船舶動力裝置

1、船舶動力裝置,第一章緒論,定義：保證艦船的正常航行、安全、正常作業(yè)、停泊，保證人員正常工作、生活與安全的全部機械設(shè)備和系統(tǒng)的綜合體。 組成： 推進(jìn)裝置：產(chǎn)生推進(jìn)力 輔助裝置：產(chǎn)生其它動力 甲板機械：錨、舵、起重,船舶動力裝置的類型,蒸汽動力裝置 工作原理 鍋爐產(chǎn)生的蒸汽推動蒸汽輪機作功齒輪減速機組螺旋槳（發(fā)電機） 組成 蒸汽鍋爐 蒸汽輪機,特點 單機功率大，目前船用蒸汽輪機組功率達(dá)到25104kw,陸用機組達(dá)到6010410105kw 勞損部件少、工作可靠、壽命長（可達(dá)1105h以上） 運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠、振動噪聲?。ㄕ羝啓C是回轉(zhuǎn)機械，沒有往復(fù)運動部件） 可使用劣質(zhì)燃料 熱效率較低，油耗高，熱經(jīng)濟(jì)

2、性低，在全速時要比柴油機裝置的油耗高1.52倍，部分工況時要高2.53倍 設(shè)備多，整個裝置重量尺寸大 機動性較差。鍋爐從生火到產(chǎn)生蒸汽大約要3035min，一般要比柴油機裝置啟動時間長23倍,1鍋爐；2蒸汽過熱器；3空氣預(yù)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(yù)熱器；9給水泵；10減速齒輪；11螺旋漿；12循環(huán)水泵,柴油機動力裝置：應(yīng)用最為廣泛的主機型式，柴油機船占總數(shù)的98，裝船功率占造船總功率的90以上。 優(yōu)點 經(jīng)濟(jì)性較高，油耗低，中、低速機可燒劣質(zhì)燃料； 機動性良好，操作簡單，倒車方便。主機從冷態(tài)啟動到全負(fù)荷10min； 中高速機組質(zhì)量輕，輔助設(shè)備少,缺點 單機

3、功率低，中速機為2104kW，高速機8103kw大中型水面艦船上使用受限； 振動噪聲大 中高速機的壽命較低 低速時穩(wěn)定性較差,燃?xì)廨啓C動力裝置 工作原理 燃料在燃燒室內(nèi)燃燒燃?xì)馔苿尤~輪做功多級減速齒輪機組 螺旋槳（發(fā)電機） 組成 壓氣機：壓縮空氣進(jìn)入燃燒室 燃燒室：燃料燃燒，形成燃?xì)?燃?xì)廨啓C ：高溫高壓燃?xì)馔苿尤~輪轉(zhuǎn)動，機械能輸出,1-螺旋槳；2-減速齒輪裝置；3-壓氣機；4-燃燒室； 5-燃?xì)廨啓C；6-聯(lián)軸器；7-啟動電動機,優(yōu)點 機組質(zhì)量尺寸指標(biāo)小 機動性好，從冷態(tài)啟動至全負(fù)荷時間，一般為l2min，大功率復(fù)雜線路的燃?xì)廨啓C裝置只需35min 缺點 工作可靠性較差，壽命短（如燃?xì)獬鯗卦?

4、50以上的燃?xì)廨啓C，壽命僅500103h） 葉片材料合金鋼昂貴 燃?xì)獾母邷?布置困難 燃?xì)廨啓C工作時空氣流量很大，進(jìn)、排汽管道尺寸膨大,聯(lián)合動力裝置 產(chǎn)生背景 全航速時要求功率大、航速快、機動性能好，只占2%總航行時間 巡航時要求經(jīng)濟(jì)性高，,功率= 14全功率，占80%總航行時間 矛盾，國外50年代開始發(fā)展聯(lián)合動力裝 降低20裝置質(zhì)量，續(xù)航力能提高25,聯(lián)合動力裝置： 用一種形式的動力裝置完成巡航航行，滿足經(jīng)濟(jì)性要求；用另一種形式的動力裝置（或兩者共同）完成全航速航行，滿足大功率要求 三種聯(lián)合動力裝置 汽輪機+燃?xì)廨啓C：功率較大的輕型艦艇，不多用 燃?xì)廨啓C+燃?xì)廨啓C：功率大，重量尺寸小，經(jīng)濟(jì)性

