[理学]第07讲船舶蒸汽轮机装置1

(2) 锅炉效率 在锅炉中，把水变成蒸汽所用去的热量与向炉内所供的热量（燃料完 全燃烧所放出的热量）之比叫做锅炉效率。

D(hq hgs ) BQd
100%
D是蒸发量(t/h)；B是燃料消耗量(t/h)；Qd是燃料的低发热值(kJ/kg)； hq是出口蒸汽的焓(kJ/kg)；hgs是锅炉给水的焓(kJ/kg)。
为了提高炉膛内压力，现代增压锅炉均用鼓风机向炉膛内送风，鼓风 机多为轴流式压缩机。
右图是增压燃烧锅炉的原理图。
压气机将空气压缩至0.3～0.5MPa送 入炉膛，空气被压缩时温度也升高，所
MPa
燃气涡轮
以无需空气预热器；高压空气在炉膛中
参与燃烧，生产烟气，以150～200m/s的 高流速蒸发受热面和过热器。 锅炉排烟仍有一定的温度和压力， 可驱动燃气涡轮，燃气涡轮再带动压气
风是由风箱经圆通直接进入炉膛，只有中心少部分空气通过稳燃器产生旋
转运动。
四、船舶蒸汽锅炉的型式和结构
早期船用锅炉都是用铁板或铜板铆接而成，蒸汽压力不超过0.2MPa。 1850年后火管锅炉得到发展，20世纪20年代以前，火管式的苏格兰锅炉在
大小商船和一般军舰上占主要地位。
直水管锅炉，如雅洛锅炉从20世纪初就已开始应用于轻型军舰。但由
3、锅炉的分类
（1）按蒸汽压力分 低压锅炉：1.6MPa以下 中压锅炉：1.6～3.2MPa 高压锅炉：3.2～9.2MPa 超高压锅炉：9.2MPa以上
陆用锅炉的分类： 低压锅炉：1.27MPa以下（13个大气压） 中压锅炉：3.82MPa（39个大气压）
高压锅炉：9.8MPa（100个大气压）
超高压锅炉：13.72MPa（140个大气压） 亚临界压力锅炉：16.66MPa（170个大气压）
超临界压力锅炉：22.11MPa（225.65个大气压）
（2）按烟气在受热面（管子）中的流动途径 水管锅炉：管中为水，管间为烟 火管锅炉：相反 （3）按水循环方法 自然循环：由冷、热水的比重差产生循环动力 强制循环：由水泵驱动循环
第7讲
船舶蒸汽轮机装置(1)
一、船舶蒸汽轮机装置
1、组成
船舶蒸汽动力装置主要包括锅炉、汽轮机和冷凝器三部分。
2、简单原理
燃料在炉膛中燃烧，将锅炉中的水
加热，使其变成具有一定温度和压力的
蒸汽。蒸汽顺管道进入汽轮机，膨胀作 功驱动汽轮机旋转，并带动螺旋桨旋转
从而推动船舶航行。
在汽轮机中作完功的蒸汽进入冷凝器，被冷却成凝水，再由凝水泵、 给水泵送回锅炉，再次的被加热、气化。
但在主炉膛外、蒸发管束后面增设了
一个小型的前燃式再热炉膛。再热器布置 在烟道中，再热器后面设经济器和空气预
热器。
上图是单炉膛、尾部为双烟道的再热式锅炉。右侧的膜式水冷壁将炉 膛和烟道隔开，水冷壁的下部呈稀疏排列，烟气由此自炉膛进入烟道。 如上图，过热器之后的烟道分成两个通道，一个通道中设再热器，将 在汽轮机高压缸中作完功的蒸汽抽出再加热后再送入中压缸取作功。 上面左图是正常工况，右图是再热器中蒸汽较少时避免烧坏的工况。
简单离心式喷油器不便于调节油量，为了适合燃料燃烧的自动调节， 出现了回油式喷油器。如上图，在旋流室底部有油孔连接回油油路，回油 油路中设有调节阀。当供至旋流室的油量不变时，调节阀的开度不同，回 油量不同，则喷油器喷入炉膛的油量不同。
（2）配风器
为了正确组织气流以保证良好的燃烧，必须有良好的配风设备，以便
标准大气压下水的沸点为100℃，当气压为0.5个大气压时，水在82℃时就
能沸腾。若水的压力升高到1MPa，沸点会增大到180℃。 但沸点与压力并非线性关系，在临界压力下，水加热到374℃（称临界 温度）时，一下子全部变成饱和蒸汽。此时，饱和蒸汽和水的比重相同，
两种状态没有任何区别。
