轮机概论 大连海事大学.doc

轮机概论前 言本书主要根据航海类专业教学指导委员会制定的海洋船舶驾驶专业轮机概论课程教学计划规定的内容编写的。全书共分七章，分别简要讲述了轮机管理及热工基本知识；船舶柴油机动力装置；船舶推进装置；船舶辅助设备；船舶甲板机械；船舶通用系统；船舶电器设备概述。目前驾驶员在船上的职责范围在不断扩大，其知识结构也要进行相应调整，使其适应新的船舶管理模式。在轮机方面，要求驾驶员能熟练操作的机械设备除甲板机械外，还包括主柴油机；救生艇机；压载泵；应急消防泵；减摇和侧推装置；甲板空压机和油船专用系统等。本书简要介绍了以上各种设备的结构和工作原理，同时还介绍了设备的管理和使用方面的知识。力求理论结合实际，使本书成为驾驶员必备的工具书。本书还可作为航海院校其他与船舶有关的陆上专业的选修教材和参考书。本书第一章由吴桂涛博士编写；第二章由朱峰轮机长编写；第三章由迟华方轮机长编写；第四章由边克勤轮机长编写；第六章由张兴彪轮机长编写；第五章和第七章由吴晓光轮机长编写；本书由吴晓光和吴桂涛主编。编者2007年5月第1章 轮机管理基础1.1 轮机概述1.2 热工基础知识第2章 船舶柴油机动力装置2.1 柴油机工作原理2.2 柴油机基本结构和实例 2.3 柴油机的工作系统2.4 柴油机的操纵系统2.5 柴油机的运转特性 2.6 柴油机的主要工作指标2.7 柴油机运行管理（主要的维修工作；正常操作管理）第3章 船舶推进装置3.1 船舶推进装置的传动方式3.2 轴系的组成3.3 螺旋桨及螺旋桨特性3.4 可调螺距螺旋桨第4章 船舶辅助设备4.1 船用泵4.2 液压泵和液压马达4.3 船舶海水淡化装置4.4 船舶制冷与空调装置 4.5 活塞式空气压缩机4.6 船舶辅锅炉第5章 船舶甲板机械5.1 船舶起货机5.2 液压舵机5.3 液压锚机和系缆机船舶减摇鳍5.4 船舶减摇鳍5.5船舶侧推装置第6章 船舶通用系统6.1 舱底水系统6.2 压载系统6.3 日用水系统6.4 油船专用系统第7章 船舶电气概述7.1 船舶电力系统7.2 轴带发电机7.3 船舶电气安全管理第1章 轮机管理基础1.1 轮机概述随着国际贸易的发展和造船技术的不断提高，以及机电设备和装卸机械的日渐改进，当前世界海上运输船正向大型化、专业化和自动化的方向发展，对船员的素质要求也越来越高。做为一名船舶驾驶人员和未来的船长，只有充分认识了管理对象即船舶，才能更好的操纵和管理船舶。而轮机是船舶的动力核心，有必要对其有一个全面的了解。1.1.1 轮机的涵义船舶动力在其发展史上，经历了以人力和风力等自然力作为推进手段的漫长岁月，直到1807年“ 克赖盟特 ”号这艘以蒸汽机作为推进动力机械的船舶的建成，才开始了船舶以机械作为推进动力的新纪元。那时的蒸汽船的推进装置，是由蒸汽机带动一个桨轮推进装置，这种推进器的大部分露在水面，人们称之为“ 明轮 ” ，而把装有明轮的船称之为 “ 轮船 ”，把产生蒸汽的锅炉和驱动明轮转动的蒸汽机等成套设备称为“ 轮机 ” ，所以当时的“ 轮机”仅是推进设备的总称。然而，随着科学技术的进步以及船舶在功能上向着多样化、专业化和完善化的方向发展，增设和完善了各种系统，如船舶电站、起货机械、冷藏和空调装置、淡水系统、压载和消防系统等，扩大了“ 轮机 ”一词所包含的范围，丰富了“ 轮机 ”的内容。简而言之，轮机是为了满足船舶航行、各种作业、人员的生活、人员和财产安全等各种需要所设置的全部系统及其设备的总称。轮机在工程上被称之为船舶动力装置，二者的意义是一样的。 图1-1 机舱位置示意图 图1-2 机舱纵剖面和底层布置图机舱是船舶的心脏（图1-1；图1-2示出了机舱在全船的位置和机舱纵剖面图）。轮机技术管理是在船公司机务部门指导下由船上轮机部具体负责。因为船舶航行条件的多变性、发生事故后果的严重性、船舶动力装置的复杂性，对船舶动力装置的管理要求极高，所以要求从事船舶动力装置的管理人员，必须有高度的责任心、独立发现问题和解决问题的能力。1.1.2 轮机的组成 一艘现代化船舶实际上已成了一个现代化工业技术成就的集合，是一座可以在水上移动的“ 现代化城市 ”。这座“水上现代化城市”能够自如地在水上航行，有着顽强的生命力，抵御各种复杂多变的外部环境和自身可能产生的危险，适合人员居住和生活，能完成各种特定的作业。而轮机正是产生机械能、热能、电能和其他形式的能以满足船舶这座“ 水上现代化城市 ”需要的能源中心或动力场。 根据系统科学的观点，轮机是一个动力机械类性质的系统工程，不能把轮机理解成在机舱中或甲板上机械设备的简单组合。轮机工程是为满足船舶的各种功能，把各种设备或部件结合进各种系统的系统工程。由此，根据组成船舶轮机的各种系统、机械和设备所起作用的不同，可以将其分为以下几个部分： 1 主推进装置推动船舶航行的系统。包括主机及附属系统、传动设备、轴系和推进器。主机发出动力，通过传动设备及轴系驱动推进器产生推力，使船舶克服阻力以某一航速航行。