船舶动力装置总论.

船舶动力装置原理与设计课件（第1章第1~4节）（计划学时4h）第1章船舶动力装置总论§1-1船舶动力装置的含义及组成一、含义:所谓船舶动力装置，就是指保证船舶正常航行、作业、停泊以及船员、旅客正常工作和生活所必需的机械设备及系统的综合体。二、组成:(一)推进装置推进装置是保证船舶以一定的速率航行的设备，它是船舶动力装置中最主要的部分，包括:1)主机是推进船舶航行的动力机，有汽轮机、燃气轮机,柴油机等。2）传动设备它的作用是隔开或接通主机传递给传动轴和推进器的功率，同时还可以使后者达到减速、反向和减振的目的。3）船舶轴系用来将主机的功率传递给推进器，同时又将推进器产生的推力传递给船舶，用以改变船舶的运动状态。它包括传动轴、轴承和密封件等。4）推进器它是将船舶主机发出的能量转换成船舶推力的设备，如螺旋桨和喷水推进器等。图1-1-1为船舶推进装置示意图。图中示出主机（柴油机）、传动设备、轴系及螺旋桨连接情况。起动主机1，即可驱动传动设备2、3和轴系4，使螺旋桨7旋转。当螺旋桨在水中旋转时，能使船前进或后退。驾驶员从驾驶室通过车钟与机舱中的值班轮机员取得联系（或直接遥控机器），改变主机的转速和轴系的传动方向，从而控制船舶航行的快、慢速和进、退。图1-1-1（代）船舶推进装置示意图（间接传动）图1-1-1（补）船舶推进装置示意图（直接传动）(二)辅助装置除供给推进船舶的能量之外，用以产生船上需要的其它各种形式能量的设备，即称为辅助装置。它包括：1)船舶电站它的作用是供给辅助机械及全船所需要的电能。它由发电机组、配电板及其它电气设备组成。2）辅助锅炉装置民用船舶一般用它产生低压蒸汽，以满足加热、取暖及其它生活需要。它由辅助锅炉及为它服务的燃油、给水、鼓风、送汽设备及管路、阀件等组成。(三)船舶管路系统船舶管路系统，用来连接各种机械设备，并传递有关工质（流体）。它包括：1)动力管路主要用来为主机和辅机服务的管路。计有燃油、滑油、冷却水、压缩空气、排气（进气）及废气利用等。2)船舶系统为保证船舶的抗沉性(生命力)及船员和旅客的正常生活所需要的系统。计有舱底、压载、消防、生活供水、施救、冷藏、空调、通风及取暖。(四)船舶甲板机械为保证船舶航向、停泊及装卸货物所需要的机械设备。计有：1）锚泊机械设备包括锚机、绞盘等。2）操舵机械设备包括舵机及操纵机械、执行机构等。3)起重机械设备如起货机、吊艇机及吊杆等设备。(五)机械设备的遥控及自动化系统它包括对主机、辅机和有关机械设备等的远距离控制、调节、检测和警报系统。在上述船舶动力装置的五个组成部分中，推进装置是一个最重要的部分。它影响到整个船舶动力装置的性能，其工作的好坏，又直接涉及到船舶的正常航行和安全，故在进行设计选型和建造工作中要特别注意。然而要使推进装置在船上能发挥重要的作用，又必须依赖于动力装置其它各个组成部分的配合，故对其它部分也不能忽视，这样才能保证整个船舶动力装置正常工作。集控室§1-2船舶动力装置的类型及特点船舶动力装置中的主机和辅机可以具有不同的型式。但主机的功率比辅机的功率通常要大的多，因此船舶装置的类型一般是以主机的结构型式来命名的。船舶主机的作用在于把燃料燃烧所产生的热能转化为机械能，用以推进船舶前进。随着船舶向着大型化、快速化、专用化及高度自动化的方向发展，要求动力装置具有能耗低、单机功率大、寿命长和可靠性好，同时具有较高的推进效率的特点。因此，出现了各种各样的动力装置形势以满足各类船舶的发展需要。目前，常见的有柴油机动力装置、汽轮机动力装置、燃气轮机动力装置、联合动力装置和核动力装置等。一、柴油机动力装置柴油机动力装置具有比较优良的性能，在现代船舶中，不论商船、渔船、工程船及军用舰艇上都得到了广泛的应用。目前以柴油机作为主机的船舶占98%以上，柴油机船总功率占造船总功率的90%以上。可见柴油机动力装置占绝对的统治地位。