在蒸汽压力较大时，为了保证可靠的炉水循环，需要借助外来动力驱 动水在锅炉中循环。这就是强制循环锅炉。提供动力的设备就是水泵，称 为循环泵。 强制循环锅炉可分为多次强制循环式锅炉和直流式锅炉两种，下图是 一台多次强制循环锅炉。汽包1位于炉墙外，不受烟气加热。 给水被给水泵9送至经济器6受热至接近饱 和温度，然后进入汽包1。 循环泵7将下降管的水经联箱2压入水冷壁 3，水吸热部分汽化，汽水混合物进入对流管 束4继续吸热气化，含有10～20%蒸汽的汽水 混合物回到汽包1。 汽包1上部的蒸汽经联箱8进入过热器5， 被加热成过热蒸汽后流向汽轮机。
离心式喷油器工作原理如右图所 示，燃油由切向孔进入旋流室，一面 旋转，一面挤向旋流室中心，最后由 喷口喷出。 简单离心式喷油器的结构如左图， 它实现雾化的主要元件是雾化片，它由 切向通道、旋流室和喷口三部分组成。 离心式喷油器的燃油工作压力一般 为1.2～3.5MPa，大容量喷油器可达7～
10MPa，小容量喷油器约为0.5～2.0MPa
构造特点：双锅筒，膜式水冷壁，沉降式炉膛的四角切向布置燃烧器。
当船舶蒸汽动力装置使用再热循环系统时，应采用再热式锅炉。再热 式锅炉基本有两种型式：双炉膛锅炉和双烟道锅炉。 如右图是一种再热式锅炉， 126t/h， 10MPa，513℃，效率90.7%。 锅炉本体仍然是膜式水冷壁、沉降式 炉膛、切向燃烧。
（4）按炉膛内压力 普通锅炉：接近大气压 增压燃烧锅炉：远大于大气压 （5）按锅炉构造 三锅筒水管锅炉 双锅筒水管锅炉 小组联箱水管锅炉 双压式水管锅炉
三、锅炉燃料和燃烧设备
1、燃料
船舶锅炉使用的燃料有煤和重油，目前，燃料油是唯一燃料。燃料
油一般指重油，我国按80℃时的运动粘度将国产燃料油分为20、60、 100和200四个牌号。
汽包和水筒由钢板卷制而成，炉墙由耐火材料 和绝热材料以及密封钢板组成。 燃料在炉膛中燃烧，燃烧的热量一部分以热辐 射的方式传递给水冷壁和前几排沸水管，一部分被 高温烟气带给后几排沸水管和过热器、经济器和空
气预热器。
经济器预热给水，空气预热器预热空气，二者 合称尾部受热面。 过热器由平行排列的U型管和联箱组成，靠辐射和对流方式吸热，将
饱和蒸气变成过热蒸汽。
现代船舶锅炉多采用液体燃料，燃烧装置一般为燃烧器，它由喷油嘴 和配风器组成。 现代船舶锅炉采用送风机吸入空气和引风机排出烟气。
水冷壁管和沸水管前几排吸热多，炉水汽
化，汽水混合物较轻而上升至汽包，汽包内汽
水分离，上部蒸汽进入过热器，下部炉水沿沸 水管后几排流回水筒和联箱，这种循环流动称
直流锅炉又称为一次通过性锅炉，它的特点是没有锅筒。给水从管子 的一端进入，一次性全部被加热成蒸汽，从另一端出来就是所要求的过热
蒸汽。
所以要在一次流动中，连续的完成预热、蒸发和过热的过程。下图是 直流锅炉的工作原理。
右图是一台直流锅炉的简图。给水 泵1将水送至经济器2，然后再依次流 过炉膛受热面4、对流管束5、分离器6 和过热器7，在此过程中，炉水一边流 动，一边受热蒸发，最终全部变为过 热蒸汽。
MPa
燃气涡轮
机。燃气涡轮的排烟再经过经济器排出
若燃气涡轮入口烟气的温度再提高一些，超出压气机的功率可再带动 一台发电机。
哈尔滨汽轮机有限责任公司设计制造的我国首台秦山二期核电650兆瓦等级汽轮机
二、船舶蒸汽锅炉
1、锅炉组成和工作原理
船用锅炉型式多样，以D型锅炉为例，现代船用锅炉由锅炉本体、过
热器、经济器、空气预热器、燃烧装置、通风系统和其它辅助装置组成。
锅炉本体包括汽包、水筒、沸水管、联箱、水冷壁及炉膛等组成。
上图是60年代的船用锅炉，每船装两台，锅炉参数为：蒸发量46t/h， 蒸汽压力6MPa，温度510℃，推进功率20000马力。
构造特点：双锅筒，顶置式燃烧器，膜式水冷壁，倒U型过热器，尾
部设经济器和空气预热器。 上面覆盖耐火材料的炉底管 自右向左上方倾斜并向上延伸成水帘管。
上图是每船单台设置的沉降炉膛式锅炉， 100t/h，6MPa，510℃， 20000马力。
2、燃烧设备
锅炉的燃烧设备主要由喷油器和配风器组成。喷油器将燃料油喷入
炉膛内并雾化，配风器供给燃烧所需要的空气。
（1）喷油器 喷油器按其物化方法分为机械式、蒸汽式、空气式和超声波雾化。
