船舶动力装置

1、船舶动力装置,第一章绪论,定义：保证舰船的正常航行、安全、正常作业、停泊，保证人员正常工作、生活与安全的全部机械设备和系统的综合体。 组成： 推进装置：产生推进力 辅助装置：产生其它动力 甲板机械：锚、舵、起重,船舶动力装置的类型,蒸汽动力装置 工作原理 锅炉产生的蒸汽推动蒸汽轮机作功齿轮减速机组螺旋桨（发电机） 组成 蒸汽锅炉 蒸汽轮机,特点 单机功率大，目前船用蒸汽轮机组功率达到25104kw,陆用机组达到6010410105kw 劳损部件少、工作可靠、寿命长（可达1105h以上） 运转平稳可靠、振动噪声小（蒸汽轮机是回转机械，没有往复运动部件） 可使用劣质燃料 热效率较低，油耗高，热经济

2、性低，在全速时要比柴油机装置的油耗高1.52倍，部分工况时要高2.53倍 设备多，整个装置重量尺寸大 机动性较差。锅炉从生火到产生蒸汽大约要3035min，一般要比柴油机装置启动时间长23倍,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螺旋浆；12循环水泵,柴油机动力装置：应用最为广泛的主机型式，柴油机船占总数的98，装船功率占造船总功率的90以上。 优点 经济性较高，油耗低，中、低速机可烧劣质燃料； 机动性良好，操作简单，倒车方便。主机从冷态启动到全负荷10min； 中高速机组质量轻，辅助设备少,缺点 单机

3、功率低，中速机为2104kW，高速机8103kw大中型水面舰船上使用受限； 振动噪声大 中高速机的寿命较低 低速时稳定性较差,燃气轮机动力装置 工作原理 燃料在燃烧室内燃烧燃气推动叶轮做功多级减速齿轮机组 螺旋桨（发电机） 组成 压气机：压缩空气进入燃烧室 燃烧室：燃料燃烧，形成燃气 燃气轮机 ：高温高压燃气推动叶轮转动，机械能输出,1-螺旋桨；2-减速齿轮装置；3-压气机；4-燃烧室； 5-燃气轮机；6-联轴器；7-启动电动机,优点 机组质量尺寸指标小 机动性好，从冷态启动至全负荷时间，一般为l2min，大功率复杂线路的燃气轮机装置只需35min 缺点 工作可靠性较差，寿命短（如燃气初温在7

4、50以上的燃气轮机，寿命仅500103h） 叶片材料合金钢昂贵 燃气的高温 布置困难 燃气轮机工作时空气流量很大，进、排汽管道尺寸膨大,联合动力装置 产生背景 全航速时要求功率大、航速快、机动性能好，只占2%总航行时间 巡航时要求经济性高，,功率= 14全功率，占80%总航行时间 矛盾，国外50年代开始发展联合动力装 降低20装置质量，续航力能提高25,联合动力装置： 用一种形式的动力装置完成巡航航行，满足经济性要求；用另一种形式的动力装置（或两者共同）完成全航速航行，满足大功率要求 三种联合动力装置 汽轮机+燃气轮机：功率较大的轻型舰艇，不多用 燃气轮机+燃气轮机：功率大，重量尺寸小，经济性

5、好，广泛应用于各国驱逐舰 柴油机+燃气轮机：经济性好，功率范围大，重量尺寸小，广泛应用于各国护卫舰等；在某些大型军舰上也有（如泰国轻型航母）,缺点： 不同的燃料、备件储备较复杂； 共同使用主减速器，结构复杂； 机组不同类型，布置难度增加,核动力装置 工作原理： 原子核裂变产生巨大热能加热工质（蒸汽或燃气）推动汽轮机或燃气轮机工作 现有的核动力舰艇或核电站，几乎全部采用压力水型的反应堆,核反应堆1 反应堆芯2 控制箱3蒸器发生器5（热交换器） 高压汽轮机6 低汽轮机7 辅汽轮机8 主冷凝器9 辅冷凝器10 主给水泵11 减速器12 螺旋桨13 稳压筒14,核动力装置,能量传递 功率控制 控制棒插

