第1章-船舶动力装置概论

船舶动力装置原理与设计主讲：胡义周瑞平电话:[phone]传真:86553482E-mail:[e-mail]@[e-mail]2009年03月2020年3月25日星期三2主要内容•船船动力装置总论•推进装置设计•船舶后传动设备•船舶管路系统•船舶推进装置的特性与配合•船舶动力装置设计2020年3月25日星期三3第1章船舶动力装置概论•船舶动力装置的含义及组成•船舶动力装置的类型及特点•船舶动力装置的基本特性指标•对船舶动力装置的要求2020年3月25日星期三41.1船舶动力装置的含义及组成含义组成：推进装置辅助装置机舱自动化船舶系统甲板机械主发动机主锅炉推进器传动设备船舶电站辅助锅炉装置保证船舶正常航行、作业、停泊以及船员、旅客正常工作和生活所必需的机械设备的综合体。Tips:船舶动力装置是一个很复杂能量综合体动力管系船舶管系锚泊机械操舵机械起重机械2020年3月25日星期三5典型的柴油机动力装置能量转换系统重油柴油机械能热能电能余热燃油加热滑油加热制淡装置舱室取暖厨房加热驳动辅机船舶照明船舶通讯机舱自动化2020年3月25日星期三6船舶动力装置的基本类型及特点2020年3月25日星期三7基本类型•柴油机推进动力装置•汽轮机推进动力装置•燃气轮机推进动力装置•核动力推进动力装置•联合动力推进动力装置052级驱逐舰首舰“青岛”号053H3级导弹护卫舰０９３型攻击核动力潜艇2020年3月25日星期三8发展历史•火药机的尝试拉开了动力装置的序幕•瓦特蒸汽机的发明•Diesel1895年发明柴油机•1807年，美国人富尔顿将蒸汽机安装在木船上•1887年，汽油机驱动的轮船航行在江河上•1900年英国制成了舰用柴油机•1902年德国首先把柴油机用做商船动力，1904年用于潜艇•1905年瑞士Sulzer厂建成第一台可倒转式二冲程柴油机•1908年俄国制成缸径1m的预燃室式柴油机•1912年丹麦B&W公司制成缸径520mm、转速140r/min、功率1486kW的八缸四冲程柴油机，以双机双轴方式装在7500吨的“雪兰地亚”号远航曼谷成功•随着科学技术的进步，高集成、模块化、数据总线、网络结构、人工智能技术在船舶上的应用2020年3月25日星期三9柴油机推进动力装置的特点•A.有较高的经济性，耗油率比蒸汽、燃气动力装置低得多；•B.重量轻(单位重量的指标小)；•C.具有良好的机动性，操作简单，启动方便，正倒车迅速；•D.功率范围广。•A.柴油机尺寸和重量按功率比例增长快；•B.柴油机工作中的噪声、振动较大；•C.中、高速柴油机的运动部件磨损较厉害；•D.柴油机低速稳定性差；•E.柴油机的过载能力相当差。2020年3月25日星期三10我国船舶大功率柴油机现状船用低速柴油机技术大功率低速柴油机的机型大都是二冲程、单气门直流扫气、定压增压、长行程、高压缩比的十字头式机。当前,低速二冲程柴油机的平均有效压力为1.90~1.95MPa,最高燃烧压力15~15.5MPa,燃油耗率165~171g/kWh,单缸功率达到100000kW,大修期达28000h以上。船用中速柴油机技术国外大功率中速柴油机绝大部分是四冲程机。缸径为160~640mm,转速375~1150r/min。平均有效压力为2.4~3.0MPa,最高燃烧压力16~21MPa,最高喷油压力160~180MPa,燃油耗率170~180g/kWh,单缸功率2010kW,大修期为18000~24000h。2020年3月25日星期三11汽轮机推进动力装置1—锅炉2—过热器3—主蒸汽管路4—高压汽轮机5—低压汽轮机6—减速齿轮7—螺旋桨8—冷凝器9—冷却水循环泵10—凝水泵11—给水泵12—给水预热器2020年3月25日星期三12蒸汽轮机推进系统•应用较少（燃油消耗率高）•运输液化天然气的LNG液货船•原因：–在LNG液货船上，液化气以-162℃的温度下装在隔热舱中运输。尽管高效隔热，但仍然不可避免每天有0.1-2.5%液化气蒸发。