柴油机动力装置具有如下的优点：（1）较高的经济性耗油率[kg/（kw*h）]比蒸汽、燃气动力装置低很多:高速（1000r/min以上）柴油机为0.16~0.18；中速（300~1000r/min）机为0.125~0.170；低速（300r/min以下）机为0.120~0.14；（蒸）汽轮机装置为0.18~0.35；燃气轮机装置为0.24~0.40。图图1-2-0主要推进装置（热机）不同负荷时的相对耗油率的比较1-柴油机推进装置；2-汽轮机推进装置；3-燃气轮机推进装置这一优点使以柴油机作为主机的船舶的续航力大大提高，换句话说，一定续航力下所需之燃油贮备量减少；从而使营运排水量相应增加。（2）重量轻柴油机动力装置中除主机和传动机组外，不需要主锅炉、燃烧器以及工质输送管道等，所以辅助机械和设备相应较少，布局简单，因此单位重量指标较小。(3)具有良好的机动性操作简单，启动方便，正倒车迅速，一般正常启动到全负荷只需10~30min，紧急时只需3~10min。虽然比燃气轮机装置差些，但它不需要像燃气轮机装置那样一套复杂的启动和倒车设备。柴油机装置停车只需几秒钟即可。柴油机装置存在如下几个缺点：(1)由于柴油机的尺寸和重量按功率比例增长快，因此单机组功率受到限制，低速柴油机也仅达到4×104KW左右，中速机2×104KW左右，而高速机仅在8×103KW或更小，这就限制了它在大功率船上的使用的可能性，大功率舰艇希望有3×104~5×105KW，故其无法胜任。(2)柴油机工作中的噪声，振动较大。(3)中、高速柴油机的运动部件磨损较厉害，高速强载柴油机的整机寿命仅1000~2000h。(4)柴油机在低转速时稳定性差，因此不能有较小的最低稳定转速，影响船舶的低速航行性能。另外，柴油机的过载能力也较差，在超负荷10%时，一般仅能运行1h。二、汽轮机动力装置汽轮机动力装置是由锅炉、汽轮机、冷凝器、轴系、管系及其他有关机械设备等组成。在这种装置中，燃料的燃烧是在发动机的外部，即在锅炉中进行的。汽轮机动力装置的基本组成与工作原理，如图1-2-1所示。在大功率船舶动力装置中，汽轮机占有一定的优势，资料统计表明，功率小于2×kw的船舶，多采用柴油机动力装置，而大于2×kw的多采用汽轮机。所以，高速客船和集装箱船以及大型油船多采用汽轮机动力装置。410410图1-2-1(代)船舶蒸汽轮机动力装置的基本组成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-循环水汽轮机动力装置具有如下优点：（1）单机功率大由于汽轮机工作过程的连续性有利于采用高速工质和高转速工作轮，因此单机功率远比活塞式发动机大。现代舰用汽轮机的单机组功率已达7.5万kw以上，若不受推进器尺寸和制造的影响，像陆用电站汽轮机一样可做成60万~100万kw的巨型动力装置。正因为于此，主机本身的单位重量尺寸指标优越。（2）机组振动小、噪声低汽轮机叶轮转速稳定，无周期性扰动力，因此机组振动小、噪声低。（3）可靠性好、寿命长摩擦部件少，工作可靠性大，使用期限高达100万h以上。（4）比较经济可使用劣质燃料油，滑油消耗率也很低，仅0.1~0.5g/（kw·h）（柴油机的滑油消耗率为3~10g/（kw·h）。汽轮机动力装置存在下列缺点：(1)装置的总重量、尺寸大，因为它配置了主锅炉，以及为其服务的辅助机械和设备，占去了船体许多营运排水量。(2)燃料消耗率大，装置效率较差，额定经济性仅为柴油机装置的0.5~0.7，在部分工况下，甚至为0.3~0.4，在相同燃料贮备下续航力降低。(3)机动性差，起动前准备时间约为30~50min，紧急情况下，缩短暖机过程后也需要15~20min，在舰艇上为保证立即起锚的要求，就以暖机状态停泊，从而增加了停泊时的燃料消耗。另外，从一个工况变换到另一个工况的过渡时间也较柴油机装置长2~3倍。三、燃气轮机动力装置燃气轮机是最近几十年发展起来的一种新型发动机。它的基本工作原理与汽轮机大致相似，只是在作功的工质方面有所不同。