輪機導論-第2講-船舶動力裝置1-蒸汽輪機動力裝置課件

第2章船舶動力裝置2.1蒸汽輪機動力裝置2.2艦船燃氣輪機裝置2.3柴油機動力裝置2.4核動力裝置2.5聯(lián)合動力裝置引言船舶動力裝置是指將燃料化學能轉化為熱能、機械能使船舶產生推進力保證船舶航行和提供能量消費的全部機械、設備和系統(tǒng)的總合體。1.工質

(WorkingMedium):用來將熱能轉化為機械能的各種流動介質。工質應具有良好的膨脹性、流動性。例：柴油機的工質是燃氣，蒸汽輪機的工質是水蒸氣。燃氣水蒸汽熱工基礎知識(1)壓力

(Pressure,P)壓力：在工程熱力學中，把工質垂直作用在單位容積壁面或分界面上的力稱為壓力。其單位為N。國際單位：N/m2(Pa)工程單位：kgf/cm2,bar英制單位：psi(bf/in2)帕斯卡巴工程氣壓標準氣壓磅力/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壓力單位換算表熱工基礎知識①大氣壓力pb(Barometric,atmosphericpressure)：緯度45度平均海平面上常年大氣壓力的平均值為標準大氣壓(atm)。②絕對壓力p(Absolutepressure)：工質作用在容器壁面上的實際壓力。③表壓力pg(Gaugepressure)：用壓力表測得的數(shù)值，pg=p-pb。④真空度pv(Vacuum)：用真空表測得的數(shù)值，pv=pb-p。1atm=760mmHg=101325Pa=0.101325MPa=1bar熱工基礎知識ppgapb大氣壓力0bpvp大氣壓力0pbpg=

p-pbpv=pb-p(2)溫度(Temperature,T)溫度：表示物質冷熱程度的狀態(tài)參數(shù)。溫度的數(shù)值表示方法ssssss叫做溫標(Temperaturescale)

。華氏溫標(Fahrenheit)：在標準大氣壓下，純水冰點定為32度，沸點212度，兩點間均分180等份，每份為1華氏度，記作1

F，符號t

F。攝氏溫標(Celsius)：在標準大氣壓下，純水冰點定為0度，沸點100度，兩點間均分100等份，每份為1攝氏度，記作1

C

，符號t

C。開氏溫標(Kelvin)：攝氏零下273.15

C為零度，每度的間隔與攝氏溫標相同，記作1K

，符號TK。熱工基礎知識(3)比容和密度比容(Specificvolume)：1kg的物質所占的容積，m3/kg。V-容積，m-質量密度(Density)：1m3的物質所具有的質量，kg/m3。，熱工基礎知識(4)理想氣體狀態(tài)方程

(Idealgasstateequation)R-氣體常數(shù)(Gasconstant)空氣、柴油機的燃氣等，可按理想氣體進行計算。蒸汽、制冷劑蒸汽，不能當作理想氣體。熱工基礎知識3.水蒸氣的性質飽和溫度

：一定壓力下水開始沸騰的溫度稱為該壓力下的飽和溫度。1atm,100C;2atm,200C。特點：飽和溫度隨壓力的變化而變化，壓力越高對應的飽和溫度越高。飽和壓力

：一定溫度下壓力達到某一定值時水開始沸騰的溫度稱為該溫度下的飽和壓力。特點：僅與溫度有關，溫度越高飽和壓力越高。過熱蒸汽

：水在等壓加熱沸騰汽化完畢后，再加熱蒸汽，溫度升高而壓力不變，這樣的蒸汽稱過熱蒸汽。熱工基礎知識4.熱量

：系統(tǒng)和外界由于溫度差而通過邊界傳遞的能量外界給系統(tǒng)加熱，Q+；系統(tǒng)對外界放熱，Q-。熱工基礎知識5.功和功率功：當封閉系統(tǒng)通過邊界和外界之間發(fā)生相互作用時，如果外界的唯一效果是升起重物，則系統(tǒng)對外界作了功；反之，如果外界的唯一效果是降低重物，則外界對系統(tǒng)作了功。熱工基礎知識6.熱效率：效果與代價之比燃油在高壓下噴入汽缸，同汽缸內的空氣混合燃燒產生熱量Q1，高溫高壓的燃氣膨脹推動活塞移動，并通過連桿曲柄機構變成回轉運動，帶動推進器回轉，對外界作機械功W。作功用的低溫低壓燃氣排出汽缸，并借走熱量Q2，完成一個工作循環(huán)。根據能量守恒定律，工質在一個循環(huán)中，對外界作的機械功W(效果)等于從高溫熱源吸收的熱量Q1(代價)減去傳給低溫熱源的熱量Q2，即：W=Q1-Q2。熱工基礎知識6.熱效率：效果與代價之比。W-機械功Q1-從高溫熱源吸收的熱量Q2-傳給低溫熱源的熱量最理想循環(huán)、即熱效率最高的循環(huán)是卡諾循環(huán)

