轮机导论-第2讲-船舶动力装置1-蒸汽轮机动力装置

1、第第2章章 船舶动力装置船舶动力装置2.1 蒸汽轮机动力装置蒸汽轮机动力装置2.2 舰船燃气轮机装置舰船燃气轮机装置2.3 柴油机动力装置柴油机动力装置2.4 核动力装置核动力装置2.5 联合动力装置联合动力装置引言引言 船舶动力装置船舶动力装置是指将燃料化学能转化为热能、机械能使船舶产生推进力保证船舶航行和提供能量消费的全部机械、设备和系统的总合体。n 船舶动力装置的类型船舶动力装置的类型引言引言分类方法分类方法按使用工质分按使用工质分按主机型式分按主机型式分按使用燃料分按使用燃料分类型蒸汽动力装置蒸汽轮机动力装置常规动力装置燃气动力装置燃气轮机动力装置核动力装置蒸汽-燃气联合动力装置柴油机

2、动力装置联合动力装置1.1.工质工质 (Working Medium): :用来将热能转化为机械能的各种流用来将热能转化为机械能的各种流动介质动介质。工质应具有良好的膨胀性、流动性。工质应具有良好的膨胀性、流动性。例：柴油机的工质是燃气，蒸汽轮机的工质是水蒸气。燃气燃气水蒸汽水蒸汽热工基础知识2.2.状态参数：状态参数：用来描述系统宏观特性的物理量。压力 (Pressure, P)温度 (Temperature, T)比容 (Specific volume, V)内能 (Internal energy, U) 粒子热运动的动能和势能的和。焓 (Enthalpy, H) 系统中能够做功的能量。熵

3、 (Entropy, S) 物质微观热运动混乱程度的标志，热量转 化为功的程度。基本状态参数(可测)热工基础知识( (1) )压力压力 (Pressure, P)压力：压力：在工程热力学中，把工质垂直作用在单位容积壁面或分界面上的力称为压力。其单位为N。国际单位：国际单位：N/mN/m2 2(Pa)(Pa)工程单位：kgf/cm2, bar英制单位：psi(bf/in2)帕斯卡巴工程气压标准气压磅力/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压力单位换算表热工基础知识大气压力大气压力p pb b (Barometric, atmospheric pressure)：纬度45度平均海平面上常年大气压力的平均值为标准大气压(atm)。绝对压力绝对压力p p(Absolute pressure)：工质作用在容器壁面上的实际压力。表压力表压力p pg g(Gauge pressure)：用压力表压力表测得的数值，pg=p-pb。真空度真空度p pv v(Vacuum)：用真空表真空表测得的数值，pv=pb-p。1atm =760mmHg=101325Pa=0.101325MPa=1bar1a

5、tm =760mmHg=101325Pa=0.101325MPa=1bar热工基础知识 ppgapb大气压力0bpv p大气压力0pbpg= p-pbpv=pb-p(2)温度(Temperature, T)温度温度：表示物质冷热程度的状态参数。温度的数值表示方法ssssss叫做温标温标(Temperature scale) 。华氏温标华氏温标(Fahrenheit)：在标准大气压下，纯水冰点定为32度，沸点212度，两点间均分180等份，每份为1华氏度，记作1F，符号tF。摄氏温标摄氏温标(Celsius)：在标准大气压下，纯水冰点定为0度，沸点100度，两点间均分100等份，每份为1摄氏度，

6、记作1C ，符号tC。开氏温标开氏温标(Kelvin)：摄氏零下273.15C为零度，每度的间隔与摄氏温标相同，记作1K ，符号TK。热工基础知识冷却水、燃油、滑油柴油机排气数字显示3259CtFt)32(95FtCt15.273CtTK(3)(3)比容和密度比容和密度比容比容(Specific volume)：1kg的物质所占的容积，m3/kg。mVv V-容积，m-质量密度密度(Density)：1m3的物质所具有的质量，kg/m3。Vmv11v，热工基础知识(4)(4)理想气体状态方程理想气体状态方程 (Ideal gas state equation)RTpv R-气体常数 (Gas

7、constant)空气、柴油机的燃气等，可按理想气体进行计算。蒸汽、制冷剂蒸汽，不能当作理想气体。热工基础知识3.3.水蒸气的性质水蒸气的性质饱和温度饱和温度 ：一定压力下水开始沸腾的温度称为该压力下的饱和温度。1atm, 100C; 2atm, 200C。特点：饱和温度随压力的变化而变化，压力越高对应的饱和温度越高 。饱和饱和压力压力 ：一定温度下压力达到某一定值时水开始沸腾的温度称为该温度下的饱和压力。 特点：仅与温度有关，温度越高饱和压力越高。过热蒸汽过热蒸汽 ：水在等压加热沸腾汽化完毕后，再加热蒸汽，温度升高而压力不变，这样的蒸汽称过热蒸汽。热工基础知识4.4.热量热量 ：系统和外界由