2 辅助装置产生各种能量供应船舶航行、作业和生活设施的需要。包括供全船使用的船舶电站、辅锅炉、液压泵站和压缩空气系统等。 3 确保船舶生命力和安全的设备，以保证船舶的抗沉性和安全性。包括舱底水系统、监视及灭火系统等。当船舶货舱或机舱进水或发生火灾时，及时发现并消灭险情，以保证船舶安全。 4 确保船舶工作能力的设备，包括锚机、舵机、装卸货设备以及满足船舶各种专用功能的设备，这些设备能满足船舶正常的靠离港、装卸货物以及其它用途。 5 保证船上人员正常生活的设备，包括通风系统、空调系统、照明系统、生活水系统等。这些系统及设备能为船上人员提供舒适的生活条件和工作环境。 6 能够有效环保地处理船舶产生的各种垃圾的系统，包括油水分离系统、生活污水处理系统以及焚烧炉等。这些系统及设备能有效地处理船舶生活场所及工作场所所产生的各种污染物，保证船舶不会对大气及海洋产生污染。 船舶轮机的组成情况大体如上所述，但不能一概而论。随着船舶的大小、种类、用途、航线等情况不同将会有所变化。如油轮就没有起货装置，而必须有货油泵和惰性气体系统；经常靠离码头的船舶往往设有侧推器；大型客轮通常设有减摇装置；工程船根据任务不同就更具特色。1.1.3 船舶动力装置的分类按照惯例，通常把推进船舶的机械称为“ 主机 ”，相应地把其他的一些机械设备定义为“ 辅机 ”。船舶主机无论从重要程度还是制造成本来看，都处于最显著的地位，因此船舶动力装置一般按主机的型式进行分类：1 蒸汽动力装置：利用锅炉所产生的蒸汽来工作的机器叫蒸汽机。蒸汽机分为往复式蒸汽机和回转式蒸汽机两种。往复式蒸汽机最早应用于海船，后来由于其它发动机的挑战，因其经济性差、体积和重量大而被取代。汽轮机自装船使用以来，由于受柴油机的挑战，一直发展比较慢，目前只有少数的大型油轮或化学品船及军用船舶采用汽轮机作为主推进装置。2 柴油机动力装置利用燃料直接在机器内部燃烧所产生的燃气来工作的机器叫内燃机。根据所用燃料（如汽油、柴油等）的不同，内燃机分为汽油机、柴油机等。采用柴油机作为主机的动力装置称为柴油机动力装置。柴油机经济性好，安全可靠，目前绝大多数商用船舶采用这种动力装置。3 燃气轮机动力装置利用燃料燃烧所产生的燃气推动叶轮回转的机器称为燃气轮机。采用燃气轮机作为主机的动力装置称为燃气轮机动力装置。这种动力装置由于经济性差、低负荷运转性能差等原因，只在少数商船上得以应用，但在军用舰艇上应用较广。4 联合动力装置为满足军用舰艇的需要，将上述三种动力装置联合加以采用，作为船舶的推进装置称为联合动力装置。联合动力装置的型式有蒸燃联合，柴燃联合，燃燃联合等。这几种联合动力装置在商船上应用极少。此外还有另外一种联合动力装置型式电力推进装置，这种装置是船舶柴油机驱动发电机，将产生的电力提供给船舶电站，由船舶电网供电给带动螺旋桨的电动机。电力推进主要应用在舰艇上，但由于其噪音小、机动性好等因素，在大型游轮等商用船舶上也获得了应用，并且应用前景广阔。目前，一种吊舱式推进装置（podded propulsion）已在大型旅游船舶上取得了惊人的霸权地位。5 核动力装置这类装置利用原子反应堆所发出的热来产生蒸汽，供给汽轮机工作。若按主机类型分，它也应属于汽轮机动力装置。但为了突出它是采用原子反应堆的装置，所以称之为原子能动力装置。这种动力装置造价高，操纵、管理、检查系统复杂，因此在商船上应用甚少，主要用于军用舰艇上。6 特种动力装置特种动力装置是指在特种用途船舶上应用或正在研究发展的动力装置，如高速船上的喷水推进装置，正在研究的燃料电池推进装置等等。1.1.4 对船舶动力装置的要求各种船舶动力装置虽存在着类型、传动方式及航区等条件的不同，但对一些基本性能却有着共同的要求。1. 可靠性：可靠性对船舶动力装置来说具有特别重要的意义。船舶航行中，可能长期离开陆地，若影响航行的重要部件发生故障，在复杂航行环境和严峻的气象条件下，有可能导致海损和严重的海洋污染。可靠性不足还会降低营运效益。 2经济性：船舶在营运中，动力装置的运行及维护费用占船舶总费用的比例很大，现在已超过50，为提高船舶的营运效益，使船东能获得最大的经济效益，必须尽量提高动力装置的经济性。3机动性：船舶机动性指的是改变船舶运动状态的灵敏性，它是船舶安全航行的重要保证。船舶启航、变速、倒航和回转性能是船舶机动性的主要体现。4重量和尺度：动力装置的重量和尺度直接影响船舶载货量和货舱容积，因此为了提高船舶的经济效益，应力求减少动力装置的重量和尺度。5续航力：续航力是指船舶不需要补充任何物资（燃油、滑油、淡水等）所能航行的最大距离或最长时间。它是根据船舶的用途和航区确定的。为了满足船舶续航力的要求，船上必须设有足够大小的油、水舱柜。除了以上要求外，还要求动力装置便于维护管理，有一定的自动化程度，振动轻、噪音小，同时必须能满足造国家和国际相关海事机构制定的规则和规范。