船舶核動(dòng)力裝置【精制材料】

1、核動(dòng)力裝置 Nuclear Power Plant,核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 （V2009.03.4）,MNPP-L02,1,行業(yè)相關(guān),船舶核動(dòng)力裝置,反應(yīng)堆,一回路系統(tǒng),二回路系統(tǒng),推進(jìn)系統(tǒng),齒輪減速推進(jìn),電力推進(jìn),壓水堆,3. 船用核動(dòng)力裝置的基本組成,液態(tài)金屬冷卻 反應(yīng)堆,2,行業(yè)相關(guān),壓水堆核動(dòng)力裝置原理流程,3,行業(yè)相關(guān),一回路系統(tǒng),反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng),專設(shè)安全系統(tǒng),一回路輔助系統(tǒng),廢物處理系統(tǒng),一回路系統(tǒng)的基本組成,4,行業(yè)相關(guān),二回路系統(tǒng),汽輪機(jī)回路,蒸汽系統(tǒng),循環(huán)水系統(tǒng),潤(rùn)滑油系統(tǒng),造水系統(tǒng),二回路系統(tǒng)的基本組成,5,行業(yè)相關(guān),二回路主機(jī)配置方案,6,行業(yè)相關(guān),船舶推進(jìn)方式,7,行業(yè)相關(guān)

2、,1.3 船舶核動(dòng)力裝置的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),1.船用條件 2.主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),8,行業(yè)相關(guān),1.船用條件,（1）受海洋條件影響 搖擺、傾斜、升降 具有在海洋條件下正常運(yùn)行能力 （2）易產(chǎn)生海上事故 碰撞、觸礁、火災(zāi)、沉沒，要求生命力強(qiáng) （3）負(fù)荷變化頻繁、幅度大 機(jī)動(dòng)性要求 （4）航行遠(yuǎn)離基地、碼頭 維修、補(bǔ)給困難 要求可靠性高,9,行業(yè)相關(guān),1.船用條件,（5）船內(nèi)艙室空間有限 要求動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間較小 （6）船上、港口人員密集 輻射防護(hù)要求高 （7）海洋氣候潮濕,空氣中含有鹽分 設(shè)備應(yīng)具有抗腐蝕性能,10,行業(yè)相關(guān),海上事故（1）,2007年1月9日，日本川崎汽船公司的“最上川”號(hào)

3、大型油輪和美國(guó)“紐波特紐斯”號(hào)核動(dòng)力潛艇在阿拉伯海的霍爾木茲海峽相撞。,油輪局部受損，但沒有人員傷亡，也沒有造成原油和核泄漏事故。,11,行業(yè)相關(guān),海上事故（2）,2000年8月12日，造價(jià)10億美元的俄羅斯核潛艇 “庫爾斯克”號(hào)在巴倫支海爆炸沉沒，118人殉難 反應(yīng)堆處于安全關(guān)閉狀態(tài)，沒有造成核泄漏,12,行業(yè)相關(guān),核動(dòng)力潛艇的艙室空間,核電站的主控 室與汽機(jī)廠房,13,行業(yè)相關(guān),2.主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),（1）安全性 （2）裝置功率 （3）經(jīng)濟(jì)性 （4）重量尺寸 （5）可靠性 （6）適航性 （7）生命力 （8）機(jī)動(dòng)性 （9）隱蔽性,14,行業(yè)相關(guān),（1）安全性,含義：對(duì)船上所有人員的健康和對(duì)周

4、圍環(huán)境的清潔與安全有切實(shí)可靠的保證。 正常條件下，對(duì)人員的放射性輻照低于法定水平。 事故情況下，安全系統(tǒng)及時(shí)投入，防止放射性物質(zhì)外泄。 是船舶安全的基礎(chǔ)，是諸項(xiàng)指標(biāo)中最基本的要求； 核安全始終是在核動(dòng)力裝置的研制和使用中的首要問題。,15,行業(yè)相關(guān),a.安全性要求,雖然核動(dòng)力裝置發(fā)生危險(xiǎn)的可能性并不比其他動(dòng)力裝置大，但萬一發(fā)生事故就會(huì)對(duì)環(huán)境和人員造成輻射； 核動(dòng)力艦船的檢修和換料需要設(shè)置專用的碼頭和設(shè)施，運(yùn)行和維修過程中產(chǎn)生的放射性廢物需要適當(dāng)?shù)奶幚恚?為保證核動(dòng)力艦船在意外和遭受攻擊的情況下不發(fā)生核污染事故，核動(dòng)力裝置必須有很高的固有安全性。 保證堆芯不燒毀； 保證放射性物質(zhì)不泄漏。,16,