–蒸发的天然气可用作双燃料主锅炉的燃料，生产主涡轮机用的蒸汽，提供几乎全部需要的推进功率。重燃油则用作辅助燃料和船舶的压载货物。2020年3月25日星期三13汽轮机推进动力装置的特点•a.单机功率大,可达7.5×104kw以上；•b.转速稳定，无周期性扰动力，机组振动噪声小；•c.工作可靠性高；•d.可使用劣质燃料油，滑油消耗率也很低。•a.总重量大，尺寸大；•b.燃油消耗率高；•c.机动性差,启动前准备时间约为30~35min，紧急须15~20min。Tips:汽轮机推进装置主要采用的是汽轮机+减速齿轮箱+定距桨的形式；少数采用汽轮机电力传动形式。2020年3月25日星期三14燃气轮机推进动力装置1-螺旋桨2-减速齿轮3-压气机4-燃烧室5-燃气轮机6-联轴器7-起动电动机（1）压气机（2）燃烧室（3）燃气轮机2020年3月25日星期三15关于燃机•燃气轮机装置是一种以空气及燃气为工质的旋转式热力发动机，它的结构与飞机喷气式发动机一致，也类似蒸汽轮机。主要结构有三部分：–1、燃气轮机（透平或动力涡轮）；–2、压气机（空气压缩机）；–3、燃烧室。•其工作原理为：叶轮式压缩机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料（气体或液体燃料）也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在定压下进行燃烧。生成的高温高压烟气进入燃气轮机膨胀作工，推动动力叶片高速旋转，乏气排入大气中或再加利用。•2020年3月25日星期三16关于燃机•燃气轮机具有–效率高、–功率大、–体积小、–投资省、–运行成本低–寿命周期较长等优点。•主要用于发电、交通和工业动力。•燃气轮机分为轻型燃气轮机和重型燃气轮机，•轻型燃气轮机为航空发动机的转型，如LM6000PC和FT8燃气轮机，其优势在于装机快、体积小、启动快、简单循环效率高，主要用于电力调峰、船舶动力。•重型燃气轮机为工业型燃机，如GT26和PG6561B等燃气轮机，其优势为运行可靠、排烟温度高、联合循环组合效率高，主要用于联合循环发电、热电联产。2020年3月25日星期三17轻型燃气轮机2020年3月25日星期三18重型燃气轮机1.连接发电机2.进气道主轴固定支架3.轴颈轴承4.压气机叶片5.压气机模块6.燃气轮机固定支架7.叶轮8.叶轮贯穿螺栓9.进气道定位10.水平缸封11.燃烧室防护罩12.逆流燃烧室13.燃料注入系统14.燃烧室（火焰筒）15.燃烧室冷却部件16.喷嘴构造17.一级涡轮固定构造18.动力涡轮构造19.排气扩散构造20.排气烟气探测器2020年3月25日星期三19深圳号导弹驱逐舰2020年3月25日星期三20燃气轮机推进动力装置的特点•a.单位功率的重量尺寸小；•b.启动加速性能好；•c.重量轻，体积小；•d.振动小，噪声小。•a.主机没有反转性,配备换向系统或调距桨；•b.必须借助启动机械启动；•c.叶片材料昂贵，工作可靠性较差，寿命短；•d.进排气管道尺寸大，舱内布置困难。•e.生产厂家主要为两家国外公司(英国的rolls2royce公司和美国的通用电气公司)•低负荷下耗油率高LM25002020年3月25日星期三21核动力推进动力装置1—核反应堆2—反应堆芯3—控制棒4—冷却循环泵5—蒸汽发生器6—高压汽轮机7—低压汽轮机8—辅汽轮机9—主冷凝器10—辅冷凝器11—主给水泵12—减速器13—螺旋桨14—稳压筒2020年3月25日星期三22核动力推进动力装置2020年3月25日星期三23核动力推进动力装置2020年3月25日星期三24核动力推进动力装置的特点•a.极少的燃料释放巨大的能量如1.1×106kw之核动力装置工作一昼夜仅消耗核燃料15-18g；•b.功率大；•c.无需空气。•a.装置大；•b.操纵管理检查系统比较复杂；•c.装置造价昂贵。