8、于温度差而通过边界传递的能量系统和外界由于温度差而通过边界传递的能量 外界给系统加热，外界给系统加热，Q+Q+； 系统对外界放热，系统对外界放热，Q-Q-。热工基础知识5.5.功和功率功和功率功功：当封闭系统通过边界和外界之间发生相互作用时，如果外界的唯一效果是升起重物，则系统对外界作了功；反之，如果外界的唯一效果是降低重物，则外界对系统作了功。热工基础知识5.5.功和功率功和功率 功率功率：单位时间内所做的功。其单位为“马力”(ps)或“千瓦”(kW)。1ps=75kgf.m/s=0.735kW1ps=75kgf.m/s=0.735kWps-工制马力，hp-英制马力, 1ps=0.986hp

9、 热量与功之间关系：热量与功之间关系：功可以完全地转化为热，热却只能功可以完全地转化为热，热却只能部分地转化为功，而且只能通过工质的热膨胀来实现。部分地转化为功，而且只能通过工质的热膨胀来实现。热工基础知识6.6.热效率热效率：效果与代价之比：效果与代价之比 燃油在高压下喷入汽缸，同汽缸内的空气混合燃烧产生热量Q1，高温高压的燃气膨胀推动活塞移动，并通过连杆曲柄机构变成回转运动，带动推进器回转，对外界作机械功W。作功用的低温低压燃气排出汽缸，并借走热量Q2，完成一个工作循环。根据能量守恒定律，工质在一个循环中，对外界作的机械功W(效果)等于从高温热源吸收的热量Q1(代价)减去传给低温热源的热量

10、Q2，即：W=Q1-Q2。热工基础知识6.6.热效率热效率：效果与代价之比。1212111QQQQQQWW-机械功Q1-从高温热源吸收的热量Q2-传给低温热源的热量最理想循环、即热效率最高的循环是卡诺循环最理想循环、即热效率最高的循环是卡诺循环 (Carnot cycle) 100%100%121211TTTTT卡诺T1-高温热源温度，T2-低温热源温度热工基础知识7 7、传热的基本方式、传热的基本方式（1 1）导热）导热导热导热(Heat conduction)：不依赖于物体各部分的相对位移热量在物体内部进行的热量传递。/FtQQ-导热热流量, WF-面积, m2-厚度, m-导热系数, W

11、/(mC)导热、对流换热、辐射换热热工基础知识（2 2）对流换热）对流换热对流换热对流换热(Convective heat exchange)：运动着的流体与固体表面接触时的换热过程成为对流换热。tFQ-放热系数，W/(m2C)t-温差，C热工基础知识（3 3）辐射换热）辐射换热辐射换热辐射换热(Radiation heat exchange)：靠电磁波中的可见光线和红外线来传递热量。tFQ2辐辐-辐射放热系数，W/(m2C)F2-吸收辐射热的物体表面积，m2穿透QD反射QR投射辐射能Qn吸收QA辐射能的吸收、反射和透射辐射能的吸收、反射和透射热工基础知识（4 4）传热过程）传热过程传热过程传

12、热过程 (Process of heat exchange)：导热、对流、辐射三种传热方式的复合过程。tFKQK-传热系数，W/(m2C)t-传热温差，CF-传热面积，m2热工基础知识 船舶蒸汽轮机动力装置是以锅炉产生的蒸汽为工质，以汽轮机作为主机，其功率通过减速器，传递到螺旋桨以推进船舶。2.1 蒸汽轮机动力装置 一、基本组成和简单热力循环 1 1 、蒸汽轮机动力装置的基本组成与工作原理、蒸汽轮机动力装置的基本组成与工作原理 下图所示为其组成部件 1-锅炉；2-蒸汽过热器；3-空气预热器；4-高压汽轮机；5-低压汽轮机；6-主冷凝器；7-凝水泵；8-给水预热器；9-给水泵；10-减速齿轮；1

