轮机导论第2讲船舶动力装置1蒸汽轮机动力装置课件

第2章船舶动力装置 2 1蒸汽轮机动力装置2 2舰船燃气轮机装置2 3柴油机动力装置2 4核动力装置2 5联合动力装置 引言 船舶动力装置是指将燃料化学能转化为热能 机械能使船舶产生推进力保证船舶航行和提供能量消费的全部机械 设备和系统的总合体 船舶动力装置的类型 引言 1 工质 WorkingMedium 用来将热能转化为机械能的各种流动介质 工质应具有良好的膨胀性 流动性 例 柴油机的工质是燃气 蒸汽轮机的工质是水蒸气 燃气 水蒸汽 热工基础知识 2 状态参数 用来描述系统宏观特性的物理量 压力 Pressure P 温度 Temperature T 比容 Specificvolume V 内能 Internalenergy U 粒子热运动的动能和势能的和 焓 Enthalpy H 系统中能够做功的能量 熵 Entropy S 物质微观热运动混乱程度的标志 热量转化为功的程度 基本状态参数 可测 热工基础知识 1 压力 Pressure P 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 其单位为N 国际单位 N m2 Pa 工程单位 kgf cm2 bar 英制单位 psi bf in2 压力单位换算表 热工基础知识 大气压力pb Barometric atmosphericpressure 纬度45度平均海平面上常年大气压力的平均值为标准大气压 atm 绝对压力p Absolutepressure 工质作用在容器壁面上的实际压力 表压力pg Gaugepressure 用压力表测得的数值 pg p pb 真空度pv Vacuum 用真空表测得的数值 pv pb p 1atm 760mmHg 101325Pa 0 101325MPa 1bar 热工基础知识 冷却水 燃油 滑油 柴油机排气 数字显示 3 比容和密度 比容 Specificvolume 1kg的物质所占的容积 m3 kg V 容积 m 质量 密度 Density 1m3的物质所具有的质量 kg m3 热工基础知识 4 理想气体状态方程 Idealgasstateequation R 气体常数 Gasconstant 空气 柴油机的燃气等 可按理想气体进行计算 蒸汽 制冷剂蒸汽 不能当作理想气体 热工基础知识 3 水蒸气的性质 饱和温度 一定压力下水开始沸腾的温度称为该压力下的饱和温度 1atm 100 C 2atm 200 C 特点 饱和温度随压力的变化而变化 压力越高对应的饱和温度越高 饱和压力 一定温度下压力达到某一定值时水开始沸腾的温度称为该温度下的饱和压力 特点 仅与温度有关 温度越高饱和压力越高 过热蒸汽 水在等压加热沸腾汽化完毕后 再加热蒸汽 温度升高而压力不变 这样的蒸汽称过热蒸汽 热工基础知识 4 热量 系统和外界由于温度差而通过边界传递的能量外界给系统加热 Q 系统对外界放热 Q 热工基础知识 5 功和功率 功 当封闭系统通过边界和外界之间发生相互作用时 如果外界的唯一效果是升起重物 则系统对外界作了功 反之 如果外界的唯一效果是降低重物 则外界对系统作了功 热工基础知识 5 功和功率 功率 单位时间内所做的功 其单位为 马力 ps 或 千瓦 kW 1ps 75kgf m s 0 735kW ps 工制马力 hp 英制马力 1ps 0 986hp 热量与功之间关系 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 热工基础知识 6 热效率 效果与代价之比 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 对外界作机械功W 作功用的低温低压燃气排出汽缸 并借走热量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 对外界作的机械功W 效果 等于从高温热源吸收的热量Q1 代价 减去传给低温热源的热量Q2 即 W Q1 Q2 热工基础知识 6 热效率 效果与代价之比 W 机械功 Q1 从高温热源吸收的热量 Q2 传给低温热源的热量 最理想循环 即热效率最高的循环是卡诺循环 Carnotcycle 100 T1 高温热源温度 T2 低温热源温度 热工基础知识 7 传热的基本方式 1 导热 导热 Heatconduction 不依赖于物体各部分的相对位移热量在物体内部进行的热量传递 