轮机导论-第2讲-船舶动力装置1-蒸汽轮机动力装置分解

2）循环参数关系
了解加入的热量q1、放出的热量q2、膨胀功 lT 、 水泵所消耗的功lP、有效功l0、有效热量q0、热效率ηt
等的函数式。
2）循环参数关系
(1) 加入的热量q1
在过程4-5、5-6和6-1中，热量 是在一定的压力P1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q1为 ：
③表压力pg(Gauge pressure)：用压力表测得的数值， pg=p-pb。 ④真空度pv(Vacuum)：用真空表测得的数值，pv=pbp。
a
pg
大气压力 大气压力
p
pv pb 0 pb p 0 pv=pb-p b
pg= p-pb
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1F，符号tF。
Q 辐 F2 t
辐-辐射放热系数，W/(m2C) F2-吸收辐射热的物体表面积，m2
投射辐射能Q
反射QR
n
吸收QA
穿透QD
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。
1
10-5
1.0210-5
0.9910-5
1.4510-4
7.510-3
1.0210-4
热工基础知识
① 大气压力 pb (Barometric, 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)。 1atm =760mmHg=101325Pa=0.101325MPa=1bar ②绝对压力p(Absolute pressure)：工质作用在容器壁 面上的实际压力。
第2章 船舶动力装置
2.1 蒸汽轮机动力装置 2.2 舰船燃气轮机装置 2.3 柴油机动力装置
2.4 核动力装置
2.5 联合动力装置
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。
引言
船舶动力装置的类型
分类方法 按使用工质分 蒸汽动力装置 类 型 按主机型式分 按使用燃料分
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 100 等份，每份为 1 摄氏度，记作 1C ，符号tC。 开氏温标 (Kelvin) ：摄氏零下 273.15 C 为零度，每度的间隔 与摄氏温标相同，记作1K ，符号TK。
9 t F t C 32 5 5 t C (t F 32) 9 TK t C 273 .15
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 熵 (Enthalpy, H) 系统中能够做功的能量。 (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。 英制单位：psi(bf/in2) 国际单位：N/m2(Pa) 工程单位：kgf/cm2, bar
压力单位换算表 帕斯卡 (Pa) N/m2 巴 (bar) 10N/m2 工程气压 (at) kgf/cm2 标准气压 (atm) 760mmHg 磅力/英寸2 (psi) 1bf/in2 毫米汞柱 (Torr) mmHg mH2O 米水柱
冷却水、燃油、滑油
柴油机排气
数字显示
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(3)比容和密度
比容(Specific volume)：1kg的物质所占的容积，m3/kg。
V v m m V 1 v
V-容积，m-质量
密度(Density)：1m3的物质所具有的质量，kg/m3。
， v
1

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(4)理想气体状态方程 (Ideal gas state equation)
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，
2）循环参数关系
注： 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 i4 i3 比 i1 i4 小得多，可以略去不
计，则循环热效率的近似式为：
i1 i2 t i1 i4
3）提高循环热效率的方法
a) 在相同的背压P2下，提高蒸汽的初始温度 t1和 压力 P1。 b) 在相同的蒸汽初始压力 P1和初始温度 t1下，降 低背压 P2 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。
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6.热效率：效果与代价之比。
W Q1 Q2 Q2 1 Q1 Q1 Q1
W-机械功 Q1-从高温热源吸收的热量 Q2-传给低温热源的热量 η<100% 最理想循环、即热效率最高的循环是卡诺循环 (Carnot cycle)

卡诺
T1 T2 T2 1 T1-高温热源温度，T2-低温热源温度 T1 T1
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5.功和功率
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。
功：当封闭系统通过边界和外界之间发生相互作用时，
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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
2）循环参数关系
(6)有效热量q0 循环的有效热量q0 ：
q0 q1 q2 (i1 i4 ) (i2 i3 )
(7)热效率ηt
循环热效率t ：
q1 q2 (i1 i4 ) (i2 i3 ) (i1 i2 ) (i4 i3 ) t q1 i1 i4 i1 i4
图 船舶蒸汽轮机动力装置的基本组成
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
蒸汽轮机的基本工作过程
(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
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。
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6.Байду номын сангаас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。
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7、传热的基本方式
导热、对流换热、辐射换热
（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 t F /
Q-导热热流量, W
F-面积, m2 -厚度, m -导热系数, W/(mC)
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（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。
Q F t
-放热系数，W/(m2C)
t-温差，C
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（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。
Q K F t
K-传热系数，W/(m2C) F-传热面积，m2 t-传热温差，C
2.1 蒸汽轮机动力装置
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。
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
蒸汽轮机动力装置 常规动力装置
燃气动力装置
蒸汽-燃气联合 动力装置
燃气轮机动力装置 核动力装置
柴油机动力装置
联合动力装置
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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。
q1 i1 i4
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q2
过程2-3是循环的等压放热过
程，所放出的热量q2为 ：
q2 i2 i3
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 lT
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
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
图
简单蒸汽动力装置的理想循环
1）朗肯循环及过程
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P1下的汽化过程； 6-1：在压力P1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P2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。
pv RT
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, 100C; 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 。
汽轮机中的膨胀功 lT ：(绝热膨胀等熵过程)
lT i1 i2
(4)水泵所消耗的功lP
循环中水泵所消耗的功lP ：(绝热压缩等熵过程)
l p i4 i3
(5)有效功l0
循环的有效功l0 ：(相当于1-2-3-4-5-6-1的面积)
l0 lT l p (i1 i2 ) (i4 i3 )
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-。
，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