13、1-螺旋桨；12-循环水图 船舶蒸汽轮机动力装置的基本组成 (1)燃油燃烧燃油燃烧 燃油由燃油泵从油柜中抽出并加压后送至位于锅炉中的喷油器，由喷油器喷入锅炉炉膛，在炉膛内与鼓风机送来的空气进行氧化反应（即燃烧），从而释放出大量的热能，这些热能将锅炉中的水加热成为高温高压的蒸汽。A.蒸汽过热器；蒸汽过热器；B.汽轮机；汽轮机；C.冷凝器；冷凝器；D.给水泵；给水泵；K. 锅炉锅炉n 蒸汽轮机的基本工作过程蒸汽轮机的基本工作过程 (2)蒸汽作功蒸汽作功 蒸汽由管路引入主汽轮机，在主汽轮机中将从锅炉中带来的压能和热能转变为机械能。机械能由汽轮机的输出轴传动，通过后传动装置（减速齿轮箱）和轴系带动螺旋

14、桨转动。A.蒸汽过热器；蒸汽过热器；B.汽轮机；汽轮机；C.冷凝器；冷凝器；D.给水泵；给水泵；K. 锅炉锅炉n 蒸汽轮机的基本工作过程：蒸汽轮机的基本工作过程： (3)工质循环工质循环 做完功后的蒸汽进入主冷凝器，被流过冷凝器的海水冷凝成凝水，再经给水加热器加热后，由主给水泵，重新被加热成蒸汽，形成一个周而复始的循环。A.蒸汽过热器；蒸汽过热器；B.汽轮机；汽轮机；C.冷凝器；冷凝器；D.给水泵；给水泵；K. 锅炉锅炉n 蒸汽轮机的基本工作过程：蒸汽轮机的基本工作过程： 图 简单蒸汽动力装置的理想循环 2、简单热力循环A.蒸汽过热器；蒸汽过热器；B.汽轮机；汽轮机；C.冷凝器；冷凝器；D.给

15、水泵；给水泵；K. 锅炉锅炉简单的蒸汽动力装置的理想循环叫做简单的蒸汽动力装置的理想循环叫做朗肯循环朗肯循环右图为朗肯循环的T-S图。图中：4-5：水在汽锅中，压力P1下被加热到沸腾温度的过程；5-6：在汽锅中，在压力P1下的汽化过程；6-1：在压力P1下，在蒸汽过热器中的过热过程；1-2：蒸汽在汽轮机中的绝热膨胀过程，并输出功；2-3：在压力P2下，乏汽在冷凝器中的凝结过程；3-4：冷凝水在水泵中的绝热压缩过程，并消耗功。 1）朗肯循环及过程）朗肯循环及过程 了解加入的热量q1、放出的热量q2、膨胀功 lT 、水泵所消耗的功lP、有效功l0、有效热量q0、热效率t 等的函数式。 2）循环参数

16、关系）循环参数关系(1) 加入的热量加入的热量q1在过程4-5、5-6和6-1中，热量是在一定的压力P1下加入，等压下加入的热量可以由过程的初始和终点的焓差来表示。加入的热量q1为 ：在T-S图上，此热量可用加热线下的面积m-4-5-6-1-n-m表示。 411iiq 2）循环参数关系）循环参数关系(2) 放出的热量放出的热量q2过程2-3是循环的等压放热过程，所放出的热量q2为 ：在T-S图上，此热量可用面积m-3-2-n-m来表示。 322iiq 2）循环参数关系）循环参数关系 (3) 膨胀功膨胀功 lT 汽轮机中的膨胀功 lT ：(绝热膨胀等熵过程)21iilT (4)水泵所消耗的功水泵

17、所消耗的功lP 循环中水泵所消耗的功lP ：(绝热压缩等熵过程) (5)有效功有效功l0 循环的有效功l0 ：(相当于1-2-3-4-5-6-1的面积)34iilp)()(34210iiiilllpT 2）循环参数关系）循环参数关系 (6)有效热量有效热量q0 循环的有效热量q0 ： (7)热效率热效率t 循环热效率t ：)()(3241210iiiiqqq413421413241121)()()()(iiiiiiiiiiiiqqqt 2）循环参数关系）循环参数关系 在较低的初始蒸汽参数的动力装置（3MPa以下）中，水泵消耗的功 比 小得多，可以略去不计，则循环热效率的近似式为：4121iii

18、it34ii 41ii 注：注： 2）循环参数关系）循环参数关系3）提高循环热效率的方法）提高循环热效率的方法 a) 在相同的背压P2下，提高蒸汽的初始温度t1和压力 P1。 b) 在相同的蒸汽初始压力 P1和初始温度 t1下，降低背压 P2 也能使热能效率提高。 c) 采用给水预热器，利用已在主机作过部分功的蒸汽的汽化潜热来预热给水。使进入冷凝器的蒸汽量减少，而被冷却水带走的热量也就减少了，循环热效率得到提高。 二、汽轮机原理与结构 汽轮机是一种旋转式发动机，蒸汽在汽轮机中的工作过程是连续的，且具有两次能量转换：先是蒸汽的热能转变为汽流的动能，然后是动能转变为转动叶轮的机械功。低压凝汽式汽轮

