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1、船舶动力装置原理与设计课件（第1章第14节）（计划学时4h）,吕庭豪 设计 2004年12月,第1章 船舶动力装置总论, 1-1 船舶动力装置的含义及组成,一、含义: 所谓船舶动力装置，就是指保证船舶正常航行、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及系统的综合体。 二、组成: (一)推进装置 推进装置是保证船舶以一定的速率航行的设备，它是船舶动力装置中最主要的部分，包括:,1) 主机 是推进船舶航行的动力机，有汽轮机、燃气轮机,柴油机等。 2）传动设备 它的作用是隔开或接通主机传递给传动轴和推进器的功率，同时还可以使后者达到减速、反向和减振的目的。 3）船舶轴系 用来将主机的功
2、率传递给推进器，同时又将推进器产生的推力传递给船舶，用以改变船舶的运动状态。它包括传动轴、轴承和密封件等。 4）推进器 它是将船舶主机发出的能量转换成船舶推力的设备，如螺旋桨和喷水推进器等。,图1-1-1为船舶推进装置示意图。图中示出主机（柴油机）、传动设备、轴系及螺旋桨连接情况。起动主机1，即可驱动传动设备2、3和轴系4，使螺旋桨7旋转。当螺旋桨在水中旋转时，能使船前进或后退。驾驶员从驾驶室通过车钟与机舱中的值班轮机员取得联系（或直接遥控机器），改变主机的转速和轴系的传动方向，从而控制船舶航行的快、慢速和进、退。,图1-1-1（代） 船舶推进装置示意图（间接传动）,图1-1-1（补） 船舶推
3、进装置示意图（直接传动）,(二)辅助装置 除供给推进船舶的能量之外，用以产生船上需要的其它各种形式能量的设备，即称为辅助装置。它包括： 1) 船舶电站 它的作用是供给辅助机械及全船所需要的电能。它由发电机组、配电板及其它电气设备组成。 2）辅助锅炉装置 民用船舶一般用它产生低压蒸汽，以满足加热、取暖及其它生活需要。它由辅助锅炉及为它服务的燃油、给水、鼓风、送汽设备及管路、阀件等组成。,(三) 船舶管路系统 船舶管路系统，用来连接各种机械设备，并传递有关工质（流体）。它包括： 1) 动力管路 主要用来为主机和辅机服务的管路。计有燃油、滑油、冷却水、压缩空气、排气（进气）及废气利用等。 2) 船舶
4、系统 为保证船舶的抗沉性(生命力)及船员和旅客的正常生活所需要的系统。计有舱底、压载、消防、生活供水、施救、冷藏、空调、通风及取暖。,(四) 船舶甲板机械 为保证船舶航向、停泊及装卸货物所需要的机械设备。计有： 1）锚泊机械设备 包括锚机、绞盘等。 2）操舵机械设备 包括舵机及操纵机械、执行机构等。 3) 起重机械设备 如起货机、吊艇机及吊杆等设备。,(五) 机械设备的遥控及自动化系统 它包括对主机、辅机和有关机械设备等的远距离控制、调节、检测和警报系统。 在上述船舶动力装置的五个组成部分中，推进装置是一个最重要的部分。它影响到整个船舶动力装置的性能，其工作的好坏，又直接涉及到船舶的正常航行和
5、安全，故在进行设计选型和建造工作中要特别注意。然而要使推进装置在船上能发挥重要的作用，又必须依赖于动力装置其它各个组成部分的配合，故对其它部分也不能忽视，这样才能保证整个船舶动力装置正常工作。,集控室, 1-2 船舶动力装置的类型及特点,船舶动力装置中的主机和辅机可以具有不同的型式。但主机的功率比辅机的功率通常要大的多，因此船舶装置的类型一般是以主机的结构型式来命名的。船舶主机的作用在于把燃料燃烧所产生的热能转化为机械能，用以推进船舶前进。随着船舶向着大型化、快速化、专用化及高度自动化的方向发展，要求动力装置具有能耗低、单机功率大、寿命长和可靠性好，同时具有较高的推进效率的特点。因此，出现了各