6、入反应堆的深度和速度改变堆芯内的中子数目输出功率,核反应,压力水 （第一回路）,热交换器,水蒸汽汽轮机螺旋桨 辅汽轮机发电机 （第二回路）,优点 消耗极少的燃料、释放出巨大的能量，可保证船舶以极较高的航速航行极远的距离，如1.1104kw核动力装置工作一昼夜仅消耗核燃料1518g. 能发出极大的功率 不消耗空气而获得热能 不需要进、排气装置 潜艇，能长期隐蔽在深水中，不易被敌舰发现,大大提高了潜艇的战斗力 水面舰艇不需要进、排气口，没有烟囱，减少甲板开口，能减少敌人观察器材和热反应器材的发现，避免红外线自导武器命中的危险性,缺点 核动力装置的重量尺寸较大。屏蔽系统质量大 操纵管理检查系较复杂

7、价格昂贵,轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 19 ,1.柴油机的基本工作过程,第二章 船舶柴油机动力装置,二、四冲程柴油机的工作原理,()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。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。,2.基本结构,活塞顶部在气缸中运动达到的气缸最上位置称为上止点(TDC)。,活塞运动达到的气缸最下位置称为下止点(BDC)。,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(Stroke)。,S=2R S:冲程，R：曲柄半径,轮机概论,Introduction

8、to Marine Engineering, 20 ,第二章 船舶柴油机动力装置,Wrtsil 6L38,Cylinder head,Crankshaft,Cylinder,Piston,Connecting rod,轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 21 ,3.工作原理(),第二章 船舶柴油机动力装置,(1)进气冲程(Inlet stroke)：活塞从上止点下行，进气阀打开，排气阀关闭，新鲜空气进入气缸。进气阀在上止点前打开，下止点后关闭，进气持续220-250曲轴转角。,轮机概论,Introduction to Marine Engineer

9、ing, 22 ,第二章 船舶柴油机动力装置,(2)压缩冲程(Compression stroke)：活塞从上止点上行，进气阀关闭，排气阀关闭。气缸内空气被压缩，压力3-6MPa，温度600-700C。压缩后期喷油器喷油，燃油与空气混合、加热、自行发火燃烧。压缩过程持续140-160曲轴转角。,3.工作原理(),轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 23 ,第二章 船舶柴油机动力装置,(3)膨胀冲程(Expansion stroke)：燃油猛烈燃烧，气缸内燃气压力5-8MPa，温度1400-1800C。高温高压的燃气膨胀推动活塞下行做功。膨胀过程在排

10、气阀开启时结束。该行程持续120-140曲轴转角。,3.工作原理(),轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 24 ,第二章 船舶柴油机动力装置,(4)排气冲程(Exhaust stroke)：进气阀关闭，排气阀打开。图中5-下止点，活塞下行，废气靠压差排出。活塞自下止点上行，废气被活塞排出气缸。排气阀在上止点后关闭。该行程持续230-260曲轴转角。,3.工作原理(),轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 25 ,第二章 船舶柴油机动力装置,四冲程柴油机：一个工作循环，曲柄两转，四个冲程。,4-s engi

11、ne: 1 cycle, 2 crank revolutions, 4 strokes.,3.工作原理(),轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 26 ,第二章 船舶柴油机动力装置,气阀正时圆图,正时(Timing)：()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。,进、排气阀开启大于180曲柄转角。,进气阀：上止点前打开，下止点后关闭。,气阀重叠角(Angle of valve overlap)：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。,4.气阀正时

12、,排气阀：下止点前打开，上止点后关闭。,目的：充分进新气。,目的：少耗功，充分排废气。,轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 27 ,三、二冲程柴油机工作原理,第二章 船舶柴油机动力装置,二冲程柴油机把一个工作循环的五个过程在两个冲程内完成。需设扫气泵或鼓风机提高进气压力。,1.换气 压缩冲程,2.膨胀换气冲程,轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 28 ,四、二冲程柴油机的换气,第二章 船舶柴油机动力装置,1. 换气过程的特点,(1)换气过程只占冲程的一部分，不大于130-150曲柄转角。,(2)新鲜空气