5、好，廣泛應(yīng)用于各國驅(qū)逐艦 柴油機+燃?xì)廨啓C：經(jīng)濟(jì)性好，功率范圍大，重量尺寸小，廣泛應(yīng)用于各國護(hù)衛(wèi)艦等；在某些大型軍艦上也有（如泰國輕型航母）,缺點： 不同的燃料、備件儲備較復(fù)雜； 共同使用主減速器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜； 機組不同類型，布置難度增加,核動力裝置 工作原理： 原子核裂變產(chǎn)生巨大熱能加熱工質(zhì)（蒸汽或燃?xì)猓┩苿悠啓C或燃?xì)廨啓C工作 現(xiàn)有的核動力艦艇或核電站，幾乎全部采用壓力水型的反應(yīng)堆,核反應(yīng)堆1 反應(yīng)堆芯2 控制箱3蒸器發(fā)生器5（熱交換器） 高壓汽輪機6 低汽輪機7 輔汽輪機8 主冷凝器9 輔冷凝器10 主給水泵11 減速器12 螺旋槳13 穩(wěn)壓筒14,核動力裝置,能量傳遞 功率控制 控制棒插

6、入反應(yīng)堆的深度和速度改變堆芯內(nèi)的中子數(shù)目輸出功率,核反應(yīng),壓力水 （第一回路）,熱交換器,水蒸汽汽輪機螺旋槳 輔汽輪機發(fā)電機 （第二回路）,優(yōu)點 消耗極少的燃料、釋放出巨大的能量，可保證船舶以極較高的航速航行極遠(yuǎn)的距離，如1.1104kw核動力裝置工作一晝夜僅消耗核燃料1518g. 能發(fā)出極大的功率 不消耗空氣而獲得熱能 不需要進(jìn)、排氣裝置 潛艇，能長期隱蔽在深水中，不易被敵艦發(fā)現(xiàn),大大提高了潛艇的戰(zhàn)斗力 水面艦艇不需要進(jìn)、排氣口，沒有煙囪，減少甲板開口，能減少敵人觀察器材和熱反應(yīng)器材的發(fā)現(xiàn)，避免紅外線自導(dǎo)武器命中的危險性,缺點 核動力裝置的重量尺寸較大。屏蔽系統(tǒng)質(zhì)量大 操縱管理檢查系較復(fù)雜

7、價格昂貴,輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 19 ,1.柴油機的基本工作過程,第二章 船舶柴油機動力裝置,二、四沖程柴油機的工作原理,()進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹、排氣五個過程。這五個過程既為柴油機的一個基本工作循環(huán)。四沖程柴油機是指柴油機的一個基本工作循環(huán)是由四個沖程完成。,2.基本結(jié)構(gòu),活塞頂部在氣缸中運動達(dá)到的氣缸最上位置稱為上止點(TDC)。,活塞運動達(dá)到的氣缸最下位置稱為下止點(BDC)。,活塞從上止點運動到下止點，或從下止點運動到上止點稱為一個沖程(Stroke)。,S=2R S:沖程，R：曲柄半徑,輪機概論,Introduction

8、to Marine Engineering, 20 ,第二章 船舶柴油機動力裝置,Wrtsil 6L38,Cylinder head,Crankshaft,Cylinder,Piston,Connecting rod,輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 21 ,3.工作原理(),第二章 船舶柴油機動力裝置,(1)進(jìn)氣沖程(Inlet stroke)：活塞從上止點下行，進(jìn)氣閥打開，排氣閥關(guān)閉，新鮮空氣進(jìn)入氣缸。進(jìn)氣閥在上止點前打開，下止點后關(guān)閉，進(jìn)氣持續(xù)220-250曲軸轉(zhuǎn)角。,輪機概論,Introduction to Marine Engineer