1.1.5 船舶机舱自动化等级和主机遥控1船舶机舱的自动化等级随着造船工业的发展，船舶机舱的自动化程度越来越高，为了表示船舶机舱的自动化程度，中国船级社(ccs)给不同自动化等级的机舱设立了附加标志：aut-0推进装置由驾驶室控制站遥控，机器处所包括机舱集中控制室（站）周期无人值班；mcc机舱集中控制室（站）有人值班对机电设备进行监控；brc推进装置由驾驶室控制站遥控，机器处所有人值班。应当需要强调的是，所有具有自动化等级附加标志的入级船舶的安全性，应与机电设备有人直接看管的船舶相同。并应有措施保证当自动化系统失效时，能在机旁对机电设备进行有效的人工操作。由于现代控制系统的完善和控制设备的可靠工作，机舱可以在较长时间内无须有人值班。这种在一定时间内无人值班的机舱，称无人机舱。中国船级社(ccs)无人机舱的附加标志为aut0，英国劳氏船级社(lr)的附加标志为ums(unattended machinery spaces)。目前新造远洋船舶基本都采用了无人机舱，为了在机舱设备无人照看期间确保机舱设备和船舶的安全，无人机舱的船舶必须具备以下基本功能：能在驾驶室和集控室对主机进行遥控；辅助机械设备能在集控室进行遥控，其中有些设备还要能进行自动切换；机械设备的运行参数能够自动控制；对主机和辅助机械运行参数进行集中监测、记录、报警及故障保护；能够提供应急电力，包括自动起动备用发电机，自动实现同步并车、负载转移及解列，自动起动应急发电机向基本设备供电和提供应急照明等。能够进行机舱及全船火警探测和自动灭火。在具有上述全部功能或主要功能的基础上，根据设备的可靠程度，可以实行8h、16h或24h无人机舱。在实行无人机舱的船舶上，轮机长房间和轮机员房间都设有对主要运行参数的故障报警和故障显示的装置。轮机员除了定期到机舱巡视检查外，不需要到机舱值班。只要把转换开关转到值班轮机员房间，值班轮机员在房间内就可以监视机舱内各种机械设备的运行情况。如果发生故障或出现不正常现象，由值班轮机员下机舱进行必要的处理。2主机遥控主机遥控是指，离开机旁在驾驶台或集中控制室对主机进行远距离操纵的一种方式。按照所利用的能源，主机遥控系统可以分为全气动方式，全电气方式以及气电混和式三种。全气动方式遥控系统的控制元件结构简单，动作可靠，便于维护管理，并具有较大的输出功率。但对气源的要求较高，否则气动元件可能由于脏堵、锈蚀、卡阻等原因产生误动作。此外，因为空气的可压缩性和流动阻力，气动元件的响应速度较慢，当气压信号传递距离较远时，会出现较大的滞后现象。电气控制系统的优点是，信号的远距离传递迅速，元件体积小，结构紧凑，保养工作量小，能实现较复杂的逻辑控制功能。特别是便于采用单片机或微型计算机控制，以实现更加完善的控制功能。但是这种系统的工作性能可能会受温度和电气干扰，同时要求管理人员具有较高的电气管理水平。气电式遥控系统综合了前两种控制系统的优点，比较受欢迎，是目前应用较多的控制方式。1.1.6 轮机人员的职责与分工轮机人员的职责分工在各船舶公司虽不尽相同，但大体上是一致的。基本上分为远洋和近海两类，其区别仅在于某些机械设备的主管检修分工有所不同。1.轮机长（1）轮机长是全船机械、动力、电气（无线电通信导航和甲板部使用的电子仪器除外）设备的技术总负责人，同时也是船舶的主要领导。（2）制定本船各项机电设备的操作规程、保养检修计划、值班制度、贯彻执行各项规章制度，保证安全生产。（3）负责组织轮机员、电机员、冷藏员制定修船计划、编制修理单和预防检修计划，组织领导修船，进行修船工作的验收。（4）负责燃油、润滑油、物料、备件的申领，造册保管和合理使用，节约能源，降低成本。（5）负责保管轮机设备的证书、图纸资料、技术文件，及时报告船长申请检验。（6）经常亲自检查机电设备的运行情况，调整不正常的运行参数，检查和签署轮机日志、电机日志。指导相关轮机员或自己填写油类记录簿。（7）培训和考核轮机人员。（8）在发生紧急事故时指挥机舱人员进行抢修和抢救工作。（9）监督和签署轮机员、电机员、冷藏员的调任交接工作。2.大管轮（1）大管轮是轮机长的主要助手，在轮机长的领导下进行工作，轮机长不在时代理轮机长的职务。大管轮负责领导轮机部人员进行机电设备管理、操作、保养和检修工作，教育所属人员严格遵守工作制度，操作规程和劳动纪律，保证轮机部的各种规章制度正确执行，保证按时完成轮机部的航次计划和昼夜计划工作。（2）负责维持机舱秩序，对机舱、工作间、材料间、备件工具及机电设备的整洁进行监督和检查，防止锈蚀、损坏和遗失，负责组织轮机部各舱室的油漆工作。（3）负责保持轮机部有关安全的设备，如应急舱底阀、燃油应急开关、机舱水密门、安全阀、机舱灭火设备、起重设备、危险警告牌、重要的防护装置等经常处于可靠状态，定期进行必要的检查试验，并负责指导有关人员熟悉正确的管理和使用方法。（4）负责管理主机、轴系及为主机直接服务的辅机，并负责管理舵机、冷藏设备，贯彻执行操作规程，并对操作管理方法随时提出改进意见，经轮机长批准执行。不设电机员的船舶，还应负责其管理设备的电气部分的维修和保养工作。