船舶动力装置原理与设计-第1章

动力装置原理与设计主讲：徐立159274973472020年7月20日星期一2主要内容•船船动力装置概论•推进装置设计•船舶后传动设备•船舶管路系统•船舶动力装置设计2020年7月20日星期一3第1章船舶动力装置概论•船舶动力装置的含义及组成•船舶动力装置的类型及特点•船舶动力装置的基本特性指标•对船舶动力装置的要求2020年7月20日星期一4船舶动力装置的含义及组成含义组成：推进装置辅助装置机舱自动化船舶系统甲板机械主发动机推进器传动设备船舶电站辅助锅炉装置保证船舶正常航行、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的综合体。Tips:船舶动力装置是一个复杂的能量综合体动力管系船舶管系锚泊机械操舵机械起重机械2020年7月20日星期一5典型的柴油机动力装置能量转换系统重油柴油机械能热能电能余热燃油加热滑油加热制淡装置舱室取暖厨房加热驳动辅机船舶照明船舶通讯机舱自动化2020年7月20日星期一6船舶动力装置设计的特点和主要要求2020年7月20日星期一7设计的特点•须符合船舶的特殊使用条件——船用条件，包括环境条件、空间条件。•须设计成具有必要的目标任务条件和合适的保障条件，包括营运条件、作业条件、研究条件及工作条件、生活条件和生存条件。•须全面综合地进行设计、进行通盘考虑，包括动力装置与总体性能、动力装置与其他专业、动力装置内部各子系统之间的综合平衡和匹配，以实现预定的技术经济指标。•须全面掌握动力装置所覆盖的各技术领域，如船舶推进技术、热能转换技术、电气技术、安全技术、消防技术、防污染技术、冷藏技术、通风和空调技术、仿真技术以及人员生活、生存技术等。•受控于国际公约、规则、船级社规范、船旗国法规等要求和约束。•须根据市场经济的特点，对设备的选用和配套应在目标成本的控制下进行。2020年7月20日星期一8原则要求•1.营运经济性•2.可靠性(冗余度)•3．操纵性(操纵简单,管理方便)•4．可维性(设备的结构形式\系统与管路的布置应使维修方便简捷)•5．建造经济性•6．重量、尺寸指标•7．振动、噪声指标2020年7月20日星期一9具体要求•符合任务书或规格书或合同文本对动力装置的要求。•符合船舶总体性能对动力装置的要求。•符合该船所入船级的船级社规范的要求。•符合该船登记国(船旗国)的有关法规。如挂中国旗，应符合“船舶和海上设施法定检验规范”，•符合该船受控的国际公约、规则的要求(Solas公约、MARPOL公约)。•符合该船营运中所涉水域或港口的有关规定（如进入美国水域或专属经济区则应符合美国海岸警卫队USCG的规则；巴拿马运河规则等）。•符合设备厂规定或推荐的系统设计要求，或与其协调，以最终满足具体船舶的要求2020年7月20日星期一10船舶动力装置设计的主要内容2020年7月20日星期一11主要内容•(1)主推进系统设计。包括主机选型、主机及齿轮箱配套、主机及齿轮箱和调距桨配套等；•(2)轴系设计；·•(3)电站设计(主电站及应急电站)；•(4)热源系统设计(蒸汽、热媒油等)；•(5)动力系统设计(燃油、滑油、冷却水、压缩空气、进排气、加热蒸汽或热媒油等系统)和辅助设备选择；•(6)船舶系统设计(疏排水系统，注入、测量、空气系统，供水系统，舱底水系统，压载水系统，消防系统等，以及油船、液化气船和化学品船的专用系统)；•(7)自动控制、监测、报警系统设计；•(8)防污染系统设计(机舱防油污系统、油船防油污系统、生活污水防污染系统及防止有毒液体物质污染系统等)；•(9)机舱通风系统设计。2020年7月20日星期一12船舶动力装置的基本类型及特点2020年7月20日星期一13基本类型•柴油机推进动力装置•汽轮机推进动力装置•燃气轮机推进动力装置•核动力推进动力装置•联合动力推进动力装置052级驱逐舰“青岛”号053H3级导弹护卫舰０９３型攻击核动力潜艇2020年7月20日星期一14柴油机推进动力装置的特点•优点:•A.