9、ing, 22 ,第二章 船舶柴油機動力裝置,(2)壓縮沖程(Compression stroke)：活塞從上止點上行，進(jìn)氣閥關(guān)閉，排氣閥關(guān)閉。氣缸內(nèi)空氣被壓縮，壓力3-6MPa，溫度600-700C。壓縮后期噴油器噴油，燃油與空氣混合、加熱、自行發(fā)火燃燒。壓縮過程持續(xù)140-160曲軸轉(zhuǎn)角。,3.工作原理(),輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 23 ,第二章 船舶柴油機動力裝置,(3)膨脹沖程(Expansion stroke)：燃油猛烈燃燒，氣缸內(nèi)燃?xì)鈮毫?-8MPa，溫度1400-1800C。高溫高壓的燃?xì)馀蛎浲苿踊钊滦凶龉?。膨脹過程在排

10、氣閥開啟時結(jié)束。該行程持續(xù)120-140曲軸轉(zhuǎn)角。,3.工作原理(),輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 24 ,第二章 船舶柴油機動力裝置,(4)排氣沖程(Exhaust stroke)：進(jìn)氣閥關(guān)閉，排氣閥打開。圖中5-下止點，活塞下行，廢氣靠壓差排出?；钊韵轮裹c上行，廢氣被活塞排出氣缸。排氣閥在上止點后關(guān)閉。該行程持續(xù)230-260曲軸轉(zhuǎn)角。,3.工作原理(),輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 25 ,第二章 船舶柴油機動力裝置,四沖程柴油機：一個工作循環(huán)，曲柄兩轉(zhuǎn)，四個沖程。,4-s engi

11、ne: 1 cycle, 2 crank revolutions, 4 strokes.,3.工作原理(),輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 26 ,第二章 船舶柴油機動力裝置,氣閥正時圓圖,正時(Timing)：()進(jìn)排氣閥在上、下止點前后的啟閉時刻叫做氣閥正時，用曲柄轉(zhuǎn)角表示氣閥正時的圓圖叫做氣閥正時圓圖。,進(jìn)、排氣閥開啟大于180曲柄轉(zhuǎn)角。,進(jìn)氣閥：上止點前打開，下止點后關(guān)閉。,氣閥重疊角(Angle of valve overlap)：進(jìn)氣閥和排氣閥在上止點前后的一段時間內(nèi)是同時開啟的，這個同時開啟的曲柄轉(zhuǎn)角稱為氣閥重疊角。,4.氣閥正時

12、,排氣閥：下止點前打開，上止點后關(guān)閉。,目的：充分進(jìn)新氣。,目的：少耗功，充分排廢氣。,輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 27 ,三、二沖程柴油機工作原理,第二章 船舶柴油機動力裝置,二沖程柴油機把一個工作循環(huán)的五個過程在兩個沖程內(nèi)完成。需設(shè)掃氣泵或鼓風(fēng)機提高進(jìn)氣壓力。,1.換氣 壓縮沖程,2.膨脹換氣沖程,輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 28 ,四、二沖程柴油機的換氣,第二章 船舶柴油機動力裝置,1. 換氣過程的特點,(1)換氣過程只占沖程的一部分，不大于130-150曲柄轉(zhuǎn)角。,(2)新鮮空氣

13、和廢氣摻混，使部分新鮮空氣隨廢氣排出。,(3)進(jìn)氣沒有自吸能力，要靠掃氣泵或輔助鼓風(fēng)機。,2. 換氣過程,I：自由排氣。,：強制排氣和掃氣。,：過后排氣。,輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 29 ,3.基本換氣形式,第二章 船舶柴油機動力裝置,換氣過程：()以新鮮空氣驅(qū)趕并置換廢氣的過程。,橫流掃氣 (Cross/transverse scavenging),直流掃氣 (Uniflow scavenging),輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 30 ,四沖程(4S)、二沖程(2S)柴油機對比(),第

14、二章 船舶柴油機動力裝置,1.1個工作循環(huán)內(nèi)，4S機曲柄轉(zhuǎn)2轉(zhuǎn)，2S機曲柄轉(zhuǎn)1轉(zhuǎn)。,2.相同工作條件下，2S機功率約為4S機的1.6-1.7倍。,3.2S機比4S機回轉(zhuǎn)均勻。,4.2S機比4S機換氣質(zhì)量差。,5.2S機比4S機結(jié)構(gòu)簡單，管理方便。,6.2S機可以使用劣質(zhì)燃油，動力、經(jīng)濟(jì)性好。,7.2S機用作主機，4S機可用作主機或發(fā)電柴油機。,輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 31 ,五、柴油機的增壓,第二章 船舶柴油機動力裝置,1.增壓的基本概念,增壓：()就是提高柴油機氣缸進(jìn)氣空氣的壓力，使空氣密度增加，從而增加進(jìn)入氣缸的空氣量。進(jìn)氣量的增加