5、行業(yè)相關(guān),b.輻射防護(hù)措施,核反應(yīng)堆工作時(shí)，不可避免有強(qiáng)烈的放射性輻射，這就要求特別的屏蔽，限制或根本不讓艇員進(jìn)入潛艇的某些部位。 廣泛采用自動(dòng)化設(shè)備，不斷監(jiān)測(cè)空氣的放射性和采用其他一些安全措施。 對(duì)船員照射劑量的極限值都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。,17,行業(yè)相關(guān),c.安全性設(shè)計(jì)原則,多道屏障 燃料芯塊及包殼 一回路承壓邊界 反應(yīng)堆艙 縱深防御 預(yù)防事故發(fā)生 防止運(yùn)行偏差發(fā)展為事故 限制事故后果 應(yīng)急計(jì)劃,18,行業(yè)相關(guān),安全措施示意圖,19,行業(yè)相關(guān),（2）裝置功率,含義：指主汽輪機(jī)組輸出有效功率，即船舶推進(jìn)器的輸入功率。 有效功率=汽輪機(jī)內(nèi)功率-汽輪機(jī)機(jī)械損失-齒輪減速器損失-軸系損失,20,行業(yè)

6、相關(guān),a.裝置功率與船舶航速的關(guān)系,裝置有效功率 Ne 與船舶航速 vs、排水量 D 之間存在如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式： 推進(jìn)功率與航速的立方成正比 排水量一定的艦船，推進(jìn)功率越大，航速則越高 高航速對(duì)于提高艦船的作戰(zhàn)能力極為有利,21,行業(yè)相關(guān),b.倒車功率,民用船舶： 倒車功率=（40%50%）正車額定功率 軍用艦船： 倒車功率=（20%40%）正車額定功率 軍用艦船推進(jìn)功率通常大于民用船舶 核動(dòng)力裝置中設(shè)置專門的倒車汽輪機(jī)來實(shí)現(xiàn)倒車,22,行業(yè)相關(guān),（3）經(jīng)濟(jì)性,含義：反應(yīng)堆熱功率用于推進(jìn)船舶的功率份額，表示能量利用的有效程度。 核動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性好，意味著核燃料的消耗相對(duì)較少，可延長(zhǎng)換料周期 軍

7、用核動(dòng)力艦船在服役期內(nèi)的換料次數(shù)減少，可以提高在航率，減少船殼大切口的次數(shù)，同時(shí)還可以減少換料過程中產(chǎn)生的放射性廢物,23,行業(yè)相關(guān),a.核動(dòng)力裝置的朗肯循環(huán),4-5-1：定壓吸熱過程 1-2：絕熱膨脹過程（1-2a：實(shí)際膨脹過程） 2-3：等溫（定壓）放熱過程 3-4：壓縮過程,24,行業(yè)相關(guān),裝置效率 定義為裝置有效功率與反應(yīng)堆輸出熱功率的比值，即 裝置總效率 定義為裝置輸出總能量與反應(yīng)堆輸出熱功率的比值，即,b.常用的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),npp = 16%21% ,25,行業(yè)相關(guān),（4）重量尺寸,裝置干重 裝置的機(jī)械、設(shè)備和管系的重量 裝置濕重 裝置干重 + 裝置運(yùn)行所必需的水和油的重量 裝置貯

8、備重量 液體的貯備重量消耗材料的重量和貯備儀器重量 裝置總重= 裝置濕重 + 裝置貯備重量,26,行業(yè)相關(guān),a.重量指標(biāo),單位功率的重量 裝置重量與裝置有效功率的比值，t/kW 裝置相對(duì)重量 裝置重量與船舶排水量之比,27,行業(yè)相關(guān),b.尺寸指標(biāo),容積飽和度 裝置有效功率與動(dòng)力裝置艙室容積的比值，kW/m3 面積飽和度 裝置有效功率與動(dòng)力裝置艙室面積的比值，kW/m2 長(zhǎng)度飽和度 裝置有效功率與動(dòng)力裝置艙室長(zhǎng)度的比值，kW/m 通常：,28,行業(yè)相關(guān),（5）可靠性,含義：裝置在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、在規(guī)定的使用條件下完成規(guī) 定功能的能力。 可靠性對(duì)于保證核動(dòng)力裝置的可用性極為重要，是保證核動(dòng)力艦船充分