13、和废气掺混，使部分新鲜空气随废气排出。,(3)进气没有自吸能力，要靠扫气泵或辅助鼓风机。,2. 换气过程,I：自由排气。,：强制排气和扫气。,：过后排气。,轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 29 ,3.基本换气形式,第二章 船舶柴油机动力装置,换气过程：()以新鲜空气驱赶并置换废气的过程。,横流扫气 (Cross/transverse scavenging),直流扫气 (Uniflow scavenging),轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 30 ,四冲程(4S)、二冲程(2S)柴油机对比(),第

14、二章 船舶柴油机动力装置,1.1个工作循环内，4S机曲柄转2转，2S机曲柄转1转。,2.相同工作条件下，2S机功率约为4S机的1.6-1.7倍。,3.2S机比4S机回转均匀。,4.2S机比4S机换气质量差。,5.2S机比4S机结构简单，管理方便。,6.2S机可以使用劣质燃油，动力、经济性好。,7.2S机用作主机，4S机可用作主机或发电柴油机。,轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 31 ,五、柴油机的增压,第二章 船舶柴油机动力装置,1.增压的基本概念,增压：()就是提高柴油机气缸进气空气的压力，使空气密度增加，从而增加进入气缸的空气量。进气量的增加

15、就可以相应增加喷入气缸的燃油量，也就使得在气缸结构尺寸、转速等条件不变的情况下，提高柴油机功率。,2.增压的三种形式,(1)机械增压：直接用柴油机驱动。,(2)废气增压：()利用柴油机排出的废气驱动涡轮机，由涡轮机带动压气机再增压。可以回收部分废气能量，提高经济性。,(3)复合增压：是上两种方式的结合。,轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 32 ,2.废气涡轮增压的基本形式,第二章 船舶柴油机动力装置,定压涡轮增压：进入涡轮增压器的废气压力基本稳定。气缸的排气管连接到排气总管，涡轮则装在排气总管之后。,Cylinder,Turbocharger,E

16、xhaust main,涡轮工作稳定、效率高。,需设辅助鼓风机/泵(Auxiliary blower)，低负荷或刚起动时(进出港、狭窄航道、江河)起动。,轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 33 ,第二章 船舶柴油机动力装置,脉冲增压：气缸排气经过直接与一个或几个废气涡轮相连。,充分利用定压能和脉冲能。,可不设辅助鼓风机/泵。,Cylinder,Turbocharger,轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 34 ,第二章 船舶柴油机动力装置,Rotator,Compressor blade,Turbin

17、e blade,Compressor,Turbine,废气涡轮增压器（简称增压器、透平、T/C）,轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 35 ,第二章 船舶柴油机动力装置,废气涡轮增压器（简称增压器、透平、T/C）,Turbocharger of M/V Yulong,轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 36 ,第二章 船舶柴油机动力装置,废气涡轮增压器（简称增压器、透平、T/C）,Turbocharger of M/V Yukun,轮机概论,Introduction to Marine Engineer

18、ing, 37 ,3.增压器的喘振,第二章 船舶柴油机动力装置,(1)喘振现象(Surge of turbocharger) (),当压器的压气机在工作时，由于工况的偏离造成气流产生强烈脉动，并有气体倒流，从而引起压气机工作不稳定，导致压气机振动，并发出异常声响的现象。,(2)喘振原因(),根本上是由于压气机的实际流量小于该转速下引起喘振的限制流量，造成气流与叶片的强烈撞击与脱离。,气流通道堵塞。,增压器和柴油机的运行失配。*该项下页详述*,环境温度变化。,各缸负荷严重不均。,轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 38 ,第二章 船舶柴油机动力装置,

19、增压器和柴油机的运行失配。*接上页*,The end of section 1,船舶满载、顶风、污底时阻力增加，主机负荷加大，柴油机在低转速高负荷下运行易喘振，可降低油门消除。,在风浪天气发生飞车时，并联和串联增压系统会发生喘振。单独增压系统，螺旋桨入水时也会喘振。,操作不当，会造成柴油机和增压器的暂时失配而发生喘振。如高速下停车、主机急速降速、加速过快时易喘振。,轮机概论,Introduction to Marine Engineering, 39 ,第二节 柴油机的主要类型和结构实例,Section 2 Types and examples of diesel engine,第二章 船舶柴油机动力装置,一、柴油机的主要类型,1.筒状活塞和十字头式柴油机,筒状活塞式,十字头式,轮机概论,Introduct