（5）负责编制本人管理的机械设备的计划修理单、航次修理单和自修计划；审核和汇编其他轮机员的修理单和自修计划，并维护机舱的安全。（6）负责综合轮机部的预防检修和自修计划，在轮机长批准后执行。（7）负责贯彻执行轮机部备件和物料的定额制度，及时收集、综合并审查工具、备件、物料的申领单交轮机长核定。（8）负责保管本人使用过的技术文件、仪器、工具等。（9）负责安排航行及停泊时的检修工作，组织领导检查、清洁、油漆工作。（10）监督轮机部一般船员的交接工作。3.二管轮（1）在轮机长和大管轮的领导下进行工作，负责管理发电原动机及为它服务的机械设备、机舱内部分辅机和轮机长指定由他负责的其他设备。（2）负责指定本人主管的机械设备的预防检修计划，进行检查、测量及修理，记载并保管修理记录簙。不设电机员的船舶，还应负责其管理设备的电气部分的维修和保养工作。（3）负责编制本人主管的机械设备的计划修理单和航次修理单，提交大管轮审核，修理期间，协助监工，验收并参加自修工作。（4）负责本人主管的机械设备的备件和专用物料的申领、验收和报销，妥善保管，防止锈蚀、损坏或遗失。（5）负责加装燃油（驳油），进行燃油的测量、统计和记录工作（外派船一般由三管轮负责）。（6）负责保管拨交本人使用的技术文件、仪器、工具和备件等。（7）在航行时轮值航行班。停泊时，领导由大管轮指派的人员进行检修工作，并与大、三管轮轮流留船值班。4.三管轮（1）在轮机长和大管轮的领导下工作，负责管理甲板机械及泵、救生艇、应急救火泵、油水分离器、焚烧炉、空调机、辅锅炉及其附属设备和轮机长指定的其它辅机和设备。（2）负责制订本人主管的机械和设备的预防检修计划，进行检查测量及修理，记载并保管修理记录簙。不设电机员的船舶，还应负责其管理设备的电气部分的维修和保养工作。（3）负责编制本人主管的机械设备的修理计划、修理单和航次修理单，提交大管轮审核。（4）负责本人主管的机械设备的备件和专用物料的申领、验收和报销，监督妥善保管，防止锈蚀、损坏或遗失。（5）负责保管拨交本人使用的技术文件、仪器、工具和备件等。（6）在航行时值航行班，停泊时领导由大管轮指派的人员进行检修工作，并与大、二管轮留船值班。5.电机员（1）在轮机长的直接领导下，领导电助、电工进行工作。负责船舶电气设备的管理、保养和检修工作。（2）负责管理、保养发电机、电动机、应急安全设备线路、避雷装置、电操舵装置、照明设备、有线电话、电气仪表、电导航及无线电通讯设备的强电部分及其他电气设备。（3）根据预防检修制度，制定电气设备的预防检修计划，提交轮机长批准后执行。（4）负责编制电气部分的计划修理和航次修理的修理单，提交轮机长审核，厂修期间监督并验收厂修工程，参加并组织领导电助、电工、实习生或大管轮派给的人员进行自修工作。（5）开航前，做好开航准备工作。（6）负责电气备件、材料、物料及专用工具的申领、验收、统计和报销，指定专人负责保管上述物品并负责管理记帐簙。（7）负责保管电工日志，按时提交轮机长审签，航次结束时编制航次报告，提交轮机长审签上报。（8）保管电气设备的技术文件、图纸。6.冷藏专员（1）在轮机长和大管轮领导下领导冷藏机工进行工作。（2）按照轮机长的指示，参加并组织领导冷藏机工或由大管轮派给的人员轮流值班和进行检修工作。（3）负责检查并按时记录冷藏库内的温度、湿度，使其经常处于规定的变化幅度之内；经常检查并保持冷藏库系和设备的完整可靠，冷藏设备发生故障时，应立即报告轮机长，并及时进行检修。（4）应贯彻执行冷藏设备的操作规程，防止泄漏，杜绝事故，延长使用寿命，保证冷冻物品的质量，不断研究改进管理办法，报经轮机长批准后执行。（5）负责保持冷藏机室、修理间、材料库、冷藏机及管系和有关设备的清洁整齐。（6）制订预防检修计划，报经轮机长批准执行。（7）编制计划修理和航次修理的修理单，提交轮机长审批。（8）负责冷冻设备所需工具、备件、物料的申领、验收、统计和报销，监督物料和备件的合理使用。（9）负责管理冷藏日志，按时提交轮机长审签。（10）保管冷藏设备的有关技术文件。1.2热工基础知识轮机在工程上被称之为船舶动力装置，常规的船舶动力装置均属于热能动力装置，如蒸汽动力装置、柴油机动力装置以及燃气轮机动力装置等，热能动力装置是将燃料燃烧产生的热能的一部分转化为机械能的装置。要想对热能动力装置有一个清晰的认识，必须具有一定的热工基础知识。1.2.1 热力状态参数一、 工质热能动力装置中将热能转化为机械能的各种流动介质，称为”工质”。例如，燃气是内燃机做功的工质，水蒸汽是蒸汽机做功的工质。在热能动力装置中，把热能转化为机械能是通过工质受热膨胀做功来实现的。因此，作为工质的物质必须具有良好的膨胀性和流动性。二、 状态参数在对热能动力装置进行热力学分析时，通常要在相互作用的各种热力设备中划分出一个（或几个）作为研究对象，这种被划分出来的研究对象称为热力系统。要对热力系统进行分析，首先需要对系统的热力状态进行描述。