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船舶动力装置的类型与技术特点

已有 1506 次阅读 2022-8-4 18:39 |个人分类:科普集锦|系统分类:科普集锦

船舶动力装置的类型与技术特点

伍赛特

 

船舶动力装置的形式按主推进装置发动机的类型可分为柴油机动力装置、汽轮机动力装置、燃气轮机动力装置和核动力装置等。

 

1柴油机动力装置

柴油机动力装置常根据主机功率传递方式的不同,分为直接传动螺旋桨、通过离合器一减速齿轮机组驱动桨的间接传动和通过主发电机、电动机驱动桨的电力传动,以及不采用桨的喷水推进装置等几种形式。柴油机动力装置有如下优点:

(1)有较高的经济性柴油机动力装置的油耗率(kg/kw·h)比蒸汽、燃气动力装置低得多,高速柴油机油耗率为0.2100.245,中速机为0.166~0.180,低速机为0.160~0.170;一般汽轮机装置油耗率为0.245~0.470;燃气轮机装置油耗率则更大,为0.27~0.47。这一优点使柴油机的续航力大大提高。

(2)质量轻柴油机动力装置中除主机和传动组件外,不需要主锅炉、燃烧器以及工质输送管道,所以辅助机械和设备相应较少,布置简单,因此单位质量指标较小。

(3)有良好的机动性,操作简单,启动方便,正倒车迅速一般正常启动到全负荷只需10~30 min,紧急时仅需3~10 min。柴油机装置停车只需2~5 min,主机本身停车只要几秒钟即可。

 

柴油机动力装置有如下缺点:

(1)由于柴油机的尺寸和质量按功率比例增长快,因此单机组功率受到限制,低速柴油机达9.84×104 kW左右,中速机3.49×104 kW左右,而高速机仅在8×103 kW或更小,这就限制了它在大功率船上使用的可能性,大功率船常希望有3.5×1043.5×105 kW,故其无法胜任。

(2)柴油机工作时的噪声、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较短。

(4)柴油机在低转速时稳定性差,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差,在超负荷10%时,一般仅能运行1 h。

   

2汽轮机动力装置

汽轮机以锅炉产生的蒸汽为工质通过齿轮箱减速机组传递功率到螺旋桨,也有采用汽轮机发电,使用电力推进方式。

从锅炉里出来的高压过热蒸汽从喷嘴喷到叶片上时,轮机就转动起来,蒸汽速度越大,轮机转动得越快(也就是蒸汽的内能在喷射中变成蒸汽的动能,它的动能又转变为机轴旋转的机械能)。汽轮机将蒸汽的热能转变为机械功,通常是通过冲动作用原理和反动作用原理这两种方式来实现的。汽轮机动力装置有如下优点:

(1)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。现代船用汽轮机的单机功率已达7.5x104 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6×10510×105 kW的巨型动力装置。因此,主机本身的单位质量尺寸指标优越。

(2)汽轮机叶轮转速稳定,无周期性扰动力,因此机组振动小,噪音小。

(3)磨损部件少.工作可靠性大,使用期限可高达10×104 h以上。

(4)可使用劣质燃料油,润滑油消耗率也很低,仅0.1~0.5 g/kW·h(柴油机的润滑油消耗率为3~10 g/kW·h)。

汽轮机动力装置有如下缺点:

(1)装置总质量尺寸大,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)燃油消耗率大,装置效率较差,额定经济性仅为柴油机装置的1/2~2/3,部分工况下,甚至为1/3~2/5,在相同燃料储备下续航力降低。

(3)机动性差,启动前准备时间大约30~35 min;紧急情况下,缩短暖机过程后也需要10~20 min,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2~3倍。

 

3燃气轮机动力装置

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转,将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械,是一种旋转叶轮式热力发动机。    

燃气轮机主要由压气机、燃烧室和燃气透平等组成。此外还需要配备良好的附属系统和设备,包括:启动装置、燃料系统、润滑系统、空气滤清器、进气和排气消声器等。压气机(压缩机)连续地从大气中吸入空气并将其压缩;压缩后的空气进入燃烧室,与喷入的燃料混合后燃烧,成为高温燃气,随即流入燃气透平中膨胀做功,推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转热后的高温燃气的做功能力显著提高,因而燃气透平在带动压气机的同时,尚有余功作为燃气轮机的输出机械功。燃气轮机由静止启动时,需用启动机带着旋转,待加速到能独立运行后,启动机才脱开。

燃气轮机按工作过程分为简单循环、回热循环和复杂循环。燃气轮机的工质来自大气,最后又排至大气,是开式循环;此外,还有工质被封闭循环使用的闭式循环。燃气轮机与其他热机相结合的称为复合循环装置。

燃气轮机通过多级减速齿轮机组传递功率给桨以推动船舶.它能满足船舶对动力装置提出的高速、高机动和极低的单位质量的技术要求。

燃气轮机装置优点:

(1)机组的质量尺寸指标小。加速燃气轮机装置功率的质量可达0.65~1.30 kg/kW,全工况时燃气机装置功率的质量为2~4 kg/kW。

(2)良好的机动性,从冷态启动至全负荷时间,一般为1~2 min,大功率燃气轮机装置也只需3~5 min。

(3)燃料消耗量比柴油机高,但也能达0.27~0.47 kg/kW·h。

燃气轮机装置目前尚有下列缺点:

(1)主机没有反转性能,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,工作可靠性较差,寿命短,如燃气初温在750 ℃以上的燃气轮机,寿命仅500~1 000 h。

(4)由于燃气轮机工作时空气流量很大,一般为16~23 kg/kW·h(柴油机约为5 kg/kW·h,汽轮机约为0.5 kg/kW·h),因此进、排气管道尺寸较大,舱内布置困难。

 

4核动力装置

核动力装置是以原子核的裂变反应所产生的巨大热能,通过工质(蒸汽或燃气)推动汽轮机或燃气轮机工作的一种动力装置。

核动力装置具有以下优点:

(1)核动力装置以极少的核燃料释放出巨大的能量,这可以保证船舶以较高的航速航行极远的距离。

(2)核动力装置在限定的舱室空间内所能提供的能量,比一般其他形式的动力装置要大得多,这主要取决于大功率主机制造及螺旋桨所能吸收的最大功率。

(3)核动力装置的最大特点是不消耗空气而获得热能。这就不需要进排气装置。

核动力装置存在如下缺点:

(1)核动力装置的重量尺寸较大。由于核分裂反应释放出大量的放射性物质,对人体有严重的损伤作用,污染环境,考虑核动力船可能遭遇碰撞、触礁、海浪冲击、着火、爆炸等意外灾害时不致污染海洋及损伤人体,除核反应堆容器加数层围阻屏蔽系统,以阻止及截留反射性物质逃离反应堆外,动力装置也是同样。这些屏蔽系统具有很大的重量尺寸,使得装置重量显著增加。

(2)操作管理系统比较复杂,在防护层内机械设备必须远距离操作,而且在核动力船舶上还必须配置独立的其他形式的能源,来供给反应堆启动时的辅助设备和反应堆停止工作后冷却反应堆的设备所需的能量。

(3)核动力装置造价昂贵。核燃料也昂贵,尤其是浓缩铀。浓缩度越高价格越贵。




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