6、种各样的动力装置形势以满足各类船舶的发展需要。目前，常见的有柴油机动力装置、汽轮机动力装置、燃气轮机动力装置、联合动力装置和核动力装置等。,一、柴油机动力装置 柴油机动力装置具有比较优良的性能，在现代船舶中，不论商船、渔船、工程船及军用舰艇上都得到了广泛的应用。目前以柴油机作为主机的船舶占98%以上，柴油机船总功率占造船总功率的90%以上。可见柴油机动力装置占绝对的统治地位。 柴油机动力装置具有如下的优点： （1）较高的经济性 耗油率kg/（kw*h）比蒸汽、燃气动力装置低很多: 高速（1000r/min以上）柴油机为0.160.18 ； 中速（3001000r/min）机为0.1250.17
7、0； 低速（300r/min以下）机为0.1200.14 ； （蒸）汽轮机装置为0.180.35 ； 燃气轮机装置为0.240.40。,图图1-2-0 主要推进装置（热机）不同负荷时的相对耗油率的比较 1-柴油机推进装置； 2-汽轮机推进装置； 3-燃气轮机推进装置,这一优点使以柴油机作为主机的船舶的续航力大大提高，换句话说，一定续航力下所需之燃油贮备量减少；从而使营运排水量相应增加。 （2）重量轻 柴油机动力装置中除主机和传动机组外，不需要主锅炉、燃烧器以及工质输送管道等，所以辅助机械和设备相应较少，布局简单，因此单位重量指标较小。 (3)具有良好的机动性 操作简单，启动方便，正倒车迅速，一
8、般正常启动到全负荷只需1030min，紧急时只需310min。虽然比燃气轮机装置差些，但它不需要像燃气轮机装置那样一套复杂的启动和倒车设备。柴油机装置停车只需几秒钟即可。,柴油机装置存在如下几个缺点： (1)由于柴油机的尺寸和重量按功率比例增长快，因此单机组功率受到限制，低速柴油机也仅达到4104KW左右，中速机2104KW左右，而高速机仅在8103KW或更小，这就限制了它在大功率船上的使用的可能性，大功率舰艇希望有31045105KW，故其无法胜任。 (2)柴油机工作中的噪声，振动较大。 (3)中、高速柴油机的运动部件磨损较厉害，高速强载柴油机的整机寿命仅10002000h。 (4)柴油机在
9、低转速时稳定性差，因此不能有较小的最低稳定转速，影响船舶的低速航行性能。另外，柴油机的过载能力也较差，在超负荷10%时，一般仅能运行1h。,二、汽轮机动力装置 汽轮机动力装置是由锅炉、汽轮机、冷凝器、轴系、管系及其他有关机械设备等组成。在这种装置中，燃料的燃烧是在发动机的外部，即在锅炉中进行的。汽轮机动力装置的基本组成与工作原理，如图1-2-1所示。 在大功率船舶动力装置中，汽轮机占有一定的优势，资料统计表明，功率小于2 kw的船舶，多采用柴油机动力装置，而大于 2 kw的多采用汽轮机。所以，高速客船和集装箱船以及大型油船多采用汽轮机动力装置。,图1-2-1(代) 船舶蒸汽轮机动力装置的基本组
10、成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,汽轮机动力装置具有如下优点： （1）单机功率大 由于汽轮机工作过程的连续性有利于采用高速工质和高转速工作轮，因此单机功率远比活塞式发动机大。现代舰用汽轮机的单机组功率已达 7.5万kw以上，若不受推进器尺寸和制造的影响，像陆用电站汽轮机一样可做成60万100万kw的巨型动力装置。正因为于此，主机本身的单位重量尺寸指标优越。 （2）机组振动小、噪声低 汽轮机叶轮转速稳定，无周期性扰动力，因此机组振动小、噪声低。 （3）可靠性
