轮机导论-第2讲-船舶动力装置1-蒸汽轮机动力装置分解优秀PPT.ppt

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 船船舶舶动动力力装装置置是是指指将将燃燃料料化化学学能能转转化化为为热热能能、机机械械能能使使船船舶舶产产生生推推动动力力保保证证船船舶舶航航行行和和供供应应能能量量消消费费的的全全部部机机械械、设设备备和和系系统统的的总总合合体。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动力装置联合动力装置1.1.工工质质 (Working(Working Medium):Medium):用用来来将将热热能能转转化化为为机机械械能能的的各各种种流流淌介质。工质应具有良好的膨胀性、流淌性。淌介质。工质应具有良好的膨胀性、流淌性。例：柴油机的工质是燃气，蒸汽轮机的工质是水蒸气。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学问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 (Entropy,S)物质微观热运动混乱程度的标记，热量转 化为功的程度。基本状态参数(可测)热工基础学问(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/in2mmHgmH2O110-51.0210-50.9910-51.4510-47.510-31.0210-4压力单位换算表热工基础学问大大气气压压力力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)。确定压力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=1bar1atm=760mmHg=101325Pa=0.101325MPa=1bar热工基础学问 ppgapb大气压力0bpv p大气压力0pbpg=p-pbpv=pb-p(2)温度(Temperature,T)温温度度：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)。华华氏氏温温标标(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。摄摄氏氏温温标标(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，记作1C，符号tC。开开氏氏温温标标(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。热工基础学问冷却水、燃油、滑油柴油机排气数字显示(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。V-容积，m-质量密度密度(Density)：1m3的物质所具有的质量，kg/m3。，热工基础学问(4)(4)志向气体状态方程志向气体状态方程(Ideal gas state (Ideal gas state equation)equation)R-气体常数(Gas constant)空气、柴油机的燃气等，可按志向气体进行计算。蒸汽、制冷剂蒸汽，不能当作志向气体。热工基础学问3.3.水蒸气的性质水蒸气的性质饱饱和和温温度度 ：确确定定压压力力下下水水起起先先沸沸腾腾的的温温度度称称为为该该压压力力下下的的饱和温度。饱和温度。1atm,1001atm,100C;2atm,200C;2atm,200C C。特特点点：饱饱和和温温度度随随压压力力的的变变更更而而变变更更，压压力力越越高高对对应应的的饱饱和和温度越高温度越高 。饱饱和和压压力力 ：确确定定温温度度下下压压力力达达到到某某确确定定值值时时水水起起先先沸沸腾腾的的温度称为该温度下的饱和压力。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。特点：仅与温度有关，温度越高饱和压力越高。过过热热蒸蒸汽汽 ：水水在在等等压压加加热热沸沸腾腾汽汽化化完完毕毕后后，再再加加热热蒸蒸汽汽，温度上升而压力不变，这样的蒸汽称过热蒸汽。温度上升而压力不变，这样的蒸汽称过热蒸汽。热工基础学问4.4.热量热量 ：系统和外界由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-。热工基础学问5.5.功和功率功和功率功功：当当封封闭闭系系统统通通过过边边界界和和外外界界之之间间发发生生相相互互作作用用时时，假假如如外外界界的的唯唯一一效效果果是是升升起起重重物物，则则系系统统对对外外界界作作了了功功；反反之之，假假如如外外界界的的唯唯一一效效果果是是降降低低重重物物，则则外外界界对系统作了功。对系统作了功。热工基础学问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 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。热工基础学问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，带动推动器回转，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。依据能量守恒定律，工质在一个循环中，对外界作的机械功W(效果)等于从高温热源吸取的热量Q1(代价)减去传给低温热源的热量Q2，即：W=Q1-Q2。热工基础学问6.6.热效率热效率：效果与代价之比。W-机械功Q1-从高温热源吸取的热量Q2-传给低温热源的热量最志向循环、即热效率最高的循环是卡诺循环最志向循环、即热效率最高的循环是卡诺循环(Carnot (Carnot cycle)cycle)100%100%T1-高温热源温度，T2-低温热源温度热工基础学问7 7、传热的基本方式、传热的基本方式（1 1）导热）导热导导热热(Heat(Heat conduction)conduction)：不不依依靠靠于于物物体体各各部部分分的的相相对对位位移移热量在物体内部进行的热量传递。热量在物体内部进行的热量传递。Q-导热热流量,WF-面积,m2-厚度,m-导热系数,W/(mC)导热、对流换热、辐射换热热工基础学问（2 2）对流换热）对流换热对对流流换换热热(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。-放热系数，W/(m2C)t-温差，C热工基础学问（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。辐-辐射放热系数，W/(m2C)F2-吸取辐射热的物体表面积，m2辐射能的吸取、反射和透射辐射能的吸取、反射和透射热工基础学问（4 4）传热过程）传热过程传热过程传热过程 (Process of heat exchange)：导热、对流、辐射三种传热方式的复合过程。K-传热系数，W/(m2C)t-传热温差，CF-传热面积，m2热工基础学问 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，传递到螺旋桨以推动船舶。