Q 导热热流量 W F 面积 m2 厚度 m 导热系数 W m C 导热 对流换热 辐射换热 热工基础知识 2 对流换热 对流换热 Convectiveheatexchange 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 放热系数 W m2 C t 温差 C 热工基础知识 3 辐射换热 辐射换热 Radiationheatexchange 靠电磁波中的可见光线和红外线来传递热量 辐 辐射放热系数 W m2 C F2 吸收辐射热的物体表面积 m2 辐射能的吸收 反射和透射 热工基础知识 4 传热过程 传热过程 Processofheatexchange 导热 对流 辐射三种传热方式的复合过程 K 传热系数 W m2 C t 传热温差 C F 传热面积 m2 热工基础知识 船舶蒸汽轮机动力装置是以锅炉产生的蒸汽为工质 以汽轮机作为主机 其功率通过减速器 传递到螺旋桨以推进船舶 2 1蒸汽轮机动力装置 一 基本组成和简单热力循环 1 蒸汽轮机动力装置的基本组成与工作原理下图所示为其组成部件 1 锅炉 2 蒸汽过热器 3 空气预热器 4 高压汽轮机 5 低压汽轮机 6 主冷凝器 7 凝水泵 8 给水预热器 9 给水泵 10 减速齿轮 11 螺旋桨 12 循环水 图船舶蒸汽轮机动力装置的基本组成 1 燃油燃烧燃油由燃油泵从油柜中抽出并加压后送至位于锅炉中的喷油器 由喷油器喷入锅炉炉膛 在炉膛内与鼓风机送来的空气进行氧化反应 即燃烧 从而释放出大量的热能 这些热能将锅炉中的水加热成为高温高压的蒸汽 A 蒸汽过热器 B 汽轮机 C 冷凝器 D 给水泵 K 锅炉 蒸汽轮机的基本工作过程 2 蒸汽作功蒸汽由管路引入主汽轮机 在主汽轮机中将从锅炉中带来的压能和热能转变为机械能 机械能由汽轮机的输出轴传动 通过后传动装置 减速齿轮箱 和轴系带动螺旋桨转动 A 蒸汽过热器 B 汽轮机 C 冷凝器 D 给水泵 K 锅炉 蒸汽轮机的基本工作过程 3 工质循环做完功后的蒸汽进入主冷凝器 被流过冷凝器的海水冷凝成凝水 再经给水加热器加热后 由主给水泵 重新被加热成蒸汽 形成一个周而复始的循环 A 蒸汽过热器 B 汽轮机 C 冷凝器 D 给水泵 K 锅炉 蒸汽轮机的基本工作过程 图简单蒸汽动力装置的理想循环 2 简单热力循环 A 蒸汽过热器 B 汽轮机 C 冷凝器 D 给水泵 K 锅炉 简单的蒸汽动力装置的理想循环叫做朗肯循环 右图为朗肯循环的T S图 图中 4 5 水在汽锅中 压力P1下被加热到沸腾温度的过程 5 6 在汽锅中 在压力P1下的汽化过程 6 1 在压力P1下 在蒸汽过热器中的过热过程 1 2 蒸汽在汽轮机中的绝热膨胀过程 并输出功 2 3 在压力P2下 乏汽在冷凝器中的凝结过程 3 4 冷凝水在水泵中的绝热压缩过程 并消耗功 1 朗肯循环及过程 了解加入的热量q1 放出的热量q2 膨胀功lT 水泵所消耗的功lP 有效功l0 有效热量q0 热效率 t等的函数式 2 循环参数关系 1 加入的热量q1在过程4 5 5 6和6 1中 热量是在一定的压力P1下加入 等压下加入的热量可以由过程的初始和终点的焓差来表示 加入的热量q1为 在T S图上 此热量可用加热线下的面积m 4 5 6 1 n m表示 2 循环参数关系 2 放出的热量q2过程2 3是循环的等压放热过程 所放出的热量q2为 在T S图上 此热量可用面积m 3 2 n m来表示 2 循环参数关系 3 膨胀功lT汽轮机中的膨胀功lT 绝热膨胀等熵过程 4 水泵所消耗的功lP循环中水泵所消耗的功lP 绝热压缩等熵过程 5 有效功l0循环的有效功l0 相当于1 2 3 4 5 6 1的面积 2 循环参数关系 6 有效热量q0循环的有效热量q0 7 热效率 t循环热效率 t 2 循环参数关系 在较低的初始蒸汽参数的动力装置 3MPa以下 中 水泵消耗的功比小得多 可以略去不计 则循环热效率的近似式为 注 2 循环参数关系 3 提高循环热效率的方法 a 在相同的背压P2下 提高蒸汽的初始温度t1和压力P1 b 在相同的蒸汽初始压力P1和初始温度t1下 降低背压P2也能使热能效率提高 c 采用给水预热器 利用已在主机作过部分功的蒸汽的汽化潜热来预热给水 使进入冷凝器的蒸汽量减少 而被冷却水带走的热量也就减少了 循环热效率得到提高 二 汽轮机原理与结构 汽轮机是一种旋转式发动机 蒸汽在汽轮机中的工作过程是连续的 且具有两次能量转换 