在热力学中，用来描述系统宏观特性的物理量称为系统的热力状态参数，简称状态参数。常用的状态参数有压力、温度、容积、内能、焓和熵等六个参数。而压力、温度、容积三个状态参数，可直接通过仪表来测量，因此工程上称它们为基本状态参数。状态参数的数值唯一由系统的状态来确定，当系统状态变化时，状态参数的变化量，只与系统的初、终状态有关，而与变化过程或途径无关。1 压力在工程热力学中，把工质垂直作用在单位容积壁面或分界面上的力称为压力。气体的压力是气体分子撞击壁面的宏观结果，因此气体作用在器壁上的压力与单位容积内的分子数和分子的平均移动动能成正比。压力的单位分为国际单位制，工程单位制和英制单位。在国际单位中的力的单位为n/m2，称为“帕”，以符号pa表示，实际多用106pa，称为“兆帕”，以符号mpa表示。各单位之间的换算关系如表11所示。表11 压力单位换算表帕斯卡 巴 工程气压 标准气压 磅力/英寸2 毫米汞柱 米水柱（pa） (bar) (at) (atm) (psi) (torr)n/m2 10n/m2 kgf/cm2 760mmhg 1bf/in2 mmhg mh2o 1 105 1.0197105 0.9869105 1.45104 7.5103 1.021104（1） 大气压力大气压力是由地面上几百公里高的空气层的重量所引起的，以表示，其中下标b表示barometric（大气压力）。有时下标也用a，表示atmospheric pressure（大气压力）。其大小随纬度、高度、空气温度和水蒸气含量而变化。物理学中把纬度45度平均海平面上常年大气压的平均值定义为标准大气压，以符号atm表示。工程上现已规定1atm = 760mmhg = 101325pa = 0.101325mpa。（2） 绝对压力工质作用在器壁上的实际压力称为“绝对压力”，以p表示。（3）表压力用压力表测得的压力数值称为“表压力”，以表示，其中下标g表示gauge（测量仪表）。压力表测定的压力是以大气压力作为测量基准，其数值不是绝对压力，而是绝对压力与当地大气压力的差值，即 = (4) 真空度当容器内的绝对压力比大气压低时，用压力表测得的压力为负值，取其绝对值，称为“真空度”，以表示，其中下标v表示vacuum（真空）。真空度也是表压，其数值是当地大气压与绝对压力的差值，即 = 表压力和真空度是以当地大气压为基准的相对压力，表压力表示比大气压力高出的压力值，真空度表示比大气压力低的压力值，它们之间的关系如图13所示。在工程计算中，当时，可近似取0.1mpa，则绝对压力= + 0.1mpaab大气压力线pgppbpvp图1-3 表压力、真空度和绝对压力的关系2. 温度温度是表明工质冷热程度的状态参数，以表示。温度的数值表示方法叫做温标。常用的温标有以下三种：（1）华氏温标 在标准大气压下，将纯水的冰点标定在32度，沸点为212度，再这两点之间均为180等分，取其中的1份称为华氏1度，记做1f；用符号f表示。（2）摄氏温标 在标准大气压下，将纯水的冰点标定在0度，沸点为100度，再这两点之间均为100等分，取其中的1份称为摄氏1度，记做1c；用符号tc表示。 (3) 开尔文温标 又称绝对温标或热力学温标，以摄氏零下273.15度为零度，每度的间隔和摄氏温标相同。1度记做1k，用符号tk表示。三种温标之间的换算关系是：f = 9/5c + 32c = 5/9(f 32)tk = c + 273.153. 比容和密度质量为1kg的工质所占的容积称为比容，用符号表示，单位为m/kg。设质量为kg的工质所占容积为v m，则其比容为v / m/kg1 m工质具有的质量称为密度，用符号表示，单位为kg/ m。设v m工质的质量为kg，则密度为 = /v由以上两式可知，比容和密度互为倒数，即 = 1/或 = 1/ 4.理想气体状态方程根据气体的试验定律推导的气体的基本状态参数p、t之间的关系即状态方程为p = rt更精确的试验表明，并非所有气体的p、t之间的关系和上式完全相同，有时候偏离很大，而把完全符合上式的气体称为理想气体。而称上式为理想气体状态方程。式中的r称为气体常数，其数值只与气体种类有关，而与气体状态无关，单位为j/(kgk)。例如空气的r为29.3 j/(kgk)，氧气为26.5 j/(kgk)，氮气为30.3 j/(kgk)，二氧化碳为19.3 j/(kgk)。在热能动力装置中所用的空气和燃气以及空气调节设备中的空气中所含的少量水蒸气，均可以按理想气体进行计算。然而蒸汽动力装置中的水蒸气以及压缩制冷装置中的制冷剂蒸汽，不能当作理想气体，不能按适用于理想气体的状态方程进行计算。1.2.2 热与功一、热量在热力学中，把系统和外界由于温差而通过边界传递的能量称为热量，用符号q表示。外界给系统加热，q取正值，反之，系统对外界放热，q取负值。热量单位在si制中为kj（千焦耳），工程单位为kcal（千卡或大卡）。