船舶动力装置概论第十七次.ppt

1,杰拉德R福特级航空母舰正式定名之前，原本被称为CVN 21未来航母计划。福特级预计最快会在2015年时开始服役，并规划在2058年之前建造10艘同级舰，取代尼米兹级成为美国海军舰队的新骨干。,上节课要点,5.2核反应堆5.3 核动力装置5.4 核安全,2,1986年苏联切尔诺贝利核电站,第五章 船舶核动力装置,5.4核安全,3,4、海上事故,2006年11月21日上午，日本潜艇“朝潮”号在宫崎县油津港附近海域浮出海面时与排水量为4000吨的巴拿马籍货轮相撞，造成潜水艇立舵变形，没有造成人员伤亡。,潜艇后纵舵变形,事件经过,第五章 船舶核动力装置,5.4核安全,4,2007年1月9日，日本川崎汽船公司的“最上川”号大型油轮和美国“纽波特纽斯”号核动力潜艇在阿拉伯海的霍尔木兹海峡相撞。,油轮局部受损，但没有人员伤亡，也没有造成原油和核泄漏事故。,第五章 船舶核动力装置,5.4核安全,5,2000年8月12日，造价10亿美元的俄罗斯核潜艇“库尔斯克”号在巴伦支海爆炸沉没，118人殉难 反应堆处于安全关闭状态，没有造成核泄漏,第五章 船舶核动力装置,5.4核安全,6,福岛核电站是目前世界世界最大的核电站，由福岛一站、福岛二站组成，共10台机组（一站6台，二站4台），均为沸水堆。2011年3月12日受地震影响，福岛第一核电站的放射性物质泄漏到外部。,第五章 船舶核动力装置,5.4核安全,7,对船上所有人员的健康和对周围环境的清洁与安全有切实可靠的保证。正常条件下，对人员的放射性辐照低于法定水平；事故情况下，安全系统及时投入，防止放射性物质外泄至环境。由于核裂变过程伴随着放射性物质的产生，核安全始终是在核动力装置的研制和使用中的首要问题。,二、安全性,第五章 船舶核动力装置,8,C高放射性废物：乏燃料,（一）三类核废物,A低放射生废物受到轻微污染的固体，例如手套及衣服等。,B中放射性废物来自核电站的工艺流程废物，例如废树脂和蒸发残渣。,5.4核安全,第五章 船舶核动力装置,9,核电厂用过的乏燃料，送后处理厂经处理其中97%可循环再用。剩余的3%高放射性废物，需用沥青固化、水泥固化和玻璃固化等方法，使它变成不易渗透的固体，在后处理厂贮存，并最终送国家高放深地层处置中心处置。,低、中放射性废物处理,高放射性废物处理,五个处理步骤废物分类及保存废物包装经包装的废物运往处置场地经包装的废物点收后进行处理储存及记录质量保证文件。,5.4核安全,第五章 船舶核动力装置,5.4核安全,10,（二）辐射防护措施,核反应堆工作时，不可避免有强烈的放射性辐射，这就要求特别的屏蔽，限制或根本不让艇员进入潜艇的某些部位。,广泛采用自动化设备，不断监测空气的放射性和采用其他一些安全措施。对船员照射剂量的极限值都有严格的标准规定。,第五章 船舶核动力装置,11,在放射性物质(裂变产物)和环境之间设置了四道屏障,只要其中有一道屏障是完整的,就不会发生放射性物质外泄的事故。,第一道屏障-燃料芯块第二道屏障-燃料包壳第三道屏障-压力边界第四道屏障-安全壳,5.4核安全,（三）四道屏障,第五章 船舶核动力装置,12,第一道屏障-燃料芯块,核裂变产生的放射性物质98以上滞留在二氧化铀陶瓷芯块中,不会释放出来。,第二道屏障-燃料包壳燃料芯块密封在锆合金包壳内，防止放射性物质进入一回路水中。,5.4核安全,第五章 船舶核动力装置,13,第三道屏障-压力边界由核燃料构成的堆芯封闭在壁厚20厘米的钢质压力容器内，压力容器和整个一回路都是耐高压的，放射性物质不会漏到反应堆厂房中。,第四道屏障-安全壳反应堆厂房是一个高大的预应力钢筋混凝土构筑物，壁厚近1米，内表面加有6毫米厚的钢衬，防止放射性进入环境。,5.4核安全,第五章 船舶核动力装置,14,第一道防线主要考虑对事故的预防，它要求核动力装置必须按严格的质量标准和质量保证措施进行设计，制造和运行。第二道防线防止运行中出现的偏差发展成事故。第三道防线控制假想事故引起的后果，尽可能使污染限制在允许的水平。,（四）纵深防御,5.4核安全,包括以下三道防线:,15,15,长154米；宽17米；吃水6.1米；满载排水量：约7000吨；乘员：280人；最高航速：29节；续航力：4500海里/15节；170（兰州号）、171（海口号）,动力系统：DA/DN-80燃气涡轮2 48600马力；MTU-20 V956 TB92柴油机2 8840马力,16,本章主要内容,6.1 概述6.2 联合动力装置推进系统的组成和性能6.3 船舶电力推进和电磁推进动力装置6.4 船舶齿轮箱6.5 船舶离合器及液力耦合器6.6 船用大功率高速联轴器6.7 船舶轴系与螺旋桨,17,本次课主要内容,6.1 概述6.2 联合动力装置推进系统的组成和性能（COSAG 或 COSOG）（CODAG 或 CODOG）（COGAG 或 COGOG）（CODAD）（COGAS）6.3 船舶电力推进和电磁推进动力装置,18,我们已经学习了船舶柴油机、船舶燃气轮机、船舶蒸汽轮机和船舶核动力装置等各类动力装置在最大功率、重量尺寸、装置经济性和操纵运行机动性等方面都存在某些不足。