船舶动力系统

船舶动力系统教材：《船舶动力系统》上海交通大学出版社，徐筱欣课时：51（包括2次实验课）,16周分数：30%平时+70%考试考试形式：闭卷笔试陈峻课程目的为非动力（轮机）类专业设置介绍船舶动力系统的组成介绍各系统的主要设备（结构、原理、性能）课程特点：杂，内容多不难与实际装置结合内容绪论（书第1章）船舶柴油机（第2章）船舶推进轴系及传动设备（第7章）船舶蒸汽轮机（第3章）船舶燃气轮机（第4章）第一章 绪论船舶动力装置：保证舰船的正常航行、安全、正常作业、停泊，保证人员正常工作、生活与安全的全部机械设备和系统的综合体船舶动力装置的主要任务：发出一定功率，产生各种能量，实现能量转化和分配，以利船舶正常航行和作业船舶动力装置的组成：主推进装置：产生推进力主机、传动设备、推进轴系、推进器船舶主推进装置示意图1-遥控操纵台；2-主机；3-传动设备（离合器、齿轮箱）4-轴系；5-推进器（螺旋桨）辅助装置：产生其它动力船舶电站。供给辅助机械及全船所需要的电能由发电机组、配电板及其他电气设备等组成辅助锅炉装置。民用船舶产生低压蒸汽，以满足加热、取暖及其他生活需要由辅助锅炉及为其服务的燃油、给水、鼓风、送汽设备及管路、阀件等组成制冷装置和空调系统全船系统：保证船舶生命力和安全，船员旅客正常生活所需的设备和系统消防、用水、救生、安全……机舱自动化系统：机舱的机械设备遥控及自动化，包括对主、辅机和有关机械设备等的远距离控制、调节、检测和报警系统等甲板机械：保证船舶航向、停泊、装卸货物所需的机械设备锚泊机械设备，包括锚机、绞盘等操舵机械设备，包括舵机及操纵机械、执行机构等起重机械设备，如起货机，吊艇机及吊杆等设备船舶动力系统的类型及特点蒸汽轮机动力装置工作原理

锅炉产生的蒸汽推动蒸汽轮机作功齿轮减速机组螺旋桨（发电机）组成蒸汽锅炉蒸汽轮机凝汽器……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；11－螺旋浆；12－循环水泵特点单机功率大，目前船用蒸汽轮机组功率达到25×104kw,陆用机组达到60×104～10×105kw劳损部件少、工作可靠、寿命长（可达1×105h以上）运转平稳可靠、振动噪声小（蒸汽轮机是回转机械，没有往复运动部件）可使用劣质燃料滑油消耗率很低，仅0.1～0.5g/(kW·h)柴油机的滑油消耗率为3～10g/(kW·h)热效率较低，燃油消耗率高，热经济性低，在全速时要比柴油机装置的油耗高1.5～2倍，部分工况时要高2.5～3倍设备多，整个装置重量尺寸大机动性较差。启动前的准备时间（锅炉从生火到产生蒸汽）大约要30～35min；从一种工况过渡到另一种工况的时间比柴油机装置长2～3倍燃气轮机动力装置工作原理

燃料在燃烧室内燃烧燃气推动叶轮做功多级减速齿轮机组螺旋桨（发电机）组成压气机：压缩空气进入燃烧室燃烧室：燃料燃烧，形成燃气燃气轮机：高温高压燃气推动叶轮转动，机械能输出优点

机组质量尺寸指标小：加速用燃气轮机装置的单位重量可达0.65～1.3kg/kW，全工况用燃气轮机装置为2～4kg/kW机动性好：从冷态启动至全负荷时间，一般为l～2min，大功率复杂线路的燃气轮机装置只需3～5min缺点

工作可靠性较差，寿命短如，燃气初温在750℃以上的燃气轮机，寿命仅500～103h价格昂贵由于燃气的高温，叶片材料需用合金钢。结构紧凑，对加工工艺要求高舱内布置困难燃气轮机工作时空气流量很大，一般为16～23kg/(kW·h)【柴油机约为5kg/(kW·h)，汽轮机约为0.5kg/(kW·h)】,进、排汽管道尺寸较大。甲板上有较大的管道通过切口，影响船体强度柴油机动力装置：应用最为广泛，柴油机船占总数的98％，装船功率占造船总功率的90％以上优点

经济性较高，油耗低，中、低速机可烧劣质燃料；高速柴油机耗油率160-180g/(kW·h)，中速柴油机125-170g/(kW·h)，低速机126-140g/(kW·h)一般汽轮机装置耗油率为180-350g/(kW·h)燃气轮机装置耗油率240-400g/(kW·h)机动性良好，操作简单，倒车方便。主机从冷态启动到全负荷<10min；中高速机组质量轻，辅助设备少缺点

单机功率低，低速机4×104kW，中速机为2×104kW，高速机8×103kw大中型水面舰船上使用受限；振动噪声大中高速机的寿命较低，高速强载柴油机的整机寿命仅1000～2000h低速时稳定性较差，影响低速航行过载能力差，110%额定功率运行不超过1小时最大功率船用柴油机，瓦锡兰RT-flex96C，14缸，RT-flex共轨技术。持续输出最大功率80080千瓦，转速102转/分。长27.3米，高13.5米，整机重2300吨，适用于新一代大型集装箱船