有较高的经济性，耗油率比蒸汽、燃气动力装置低得多；•B.重量轻(单位重量的指标小)；•C.具有良好的机动性，操作简单，启动方便，正倒车迅速；•D.功率范围广。•缺点:•A.柴油机尺寸和重量按功率比例增长快；•B.柴油机工作中的噪声、振动较大；•C.中、高速柴油机的运动部件磨损较厉害；•D.柴油机低速稳定性差；•E.柴油机的过载能力相当差。2020年7月20日星期一15我国船舶大功率柴油机现状船用低速柴油机技术大功率低速柴油机的机型大都是二冲程、单气门直流扫气、定压增压、长行程、高压缩比的十字头式机。当前,低速二冲程柴油机的平均有效压力为1.90~1.95MPa,最高燃烧压力15~15.5MPa,燃油消耗率165~171g/kWh,单缸功率达到6950kW,大修期达28000h以上。船用中速柴油机技术国外大功率中速柴油机绝大部分是四冲程机。缸径为160~640mm,转速375~1150r/min。平均有效压力为2.4~3.0MPa,最高燃烧压力16~21MPa,最高喷油压力160~180MPa,燃油消耗率170~180g/kWh,单缸功率2010kW,大修期为18000~24000h。2020年7月20日星期一16汽轮机推进动力装置1—锅炉2—过热器3—主蒸汽管路4—高压汽轮机5—低压汽轮机6—减速齿轮7—螺旋桨8—冷凝器9—冷却水循环泵10—凝水泵11—给水泵12—给水预热器2020年7月20日星期一17汽轮机推进动力装置的特点•优点:•a.单机功率大,可达7.5×104kW以上；•b.转速稳定，无周期性扰动力，机组振动噪声小；•c.工作可靠性高；•d.可使用劣质燃料油。•缺点:•a.总重量大，尺寸大；•b.燃油消耗率高；•c.机动性差,启动前准备时间约为30~35min，紧急须15~20min。Tips:汽轮机推进装置主要采用的是汽轮机+减速齿轮箱+定距桨的形式；少数采用汽轮机电力传动形式。2020年7月20日星期一18燃气轮机推进动力装置1-螺旋桨2-减速齿轮3-压气机4-燃烧室5-燃气轮机6-联轴器7-起动电动机（1）压气机（2）燃烧室（3）燃气轮机2020年7月20日星期一19关于燃机•燃气轮机装置是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机，它的结构与飞机喷气式发动机一致，也类似蒸汽轮机。主要结构有三部分：–1、燃气轮机（透平或动力涡轮）；–2、压气机（空气压缩机）；–3、燃烧室。•其工作原理为：叶轮式压缩机从外部吸入空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧。生成的高温高压烟气进入燃气轮机膨胀作功，推动叶片高速旋转，乏气排入大气中或再加利用。2020年7月20日星期一20燃气轮机推进动力装置的特点•优点:•a.单位功率的重量尺寸小；•b.启动加速性能好；•c.振动小，噪声小。•缺点:•a.主机没有反转性；•b.必须借助启动机械启动；•c.叶片材料昂贵，工作可靠性较差，寿命短；•d.进排气管道尺寸大，舱内布置困难。LM25002020年7月20日星期一21核动力推进动力装置1—核反应堆2—反应堆芯3—控制棒4—冷却循环泵5—蒸汽发生器6—高压汽轮机7—低压汽轮机8—辅汽轮机9—主冷凝器10—辅冷凝器11—主给水泵12—减速器13—螺旋桨14—稳压筒2020年7月20日星期一22核动力推进动力装置的特点•优点:•a.极少的燃料释放巨大的能量如1.1×106kW之核动力装置工作一昼夜仅消耗核燃料15-18g；•b.无需空气。•缺点:•a.装置大；•b.操纵管理检查系统比较复杂；•c.装置造价昂贵。俄罗斯阿库拉Akula(鲨鱼)级战略核潜艇０９4型攻击核动力潜艇2020年7月20日星期一23联合动力推进动力装置•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）尼米兹级航空母舰（美）“林肯”号12020年7月20日星期一24联合动力推进动力装置的特点•优点:•a.