船舶概论第六章

⑵水管锅炉 水管锅炉结构见图6-5。水包1和汽包4之间由密集的炉 管束3连通，当燃料在燃烧室2内燃烧时，高温的火焰和烟 气扫过炉管束，使管内的水迅速被加热变为蒸汽，经汽包由 主蒸汽阀输出，烟气经烟道烟囱排到大气中。 和烟管锅炉相比，水管锅炉容水量少，循环快，蒸发率 高，从点火到供汽时间短。由于水和蒸汽的压力作用在圆筒 形的水包、汽包内壁和小直径的水管内，因而能够承受比较 高的压力，有利于蒸汽压力的提高。水管锅炉结构轻巧，单 位受热面积重约200Kg/m2,比烟管锅炉轻40%以上。现代蒸 汽船舶动力装置几乎都采用水管锅炉。
第三节 船舶柴油机
柴油机作为一种动力机械，在各类船舶上被广泛用作主 机和发电机的原动机。 柴油机的类型较多：按工作循环分四冲程和二冲程；按 结构特点分为筒状活塞式和十字头式；按气缸排列形式分单 列式、U型和V型；按速度分高速、中速和低速；按功率分 大、中、小型。 一、柴油机结构 现以四冲程柴油机为例，介绍柴油机的结构，见图6-8. 1.固定机件 它是柴油机的骨架,构成柴油机外形,如图中机座2、机 身4、主轴承1、缸套6和气缸盖9。
第六章 船舶动力装置
第一节
船舶动力配置的含义及组成
现代船舶的动力装置，广义上说，是指保证船舶正常航 行、作业、停泊以及乘员正常工作和生活所需的各类机械和 设备。它主要是提供机械能、电能、热能、液体和气体的压 力能，除保证船舶推进外，并满足整个船舶能量消耗的需要. 所以船舶动力装置大部分是能量转换装置。 船舶动力装置通常包括：推进装置、辅助装置、管路系 统、甲板机械和机舱自动化设备五部分。 1.推进装置 图6-1为船舶推进装置示意图。在遥控装 置1操纵下，当主机2运转时，驱动传动设备（或减速齿轮 箱）3和轴系4，使螺旋桨5旋转做功，产生使船舶运动的推 力。
三、核动力装置 核动力装置是利用核燃料在反应堆内起核裂变反应，所 产生的巨大热量用来加热冷却剂（液体或气体）。冷却剂吸 收热能后，再直接或间接地导入推进装置以产生推进动力。 核反应的作用相当于锅炉的炉膛和燃烧室，所以有人把它叫 作“原子锅炉”。不同的是，在普通锅炉内，燃料通过燃烧 把 化学能转变成热能，而在核反应堆内，核燃料是通过核裂变 反应把原子能转变为热能。 现有的核动力舰艇或民用船舶，基本上都采用压力水型 的反应堆。即以普通压力水作冷却剂（也称载热剂），以蒸 汽为工作介质，推动汽轮机工作。
⑶核反应堆由于设置厚实的防护层，整个装置的重量和 尺寸都比较大。但由于科学技术的进步，防护设施的重量和 尺寸已有所减小。核动力装置的总重量还是小于普通动力装 置。而且由于燃料储备重量的大幅度减小，对于军舰可相应 减小排水量提高航速，或加强军舰的武备。对于民用船舶可 增加其净载重量。 核动力装置造价昂贵，而且操纵管理检测系统比较复 杂。
2.辅助装置 除推进装置外，供应船上其他各种能量需 要的装置和设备，如船舶电站、辅助锅炉装置、泵站、压缩 空气站等，统称为辅助装置。 3.管路系统 连接各种机械设备并输送油、水、气等工 作介质。其中为主机服务的燃油、滑油、冷却水、压缩空 气、进排气及废热利用等系统，称为动力管路系统。为全船 服务的则称为船舶管路系统，它包括为保障航行安全的舱底 水、压载、消防等系统；为乘员生活所需要的通风、取暖、 空调、冷藏、供水、卫生及制淡等系统。
②热效率较低，耗油量较高 一般为232～313g/kw.h，
故经济性较差； ③附属设备多，装置复杂。 早期船上使用的往复式蒸汽机，因热效率低，振动大， 单机功率有限等原因，早已淘汰。
二、内燃动力装置 以内燃机作为船舶主机的推进装置，称为内燃动力装 置。燃料直接在发动机气缸内或燃烧室中燃烧，将高温高压 燃气的热能转化为机械能作功。 根据内燃机的工作方式和特点，可分为往复式柴油机和 回转式燃气轮机两种。 1.往复式船舶柴油机 柴油机作为船舶主机，在现代船舶中应用极为广泛。以 每年完成的造船量看，柴油机占造船总量的98%，而柴油机 总功率则占船机总功率99%，可见营运中的大部分船舶均以 柴油机作为主机。