(Carnotcycle)

η<100%T1-高溫熱源溫度，T2-低溫熱源溫度熱工基礎知識7、傳熱的基本方式（1）導熱導熱(Heatconduction)：不依賴于物體各部分的相對位移熱量在物體內部進行的熱量傳遞。Q-導熱熱流量,WF-面積,m2

-厚度,m

-導熱系數(shù),W/(mC)導熱、對流換熱、輻射換熱熱工基礎知識（2）對流換熱對流換熱(Convectiveheatexchange)：運動著的流體與固體表面接觸時的換熱過程成為對流換熱。

-放熱系數(shù)，W/(m2C)t-溫差，

C熱工基礎知識（3）輻射換熱輻射換熱(Radiationheatexchange)：靠電磁波中的可見光線和紅外線來傳遞熱量。

輻-輻射放熱系數(shù)，W/(m2C)F2-吸收輻射熱的物體表面積，m2輻射能的吸收、反射和透射熱工基礎知識（4）傳熱過程傳熱過程

(Processofheatexchange)：導熱、對流、輻射三種傳熱方式的復合過程。K-傳熱系數(shù)，W/(m2C)t-傳熱溫差，

CF-傳熱面積，m2熱工基礎知識1-鍋爐；2-蒸汽過熱器；3-空氣預熱器；4-高壓汽輪機；5-低壓汽輪機；6-主冷凝器；7-凝水泵；8-給水預熱器；9-給水泵；10-減速齒輪；11-螺旋槳；12-循環(huán)水圖

船舶蒸汽輪機動力裝置的基本組成(1)燃油燃燒燃油由燃油泵從油柜中抽出并加壓后送至位于鍋爐中的噴油器，由噴油器噴入鍋爐爐膛，在爐膛內與鼓風機送來的空氣進行氧化反應（即燃燒），從而釋放出大量的熱能，這些熱能將鍋爐中的水加熱成為高溫高壓的蒸汽。A.蒸汽過熱器；B.汽輪機；C.冷凝器；D.給水泵；K.鍋爐蒸汽輪機的基本工作過程(3)工質循環(huán)做完功后的蒸汽進入主冷凝器，被流過冷凝器的海水冷凝成凝水，再經給水加熱器加熱后，由主給水泵，重新被加熱成蒸汽，形成一個周而復始的循環(huán)。A.蒸汽過熱器；B.汽輪機；C.冷凝器；D.給水泵；K.鍋爐蒸汽輪機的基本工作過程：

圖

簡單蒸汽動力裝置的理想循環(huán)

2、簡單熱力循環(huán)A.蒸汽過熱器；B.汽輪機；C.冷凝器；D.給水泵；K.鍋爐了解加入的熱量q1、放出的熱量q2、膨脹功lT

、水泵所消耗的功lP、有效功l0、有效熱量q0、熱效率ηt

等的函數(shù)式。2）循環(huán)參數(shù)關系(2)放出的熱量q2過程2-3是循環(huán)的等壓放熱過程，所放出的熱量q2為：在T-S圖上，此熱量可用面積m-3-2-n-m來表示。

2）循環(huán)參數(shù)關系(3)膨脹功lT

汽輪機中的膨脹功lT

：(絕熱膨脹等熵過程)(4)水泵所消耗的功lP

循環(huán)中水泵所消耗的功lP：(絕熱壓縮等熵過程)(5)有效功l0

循環(huán)的有效功l0：(相當于1-2-3-4-5-6-1的面積)2）循環(huán)參數(shù)關系(6)有效熱量q0

循環(huán)的有效熱量q0：

(7)熱效率ηt

循環(huán)熱效率

t

：2）循環(huán)參數(shù)關系

在較低的初始蒸汽參數(shù)的動力裝置（3MPa以下）中，水泵消耗的功比小得多，可以略去不計，則循環(huán)熱效率的近似式為：注：2）循環(huán)參數(shù)關系3）提高循環(huán)熱效率的方法

a)在相同的背壓P2下，提高蒸汽的初始溫度t1和壓力P1。

b)在相同的蒸汽初始壓力P1和初始溫度t1下，降低背壓P2

也能使熱能效率提高。

c)采用給水預熱器，利用已在主機作過部分功的蒸汽的汽化潛熱來預熱給水。使進入冷凝器的蒸汽量減少，而被冷卻水帶走的熱量也就減少了，循環(huán)熱效率得到提高。

二、汽輪機原理與結構

汽輪機是一種旋轉式發(fā)動機，蒸汽在汽輪機中的工作過程是連續(xù)的，且具有兩次能量轉換：先是蒸汽的熱能轉變?yōu)槠鞯膭幽?，然后是動能轉變?yōu)檗D動葉輪的機械功。低壓凝汽式汽輪機單級沖動式汽輪機

l-軸；2-葉輪；3-葉片；4-噴管；5-機殼（汽缸）；6-軸承。1.沖動式汽輪機蒸汽首先在噴管中膨脹，在膨脹過程中蒸汽的壓力降低而流速大大提高。如圖所示，壓力由P0下降至P1，速度由C0增加至C1。高速汽流隨即進入工作葉片3所形成的彎曲形槽道，按照它的形狀使汽流拐彎時，就產生了離心力作用在葉片上，從而推動葉輪旋轉，從軸上輸出機械功。