重量尺寸小；•b.操纵方便，备车迅速；•c.自巡航到全速工况加速迅速；•d.具有多机组并车的可靠性；•e.管理与检修费较低。•缺点:•a.必须配备不同燃料及相应的管路及贮存设备；•b.主减速器的小齿轮数目多，结构复杂；•c.在减速器周围布置有难度。（英）“无敌”号意-加里博迪号2020年7月20日星期一25舰船电力推进的应用概况•舰艇电力推进的应用历史悠久，二战时期曾流行一时。当时，美海军建造了数百艘电力推进战舰。当时采用电力推进的主要原因是齿轮装置制造量不足。由于技术水平的限制，系统大而笨、效率低、成本高。•战后，除德国的17艘“莱茵”级护卫舰采用柴电推进外，其它水面舰艇均采用机械推进。•80年代后，随着交流电机及其控制技术、电力电子器件的发展，船舶电力推进系统在功率、功率密度、效率等方面已经能满足船舶推进的需要。其应用情况也发生了根本性的变化。•据统计，80年代后期以来，水面作战舰艇开始有了电力推进与机械推进相结合的混合推进。小功率的电力推进已在英国的桑当级猎雷艇，法国的Silure级轻型反潜护卫舰，瑞典的菲吕桑德级布雷艇，法、荷、比三国联合研制的三伙伴级猎雷艇等水面舰艇上得到应用。2020年7月20日星期一26电力推进的组成部分•舰艇电力推进系统一般由以下几部分组成：–螺旋桨–电动机:采用直流他励双枢双换向器电动机或交流同步电动机、异步电动机。目前用的最多的是直流双枢电动机–发电机:采用直流他励或复励电机、交流整流同步发电机或交流同步发电机。–原动机:采用柴油机、汽轮机或燃气轮机。目前一般采用高速或中速柴油机。大功率时多采用汽轮机或燃气轮机。–控制调节设备。•潜艇蓄电池也是一种电力推进装置2020年7月20日星期一27目前舰艇电力推进装置的发展动向•以交流（交流发电机和交流电动机）电力推进装置取代直流（直流发电机和直流电动机）电力推进和交直流（交流整流发电机和直流电动机）电力推进装置–交流电力推进装置具有极限功率大，效率高和可靠性好的优点，根据推进电机的类型，可分为异步电动机和同步电动机交流推进装置；而根据电流交换器的结构形式不同分为晶闸管变频交流电力推进装置、电力晶体管和可关断晶闸管交流电力推进装置.•发展超导电力推进–是以超导电机（超导发电机和超导电动机）为功率元件的电力推进装置，与普通电力推进相比，具有重量轻、体积小、效率高、噪声低的特点。由于超导材料必须工作在相应的临界温度以下，要有一套复杂的液氮设备，所以在一定程度上制约了它的广泛应用。近年来，随着低温技术的迅速发展，特别是低温技术的小型化，为超导电力推进在舰艇上的应用提供了良好的条件。。2020年7月20日星期一28目前舰艇电力推进装置的发展动向•发展潜艇燃料电池推进系统以代替现有的潜艇铅酸电池–潜艇燃料电池电力推进装置是以燃料电池为潜艇水下航行动力源的推进装置。燃料电池是一种能把化学能直接转换成电能的能量转换装置，电池本体加上燃料、氧化剂及它们的贮存器构成一个完整的燃料电池系统。–其特点是：在能量转换方式上与蓄电池相同，都是化学能转换成电能，因此具有安静、效率高的优点；在构成方式上则与柴油发电机组相似，即贮能部分（贮存燃料及氧化剂的贮存器）与能量转换装置部分相分离，因此具有长时间连续工作的能力（只要燃料和氧化剂足够），而不象蓄电池那样需要来回充放电。–近年来，燃料电池研究取得了一些重大的技术突破。例如：潜艇上液态氧贮存器采用新式壳体结构，有些国家研究了用氢化物制取氢的方法等。•发展综合全电力推进系统2020年7月20日星期一29综合全电力推进系统•英国综合全电力推进系统的研究–英国国防部于1994年正式开始IFEP系统的应用研究。1996年成立了一个专门机构--电船计划管理局，负责协调发展和采购未来英海军水面舰艇的综合全电力推进系统。–英国IFEP发展计划的重点首先是发展原动机，英国坚持原动机全燃化，大功率（21MW）燃气轮机发电机主要使用WR-21中冷回热燃气轮机，中功率（7~8MW）采用复杂循环燃气