9、發(fā)揮戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)性能的重要前提之一,29,行業(yè)相關(guān),a.可靠性指標(biāo),可靠度 設(shè)備在規(guī)定的條件下和預(yù)期使用期內(nèi)完成其功能的概率，即不發(fā)生故障的概率。 故障率（或失效率） 平均失效間隔時(shí)間 設(shè)備可用率、故障運(yùn)行率 維修度,30,行業(yè)相關(guān),a.故障率隨時(shí)間變化的“浴盆”曲線,31,行業(yè)相關(guān),b.可靠性要求,核動(dòng)力艦船的自給力提高，續(xù)航力增大，同時(shí)又限制人員接近核動(dòng)力裝置的很多部位，這就要求主機(jī)、輔機(jī)、系統(tǒng)、減速器等的工作有高度的可靠性，也就要求核動(dòng)力裝置的主要部件有很高的強(qiáng)度； 核動(dòng)力裝置要有備用的機(jī)械、閥件、系統(tǒng)等； 有良好的人-機(jī)-環(huán)境，減少人因失誤。,32,行業(yè)相關(guān),（6）適航性,含義：在航行時(shí)

10、，動(dòng)力裝置受到某種限定海洋條件下的影響，仍然能夠保證安全運(yùn)行的能力。 海洋條件： 海洋環(huán)境對(duì)核動(dòng)力裝置造成的搖擺、傾斜和升沉等，使核動(dòng)力裝置承受附加的加速度。 因艦船長(zhǎng)期在海洋環(huán)境中工作，所以要求核動(dòng)力系統(tǒng)、設(shè)備和操縱機(jī)構(gòu)等能在搖擺、沖擊和振動(dòng)條件下穩(wěn)定可靠地工作。,33,行業(yè)相關(guān),a.艦船運(yùn)動(dòng)的類型數(shù)據(jù),水面艦船甲板傾斜度,水面非軍用船加速度,數(shù)據(jù)來源： 國(guó)際海事機(jī)構(gòu)（OMCI）,34,行業(yè)相關(guān),b.設(shè)計(jì)限值,西屋公司 縱傾5，橫傾15 縱搖7，橫搖30（周期10s） 其它要求 橫搖45（周期79s），縱搖15（周期68s） 長(zhǎng)期允許任何方向有20的持續(xù)傾斜 短期（小于3min）允許任何方向

11、有45的傾斜 沖擊加速度3g,35,行業(yè)相關(guān),（7）機(jī)動(dòng)性,含義：動(dòng)力裝置在一定時(shí)間內(nèi)改變運(yùn)行工況的能力。 機(jī)動(dòng)性的內(nèi)容： 啟動(dòng)時(shí)間從冷態(tài)到熱態(tài)所需時(shí)間 變速能力改變功率水平的時(shí)間 變向能力正、倒車轉(zhuǎn)換時(shí)間及倒航時(shí)間 續(xù)航力艦船裝載一次燃料所能持續(xù)航行的距離,36,行業(yè)相關(guān),機(jī)動(dòng)性要求,由于艦船機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn)，船用核動(dòng)力裝置相比陸用的需要額繁地改變功率，且航行中運(yùn)行工況變化也較大。 作戰(zhàn)艦艇航速的大幅度迅速變化； 快速升負(fù)荷，3060s內(nèi)，裝置功率從10%升至100% 快速降負(fù)荷，2s內(nèi)，裝置功率從100%下降到10% 事故情況下，0.81.2s內(nèi)實(shí)現(xiàn)停堆 破冰船破冰過程 核動(dòng)力航母蒸汽彈射過程

12、,37,行業(yè)相關(guān),（8）生命力,含義：在遭到戰(zhàn)斗破損或事故破損時(shí)，裝置能夠保證或者可能恢復(fù)其功能的能力。 對(duì)于在海洋中航行執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的軍用艦船，動(dòng)力裝置的生命力直接關(guān)系到艦船的生死存亡 對(duì)于承擔(dān)戰(zhàn)略使命的核動(dòng)力潛艇，動(dòng)力裝置的生命力甚至關(guān)系到國(guó)家的命運(yùn),38,行業(yè)相關(guān),a.生命力保障措施,主動(dòng)力分組布置（如雙機(jī)方案 ） 應(yīng)急貯備（關(guān)鍵設(shè)備完全備份） 采用互換性好的設(shè)備和儀表 重要設(shè)備單獨(dú)供電，設(shè)置應(yīng)急供電系統(tǒng) 重要消耗品分散布置 具有破損報(bào)警裝置及隔離裝置,39,行業(yè)相關(guān),b.生命力設(shè)計(jì)實(shí)例,美國(guó)的“飛魚”號(hào)及其以后所有美國(guó)核潛艇上普遍采用機(jī)械設(shè)備的“雙重設(shè)置”原則，即同一設(shè)備有兩套的設(shè)計(jì)原