19、机低压凝汽式汽轮机单级冲动式汽轮机 l- 轴；2-叶轮；3-叶片；4-喷管；5-机壳（汽缸）；6-轴承。 1.冲动式汽轮机冲动式汽轮机 蒸汽首先在喷管中膨胀，在膨胀过程中蒸汽的压力降低而流速大大提高。如图所示，压力由P0下降至P1，速度由C0增加至C1。高速汽流随即进入工作叶片3所形成的弯曲形槽道，按照它的形状使汽流拐弯时，就产生了离心力作用在叶片上，从而推动叶轮旋转，从轴上输出机械功。 1) 结构与原理 2 2）特点）特点 a)喷管的横截面大小是逐渐变化的。 b)蒸汽仅在喷管产生不同程度的膨胀，即压力降低而速度增加。 c)工作叶片槽道横截面大小不变，蒸汽流过时并不发生膨胀，同时压力也没有什么

20、变化，而蒸汽以较低的速度流出。 d)高速汽流通过工作叶片弯曲的槽道产生离心力作用于汽轮机叶轮而作功。 这种仅仅利用喷嘴喷出高速汽流的动能通过离心力作用推动叶轮而作功的汽轮机，就称为冲动式汽轮机。 1.冲动式汽轮机冲动式汽轮机2反动式汽轮机反动式汽轮机 1-进汽管 2-进汽室 3-导向叶片 4-工作叶片 5-机壳 6-转鼓 7-轴承 8-平衡活塞 9-止推轴承单级反动式汽轮机1) 结构结构 2) 2)原理原理 当蒸汽自进汽管1进入进汽室2，经固定不动的导向叶片时压力下降，由P1降低到P；而蒸汽速度大为提高，由C0提高到C1。 高速汽流随即流入装在转鼓6上的工作叶片4，并沿叶片间槽道转变方向，其离

21、心力作用于工作叶片上，同时由于工作叶片槽道截面不断变化，因此蒸汽在工作叶片中流过时继续膨胀使压力进一步降低到P2，由于工作叶轮中汽流相对速度增加,由W1增至W2，产生了反作用力，两者合力的作用使转鼓得到旋转，把动能转变为机械功。2反动式汽轮机反动式汽轮机 3）特点）特点 a) 导向叶片槽道和工作叶片槽道的横截面大小都是变化的。 b) 蒸汽在导向叶片槽道和工作叶片槽道产生不同程度的膨胀，即压力降低而速度增加。 c) 高速汽流通过工作叶片弯曲的槽道时产生离心力和因进出口汽流(相对速度增加形成的)速度差而产生反作用力。 d) 离心力和反作用力共同推动汽轮机叶轮而作功。 e) 工作叶片前后二端有压力差

22、，因此产生了不平衡的轴向推力。 2反动式汽轮机反动式汽轮机 1）级的概念 一列工作叶片加上它所属的一列喷管或导向叶片构成汽轮机的“一级”。 2）分级的作用 使叶轮圆周速度u与气流速度c之比值（通常称u/c为特性比）处于最佳范围，以提高汽轮机的效率。 3）分级的方法 有两种分级的方法：一种是速度分级，另一种为压力分级。 3. 多级式汽轮机多级式汽轮机 如果蒸汽在一列喷管中获得的动能，分别由两列或多列工作叶片来接受，亦即蒸汽的速度分别在两列或多列工作叶片中依次地降落，则称为速度分级的汽轮机。 l- 工作叶片； 2-工作叶片； 3-导向叶片；4-喷管；5-机壳（汽缸）双速度级的汽轮机简图i) 速度分

23、级的汽轮机速度分级的汽轮机 速度分级的汽轮机，由于效率较低，作为独立的原动机只能做成小功率的用来带动辅机。它的特点是结构简单，重量尺寸较小，造价便宜。 l- 工作叶片； 2-工作叶片； 3-导向叶片；4-喷管；5-机壳（汽缸）双速度级的汽轮机简图i) 速度分级的汽轮机速度分级的汽轮机 压力分级汽轮机是将汽轮机的全部压力降落分配在若干级内完成，这样在每一级中的焓降就不致很大，蒸汽从每一级的喷管中流出的速度亦较低，在汽轮机适当的转速下，蒸汽的动能可以较完全地被一列工作叶片所接受而转变为推动转子旋转的机械功。具有三压力级的冲动式汽轮机简图ii) 压力分级汽轮机压力分级汽轮机 压力分级的汽轮机效率可以比速度分级的汽轮机效率高，因此一般大功率的汽轮机总是采用压力分