先是蒸汽的热能转变为汽流的动能 然后是动能转变为转动叶轮的机械功 低压凝汽式汽轮机 单级冲动式汽轮机 l 轴 2 叶轮 3 叶片 4 喷管 5 机壳 汽缸 6 轴承 1 冲动式汽轮机 蒸汽首先在喷管中膨胀 在膨胀过程中蒸汽的压力降低而流速大大提高 如图所示 压力由P0下降至P1 速度由C0增加至C1 高速汽流随即进入工作叶片3所形成的弯曲形槽道 按照它的形状使汽流拐弯时 就产生了离心力作用在叶片上 从而推动叶轮旋转 从轴上输出机械功 1 结构与原理 2 特点a 喷管的横截面大小是逐渐变化的 b 蒸汽仅在喷管产生不同程度的膨胀 即压力降低而速度增加 c 工作叶片槽道横截面大小不变 蒸汽流过时并不发生膨胀 同时压力也没有什么变化 而蒸汽以较低的速度流出 d 高速汽流通过工作叶片弯曲的槽道产生离心力作用于汽轮机叶轮而作功 这种仅仅利用喷嘴喷出高速汽流的动能通过离心力作用推动叶轮而作功的汽轮机 就称为冲动式汽轮机 1 冲动式汽轮机 2 反动式汽轮机 1 进汽管2 进汽室3 导向叶片4 工作叶片5 机壳6 转鼓7 轴承8 平衡活塞9 止推轴承 单级反动式汽轮机 1 结构 2 原理当蒸汽自进汽管1进入进汽室2 经固定不动的导向叶片时压力下降 由P1降低到P 而蒸汽速度大为提高 由C0提高到C1 高速汽流随即流入装在转鼓6上的工作叶片4 并沿叶片间槽道转变方向 其离心力作用于工作叶片上 同时由于工作叶片槽道截面不断变化 因此蒸汽在工作叶片中流过时继续膨胀使压力进一步降低到P2 由于工作叶轮中汽流相对速度增加 由W1增至W2 产生了反作用力 两者合力的作用使转鼓得到旋转 把动能转变为机械功 2 反动式汽轮机 3 特点a 导向叶片槽道和工作叶片槽道的横截面大小都是变化的 b 蒸汽在导向叶片槽道和工作叶片槽道产生不同程度的膨胀 即压力降低而速度增加 c 高速汽流通过工作叶片弯曲的槽道时产生离心力和因进出口汽流 相对速度增加形成的 速度差而产生反作用力 d 离心力和反作用力共同推动汽轮机叶轮而作功 e 工作叶片前后二端有压力差 因此产生了不平衡的轴向推力 2 反动式汽轮机 1 级的概念一列工作叶片加上它所属的一列喷管或导向叶片构成汽轮机的 一级 2 分级的作用使叶轮圆周速度u与气流速度c之比值 通常称u c为特性比 处于最佳范围 以提高汽轮机的效率 3 分级的方法有两种分级的方法 一种是速度分级 另一种为压力分级 3 多级式汽轮机 如果蒸汽在一列喷管中获得的动能 分别由两列或多列工作叶片来接受 亦即蒸汽的速度分别在两列或多列工作叶片中依次地降落 则称为速度分级的汽轮机 l 工作叶片 2 工作叶片 3 导向叶片 4 喷管 5 机壳 汽缸 双速度级的汽轮机简图 i 速度分级的汽轮机 速度分级的汽轮机 由于效率较低 作为独立的原动机只能做成小功率的用来带动辅机 它的特点是结构简单 重量尺寸较小 造价便宜 l 工作叶片 2 工作叶片 3 导向叶片 4 喷管 5 机壳 汽缸 双速度级的汽轮机简图 i 速度分级的汽轮机 压力分级汽轮机是将汽轮机的全部压力降落分配在若干级内完成 这样在每一级中的焓降就不致很大 蒸汽从每一级的喷管中流出的速度亦较低 在汽轮机适当的转速下 蒸汽的动能可以较完全地被一列工作叶片所接受而转变为推动转子旋转的机械功 具有三压力级的冲动式汽轮机简图 ii 压力分级汽轮机 压力分级的汽轮机效率可以比速度分级的汽轮机效率高 因此一般大功率的汽轮机总是采用压力分级的 冲动式汽轮机级数随蒸汽参数 功率大小及对经济性要求而定 可在较大范围内变动 一般约14 20级左右 为了减少一些汽轮机的级数 不使其结构过于复杂 多级汽轮机的第一压力级常常采用双速度级的型式 因速度分级能承受较大的焓降 通常蒸汽轮机采用冲动式 而燃汽轮机采用反动式 1 装置的特点1 单机功率较大 2 蒸汽轮机是高速旋转机械 运转时振动和噪声较小 3 工作十分平稳 机件间的摩擦部分较少 因此装置工作可靠 使用寿命较长 4 在大功率范围内 装置的单位功率重量较小 5 对燃料品质要求低 能使用劣质油和煤 三 装置特点与应用 但是 蒸汽轮机动力装置的能量转换过程比较复杂 热效率较低 耗油率较高 总的经济性能较差 汽轮机转速高 并且不能直接反转 所以作为船用时 需要配置具有较大减速比的减速齿轮装置和倒车装置 由于锅炉产生蒸汽需要一定的时间 从锅炉生火到主机启动要经历较长的准备时间 所以机动性也较差 蒸汽轮机动力装置设备多 装置复杂 从而使整个装置的重量和尺度较大 在20世纪60年代前 蒸汽轮机动力装置在