11、好、寿命长 摩擦部件少，工作可靠性大，使用期限高达100万h以上。 （4）比较经济 可使用劣质燃料油，滑油消耗率也很低，仅0.10.5g/（kwh）（柴油机的滑油消耗率为310g/（kwh）。,汽轮机动力装置存在下列缺点： (1)装置的总重量、尺寸大，因为它配置了主锅炉，以及为其服务的辅助机械和设备，占去了船体许多营运排水量。 (2)燃料消耗率大，装置效率较差，额定经济性仅为柴油机装置的0.50.7，在部分工况下，甚至为0.30.4，在相同燃料贮备下续航力降低。 (3)机动性差，起动前准备时间约为3050min，紧急情况下，缩短暖机过程后也需要1520min，在舰艇上为保证立即起锚的要求，就以
12、暖机状态停泊，从而增加了停泊时的燃料消耗。另外，从一个工况变换到另一个工况的过渡时间也较柴油机装置长23倍。,三、燃气轮机动力装置 燃气轮机是最近几十年发展起来的一种新型发动机。它的基本工作原理与汽轮机大致相似，只是在作功的工质方面有所不同。汽轮机中使用的燃料是在锅炉中燃烧，使锅炉中的水加热产生蒸汽，推动叶轮作功；而燃气轮机则是利用燃料在燃烧室内燃烧，所产生的燃气推动叶轮作功。 图1-2-2是燃气轮机动力装置的基本组成和工作原理图。一般由三部分组成： 压气机 它用来压缩进入燃烧室的空气。 燃烧室 燃料在其中燃烧成燃气。 燃气轮机 它将燃气的热能转变成旋转轴系和螺旋桨的机械功。,图1-2-2（代
13、） 燃汽轮机装置简图,燃气轮机动力装置能较好地满足近代舰艇对动力装置提出的高速、高机动性和极低的单位重量之战术、技术要求，故在军用舰艇中较常使用。 燃气轮机动力装置具有如下优点： (1)单位功率的重量尺寸极小。加速用燃气轮机装置的单位重量可达0.651.3kg/kw，全工况用燃气机装置为24kg/kw。机组功率也较大，复杂线路的燃气轮机装置（有中间冷却、中间加热和回热措施）机组功率可达6104kw。 (2)良好的机动性，从冷态启动到全负荷时间，一般为12min，大功率复杂线路的燃气轮机装置只需35min。 (3)燃料消耗率不及柴油机，但也能达到200390g/（kwh），低负荷时经济性的恶化比
14、汽轮机影响要小。,燃气轮机装置的缺点： (1)主机没有反转性，必须设置专门的倒车设备。 (2)必须借助于启动马达或其他启动机械启动。 (3)由于燃气的高温，叶片材料用的合金钢昂贵，工作可靠性差，寿命短，如燃气初温在750以上的燃气轮机，寿命仅5001000h。 (4)进、排气管道尺寸较大，舱内布置困难，甲板上较大的管道通道开口，影响船体强度。燃气轮机工作时空气流量很大，一般为1623kg/（kwh）（柴油机约为5，汽轮机约为0.5）。,四、联合动力装置 对于军用舰艇来说，从提高战斗力观点要求尽可能提高航速和机动性。舰艇在全速时要求动力装置发足全功率，但它在舰艇总航行时间所占比例极小，一般不会超
15、过1%。为此它要花费足够的排水量安置全功率的机械设备重量。而舰艇的巡航时间极长，要求有良好的经济性以提高续航力。为解决全速时的大功率和巡航时的经济性，就出现了两类发动机联合工作的联合动力装置。目前有三种联合动力装置： 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）。,下面介绍他们的它们的特点。 1、汽轮机动力装置带燃气轮机加速装置 此种装置由于汽轮机装置的一系列优点，与燃气装置联合后，能适用于功率较大的轻型舰艇，蒸汽装置保证80%全速以下航行所需的功率（即全功率约50%左右），以使经济及重量尺寸指标为最有利。 2、全工况燃气轮机装置带加速燃气轮机装置 这类装置中，巡航燃气轮机装置可以采用复式线路（带中间冷却器及回热）工作的开式燃气轮机或按闭式循环工作的燃气轮机。前者具有蒸燃联合装置的大部分优点，燃料消耗和重量尺寸都可减少，后者在巡航时能保证较高的热效率，部分负荷是性能良好。 3、柴油机与燃气轮机联合装置 这类装置中，柴油机做巡航机，与燃气轮机二者都通过离合器与主减速器相联，采用倒顺离合器或调距桨实现倒车。,
