斗状态中的军舰的最高航行速度仅仅占到全部航行时间的3 5。因而蒸汽轮机的设计都要照顾到低工况下的经济性。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,14,汽轮机的级是由一列静止的喷嘴叶栅和一列转动的叶栅组成，是蒸汽完成机械功转换的基本单元。由一个级组成的汽轮机称为单级汽轮机，有若干级串联工作组成的汽轮机称为多级汽轮机。功率较大的汽轮机都做成多级汽轮机，只有功率较小的辅助汽轮机才做成单级的。 汽轮机工作时静止部分的总和称为静子，包括气缸、喷嘴、隔板、密封、轴承等部分组成。汽轮机工作时转动部分的总和称为转子，由转轴、轴颈、脉冲油泵、轮盘、鼓筒、工作叶片等组成。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,15,一、喷嘴与隔板 二、汽缸 三、工作叶片 四、轴与转子 五、轴承 六、密封 七、滑油及保安系统,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,16,一、喷嘴与隔板,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,17,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,18,由喷嘴叶片组成特殊形状的喷嘴环道的功能是将蒸汽的热能和压力能变成为动能。第一级的喷嘴安装在气缸上。采用喷嘴调节的汽轮机第一级称为调节级。调节级喷嘴总是分为若干个喷嘴弧段，相互隔开，每个喷嘴弧段的喷嘴数目不同，均有一个喷嘴阀控制进汽。中间喷嘴安装在隔板上或气缸内壁。喷嘴叶片是铣制的。由若干个喷嘴叶片按一定距离排列固定组成弧状喷嘴叶栅段。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,19,汽缸就是汽轮机的外壳，气缸将汽轮机的通流部分与大气分割开，形成一个封闭的空间，使蒸汽在其中流动作功。 由于气缸外面包裹了厚厚的保温层，在机舱内看不到气缸的真实形状。为了加工方便，气缸必须分成为上下两半，沿水平面剖分。,二、汽缸,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,20,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,21,三、工作叶片,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,22,工作叶片是汽轮机内数量最多，成型困难的重要零件之一。叶片在轮盘上安装的部分叫做叶根，主要工作部分叫叶身。 多级汽轮机中汽流逐级膨胀作功，蒸汽比容增大，随着蒸汽容积流量增大，叶片的高度设计尺寸逐级增长。小功率的高压级叶高可能很小，规定不得小于15mm，过小时要做成局部进汽来增大叶高。大功率的最末级叶片的高度受到材料和设计的限制，目前达到(8001100mm) 为了适应不同半径上不同圆周速度的特点，叶片多是扭曲的。长叶片中间都须加上减震凸台（减震箍）。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,23,四、轴与转子,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,24,汽轮机的转子包括主轴及辅助部件。按结构可分为冲动式汽轮机所应用的轮盘式转子和反动式汽轮机应用的鼓筒式转子。 当转子转速与其自振频率相同时发生使转子毁坏的共振称为临界转速。汽轮机工作转速应避开临界转速进行工作。 舰船汽轮机组转速是经常变化的，因此要求汽轮机的临界转速设计行较高，使其最高工作转速要低于临界转速20%25%。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,25,五、轴承,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,26,高速回转运动的汽轮机转子是支持在轴承上进行工作的，轴承是保证汽轮机正常运行的重要部件。每一个汽轮机的转子都要有两个支持轴承和一个推力轴承，由滑油系统进行强制润滑。 支持轴承用来支持转子重量和保持径向间隙。小型汽轮机采用滚动轴承，大、中型机组都采用滑动轴承。 推力轴承是用来承受转子轴向力和保持轴向间隙。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,27,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,28,六、密封,在转子和静子之间存在有间隙和压差的地方，为防止工质漏出和空气漏入，都布置有密封装置。由于安装位置不同，密封可分为外部密封和内部密封。 目前汽轮机常用的是金属曲折式密封。因曲折式密封是以节流原理进行工作的，只能做到减少泄漏而不能做到不漏，且漏泄量与压力差，缝隙大小和密封片数有关。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,29,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,30,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,31,轴端汽封 在转子两端穿过汽缸的部位设置的用控制蒸汽压力来阻止机内蒸汽外泄或空气漏入的成组汽封。 隔板汽封 隔板内圆面或静叶片环内圆面与转子或轮毂外圆面之间用来限制级与级之间漏汽的汽封。 