1kcal即在标准大气压下将质量为1kg纯水的温度，从14.5c升到15.5c所吸收的热量。在英制单位中是将标准大气压下1b纯水的温度，从59.5f升高到60.5f所吸收的热量规定为一个热量单位，称为btu(英制单位)。三种单位之间换算关系为1kj = 0.2388kcal = 0.9488btu对质量为1kg工质的加热量（或放热量）称为单位质量热量，用符号表示，其单位为kj/kg或kcal/kg.二、功在热力学中，功的定义为“当封闭系统（与外界没有物质交换的热力学系统）通过边界和外界之间发生相互作用时，如外界的唯一作用是升起重物，则系统对外界做了功；反之，如外界的唯一效果是降低重物，则外界对系统做了功”。如图14所示，取气缸中有一定质量的高压气体作为封闭系统，活塞、曲柄连杆机构和重物为外界。则当系统膨胀时，系统通过边界，对外界做功使重物升起。相反如重物受外界力的作用下降，则外界通过边界对系统做功，使系统压缩。功的单位，在工程制中为kgfm，在si制中为nm，即焦耳。二者之间的换算关系为：1 kgfm 9.8nm 9.8j工程中称单位时间内所作的功为“功率”，其单位为“马力”，或“千瓦”。它们之间的关系为1ps = 75 kgf.m/s = 0.735kw英制马力（hp）比工程制马力(ps)大一点，即1ps = 0.986hp图1-4封闭系统作功三、功和热量的关系功和热量均为系统与外界之间能量传递的方式，两者都是传递过程中出现的能量，单纯说某个系统具有多少功或热量是没有意义的。但是两者有着本质的区别，热量是不规则热运动的能量传递方式，功则是规则运动的能量传递方式。功可以完全地转化为热，热却只能部分地转化为功，而且只能通过工质的热膨胀来实现。四、热效率图15为内燃机动力装置的工作原理简图。燃油在高压下喷入汽缸，同汽缸内的空气混合燃烧产生热量q1，高温高压的燃气膨胀推动活塞移动，并通过连杆曲柄机构变成回转运动，带动推进器回转，对外界做机械功w。做功后的低温低压燃气排出汽缸，并带走热量q2，完成一个工作循环。根据能量守恒定律，工质在一个循环中，对外界做的机械功等于从高温热源吸收的热量q1减去传给低温热源的热量q2，即w = q1q2图1-5 内燃机工作原理我们把效果与代价之比称为热效率，它是衡量热能动力装置的一个经济性指标：= 效果/代价 = w/ q1 = (q1- q2)/ q1 = 1 q2/ q1由于工质向低温热源放热是不可避免的，因此q2永远不可能为0，热效率也就不可能等于1，即热效率永远小于 100。最理想的循环，即效率最高的循环就是所谓的“卡诺循环”，其热效率只与高温热源的绝对温度t1和低温热源的绝对温度t2有关，用公式表示为卡诺 （t1t2）/t1 = 1t2/t11.2.3 水蒸气与湿空气一、 水蒸气的性质水在1atm下加热到100c开始沸腾，再继续加热，水逐渐变为蒸汽而减少，这个过程称为汽化过程。当压力变化时，水开始沸腾的温度也开始变化，因此，将在一定压力下水开始沸腾的温度称为该压力下水的“饱和温度”。压力越高对应的饱和温度越高，如在2atm下的饱和温度为120c。同样在某一温度下，压力只有下降到某一定值时水才开始沸腾，我们称在一定温度下，水开始沸腾时的压力为该温度下的“饱和压力”。水蒸气的饱和压力仅与温度有关，温度越高，饱和压力越高，饱和压力和饱和温度是一一对应的关系。水在等压加热汽化过程中，水和蒸汽的温度均高于饱和温度，而且保持不变。当水完全汽化为蒸汽后，再继续加热蒸汽温度就会升高，压力不变。这样的蒸汽称为过热蒸汽。过热蒸汽的温度与饱和温度之差为过热度，即 s二、 湿空气自然界的空气多少都含有一些水蒸气，工程上称为“湿空气”。空气中可以含有水蒸气的最大限度值与温度有关，温度越高，最大限度值就越大。如果空气中所含水蒸气已经达到最大量，称这时的湿空气为“饱和空气”，通俗一点讲，就是“喝饱水的空气”。如果不是饱和空气，空气就有继续吸水能力，这是的湿空气称为“未饱和空气”，通俗一点讲，就是“未喝饱水的空气”。在一定温度下，1m湿空气中所含的水蒸气与1m饱和空气所含的水蒸气量之比称“相对湿度”。由此可见，干空气中不含水蒸气，其相对湿度为零，而饱和空气的相对湿度为100。相对湿度表示了湿空气接近饱和空气的程度。未饱和空气如果在等压下冷却，其相对湿度将随温度下降而升高，当相对湿度达到100时所对应的温度，称为该湿空气的露点温度，简称为露点。当未饱和空气温度达到露点时，就会有水蒸气凝结出来，出现结露现象。1.2.4 传热的三种基本方式热传递过程相当复杂，为了便于分析，按照热传递过程中物质运动的特点，热传递可分为三种基本方式：导热、对流换热、辐射换热。一、 导热当物体各部分温度不同时，热量就会自发的从温度较高的部分传递到温度较低的部分。这种不依赖于物体各部分的相对位移而在物体内部进行的热量传递称为导热。单位时间内通过屏蔽的导热量q称为导热热流量。导热传递的热量q与壁面两侧表面温差t及垂直热流的截面积f成正比，而与其厚度成反比，另与材料性质有关。