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常规动力装置与核动力装置在舰船上的应用

已有 1205 次阅读 2022-8-3 18:50 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦

常规动力装置与核动力装置在舰船上的应用

伍赛特


0 引言

船用动力装置按其使用的能源不同一般分为两大类:一类为应用常规能源(如煤、油等)作为动力的称为常规动力装置,另一类应用核能作为动力的称为核动力装置。但是船用动力装置也往往以推进装置的类型进行分类。推进装置的特点一般体现在动力装置的类型、动力传递方式、推进器种类三个方面。由不同类型的动力装置、不同形式的传动方式和不同类型的推进器进行合理组合,可组成多种型式的推进装置。在这些推进装置中,动力是核心。因此,根据动力装置型式的不同来划分更具有普遍意义。舰船动力按主机能量的热工转换方式来分类,可将动力装置分成汽轮机动力装置、燃气轮机动力装置、柴油机动力装置和核动力装置四种基本类型。


1 船用蒸汽动力装置

根据主机运动方式的不同,蒸汽动力装置有往复式蒸汽机和汽轮机两种。往复式蒸汽机最早应用于海船。由于它具有结构简单、运转可靠、管理方便等优点,在过去很长的一段时期内占据着统治地位。但由于其经济性差,尺寸、质量大,不能适应机组功率增长的需要,现在已经被其他船用发动机所代替。回转式汽轮机自从19世纪末问世并装船使用以来,由于受到柴油机的挑战,发展一直比较缓慢。这种发动机运转平稳,摩擦、磨损较少,振动、噪声较轻,但热效率低,要配置质量、尺寸较大的锅炉、冷凝器、减速齿轮装置以及其他辅助机械,因此装置的总质量和尺寸均较大,这就限制了它在中小船舶中的应用。然而最近十几年来,由于回转式汽轮机发展了系列化、通用化和简单化的装置,降低了造价,提高了蒸汽初始参数,采用中间过热和废热充分回收利用系统,大幅度降低了燃油消耗率;解决了繁重的锅炉水垢清洗问题;采用低螺旋桨转速等一系列措施,再加上这种装置对燃料适应性好的优点,故应用范围有所扩大。不少资料表明,在功率超过22 000 kw和船速超过20 kn时,汽轮机动力装置比柴油机动力装置更为优越。

 

2 船用柴油机动力装置

柴油机不仅是热效率最高的一种热机,而且还具有启动迅速、安全可靠、装置的质量较轻、功率范围大(从几kw至数万kw)等一系列优点,因此船舶主机及发电机副机现在多用这种发动机。船舶以柴油机动力装置占绝对优势的状况,在今后一个相当长的时间内还将继续下去。在中、大型民用船舶上所使用的柴油机有大型低速和大功率中速两大类。这两种柴油机在激烈竞争的同时又互相促进,都在迅速地发展着。大型低速柴油机动力装置自20世纪60年代起发展得特别迅速。一方面是由于当时船舶向大型化、高速化发展,需要大功率的发动机;另一方面由于废气涡轮增压技术的进步,可燃用更低质的燃料,降低了比油耗,为大型低速机发展提供了可能。20世纪70年代两次能源危机的冲击和相继出现的航运事业不景气,从节能需要出发,船舶已不再向大型化和高速化方向发展,除专业化船舶外,一般货船的航速都降至14 kn左右。为了适应这种形势,大型低速柴油机的尺度不但不再增加,而且缸径也都回1 000 mm以内,并出现了缸径只有260 mm的低速机。从20世纪70年代末至今围绕着节能这一中心,大型低速柴油机的结构不断改进,大体每隔两年就推出一种新机型。可以认为,降低耗油率、提高经济性仍然是今后发展的方向之一。

 

3 船用燃气轮机动力装置

燃气轮机动力装置是20世纪30年代燃气轮机开始兴盛以后发展起来的,第一批作为商船主机出现在20世纪50年代。它的优点是单位质量和尺寸小、机动性高、操纵管理简便、便于实现自动化,但它的经济性差、进排气管道大、机舱布置困难、装置较复杂、叶片及燃气发生器在高温高压状态下工作、寿命较短。

 