汽轮机中使用的燃料是在锅炉中燃烧，使锅炉中的水加热产生蒸汽，推动叶轮作功；而燃气轮机则是利用燃料在燃烧室内燃烧，所产生的燃气推动叶轮作功。图1-2-2是燃气轮机动力装置的基本组成和工作原理图。一般由三部分组成：压气机它用来压缩进入燃烧室的空气。燃烧室燃料在其中燃烧成燃气。燃气轮机它将燃气的热能转变成旋转轴系和螺旋桨的机械功。图1-2-2（代）燃汽轮机装置简图燃气轮机动力装置能较好地满足近代舰艇对动力装置提出的高速、高机动性和极低的单位重量之战术、技术要求，故在军用舰艇中较常使用。燃气轮机动力装置具有如下优点：(1)单位功率的重量尺寸极小。加速用燃气轮机装置的单位重量可达0.65~1.3kg/kw，全工况用燃气机装置为2~4kg/kw。机组功率也较大，复杂线路的燃气轮机装置（有中间冷却、中间加热和回热措施）机组功率可达6×104kw。(2)良好的机动性，从冷态启动到全负荷时间，一般为1~2min，大功率复杂线路的燃气轮机装置只需3~5min。(3)燃料消耗率不及柴油机，但也能达到200~390g/（kw·h），低负荷时经济性的恶化比汽轮机影响要小。燃气轮机装置的缺点：(1)主机没有反转性，必须设置专门的倒车设备。(2)必须借助于启动马达或其他启动机械启动。(3)由于燃气的高温，叶片材料用的合金钢昂贵，工作可靠性差，寿命短，如燃气初温在750℃以上的燃气轮机，寿命仅500~1000h。(4)进、排气管道尺寸较大，舱内布置困难，甲板上较大的管道通道开口，影响船体强度。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5，汽轮机约为0.5）。四、联合动力装置对于军用舰艇来说，从提高战斗力观点要求尽可能提高航速和机动性。舰艇在全速时要求动力装置发足全功率，但它在舰艇总航行时间所占比例极小，一般不会超过1%。为此它要花费足够的排水量安置全功率的机械设备重量。而舰艇的巡航时间极长，要求有良好的经济性以提高续航力。为解决全速时的大功率和巡航时的经济性，就出现了两类发动机联合工作的联合动力装置。目前有三种联合动力装置：汽轮机+加速燃气轮机（COSOG或COSAG）;柴油机+加速燃气轮机（CODOG或CODAG）;燃气轮机+加速燃气轮机（COGAG或COGOG）。下面介绍他们的它们的特点。1、汽轮机动力装置带燃气轮机加速装置此种装置由于汽轮机装置的一系列优点，与燃气装置联合后，能适用于功率较大的轻型舰艇，蒸汽装置保证80%全速以下航行所需的功率（即全功率约50%左右），以使经济及重量尺寸指标为最有利。2、全工况燃气轮机装置带加速燃气轮机装置这类装置中，巡航燃气轮机装置可以采用复式线路（带中间冷却器及回热）工作的开式燃气轮机或按闭式循环工作的燃气轮机。前者具有蒸—燃联合装置的大部分优点，燃料消耗和重量尺寸都可减少，后者在巡航时能保证较高的热效率，部分负荷是性能良好。3、柴油机与燃气轮机联合装置这类装置中，柴油机做巡航机，与燃气轮机二者都通过离合器与主减速器相联，采用倒顺离合器或调距桨实现倒车。这类装置的优点：1、重量尺寸小，一定排水量下可提高航速或增加配置功率。2、操纵方便备车迅速，紧急情况下可将燃气轮机立即启动，用调距桨或倒顺离合器实现倒车。3、自巡航到全速工况加速迅速，可立即发出全功率。4、两个机组共同使用一个减速器，具有多机组并车的可靠性。5、管理与检修费较低。由于两种机型联合，因此有下列不足之处：(1)必须配合适用不同的燃料及相应的管路及贮存设备，不同类燃料的贮存比例会影响舰艇的战术性能。(2)共同使用一个主减速器，小齿轮数目多，结构复杂。(3)两种不同类型机组在减速器周围布置上有一定难度。五、核动力装置核动力装置是以原子核的裂变反应所产生的巨大热能，通过工质（蒸汽或燃汽）推动汽轮机或燃气轮机工作的一种装置。现有的核动力舰艇或民用船舶，几乎全部采用压力水型的反应堆。图1-2-3为压力水堆核动力装置的结构和工作原理图。图1-2-3（代）压水堆核动力装置原理流程图核动力