轮机导论第2讲船舶动力装置1蒸汽轮机动力装置演稿.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,分类方法,按使用工质分,按主机型式分,按使用燃料分,类型,蒸汽动力装置,蒸汽轮机动力装置,常规动力装置,燃气动力装置,燃气轮机动力装置,核动力装置,蒸汽,-,燃气联合动力装置,柴油机动力装置,联合动力装置,1.,工质,(Working Medium),:,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,(Specific volume,V),内能,(Internal energy,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/m,2,(Pa),工程单位：,kgf/cm,2,bar,英制单位：,psi(bf/in2),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/m,2,10N/m,2,kgf/cm,2,760mmHg,1bf/in,2,mmHg,mH,2,O,1,10,-5,1.02,10,-5,0.99,10,-5,1.45,10,-4,7.5,10,-3,1.02,10,-4,压力单位换算表,热工基础知识,大气压力,p,b,(B,arometric,atmospheric pressure),：,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,(Absolute pressure),：,工质作用在容器壁面上的实际压力。,表压力,p,g,(Gauge pressure),：,用,压力表,测得的数值，,p,g,=p-p,b,。,真空度,p,v,(Vacuum),：,用,真空表,测得的数值，,p,v,=p,b,-p,。,1atm=760mmHg=101325Pa=0.101325MPa=1bar,热工基础知识,(2),温度,(Temperature,T),温度,：,表示物质冷热程度的状态参数。温度的数值表示方法,ssssss,叫做,温标,(Temperature scale),。,华氏温标,(Fahrenheit),：,在标准大气压下，纯水冰点定为32度，沸点212度，两点间均分180等份，每份为1华氏度，记作1,F，符号,t,F。,摄氏温标,(Celsius),：,在标准大气压下，纯水冰点定为,0,度，沸点,100,度，两点间均分1,0,0等份，每份为1摄氏度，记作1,C,，符号,t,C,。,开氏温标,(Kelvin),：摄氏零下,273.15C,为零度，每度的间隔与摄氏温标相同，,记作1,K,，符号,T,K,。,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,(Specific volume),：,1kg,的物质所占的容积，,m,3,/kg,。,V-,容积，,m-,质量,密度,(Density),：,1m,3,的物质所具有的质量，,kg/m,3,。,，,热工基础知识,(4),理想气体状态方程,(Ideal gas state equation),R-,气体常数,(Gas constant),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,200C,。,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,Q,1,-,从高温热源吸收的热量,Q,2,-,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,(,Carnot cycle,),100%,T,1,-,高温热源温度，,T,2,-,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,(Heat conduction),：,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,m,2,-,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,(Convective heat exchange),：,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/(m,2,C),t,-,温差，,C,热工基础知识,（,3,）辐射换热,辐射换热,(Radiation heat exchange),：,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/(m,2,C),F,2,-,吸收辐射热的物体表面积，,m,2,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,(Process of heat exchange),：,导热、对流、辐射三种传热方式的复合过程。,K,-,传热系数，,W/(m,2,C),t,-,传热温差，,C,F,-,传热面积，,m,2,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,P,1,下的汽化过程；,6-1,：在压力,P,1,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,P,2,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,q,1,、放出的热量,q,2,、膨胀功,l,T水泵所消耗的功,l,P,、有效功,l,0,、有效热量,q,0,、热效率,t,等的函数式。,2,）循环参数关系,(1),加入的热量,q,1,在过程,4-5,、,5-6,和,6-1,中，热量是在一定的压力,P,1,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,q,1,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,q,2,过程,2-3,是循环的等压放热过程，所,放出的热量,q,2,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,l,T,汽轮机中的,膨胀功,l,T,：,(,绝热膨胀,等熵过程,),(4),水泵所消耗的功,l,P,循环中,水泵所消耗的功,l,P,：,(,绝热压缩,等熵过程,),(5),有效功,l,0,循环的,有效功,l,0,：,(,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,q,0,循环的,有效热量,q,0,：,(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,P,2,下，提高蒸汽的初始温度,t,1,和压力,P,1,。,b),在相同的蒸汽初始压力,P,1,和初始温度,t,1,下，降低背压,P,2,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,P,1,降低到,P,；而蒸汽速度大为提高，由,C,0,提高到,C,1,。,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,P,2,，由于工作叶轮中汽流相对速度增加,由,W,1,增至,W,2,，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大型船舶及大、中型水面舰艇上的应用占绝对势。,1973,年后，由于能源因素的影响，民用船舶动力装置的主要发展转向积极节能，降低主机功率和耗油率，以最大可能地降低船舶的营运费用；另一方面，由于柴油机单机组功率不断增大，使用寿命得到很大的提高，尤其是解决了燃用劣质燃料的问题。因此，柴油机动力装置逐渐取代蒸汽轮机动力装置在大型船舶中的地位。,2,、装置的应用,军用舰艇动力装置从六十年代开始也发生重大的变化。由于蒸汽轮机动力装置的主要缺点，不能适应所赋予它的战斗使命。,大、中型水面舰艇则转向采用先进的、以燃气轮机组为主的联合动力装置,。但在大型油轮和集装箱船上的应用依然占有一定的优势。,Question？,