4 船用核动力装置

利用核裂变产生能源的动力装置称为核动力装置,核动力装置的核心是核反应堆。船用核动力装置的特点是速度快、续航力大、核燃料的装载质量少、机动性强。根据其用途船用核动力装置一般可分为两类:一类为民用核动力船舶,如原子能破冰船、核动力客商船和海洋考察船等,这些民用船舶上的核动力装置与陆上核电厂压水堆动力装置基本相似;另一类为军用核动力舰船,如核动力航空母舰、巡洋舰、潜水艇等。无论民用还是军用船舶核动力装置,它们的工作原理是一样的,即通过核燃料的核裂变产生能量,经蒸汽发生器产生蒸汽推动汽轮机做功,进而驱动推进器工作。船用核动力装置(压水型)一般由反应堆、一回路系统、二回路系统、电力系统、推进轴系几大部分组成。

 

4.1反应堆、一回路系统(核岛)

反应堆、一回路系统是利用反应堆核燃料裂变放出的热,产生蒸汽的装置。船舶压水堆动力装置通常是单堆两条环路(三条环路等)的配置形式,即一回路系统是由完全相同的,各自独立且相互对称、平行而并联在反应堆压力壳接管上的密闭环路。其中每一条环路都是由一台蒸汽发生器,两台反应堆冷却剂泵,反应堆进、出口接管处的各一只冷却剂隔离阀和连接这些设备的主回路冷却剂管道组成。兼作反应堆慢化剂和冷却剂的高温、高压水,在反应堆冷却剂泵的驱动下,流经反应堆堆芯,吸收了核燃料裂变放出的热能后,强迫出堆,流经蒸汽发生器,通过蒸汽发生器的大量u形传热管壁面,把热量尽可能多地传到u形管外侧的二回路系统的蒸汽发生器给水,然后流回反应堆冷却剂泵,再重新被送进反应堆,吸收堆芯核燃料持续释放出的热能,再出堆,如此循环往复,构成了放射性的密闭循环回路。为了维持反应堆安全可靠的工作,一回路系统还包括一些必须设置的辅助系统。如为了稳定和限制一回路系统冷却剂压力波动,而设有稳压器的压力安全和压力卸放系统,这个系统通过波动管将稳压器底部接于反应堆出口的热管段上,通过波动管,冷却剂可以自由地从主回路涌人稳压器,或从稳压器返回主回路中。在堆的入口冷管段上,引出一个能够改变和调节流量的喷雾管接在稳压器顶部喷嘴上,以喷射主回路中冷管段内的冷却剂。在实际装置中,稳压器是跨接在一回路系统的两条环路之间的,即稳压器的波动管接在一条环路的堆出热管段上,稳压器的喷雾管接在平行的另一条环路的堆入El冷管段上。稳压器的顶部还装有为回路超压起保护作用的电磁卸压阀和机械式弹簧安全阀。装置正常运行时,在系统的工作压力超过整定的设计压力的上限时,压力传感系统自动开启稳压器顶部的雾化喷嘴的压力控制阀,则主回路冷管段内的冷却剂在反应堆进、出口的自身压差作用下,喷射到稳压器的上部蒸汽空间内,由于部分蒸汽冷凝,使得回路系统逐渐恢复到正常压力限值。如果因负荷的急骤变化,或是因出现了某种事故工况而造成系统压力骤然上升,使稳压器喷雾流量开度达到最大值时仍不足以抵消稳压器压力的持续上升,则作为系统第二级超压保护的卸压阀,此时将自动开启而释放掉部分稳压器的饱和蒸汽。若压力仍不见回跌,且继续上升并达到作为系统第三级超压保护的机械式弹簧安全阀自动起跳的压力整定值时,则此阀的阀头跳起进行全排量的卸压而最终限制系统的超压,之后阀头回座,维持主回路内工作压力在一新的低水平上,从而保护了一回路系统、设备不致遭受损坏。除此之外,一回路的辅助系统还包括冷却剂净化系统,危急冷却系统,化学停堆系统,设备冷却水系统,补给水系统,取样分析系统,去污清洗系统,安全注射和安全喷淋系统,放射性废物、废液、废气的收集和处理系统等。

   

4.2二回路系统(常规岛)