燃油从油压或旋转设备中获得能量从喷孔喷出，在没有任何雾化剂
的作用下而使燃油雾化的喷油器称为机械式喷油器。机械式可分为直射 式、离心式和旋杯式，离心式按是否有回油又分为简单离心式和回油式
2、强制循环水管锅炉
自然循环锅炉依靠汽、水密度差产生的压力差来驱动炉水在锅炉中循
环。同时，在锅炉的发展过程中，蒸汽参数（压力）不断提高，而根据水
蒸汽的性质，压力越大，汽、水密度差越小，自然循环的动力变小，最终 变的不可靠。
当锅炉压力超过18.5MPa时，不能保证稳定的自然循环，压力达到临
界压力22.12MPa时，汽水密度差为零，自然循环无法形成。 水的临界压力：水的压力越高，沸点（也称饱和温度）也越高。例如
为自然水循环。采用这种循环的锅炉称为自然
循环锅炉。
2、锅炉的性能指标
(1) 锅炉参数 蒸发量D：正常状态下，锅炉每小时能产生的蒸汽量，t/h，kg/h 蒸汽压力p：锅炉向外供出的蒸汽的表压力，也称汽压，MPa 蒸汽温度t：锅炉向外供出的蒸汽的温度，oC 蒸发量、蒸汽温度和蒸汽压力是锅炉铭牌上或说明书上必须注明的三 个基本参数
水帘管的热负荷相当高，所以采用直径稍大的管子，以增加流量，防 止过度蒸发。对流管束的后几排为下降管，但为了保证自然循环的可靠，
炉墙中设置了专门的下降管，右墙水冷壁也设置了下降管。 二战期间，多数商船的D型锅炉的蒸汽参数为：3.2Hale Waihona Puke BaiduPa，400℃；舰用
锅炉参数为4.2MPa，500℃；战后舰用锅炉参数提高到8.2MPa，510℃。 50年代中期，商船的锅炉参数为：4.2MPa，450℃和6MPa，450℃；进 入60年代，商船锅炉参数均为6MPa，510℃。
性，因此发展迅速。经过不断完善，在船舶蒸汽动力装置中广泛应用。由
于其本体的造型似英文的字母“D”，所以又称为D型锅炉。
1、自然循环锅炉
船用锅炉大多采用自然循环。右图是比较
典型的D型锅炉，其右侧是炉膛，左侧是对流
蒸发管束，尾部有经济器，炉墙耐火层外设置 夹层，空气经夹层预热。 前炉墙设置三个燃烧器，炉膛出口设三排 稀疏排列的蒸发管，称为水帘管，可以避免过 热器温度过高。
于蒸汽机的凝结水中含有较多油脂，当时的锅炉水处理技术又落后，在商
船上应用不多。
从20世纪20年代起，由于汽轮机在船上逐步推广，又解决了凝结水中 的油脂问题，直水管锅炉逐渐取代了火管锅炉。以后又由于水处理技术的 进一步提高，船用锅炉都采用弯水管锅炉。
现代船用锅炉曾先后出现过联箱式水管锅炉、三锅筒水管锅炉、二锅 筒水管锅炉等结构型式。 二锅筒单烟道水管锅炉在成型后，很快显示出它在结构布置上的合理
3、增压燃烧锅炉
实验证明，炉膛内的燃烧热强度与炉膛内的压力成正比。例如，1个大
气压时，燃烧热强度为3500kW/m3，2个大气压时为7000kW/m3。因此，在 炉膛内实现增压燃烧，可降低锅炉的体积与重量，并可极大的提高流过受
热面的烟气流速。实验发现，流速一旦超过330m/s，放热系数极度增加，
可使换热面积成倍减少。
美国1956年服役的萨拉托加号航母使用的单炉膛D型锅炉参数为：蒸
发量118吨每小时，蒸汽压力8.45MPa，温度540℃，总受热面积1412平方 米，容积25.8立方米，喷油嘴7个。
萨拉托加号航母（CV-60），标准排水量59500吨，满载76300吨，长
317米，宽39.3米，飞行甲板宽76米。8台锅炉，4台汽轮机，总推进功率20 万千瓦，航速33节。
使油雾与空气迅速均匀的混合，达到稳定和良好的燃烧。 配风器的类型很多，常用的有两种：旋流式和平流式。
上图是旋流式配风器，其旋流器的叶片分为固定和可转动两种。前者 通过风门的移动来调节风量，后者则通过叶片的转动改变通流截面。
1-稳燃器；2-喷油器；3-调节套筒；4-拉杆；5-中心套管
上图是平流式配风器，它的优点是阻力小、结构简单、调节方便。 如图，中心套管上装有叶轮式稳燃器，它由弯曲的斜向叶片构成。供