60年代以来,燃气轮机的设计制造已经取得较大进展,性 能已有明显提高。单机功率已由5520kw提高到了18400kw. 耗油率以367g/kw.h下降到258~272g/kw.h。机组使用寿命由 1000h提高到10000h。 目前，燃气轮机装置在军用舰艇和气垫船上应用较为广 泛。民用船舶采用燃气轮机也日见增多。
下面简要介绍蒸汽锅炉和汽轮机的基本结构和工作原 理。 1.蒸汽锅炉 锅炉是利用燃料在其炉膛燃烧所产生的热量，将水加热 并蒸发成具有一定温度和压力的蒸汽的一种设备。按其结构 型式分为烟管锅炉和水管锅炉两大类。 ⑴烟管锅炉 烟管锅炉也称火管锅炉，结构见图6-4。最早应用到船 上的是烟管锅炉，它是燃料在炉膛6内燃烧，产生的高温烟 气经燃烧室5进入烟管4，包围在烟管外的水吸收烟管内烟 气的热量，被加热而变成蒸汽，经主蒸汽阀2进入管道送往 蒸汽轮机。
⑸柴油机是作往复运动的机械 存在运动的不均衡和 惯 性力的作用，工作时有较大的振动和噪声。 ⑹柴油机在低速运转时 常常由于燃烧不良引起工作 的 不稳定性，一般在低于30%额定转速时难以稳定工作，其过 载能力也较差，一般仅能过载10%，而且过载状态下连续工 作不能超过1小时。 2.燃气轮机 燃气轮机又称燃气透平。它的基本结构和工作原理与蒸 汽轮机相似，只是作功的工质不同。蒸汽轮机的工作介质是 蒸汽，燃气轮机的工作介质是燃气。燃气轮机是利用燃料在 燃烧室内燃烧，所产生的高温燃气进入燃气轮机推动叶轮旋 转作功。
图6-6为燃气轮机动力装置示意图。它主要由以下三部分组 成：
⑴压缩机2 用来压缩进入燃烧室3的空气； ⑵燃烧室3 为燃料燃烧产生燃气的空间； ⑶气轮机6 将燃气的热能转变为机械能对外作功。 在船舶动力装置中，燃气轮机是单机功率大、单位重量 轻和尺寸最小的一种。轻型燃气轮机,本身重量仅0.1~0.43 Kg/kw,整机重量也仅为22kg/kw，更为突出的是，它可以随 时起动，并且在很短时间内发出最大功率。在2~3分钟内， 可由冷态起动达到全负荷的工作状态，加速性能极好。 燃气轮机也存在如下缺点，对燃油品质要求高，耗油率 较高，热效率较低，所以经济性较差。同时，由于燃气轮机 的叶片及燃烧室均在高温下工作，使用寿命不长。此外，该 装置不能直接倒车,需增设换向设备,致使整个装置复杂化。
一、蒸汽动力装置 蒸汽动力装置由锅炉、蒸汽轮机、轴系、管系及冷凝器 等设备组成。燃料的燃烧是在发动机的外部即锅炉中完成 的，是外燃式动力装置，其基本工作原理如图6-2所示。 在汽轮机内部，高压过热蒸汽自喷嘴喷出时，形成具有 很大动能的高速汽流，冲到汽轮机的叶片上使汽轮作高速旋 转，如图6-3所示。
柴油机作为船舶主机具有如下特点。 ⑴有较高的经济性 首先是其油耗率低，大型低速船 用柴油机的最低耗油率不超过160g/kw.h，中速柴油机的耗 油率不超过180g/kw.h,这是其他类型的发动机无法相比的。 由于柴油机的燃料燃烧后直接在气缸内形成高温高压的 燃气而膨胀作功,且燃烧和排气的温差大，因此，柴油机的 热效率高，一般可达35%～46%。而蒸汽轮机的热效率一般 为25%～33%。 柴油机不仅在全负荷时（通常为设计工况）具有良好的 经济性，在低速和部分负荷时，也具有较高的经济性。
⑵汽轮机是作旋转而非往复运动 所以工作均衡、平 稳、机件间的摩擦部分少,使用期限达10万个小时以上,维修 保养比较简便。 ⑶可以使用廉价的劣质燃料 与柴油机相比，滑油耗 量也小得多。 作为船舶主机的汽轮机，同时也存在如下不足： ①起动时间稍长 从锅炉点火开始到压力足够的蒸汽需 要较长时间，紧急起动也需15～20min；
2.柴油机型号识别 柴油机型号常以数字和字母的组合形式，反映柴油机的 主要结构特征，如缸数、缸径、冲程数、行程、可否倒转， 是否增压以及气缸的排列形式等。