二回路系统是将蒸汽的热能转换为机械能或电能的装置。二回路系统主要是由汽轮机、主冷凝器、冷凝水泵、给水加热器、除氧器、给水泵、循环水泵、中间汽水分离器和相应的阀门、管道组成。二回路系统的蒸汽发生器给水,通过蒸汽发生器大量U形管的管壁,吸收了一回路高温、高压水从反应堆载来的热量后,在蒸汽发生器里蒸发形成饱和蒸汽,蒸汽从蒸汽发生器顶部出1=I通过主蒸汽管,流进汽轮机的主汽门和调节汽门,然后进入汽轮机高压汽缸,推动叶轮做功后自高压缸出来的蒸汽流经中间汽水分离器,提高干度后的蒸汽再进人汽轮机低压缸,驱动低压轮机做功后的乏汽,全部排入位于低压缸下的主冷凝器,通过冷凝器的传热管壁,乏汽经过循环冷却水的冷却后凝结成水,冷凝水经除盐处理后由冷凝水泵驱动进入低压加热器加热,再到除氧器加热除氧,而后经给水泵送到高压加热器再加热,再提高温度后重新返回蒸汽发生器,作为蒸汽发生器给水再进行上述循环。冷凝水如果在冷凝器的热阱中通过其他措施能够进行有效的除氧时,则可省去单置的除氧器,从而简化了二回路系统设备。另外,为了减小或者节省大容量循环水泵的功耗,在船舶航行过程中,当船舶航速超过某一定值。而使舷外水流相对速度构成的自然循环流速能满足冷凝器原循环水泵的送流速和所需的循环水流量时,则可以停闭循环水泵而采用冷凝器的自流工作。舷外水自流进入冷凝器以冷却冷凝器中的乏汽,使之凝结成冷凝水。从船舶用途或是从船舶核动力装置性能考虑,主机一般采用饱和汽轮机齿轮机组,如美国的核潜艇就是这样。但也可以采用饱和汽轮机发电机组,如法国的核潜艇就是这样。将汽轮机齿轮机组改换成汽轮机发电机组时,需配合采用电力推进装置,这样可以降低潜艇航行小齿轮机组发出的噪音,有利于提高核潜艇的隐蔽性和增大自身水声声呐系统的作用距离,但是动力装置的质量和尺寸都将因此而有所增加,其结果是相应地降低了核潜艇的航速。对于特殊使命的船舶,如原子破冰船,则当然需要采用电力推进装置进行工作。同样,为了维持饱和汽轮机的安全正常运行,二回路系统也设有若干辅助系统,如主蒸汽排放系统、汽轮机再热及抽汽系统、冷凝水、给水系统、润滑油系统、水化学处理系统等。

  

4.3电力系统

电力系统由船用电站和配电网络及设备组成。电力系统配电网络可分为交直流主配电网络、交直流220 V配电网络,以及交流400 Hz中频配电网络。在正常运行工况时,船用电力系统主要由两台汽轮发电机组提供电能。在出现异常工况(如反应堆故障、汽轮机发电机组故障等)时,可由交流机组、蓄电池组以及柴油发电机组供电。

 

4.4轴系

轴系是将饱和汽轮机齿轮机组的机械能或者是将饱和汽轮机发电机组的电能传递给螺旋桨,以推进船舶前进的装置。按船舶设置的螺旋桨个数,轴系相应地可分为单轴系、双轴系和多轴系三种。船舶采用轴系的多少由船舶种类决定。为了不致因一次破损事故而损失100%的船舶推进功率,船舶采用两个以上的轴系是比较好的,但是核潜艇,尤其是水滴形艇体的核潜艇因要适宜水下高航速所需线型而要求的单轴系则是另外一回事。为了简化结构和尽量少地减少推力与降低航速,布置单轴系船时常使动力装置轴线与船体基线(或龙骨线)平行,但有时也难免和双轴系船一样,很少能满足无倾斜角的要求。无论何种轴系,主要都是由主机机组以后的中间轴、推力轴(或统称主轴)和螺旋桨轴(又称尾轴),以及设置在这些轴上的各种轴承(包括推力轴承和支持轴承)、离合器等设备组成的。

 

参考文献

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