13、則。 前蘇聯(lián)/俄羅斯在生命力研究和設(shè)計(jì)中也很重視這一原則。核潛艇動(dòng)力裝置的主要部件（除了反應(yīng)堆、減速器、軸系和螺旋槳外）都盡可能雙重配置，有些核潛艇設(shè)置兩座反應(yīng)堆,40,行業(yè)相關(guān),（9）隱蔽性,含義：動(dòng)力裝置運(yùn)行過程中發(fā)出的物理場(chǎng)不被外界探測(cè)到的能力。 隱蔽性是提高艦船生存能力的重要手段，在“發(fā)現(xiàn)即摧毀”的今天，隱蔽性顯得尤其重要 隱蔽性也是達(dá)到作戰(zhàn)突然性的重要前提,41,行業(yè)相關(guān),a.影響隱蔽性的主要因素, 噪聲 主冷卻劑泵、齒輪減速器、螺旋槳等回轉(zhuǎn)設(shè)備 流體噪聲 放射性 放射性廢物的排放 放射性物質(zhì)的泄漏,42,行業(yè)相關(guān),b.提高隱蔽性的措施,控制水下噪聲水平 消除噪聲源 采用自然循環(huán)反應(yīng)

14、堆；使用電力推進(jìn)；提高運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備加工精度；采用泵噴推進(jìn)器 隔離噪聲源 使用減振器、隔離殼和吸音材料，采用整體式減振浮筏 控制放射性外泄強(qiáng)度 限制排入海水中的放射性物質(zhì)； 保證對(duì)反應(yīng)堆足夠的放射性屏蔽。 增大下潛深度，利用海洋背景提高隱蔽性,43,行業(yè)相關(guān),c.“東芝事件”的背后,20世紀(jì)80年代初，日本東芝機(jī)械公司背著巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)，向前蘇聯(lián)出售了4臺(tái)高精密的加工船用螺旋槳的數(shù)控機(jī)床 前蘇聯(lián)使用這種銑床加工出高質(zhì)量、低噪音的大型船用螺旋槳，將新型核潛艇的噪音大幅下降，致使美國(guó)的一艘核潛艇于1986 年10月在直布羅陀附近海域跟蹤前蘇聯(lián)核潛艇時(shí)與其發(fā)生了相撞事件 在此之前，前蘇聯(lián)海軍核潛艇在200

15、海里以外有所動(dòng)作，美國(guó)核潛艇不僅能夠發(fā)現(xiàn)，而且能夠辨別其特征 美國(guó)極為震怒，向日本政府施壓，嚴(yán)厲制裁東芝公司，許多當(dāng)事人被捕 ，這就是哄動(dòng)一時(shí)的“東芝事件”,44,行業(yè)相關(guān),1.4 船舶核動(dòng)力裝置的發(fā)展趨勢(shì),1.國(guó)外船舶核動(dòng)力裝置的發(fā)展概況 2.船舶核動(dòng)力裝置技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),45,行業(yè)相關(guān),1.國(guó)外船舶核動(dòng)力裝置的發(fā)展概況,美國(guó) 前蘇聯(lián)/俄羅斯 英國(guó) 法國(guó),46,行業(yè)相關(guān),“鰩魚”級(jí)(4)，19551959 “鰹魚”級(jí)(6)，19561961 “長(zhǎng)尾鯊”級(jí)(14)，19581967 “鱘魚”級(jí)(37)，19631974 “洛杉磯”級(jí)(62)，19761996 “海狼”級(jí)(3)，19952001

16、“弗吉尼亞”級(jí)(3)，19962004 7級(jí)，共計(jì)131艘 ,“華盛頓”級(jí)(5)，19571961 “伊桑艾倫”級(jí)(5)，19591967 “拉菲特”級(jí)(31)，19611967 “俄亥俄”級(jí)(18)，19761997 4級(jí)，共計(jì)59艘 ,SSN,SSBN,.美國(guó),47,行業(yè)相關(guān),發(fā)展研制分代,48,行業(yè)相關(guān),美國(guó)發(fā)展的船用堆系列,1. 西屋公司的SW系列 陸上模式堆：S1W，A1W 裝艦堆：S2W，S3W/ S4W，S5W，S5W-，S6W A2W，A4W，C1W 2. 通用電氣公司的SG系列 陸上模式堆： S1G，S3G，S7G 裝艦堆：S2G，S4G，S5G，S6G，S8G，S9G D2