⑵机型多、功率范围广 船舶各类甚多，排水量相差 悬 殊，小仅几十吨，大到几十万吨，对航速要求也各不相同， 这就需要各种不同功率的主机与之匹配。目前制造的船用柴 油机有大、中、小型和高、中、低速多种机型，容易满足各 类船舶对主机的要求。 ⑶具有良好的机动性 操纵简便，启动迅速，正倒车 灵 活而简单，一般从准备启动到启动结束仅需10分钟，从冷 态 启动到全负荷动作只需10多分钟，在应急时则不超过3～4 分钟，数秒钟之内即可停车。 ⑷低速柴油机的尺寸和重量比较大 由于柴油机的尺 寸 和重量在一定转速下，随功率的加大而成比例增加，因此使
第二节 船舶力装置的类型
船舶动力装置中的主机和辅机都有多种不同型式，不论 何种型式，其初始能量都来自燃料的燃烧。燃烧产生的热能 通过各种动力装置转换为其他形式的能量，如机械能、电 能、液体和气体的压力能等。 船舶主机的功率通常远远大于辅机功率，所以，船舶动 力装置一般就以主机的型式来来分类和定名。根据主机采用 燃料的性质，燃烧的场所（原动机的内部或外部），使用的 工质及其工作方式的不同，船舶动力装置可分为蒸汽、内燃 和核动力三大类。
4.甲板机械 它包括：锚机、绞缆机和绞盘等系泊机 械；舵机及其操纵和执行机构组成了操舵机械、起货机、吊 货杆、卷扬机等装卸设备，装卸液货的泵和管路则归属于管 路系统；用于放置和吊放救生艇、工作艇的吊艇架和吊艇机. 特殊用途的船舶还有专用的甲板机械，如拖船的绞缆机和渔 船的起网机等。 5.机舱自动化设备 为实现主机、辅机遥控、集控的 设 备。它包括自动控制和调节系统、自动操纵、集中监测及报 警系统。
2.运动部件 它是发动机产生动力的部件, 如图中活塞8、活塞销7、 连杆5、连杆螺栓20和曲柄3。 3.配气机构 它是实现柴油机进气和排气功能的机构，如图中的凸轮 轴19、顶杆17、摇臂13、进气阀15、排气阀12、气阀弹簧 11、进气管16和排气管10。 4.冷却系统 它是在柴油机工作时对各受热件，如缸盖和缸套提供足 够数量的、有适宜的温度和压力冷却水，以保证柴油机受热 零件的正常工作，冷却水在一定的空腔中循环流动。
5.润滑系统 它是保证各活塞组件以及其他需要润滑的机件在工作 时，得到有足够压力和适当温度的润滑油，避免各运动部件 间发生干摩擦。 6.增压系统 它是利用柴油机的废气能量使空气增压后再进入气缸以 提高柴油机功率的设备。
7.供油系统 它是向柴油机供应燃油的装置。燃油自油箱靠重力经过 滤器流入高压油泵18，再由油泵经高压油管按工作循环要 求输入至喷油器14并喷入气缸内。 8.操纵系统 它是柴油机实现起动、换向、调速性能的设备。 图6-9为气缸V型排列的柴油机整体剖切图，柴油机的 固定部件，运动部件及部分系统，在图中都清晰可见。 二、柴油机常用术语及型号识别 1.常用术语 图6-10为柴油机气缸容积变化图，图中反映了活塞位置 和各容积名称。
2.蒸汽轮机 蒸汽轮机又称蒸汽透平，它是将蒸汽的压力能转换成机 械能换成机械能作功的动力机。 汽轮机在大型大功率舰船上应用极为广泛，因为作为原 动机的蒸汽轮机具有如下的诸多优点。 ⑴单机功率大 由于船舶的巨型化和快速化，例如30 万吨和50万吨级油船，10万吨和40万吨级散装货船先后出 现，航速24kn以上的定期货船，30kn以上的集装箱货船都 先后投入航运。因此需配置单机功率（2.2～3.7）×104kw 以上的主机，采用汽轮机就比较合适，大型作战舰艇如航空 母舰、巡洋舰也大多以汽轮机为主机.而且在大功率范围内, 汽轮机装置的单位重量约为13.6～20.4kg/kw，比柴油机动 力装置轻很多。
图6-7为压力水堆核动力装置示意图。
核动力装置的主要优点是： ⑴消耗少量的核燃料就能释放出巨大的能量，并产生极 大的功率，从而使船舶获得足够高的航速和续航力。例如载 重为3万吨的油船，航行1万海里，只消耗1kg核燃料。核动 力船舶实际上续航力几乎是无限的。 ⑵在核裂变过程中不消耗空气，这对于潜艇是有极重要 意义的，它可以长时间在水下航行而不必浮出水面。所以， 核动力潜艇在现身潜艇中占有相当大的比例。