2.1 蒸汽轮机动力装置 一、基本组成和简洁热力循环 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；11-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 简洁蒸汽动力装置的志向循环 2、简洁热力循环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.给水泵；给水泵；K.锅炉锅炉简洁的蒸汽动力装置的志向循环叫做朗肯循环简洁的蒸汽动力装置的志向循环叫做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合过程；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）循环参数关系）循环参数关系(1)加入的热量加入的热量q1在过程在过程4-5、5-6和和6-1中，热量中，热量是在确定的压力是在确定的压力P1下加入，等压下下加入，等压下加入的热量可以由过程的初始和终加入的热量可以由过程的初始和终点的焓差来表示。加入的热量点的焓差来表示。加入的热量q1为为：在在T-S图上，此热量可用加热图上，此热量可用加热线下的面积线下的面积m-4-5-6-1-n-m表示。表示。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。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)(4)水泵所消耗的功水泵所消耗的功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)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：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：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)接受给水预热器，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削减，而被冷却水带走的热量也就削减了，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，依据它的形态使汽流拐弯时，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）特点 a)喷管的横截面大小是渐渐变更的。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变更，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 当蒸汽自进汽管当蒸汽自进汽管1 1进入进汽室进入进汽室2 2，经固，经固定不动的导向叶片时压力下降，由定不动的导向叶片时压力下降，由P1P1降低到降低到PP；而蒸汽速度大为提高，由；而蒸汽速度大为提高，由C0C0提高到提高到C1C1。高速汽流随即流入装在转鼓高速汽流随即流入装在转鼓6 6上的工上的工作叶片作叶片4 4，并沿叶片间槽道转变方向，其离心力，并沿叶片间槽道转变方向，其离心力作用于工作叶片上，同时由于工作叶片槽道截作用于工作叶片上，同时由于工作叶片槽道截面不断变更，因此蒸汽在工作叶片中流过时接面不断变更，因此蒸汽在工作叶片中流过时接着膨胀使压力进一步降低到着膨胀使压力进一步降低到P2P2，由于工作叶轮，由于工作叶轮中汽流相对速度增加中汽流相对速度增加,由由W1W1增至增至W2W2，产生了反作，产生了反作用力，两者合力的作用使转鼓得到旋转，把动用力，两者合力的作用使转鼓得到旋转，把动能转变为机械功。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更的。导向叶片槽道和工作叶片槽道的横截面大小都是变更的。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。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相对速度增加形成的)速度差而产生反作用力。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。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，因此产生了不平衡的轴向推力。工作叶片前后二端有压力差，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 假如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着陆，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。它的特点是结构简洁，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着陆安排在若干级内完成，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接受压力分级的。冲动式汽轮机级数随蒸汽参数，功率大小及对经济性要求而定，可在较大范围内变动，一般约1420级左右。为了削减一些汽轮机的级数，不使其结构过于困难，多级汽轮机的第一压力级常常接受双速度级的型式，因速度分级能承受较大的焓降。通常蒸汽轮机接受冲动式，而燃汽轮机接受反动式。1、装置的特点 1）单机功率较大；2）蒸汽轮机是高速旋转机械，运转时振动和噪声较小；3）工作特别平稳，机件间的摩擦部分较少，因此装置工作牢靠、运用寿命较长；4）在大功率范围内，装置的单位功率重量较小；5）对燃料品质要求低，能运用劣质油和煤。三、装置特点与应用 但是，蒸汽轮机动力装置的能量转换过程比较困难，热效率较低，耗油率较高，总的经济性能较差；汽轮机转速高，并且不能干脆反转，所以作为船用时，须要配置具有较大减速比的减速齿轮装置和倒车装置；由于锅炉产生蒸汽须要确定的时间，从锅炉生火到主机启动要经验较长的准备时间，所以机动性也较差；蒸汽轮机动力装置设备多，装置困难，从而使整个装置的重量和尺度较大。在20世纪60年头前，蒸汽轮机动力装置在大型船舶及大、中型水面舰艇上的应用占确定势。1973年后，由于能源因素的影响，民用船舶动力装置的主要发展转向主动节能，降低主机功率和耗油率，以最大可能地降低船舶的营运费用；另一方面，由于柴油机单机组功率不断增大，运用寿命得到很大的提高，尤其是解决了燃用劣质燃料的问题。因此，柴油机动力装置渐渐取代蒸汽轮机动力装置在大型船舶中的地位。2 2、装置的应用、装置的应用 军用舰艇动力装置从六十年头起先也发生重大的变更。由于蒸汽轮机动力装置的主要缺点，不能适应所赐予它的战斗使命。大、中型水面舰艇则转向接受先进的、以燃气轮机组为主的联合动力装置。但在大型油轮和集装箱船上的应用照旧占有确定的优势。Question？