即： qf/式中：q导热热流量，单位为w（瓦）； f垂直于导热方向的物体横截面面积，单位为m2（米）； 物体厚度，单位为m（米）； 导热系数，与材料的性质有关，单位为w/(m）。不同物质具有不同的值，值越大表明导热性能越好。金属的值最大，非金属固体较大，液体较小，气体的值最小。二、 对流换热运动着的流体与固体表面接触时的换热过程成为对流换热。对流换热的传热量q与传热接触面积f和传热温差t之间的关系为 qf式中：固体壁面温度与液体或气体温度之差，单位为； 放热系数，单位为w/（m2）放热系数的大小表明对流换热的强烈程度，液体或气体流动时在壁面附近扰动程度越强烈，放热系数越大。液体或气体在壁面附近产生相态变化时，放热系数也较大。三、 辐射换热辐射换热是靠电磁波中的可见光线和红外线来传递热量。它不需要冷、热二物体直接接触，只要有温差存在，就能进行辐射换热。任何温度高于0 k的物体，每时每刻都在以热辐射的方式向外辐射热量，与此同时，物体又在每时每刻接受其他物体以热辐射的方式向它辐射的能量。物体表面温度越高，辐射的热量越多。当辐射的热量q投射到一个物体时，部分能量qa被吸收，另一部分qr被反射，其余能量qd透过物体，如图16所示。被物体吸收的热量qa与投射热量q之比称为吸收率a，即 aqa/q图1-6 辐射能的吸收、反射和透射物体之间的相互辐射或吸收，形成了辐射换热过程。高温物体总是辐射出更多的热量被低温物体所吸收，辐射换热量可用化简的公式表示为： q辐f2式中：辐辐射换热强弱的辐射放热系数，单位为w/（m2）； f2吸收辐射热的物体表面积，单位为m2； 两物体表面的温度差，单位为。四、 传热过程传热过程是以上三种传热方式的复合过程，例如，锅炉中高温燃气与水的传热过程，就同时具有导热、对流换热和辐射换热三种基本方式。高温燃气对炉胆壁面的传热以辐射和对流两种方式换热，炉胆下壁面向炉胆上壁面的传热是以导热方式进行，而炉胆上壁面向水的传热过程是对流换热方式。传热过程基本规律是传热温差越大，传热量越多；传热面积越大，传热量也越多。传热过程的传热量可由下式计算： qkf式中：f传热面积，单位为m2； 传热温差，单位为； k传热系数，单位为w/（m2）。传热系数k表示在传热过程中除了、f以外其他各种因素对传热影响的强弱程度。它包含了导热系数、厚度、对流放热系数以及辐射放热系数辐的全部数值。传热系数k越大，传热越强烈。参考文献1 吴恒，船舶动力装置技术管理，大连海事大学出版社，19992 汪育才，王建斌，吴晓光，轮机概论，第3版，人民交通出版社，1991 3 施仲箎，杨承参，施润华，轮机学，上海交通大学出版社， 19884 hans klein woud，douwe stapersma，marine engineering design of propulsion and electric power generation systems，london :imarest，20025 张志华，船舶动力装置概论，哈尔滨工程大学出版社，20026 程国瑞，船舶动力装置原理，人民交通出版社，2001复习思考题1简述“轮机”的内涵和外延。2船舶动力装置的基本要求有那些？如何分类？3简述功和热量的关系。4简述热传递的三种基本方式及其特点。5何谓“饱和空气”和“未饱和空气”？第2章 船舶柴油机动力装置2.1 柴油机工作原理2.1.1 概述1. 热机利用热能的发动机称为热机。热机的基本工作原理是：将燃料燃烧所获得的热能转变成机械能。根据燃料的化学燃烧过程是在发动机内部进行，还是在外部进行，热机分为外燃机和内燃机。如：蒸汽机、蒸汽轮机都是外燃机，而汽油机、柴油机就属于内燃机。2. 内燃机内燃机是指燃料在发动机的内部燃烧，并直接利用燃料燃烧产生的高温高压燃气膨胀作功的机械。在内燃机中，燃料首先燃烧将燃料的化学能转变成热能，再膨胀作功将热能转变成机械能，即两次能量转换都在发动机内部进行。外燃机的两次能量转换是分别在发动机内外进行的。内燃机根据燃用的燃料不同有汽油机、柴油机、燃气轮机等。3. 柴油机柴油机是采用柴油作燃料的压燃式内燃机。汽油机是用汽油作燃料的点燃式内燃机。2.1.2 四冲程柴油机工作原理1. 柴油机的基本工作过程在柴油机中要完成的两次能量转换，首先是燃烧。燃烧就要使柴油在有充分空气的条件下进入柴油机燃烧。另外，柴油机不是点燃的，而是在高温下自己发火燃烧的。所以柴油机中的空气还要达到足够高的温度，而高温的空气是通过使空气压缩得到的，因此柴油机也称为压燃式内燃机。柴油燃烧后将放出大量热量，使燃气的温度和压力剧增，同时也就具有了很强的膨胀做功能力。通常把这种有了做功能力的高温燃气物质称为工质。工质在柴油机中膨胀，通过推动活塞做功，最终膨胀结束失去做功能力，成为废气。为了新鲜空气能够再次进入柴油机中，而使柴油机恢复做功能力，就要将废气排出。