1)結構與原理

2）特點

a)噴管的橫截面大小是逐漸變化的。

b)蒸汽僅在噴管產生不同程度的膨脹，即壓力降低而速度增加。

c)工作葉片槽道橫截面大小不變，蒸汽流過時并不發(fā)生膨脹，同時壓力也沒有什么變化，而蒸汽以較低的速度流出。

d)高速汽流通過工作葉片彎曲的槽道產生離心力作用于汽輪機葉輪而作功。

這種僅僅利用噴嘴噴出高速汽流的動能通過離心力作用推動葉輪而作功的汽輪機，就稱為沖動式汽輪機。1.沖動式汽輪機2．反動式汽輪機

1-進汽管

2-進汽室

3-導向葉片

4-工作葉片

5-機殼

6-轉鼓

7-軸承

8-平衡活塞

9-止推軸承單級反動式汽輪機1)結構2)原理當蒸汽自進汽管1進入進汽室2，經固定不動的導向葉片時壓力下降，由P1降低到P`；而蒸汽速度大為提高，由C0提高到C1。

高速汽流隨即流入裝在轉鼓6上的工作葉片4，并沿葉片間槽道轉變方向，其離心力作用于工作葉片上，同時由于工作葉片槽道截面不斷變化，因此蒸汽在工作葉片中流過時繼續(xù)膨脹使壓力進一步降低到P2，由于工作葉輪中汽流相對速度增加,由W1增至W2，產生了反作用力，兩者合力的作用使轉鼓得到旋轉，把動能轉變?yōu)闄C械功。2．反動式汽輪機

3）特點a)導向葉片槽道和工作葉片槽道的橫截面大小都是變化的。b)蒸汽在導向葉片槽道和工作葉片槽道產生不同程度的膨脹，即壓力降低而速度增加。c)高速汽流通過工作葉片彎曲的槽道時產生離心力和因進出口汽流(相對速度增加形成的)速度差而產生反作用力。d)離心力和反作用力共同推動汽輪機葉輪而作功。e)工作葉片前后二端有壓力差，因此產生了不平衡的軸向推力。2．反動式汽輪機1）級的概念一列工作葉片加上它所屬的一列噴管或導向葉片構成汽輪機的“一級”。2）分級的作用

使葉輪圓周速度u與氣流速度c之比值（通常稱u/c為特性比）處于最佳范圍，以提高汽輪機的效率。3）分級的方法

有兩種分級的方法：一種是速度分級，另一種為壓力分級。

3.多級式汽輪機如果蒸汽在一列噴管中獲得的動能，分別由兩列或多列工作葉片來接受，亦即蒸汽的速度分別在兩列或多列工作葉片中依次地降落，則稱為速度分級的汽輪機。

l-工作葉片；2-工作葉片；3-導向葉片；4-噴管；5-機殼（汽缸）雙速度級的汽輪機簡圖i)速度分級的汽輪機速度分級的汽輪機，由于效率較低，作為獨立的原動機只能做成小功率的用來帶動輔機。它的特點是結構簡單，重量尺寸較小，造價便宜。

l-工作葉片；2-工作葉片；3-導向葉片；4-噴管；5-機殼（汽缸）雙速度級的汽輪機簡圖i)速度分級的汽輪機壓力分級汽輪機是將汽輪機的全部壓力降落分配在若干級內完成，這樣在每一級中的焓降就不致很大，蒸汽從每一級的噴管中流出的速度亦較低，在汽輪機適當?shù)霓D速下，蒸汽的動能可以較完全地被一列工作葉片所接受而轉變?yōu)橥苿愚D子旋轉的機械功。具有三壓力級的沖動式汽輪機簡圖ii)壓力分級汽輪機壓力分級的汽輪機效率可以比速度分級的汽輪機效率高，因此一般大功率的汽輪機總是采用壓力分級的。沖動式汽輪機級數(shù)隨蒸汽參數(shù)，功率大小及對經濟性要求而定，可在較大范圍內變動，一般約14～20級左右。為了減少一些汽輪機的級數(shù)，不使其結構過于復雜，多級汽輪機的第一壓力級常常采用雙速度級的型式，因速度分級能承受較大的焓降。通常蒸汽輪機采用沖動式，而燃汽輪機采用反動式。1、裝置的特點

1）單機功率較大