俄罗斯阿库拉Akula(鲨鱼)级战略核潜艇０９4型攻击核动力潜艇2020年3月25日星期三25联合动力推进动力装置•汽轮机＋加速燃气轮机（COSOG或COSAG）•柴油机＋加速燃气轮机（CODOG或CODAG）•燃气轮机＋加速燃气轮机（COGAG或COGOG）尼米兹级航空母舰（美）“林肯”号12020年3月25日星期三26联合动力推进动力装置的特点•a.重量尺寸小；•b.操纵方便，备车迅速；•c.自巡航到全速工况加速迅速；•d.具有多机组并车的可靠性；•e.管理与检修费较低。•a.必须配备不同燃料及相应的管路及贮存设备；•b.主减速器的小齿轮数目多，结构复杂；•c.在减速器周围布置有难度。（英）“无敌”号意-加里博迪号2020年3月25日星期三27LNG船推进系统•传统采用锅炉汽轮机装置日本建造的LNG多采用之，两台锅炉配一台汽轮机。沪东中华造船(集团)承建的我国首制二艘LNG船的主动力装置就是采用锅炉汽轮机装置。该船为薄膜型、舱容147200m3、设计航速19·5节•二冲程低速柴油机卡塔尔最新一代14艘最大的容量为265000m3的Qmax级LNG船每艘将由两台MANB&W7S70ME-C电子控制的二冲程低速柴油机驱动,每台发动机在转速91r/min下的额定输出功率为21770kW(单缸3110kW)。再液化技术为大型LNG船安装高效大功率的二冲程低速柴油机铺平了道路。与汽轮机装置比较,采用上述发动机推进的LNG船每年可节省200万到500万美元。2020年3月25日星期三28LNG船推进系统•双燃料柴油机迄今第一艘由燃用BOG的Waertsilae50DF双燃料柴油机电力系统(DFDE)驱动的LNG船—75000m3的GazdeFranceEnergy已于2004年末投入营运。图2为驱动该船的DFDE系统。双燃料柴油机的主要特点是:采用燃油和天然气(BOG)两种燃料,功率较大,体积小,重量轻,占LNG船舱内空间小,有害排放物少。双燃料柴油机通常用于驱动容量不超过155000m3的LNG船2020年3月25日星期三29LNG船推进系统•COGES系统对于在230000~265000m3载货量范围的大型LNG船,CO-GES(燃气轮机和汽轮机联合的综合电力推进系统)是极具吸引力的。在COGES系统中,燃气轮机的排气排入余热锅炉。余热锅炉产生的蒸汽驱动汽轮机做功。燃蒸联合循环中的燃气轮机和汽轮机驱动发电机。发电机生产的电力驱动推进用电动机并向船舶总电网供电,燃蒸联合循环的效率约为45%~50%。在使用低压蒸汽时,COGES系统的能量利用率高达80%。COGES系统具有燃料灵活性,可以燃用重燃油、蒸发气或两者的结合。2020年3月25日星期三30LNG船推进系统•比较锅炉汽轮机装置：功率大、可靠性高、使用寿命长、初投资费用和运行维护费用低。燃料效率只达到30%左右，,即使应用再热循环并提高蒸汽初参数,其效率也仅达到约34·5%柴油机装置：低速机接近48%，初投资费用高、运行维护费用高、寿命较低等。尺寸重量要比燃气轮机装置大得多燃气轮机热效率已达到40%、重量尺寸明显小于锅炉汽轮机装置和柴油机装置、机动性好、自动化程度高，可实现无人机舱运行,CO-GES装置的总运费率比双燃料柴油机低10%。它的缺点是使用寿命明显低于锅炉汽轮机装置,运行维护费用也比较高。2020年3月25日星期三31推进器类型•螺旋桨：在航速低于30kn的船舶中占主导地位•喷水推进：在航速高于30kn的船舶中占主导地位•全回转桨：对机动性要求较高的船舶，采用该推进器节省了舵，减少了费用选择的主要考虑因素：船舶的大小、航行速度以及操纵灵活性等2020年3月25日星期三32新型船舶动力装置•喷水推进•吊舱推进•高速主机•全电力推进•超导磁流体推进NEXT2020年3月25日星期三33喷水推进•(1)在限制直径情况下，喷水推进的效率可以比普通浆为高．这是因为，泵的叶轮可承受比普通桨高的负荷。•(2)可在空泡很低的情况下正常工作．因为泵有较高的抗汽蚀性能。•(3)振动小。因为泵的叶轮似在导管中工作，流动均匀，激振力小。