船舶动力系统

船舶动力系统第三章船舶蒸汽轮机汽轮机汽轮机是用蒸汽做功的一种旋转式热力原动机蒸汽在汽轮中把热能转换成动能，再转换成机械能动能转换成机械能的方式不同，有不同工作原理的汽轮机汽轮机的分类按照基本工作原理分冲动式：蒸汽主要在喷嘴叶栅内膨胀反动式：蒸汽在静叶栅与动叶栅内膨胀按照按所具的级数分单级汽轮机：通流部分只有一个级多级汽轮机：通流部分有两个以上的级按用途分电站汽轮机：用于发电工业汽轮机：用于带动泵、压缩机泵船用汽轮机：作为船舶的动力装置按汽轮机进汽压力分低压汽轮机：1.2~1.5MPa中压汽轮机：2~4MPa次高压汽轮机：5~6MPa高压汽轮机：6~12MPa超高压汽轮机：12~14MPa按转速分低速汽轮机：n＜3000转/分中速汽轮机：n＝3000转/分高速汽轮机：n＞3000转/分汽轮机的主要做功单元被称为级，由喷嘴（也称静叶）与动叶（也称叶片）两个部件组成喷嘴固定在汽缸机壳or隔板上动叶固定在叶轮的轮缘上。叶轮与轴紧配合并用键固定汽轮机的基本工作原理冲动式汽轮机冲动作用：物体A在运动过程中，碰到静止or运动速度较低的物体B，A的运动速度会改变，同时给物体B一个作用力，这个作用力称为冲动力If物体B在冲动力的作用下速度变化运动物体A做了机械功冲动力的大小，取决于运动物体A的质量和速度变化Ft=m∆v质量越大，冲动力越大；速度变化越大，冲动力也越大基本工作原理具有一定压力和温度的蒸汽流过喷嘴4蒸汽膨胀，压力↘、速度↗（部分热能转变正蒸汽动能）高速蒸汽从喷嘴4出，冲击叶片3上带动叶轮2+轴1转动蒸汽的热能轴转动的机械能最简单的冲动式汽轮机简图1．轴；2.叶轮3．动叶片；4.喷嘴一列喷嘴（静叶栅）和与之对应的一列叶片（动叶栅）共同组成汽轮机的基本做功单元，称为级只有一级的汽轮机叫做单级汽轮机蒸汽流过喷嘴时，蒸汽膨胀，压力由p0降至p1，流速c0由增至c1，蒸汽热能转换成动能蒸汽进入工作叶片流道，给叶片—作用力，使叶轮和轴转动并输出机械功，蒸汽动能转换成叶轮的机械能蒸汽在动叶栅中只改变流动方向、压力保持不变，由于对外做功，流出叶片时速度降至c2单级冲动式汽轮机汽轮机的整个工作过程可以分为两段：在喷嘴中蒸汽的热能转变为动能。在此过程中蒸汽膨胀、压力降低、比容增大、速度增加在叶片流道中蒸汽的动能转变为机械能，蒸汽的速度降低在单级汽轮机中，if喷嘴中比焓降较大，喷嘴出口的蒸汽速度很高，蒸汽离开动叶栅的速度c2仍很大损失产生很大，降低了汽轮机的经济性为保证经济性，单级冲动式汽轮机的功率一般较小，在船上只用于带动小型水泵、鼓风机等设备为有效利用较大的焓降，提高效率多列速度级汽轮机在第一列动叶栅后安装一列导向叶栅7，蒸汽在导向叶栅内改变流动方向进入装在同一叶轮上的第二列动叶栅6中继续作功第一列动叶栅流出的汽流所具有的动能,在第二列动叶栅中加以利用动能损失减小如果流出第二列动叶的汽流还具有较大的动能，还可以再装第二列导向叶栅和第三列动叶栅蒸汽在动叶栅中和导向叶栅中都不发生膨胀第二列动叶栅后的压力等于喷嘴后的压力将蒸汽在喷嘴中膨胀产生的动能分几次在动叶栅中利用的级，称为速度级通常把蒸汽动能在两列动叶栅中加以利用的级称为二列速度级在三列动叶栅中加以利用的级称为三列速度级速度分级的汽轮机与单级冲动式汽轮机比较性能稍优结构简单，尺寸小应用：作为独立原动机做成小功率汽轮机，还可用于多级汽轮机的第一级船舶上，带动辅机，or作倒车汽轮机多级冲动式汽轮机由若干个冲动级依次串联而成的多级汽轮机多级汽轮机的功率是各级功率之和，因此多级汽轮机的功率可以按需要做得很大具有三个冲动级整个汽轮机的比焓降分别由三个冲动级加以利用流经各级后的蒸汽压力逐渐降低，比容逐渐增大蒸汽的体积流量逐渐增大为使蒸汽顺利流过，汽轮机的通流面积逐渐增加喷嘴、动叶的高度、级的直径都逐渐增大初始压力到背压的压力降在若干级中完成每级中的压力降和焓降不大每级均可设计在最佳速度比附近工作级效率高多级汽轮机前一级的余波可被后一级不同程度地加以利用，所以全机效率得以提高多级汽轮机总体比焓降可以很大，进气参数大输出功率大单位功率造价、单位功率占地面积、单位材料消耗量，随着机组容量增大而大大减小反动式汽轮机反动力：反作用力。牛顿第二定律可知，一个物体对另一个物体施加作用力时，也受到与作用力大小相等、方向相反的反作用力反动式汽轮机：蒸汽不仅在喷嘴中产生膨胀，压力降低速度增加，高速气流对动叶产生冲动力，而且在流经动叶片时产生很大的膨胀，在动叶片中加速流出，对动叶片产生一反作用力，推动叶片旋转做功蒸汽在喷嘴膨胀，压力由p0降至p1，速度由c0增至c1，对动叶产生冲动力；蒸汽在动叶栅中也膨胀，压力由p1降至p2，速度由动叶进口相对速度w1增至动叶出口相对速度w2,对动叶产生反动力冲动力+反动力共同作用静叶直接装在气缸上，动叶片直接装在轮鼓上，动叶片和静叶片的断面形状基本相同平衡力气体压力递减反动式汽轮机每一级动叶前后也都存在压力差，则整个转子会产生很大的轴向推力（向右）为减小轴向推力，反动式汽轮机在转子前部装设平衡活塞来抵消轴向推力活塞前的空间用联通管和排汽管联通，使活塞上产生一个向左的轴向推力平衡转子轴向推力反动级的最佳速比u/c1是同等条件下冲动级最佳速比的两倍相同轮周速度时，反动式汽轮机的每级焓降=冲动式汽轮机每级焓降*0.5当蒸汽的总焓降相等时，反动式汽轮机级数将=冲动式汽轮机级数*2由于反动式汽轮机直径较小实际级数更多由于反动式汽轮机级数太多、制造工艺要求较高、造价昂贵、漏汽损失严重纯反动式汽轮机已不再生产现代大、中型汽轮机几乎全做成冲动式的基本结构第一级是冲动级（or速度级），以消耗较大焓降，减少总级数其余各级动叶带有一定的反动度的冲动级，且反动度逐级增大，以减小喷嘴损失和动叶损失反动度：表明蒸汽在动叶中的膨胀程度=动叶内理想比焓降/级内理想比焓降级的分类（按不同的反动度分）纯冲动级：反动度ρ=0，级内蒸汽只在喷嘴中发生膨胀，在动叶中不膨胀，只改变