因此，柴油机要使柴油在其中燃烧做功，并能够连续不断地工作下去，就需要有进气、压缩、燃烧、膨胀、排气五个过程。这五个过程既为柴油机的一个基本工作循环。2. 基本结构四冲程柴油机的基本结构如图2-1所示。气缸盖上装有进气阀、排气阀、喷油器。气缸中的活塞通过连杆和曲轴相连。图2-13. 工作原理柴油机工作时，活塞在气缸中做往复运动，通过曲柄连杆机构将这一运动转变成曲轴的回转运动。活塞顶部在气缸中运动达到的气缸最上位置称为上止点，而运动达到的气缸最下位置称为下止点。活塞从上止点运动到下止点，或从下止点运动到上止点称为一个冲程，冲程的长度就是上止点到下止点之间的距离，一般用s表示。曲轴每一转，活塞有两个冲程。所谓四冲程柴油机是指柴油机的一个基本工作循环是由四个冲程完成的，既曲轴转两转。如果曲柄半径用r表示，则s=2r。活塞位于上止点时，活塞顶部与气缸盖之间的容积称为燃烧室容积vc。活塞位于下止点时，活塞顶以上的全部气缸容积称为气缸总容积va。活塞在上下止点之间移动所扫过的气缸容积称为气缸工作容积vs。vs=d气缸直径气缸总容积与燃烧室容积之比称为压缩比。=压缩比是柴油机的一个重要参数。大型低速柴油机的压缩比值一般在1113。图2-2所示，表示了柴油机基本工作循环的五个过程在四个冲程中的进行情况。图2-2（1） 第一冲程进气冲程活塞从上止点下行，进气阀打开。由于气缸容积逐渐增大，缸内压力降低，新鲜空气通过进气阀被吸入气缸。进气阀一般在活塞到达上止点之前已经提早打开。气阀的开启时刻用曲柄位置来表示，如图中所示。进气阀开启后，直到活塞运行到下止点之后才关闭。（2） 第二冲程压缩冲程空气的压缩过程是在活塞从下止点向上运动后，进气阀关闭到活塞到达上止点为止。进气冲程吸入的新鲜空气，经过压缩后，压力升高到36mpa或更高，而温度则会达到600700oc。燃油的自燃发火温度一般为210270oc。燃油在压缩后期（上止点前）通过喷油器喷入气缸，与空气混合，并在高温下自燃发火燃烧。在这一冲程中，包括了进气的延时、空气压缩、燃油的喷入、燃油空气混合及发火燃烧过程。（3） 第三冲程膨胀冲程在这一冲程之初，是燃烧的继续，并且是主要的燃烧阶段。燃油在燃烧时气缸内的压力和温度急剧升高，压力达到58mpa，甚至更高。温度达到14001800oc，甚至更高。活塞在上止点之后，在燃气压力作用下被推向下行。由于气缸容积不断增大，压力开始降低，在上止点后的某一时刻，燃烧基本结束。气缸中的压力和温度随着燃气的膨胀继续下降，直到排气阀开启，膨胀结束。这时燃气压力下降至2.54.5mpa左右，温度降至600700oc左右。在这一冲程中，排气阀是在活塞运行到下止点之前就打开的，即膨胀冲程是在下止点之前就结束了。（4） 第四冲程排气冲程在膨胀冲程末期，排气阀开启，废气通过排气阀排出，气缸内的压力和温度迅速下降。这时活塞仍在下行，废气的排出是靠气缸内外的压力差经排气阀排出气缸。当活塞由下止点上行后，废气是靠活塞推出气缸的，这时的排气过程是在高于大气压力并且压力基本保持不变的情况下进行的。排气阀一直延迟到上止点之后才关闭。经过上述四个冲程，柴油机完成了一个工作循环。当活塞继续运动时，又一个新的循环开始了。四冲程柴油机的每一个工作循环是要曲轴转两转来完成的。在每个工作循环中只有第三个冲程是作功的。在这个冲程当中，完成了燃油从化学能转变为热能，又从热能转变为机械能的两次能量转换。其他三个冲程都是为这个工作冲程服务的，而且都需要供给能量以保证活塞的正常运行。所以，柴油机一般要做成多缸的，这样进气、压缩、排气冲程的能量可有其他正在工作的气缸供给。但如果是单缸的柴油机，就要通过飞轮在工作冲程时储存部分能量来供给其余三个冲程。4. 气阀正时四冲程柴油机的进气阀和排气阀的启闭都不是在上、下止点位置，而是在上、下止点的前后某一时刻。它们的开启时间都大于180o曲柄转角。这种进排气阀在上、下止点前后的启闭时刻叫做气阀正时，用曲柄转角表示气阀正时的圆图叫做气阀正时圆图。图2-3如图2-3所示，进气阀在上止点前1点打开，在下止点后2点关闭，排气阀在下止点前3点开启，在上止点后4点关闭。角j1为进气阀提前开启角，j2为进气阀延后关闭角，j12为进气过程。j3为排气阀提前开启角，j4为排气阀延后关闭角，j34为排气过程。进气阀的提前开启，可以减少由于气阀和空气惯性对进气时刻的影响，使得进气在上止点附近就能够进行，而进气充分；延后关闭，能利用气流惯性吸入更多空气。排气阀的提前开启，可以减小排气阻力，使得活塞上行排气时，减少排气功耗；而延迟关闭，也同样是利用排气的惯性更好地排气，使排气干净。进气阀和排气阀在上止点前后的一段时间内是同时开启的，这个同时开启的曲柄转角称为气阀重叠角，既图中的j1+j4。选择合适的气阀重叠角，不会使排气倒灌，而且还会有助于废气的排出和空气的充入。2.1.3 二冲程柴油机的工作原理我们已经知道，柴油机的一个工作循环有五个过程。二冲程柴油机就是要把这五个过程在两个冲程内完成。这五个过程