联合动力装置产生背景

全航速时要求功率大、航速快、机动性能好，只占2%总航行时间巡航时要求经济性高，,功率=1⁄4全功率，占80%总航行时间矛盾，国外50年代开始发展联合动力装降低20％装置质量，续航力能提高25％联合动力装置：用一种形式的动力装置完成巡航航行，满足经济性要求；用另一种形式的动力装置（或两者共同）完成全航速航行，满足大功率要求三种联合动力装置汽轮机+燃气轮机：功率较大的轻型舰艇，不多用燃气轮机+燃气轮机：功率大，重量尺寸小，经济性好，广泛应用于各国驱逐舰柴油机+燃气轮机：经济性好，功率范围大，重量尺寸小，广泛应用于各国护卫舰等；在某些大型军舰上也有（如泰国轻型航母）缺点：不同的燃料、备件储备较复杂；共同使用主减速器，结构复杂；机组不同类型，布置难度增加核动力装置工作原理：原子核裂变产生巨大热能加热工质（蒸汽或燃气）推动汽轮机或燃气轮机工作现有的核动力舰艇或核电站，几乎全部采用压力水型的反应堆

核反应堆1 反应堆芯2

控制箱3 蒸器发生器5（热交换器）高压汽轮机6低汽轮机7辅汽轮机8主冷凝器9 辅冷凝器10主给水泵11 减速器12螺旋桨13 稳压筒14PressurizedWaterReactor(PWR)

能量传递功率控制控制棒插入反应堆的深度和速度改变堆芯内的中子数目输出功率核反应压力水（第一回路）热交换器水蒸汽汽轮机螺旋桨

辅汽轮机发电机（第二回路）BoilingWaterReactor(BWR)

优点消耗极少的燃料、释放出巨大的能量，可保证船舶以极较高的航速航行极远的距离，如1.1×104kw核动力装置工作一昼夜仅消耗核燃料15～18g.能发出极大的功率不消耗空气而获得热能不需要进、排气装置潜艇，能长期隐蔽在深水中，不易被敌舰发现,大大提高了潜艇的战斗力水面舰艇不需要进、排气口，没有烟囱，减少甲板开口，能减少敌人观察器材和热反应器材的发现，避免红外线自导武器命中的危险性缺点核动力装置的重量尺寸较大。屏蔽系统质量大操纵管理检查系较复杂价格昂贵船舶动力系统性能的评价指标一般分成三类技术指标：总指标功率指标、质量指标、尺寸指标经济指标：燃料在动力装置中的热转换率燃料消耗率、每海里航程燃油耗量、装置热效率、运行和维护经济性……性能指标：机动性、可靠性、制动性、自动化程度、振动控制性能……技术指标功率指标：表示船舶做功能力为保证船舶具有一定航速，要求推进装置提供足够功率，动力装置的功率按照最大航速确定，并考虑功率储备（一般大10%）船舶推进系统的各部位功率：指示功率Pi有效功率Pe轴功率Ps螺旋桨收到功率Pp螺旋桨推功率PT阻力功率PR（船舶有效功率）主机额定有效功率排水量质量指标动力装置的几种质量干重Gy：所有机器、器具和管系的质量湿重Gy’：干重+机器、器具、管系内部装满工质和消耗物品总重Gy”

：湿重+消耗物品的贮存量在一定的排水量下，要求动力装置的质量轻一些湿重主机额定功率各类舰船的质量指标相差很大如驱逐舰的=10-15kg/kW，客货轮=70-150kg/kW湿重排水量尺寸指标：用机舱的尺寸表示，机舱应能合理布置动力装置，且方便管理、维修机舱的绝对尺寸机舱总长度机舱总占有面积机舱总占有容积相对尺寸指标机舱相对长度机舱面积饱和度机舱容积饱和度各类舰船的尺寸指标差距很大以面积饱和度为例，导弹快艇高达400kW/m2，客货船15～40kW/m2反映动力装置的热能转换率（燃料消耗率，装置总热效率，每浬航程燃料耗量等）

动力装置燃料消耗率全船热能设备每小时燃料消耗总量经济指标动力装置有效热效率全船热能设备每小时燃料消耗总量燃料低发热值指标1、2表征动力装置在设计工况下的燃料和热的经济性；but船舶经常在部分工况下航行，需要评定非设计工况下的经济性每海里装置燃油消耗量每海里航程的燃料消耗量ge,gm和随航速变化关系曲线经济航速在不受货期约束时，按经济航速可以降低货运成本注意：船舶的最大盈利航速，还需要考虑船的折旧费，客货的周转量、运输成本及利润等因素最大盈利航速≠经济航速性能指标机动性：变工况时的工作性能，如启航加速机动性、紧急倒车机动性等可靠性：维持正常工作的期限，or两次大修间的时间自动化程度噪声振动控制性……动力系统的设计要求安全可靠，重要设备有备用机组、应急机组提高经济性降低燃料消耗：燃料费用占运行开支30%-40