围带汽封 围带汽封设置在叶片顶部与隔板外缘的凸缘之间，常采用镶嵌片式或薄片式平齿汽封，汽封片直接镶嵌在凸缘上。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,32,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,33,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,34,七、滑油及保安系统,对高速转动工作的汽轮机轴承进行压力润滑并带走摩擦产生的热量是滑油系统的主要任务，是保证汽轮机安全可靠工作的重要措施。 另外滑油系统还为调节系统及保安系统提供压力油，保障机组安全。压力式滑油系统主要有日用油柜、滑油加热器、主滑油泵、辅滑油泵、滑油过滤器、滑油冷却器、滑油分离器。 舰用蒸汽轮机采用压力式润滑系统供油，油箱在底舱使用泵加压供油，依靠重力回油。为了提高可靠性，每台独立的汽轮机都要有两台不同能源的滑油泵进行工作。保证在一台泵出现故障时，另一台泵能够立即投入供油。,1、滑油系统,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,35,汽轮机的保安系统是保证汽轮机安全工作的重要设备，当被控制量超过汽轮机安全工作的允许范围时，自动采取紧急措施进行报警或紧急停机。主要有以下几个功能：,2、保安系统,（1）汽轮机超速保护 （2）滑油低压保护 （3）转子轴向位移保护 （4）冷凝器低真空保护 （5）汽轮机的震动保护,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.8汽轮机的基本结构,36,（1）汽轮机超速保护。超速时转动零部件承受过大的离心力，极易发生强度断裂毁机事故。保安系统之中的超速保护装置要保证汽轮机转速在额定转速107110时，开始动作，迅速停机。 （2）滑油低压保护。滑油压力低就无法保证机组的正常工作，会造成轴瓦烧毁、转子与静子碰撞磨损事故。不同型号的汽轮机组，滑油压力低限值是不同的。 （3）转子轴向位移保护。如果由于轴向力过大造成转子轴向位移，超过1mm有可能造成转子和静子发生碰撞。 （4）冷凝器低真空保护。冷凝器真空度降低会引起低压级工作叶片和冷凝器管束过热，造成变形振动并破坏冷凝器的密封。 （5）汽轮机的震动保护。振幅过大将引起严重问题，必须随时监视报警并自动停机。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.9汽轮机的功率调节及运行特点,37,一、功率调节,船舶航行时要根据执行的任务、海域、航道等情况不断改变汽轮机功率来调节航速。 目前主要有两种调节汽轮机功率（Pe=GHae）的方法，即改变进入汽轮机蒸汽可用焓降的汽质调节、改变进入汽轮机蒸汽量的汽量调节和混合调节。,1、汽质调节方法,改变进入汽轮机新蒸汽可用焓降，也就是改变蒸汽做功能力的方法。可分为： (1)滑参数运行 (2)节流调节,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.9汽轮机的功率调节及运行特点,38,(1)滑参数运行 靠改变供汽设备的压力来实现功率调整。这种方法经济性较好，实行起来热惯性大，调速慢，且影响工作可靠性。在船舶上应用较少。 (2)节流调节 在主蒸汽管上安装节流阀，改变阀门开度对汽流进行调节，来改变进入汽轮机的可用焓降。其结构简单，操作方便，但其造成蒸汽节流损失而效率降低。在小型辅助汽轮机及民船上应用较多。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.9汽轮机的功率调节及运行特点,39,2、汽量调节,喷嘴调节是其主要的形式，把第一级喷嘴分成若干组，每组喷嘴数目不同都由一个喷嘴阀控制。喷嘴阀打开的数目不同则参加工作的喷嘴数目不同，进入汽轮机的蒸汽量不同而改变了汽轮机的功率。,3、混合调节,把若干喷嘴调节阀由一个凸轮轴按一定程序打开和关闭，使进入汽轮机的蒸汽在几个主要低速工况时做到蒸汽不受节流损失，保持较好的经济性；在过渡工况时也只有一个阀门处于半开状态，对部分汽流造成不同程度的节流损失。,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.9汽轮机的功率调节及运行特点,40,二、汽轮机组的运行,1、汽轮机的启动,汽轮机的启动是指把汽轮机组由冷态，静止状态迅速而安全的转变为运行状态的过程。是个不稳定过程，机组的温度场，应力场都处于变化过程，处理不好易造成严重事故。启动过程可分为以下几个步骤：,1）启动前准备 2）滑油加热 3）冷凝器抽真空 4）暖机 5）启动,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.9汽轮机的功率调节及运行特点,41,1）启动前准备 对装置进行全面检查，包括设备及仪表的完好性，轴承的轴向和径向间隙、阀门开度、滑油的液位高度等。 2）滑油加热 滑油系统工作前要先加热，当滑油加热到3840时可以工作，先启动辅助油泵进行暖机。 3）冷凝器抽真空 当锅炉供给压力为0.51.0MPa时，启动循环水泵后对冷凝器进行控真空。 4）暖机 向汽缸内输入饱和蒸汽进行加热，对汽缸要及时输水到冷凝器和不断盘车，使主要机件变形均匀。 5）启动,第四章 船舶蒸汽锅炉与汽轮机,4.9汽轮机的功率调节及运行特点,42,、汽轮机的运行,运行中要注意蒸汽参数，滑油压力，冷凝器真空变化；监听汽轮机内部是否有擦碰声音或部件震动。运行中滑油温度