15、就可以相應(yīng)增加噴入氣缸的燃油量，也就使得在氣缸結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)速等條件不變的情況下，提高柴油機功率。,2.增壓的三種形式,(1)機械增壓：直接用柴油機驅(qū)動。,(2)廢氣增壓：()利用柴油機排出的廢氣驅(qū)動渦輪機，由渦輪機帶動壓氣機再增壓。可以回收部分廢氣能量，提高經(jīng)濟(jì)性。,(3)復(fù)合增壓：是上兩種方式的結(jié)合。,輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 32 ,2.廢氣渦輪增壓的基本形式,第二章 船舶柴油機動力裝置,定壓渦輪增壓：進(jìn)入渦輪增壓器的廢氣壓力基本穩(wěn)定。氣缸的排氣管連接到排氣總管，渦輪則裝在排氣總管之后。,Cylinder,Turbocharger,E

16、xhaust main,渦輪工作穩(wěn)定、效率高。,需設(shè)輔助鼓風(fēng)機/泵(Auxiliary blower)，低負(fù)荷或剛起動時(進(jìn)出港、狹窄航道、江河)起動。,輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 33 ,第二章 船舶柴油機動力裝置,脈沖增壓：氣缸排氣經(jīng)過直接與一個或幾個廢氣渦輪相連。,充分利用定壓能和脈沖能。,可不設(shè)輔助鼓風(fēng)機/泵。,Cylinder,Turbocharger,輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 34 ,第二章 船舶柴油機動力裝置,Rotator,Compressor blade,Turbin

17、e blade,Compressor,Turbine,廢氣渦輪增壓器（簡稱增壓器、透平、T/C）,輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 35 ,第二章 船舶柴油機動力裝置,廢氣渦輪增壓器（簡稱增壓器、透平、T/C）,Turbocharger of M/V Yulong,輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 36 ,第二章 船舶柴油機動力裝置,廢氣渦輪增壓器（簡稱增壓器、透平、T/C）,Turbocharger of M/V Yukun,輪機概論,Introduction to Marine Engineer

18、ing, 37 ,3.增壓器的喘振,第二章 船舶柴油機動力裝置,(1)喘振現(xiàn)象(Surge of turbocharger) (),當(dāng)壓器的壓氣機在工作時，由于工況的偏離造成氣流產(chǎn)生強烈脈動，并有氣體倒流，從而引起壓氣機工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致壓氣機振動，并發(fā)出異常聲響的現(xiàn)象。,(2)喘振原因(),根本上是由于壓氣機的實際流量小于該轉(zhuǎn)速下引起喘振的限制流量，造成氣流與葉片的強烈撞擊與脫離。,氣流通道堵塞。,增壓器和柴油機的運行失配。*該項下頁詳述*,環(huán)境溫度變化。,各缸負(fù)荷嚴(yán)重不均。,輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 38 ,第二章 船舶柴油機動力裝置,

19、增壓器和柴油機的運行失配。*接上頁*,The end of section 1,船舶滿載、頂風(fēng)、污底時阻力增加，主機負(fù)荷加大，柴油機在低轉(zhuǎn)速高負(fù)荷下運行易喘振，可降低油門消除。,在風(fēng)浪天氣發(fā)生飛車時，并聯(lián)和串聯(lián)增壓系統(tǒng)會發(fā)生喘振。單獨增壓系統(tǒng)，螺旋槳入水時也會喘振。,操作不當(dāng)，會造成柴油機和增壓器的暫時失配而發(fā)生喘振。如高速下停車、主機急速降速、加速過快時易喘振。,輪機概論,Introduction to Marine Engineering, 39 ,第二節(jié) 柴油機的主要類型和結(jié)構(gòu)實例,Section 2 Types and examples of diesel engine,第二章 船舶柴油機動力裝置,一、柴油機的主要類型,1.筒狀活塞和十字頭式柴油機,筒狀活塞式,十字頭式,輪機概論,Introduct