17、G，A1G,49,行業(yè)相關(guān),美國(guó)船用動(dòng)力堆的命名規(guī)則,兩個(gè)字母中間加一個(gè)數(shù)字：,50,行業(yè)相關(guān),表1 美國(guó)潛艇堆主要性能表,51,行業(yè)相關(guān),N級(jí)，13 V-I級(jí)，16 V-II級(jí)，7 V-III級(jí)，25 “阿爾法”級(jí)，7 M級(jí)，1 “鯊魚”級(jí)，12 “塞拉”級(jí)，6,H級(jí)，8 Y級(jí)，34 D-級(jí)，18 D-級(jí)，4 D-級(jí)，14 D-級(jí)，7 “臺(tái)風(fēng)”級(jí)，6,攻擊型,彈道導(dǎo)彈型,E-級(jí)，5 E-級(jí)，29 C-級(jí)，12 C-級(jí)，6 P級(jí)，1 “奧斯卡”- 級(jí)，2 “奧斯卡”-級(jí)，12,巡航導(dǎo)彈型,. 前蘇聯(lián)/俄羅斯 19502003：建造248艘核潛艇和5艘水面艦艇,52,行業(yè)相關(guān),前蘇聯(lián)/俄羅斯,壓

18、水堆緊湊布置 直管式高效直流蒸汽 發(fā)生器 安靜性 “雅森”級(jí),第一代 50-60年代,第二代 60-70年代,第三代 80-90年代,第四代 20世紀(jì)末,發(fā)展過程,壓水堆、單流程 螺旋管式管內(nèi)直流蒸汽發(fā)生器 Y級(jí)、D級(jí)、C級(jí)、V級(jí),通用化、模塊化 列管式直流蒸汽發(fā)生器 臺(tái)風(fēng)級(jí)、奧斯卡、S、阿拉庫,壓水堆、雙流程 盤管式管外直流蒸汽發(fā)生器 “阿爾法”級(jí)攻擊核潛艇,53,行業(yè)相關(guān),英國(guó),購(gòu)買美國(guó)潛艇壓水堆,研制A、B、Z三種堆芯 勇士、快速、特拉法爾加,研制成果G、 前衛(wèi)級(jí)核潛艇,S5W,PWR-1,PWR-2,54,行業(yè)相關(guān),法國(guó),1960年建立路上模式堆PAT 1971年CAP攻擊核潛艇陸上模

19、式堆 1983年CAS-48一體化壓水堆（“紅寶石”級(jí)攻擊核潛艇） 200年“戴高樂”號(hào)核動(dòng)力航母,55,行業(yè)相關(guān),2.船舶核動(dòng)力裝置技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),提高安全可靠性 延長(zhǎng)堆芯壽命 增強(qiáng)自然循環(huán)能力 減振降噪,56,行業(yè)相關(guān),.提高安全可靠性,提高反應(yīng)堆的固有安全性； 提高反應(yīng)堆的自然循環(huán)能力； 采用非能動(dòng)安全系統(tǒng)； 提高自動(dòng)控制水平、減少誤操作。,57,行業(yè)相關(guān),.延長(zhǎng)堆芯壽命,堆芯壽命：反應(yīng)堆一次裝料所使用的時(shí)間。 提高轉(zhuǎn)換比和堆芯中子經(jīng)濟(jì)性； 燃料元件采用稠密柵布置； 優(yōu)化燃料元件結(jié)構(gòu)； 采用可燃毒物控制，適當(dāng)加大燃料的初始裝載量。,58,行業(yè)相關(guān),.增強(qiáng)自然循環(huán)能力,增大反應(yīng)堆與蒸汽發(fā)生器之間的熱中心位差 減小一回路及其相應(yīng)設(shè)備的流動(dòng)阻力 強(qiáng)化蒸汽發(fā)生器的換熱特性 改進(jìn)反應(yīng)堆結(jié)構(gòu) 增大堆芯進(jìn)、出口冷卻劑的溫差，適當(dāng)提高堆芯含汽率 采取適當(dāng)控制措施，減小海洋條件對(duì)自然循環(huán)的不利影響,59,行業(yè)相關(guān),.減振降噪,采用全電力推進(jìn) 在結(jié)構(gòu)上使動(dòng)力機(jī)械與艇體分離，采用彈性減振機(jī)座和其它減振、消音措施 改進(jìn)螺旋槳設(shè)計(jì)，提高螺旋槳加工精度 采用泵噴射推進(jìn)器 采用自然循環(huán)反應(yīng)堆，消除主泵的運(yùn)行噪聲 采用高強(qiáng)度材料制造艇體，增大下潛深度,60,行業(yè)相關(guān),泵噴推