对于民用船舶来说，除经济性之外，其他问题均可以调整解决。但是对于军舰来说，必须满足舰船的战术技术要求，也就是尽可能提高航速、机动能力和续航力。要求动力装置功率尽可能大，满足最高航速时的要求；同时必须照顾到减少动力装置所占有的排水量，以保证所需燃料的储存量（保证续航力）。,6.1概述,19,所以，对于常规排水型船舶，航行速度提高到2倍时，所需功率将提高到8倍。,舰船航速变化与所需推进功率的关系,（1）螺旋桨要求的推进功率,V-容积排水量v-航速CB-海军系数,（2）舰船巡航航行占全部航行时间的98%左右；全速航行仅仅占到全部航行时间的2左右。,为了解决全速航行时的大功率要求和巡航时经济性好要求的矛盾，各种形式的联合动力装置就出现了。,20,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,目前使用的联合动力装置有五种型式,1、蒸燃联合动力装置（COSAG或COSOG）2、柴燃联合动力装置（CODAG或CODOG）3、燃燃联合动力装置（COGAG或COGOG）4、柴柴联合动力装置（CODAD）5、燃蒸联合动力装置（COGAS）,21,1、蒸燃联合动力装置（COSAG或COSOG）,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,蒸汽轮机提供80%全速以下航行所需的功率（全功率的50%左右），在更高航速时，使用燃气轮机和蒸汽轮机（COSAG“共同使用”）；也可以是在更高航速航行时只使用燃气轮机而不使用蒸汽轮机（COSOG“交替使用”）。,英国的郡级导弹驱逐舰排水量：5440吨（标准）；6850吨（满载）主尺寸：长158.65米，水线长153.9米，宽16.4米，吃水6.28米。动力：采用蒸燃联合动力装置，2台蒸汽轮机，功率30000马力；4台燃汽轮机，功率30000马力。双轴。航速：31.5节续航力：3040海里/28节。,22,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,2、柴燃联合动力装置（CODAG或CODOG）,CODOG-柴燃交替使用,CODOG装置选用经济性较好的柴油机巡航，以满足巡航工况油耗低的要求，在相同载油量的情况下可提高续航力。选用重量轻、功率大的燃气轮机加速，以满足舰船在高航速航行时的功率要求。由于柴油机巡航弥补了大功率燃气轮机在低负荷油耗高的缺点，所以过去的一部分和今后有些舰船还会选用。,23,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,2、柴燃联合动力装置（CODAG或CODOG）,CODOG也有明显的缺点：一是机型多，传动装置也较复杂；二是柴油机巡航时的传动效率较低，影响选用柴油机巡航经济性好这一优势的发挥；三是巡航柴油机采用双层隔振加箱装体，满足了减振要求，但代价高；四是大功率加速燃气轮机工作时间少，使燃气轮机的寿命不能充分利用。因此，随着发动机技术发展，联合动力装置将来会向COGAG、CODAD等方向发展。,24,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,25,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,26,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,27,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,在该推进装置中，主要用于巡航的柴油机在船舶高速工况与主要用于加速的燃气轮机共同工作,有利于提高舰的最高航速。通过跨接齿轮箱和多台离合器，使任何一台发动机都可带动双轴工作，可根据航速的需要选择合理的工作方式，使参与运行的发动机在其经济区内工作，同时又可减少运行机的数量，提高了推进装置运行灵活和可靠性。但是，其传动装置和控制系统比较复杂。该推进装置组成：一般有一台燃气轮机，二台柴油机，二部可调桨和传动装置；有二台燃气轮机、一台柴油机、二部可调桨和传动装置；有一台燃气轮机、一台柴油机、二部可调桨和传动装置。,CODAG-柴燃共同使用,28,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,29,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,30,典型应用,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,美国海军早在1965就在PG-84级高速巡逻炮艇上采用了CODAG系统。美国的可靠级护卫舰采用四机双轴的常规组合采用了CODAG系统，阿希维尔级炮艇采用三机双轴的CODAG系统；法国的伯尔尼级护卫舰采用三机共同驱动一根轴的CODAG系统；德国的科降级护卫舰、意大利的山地步兵级护卫舰采用六机双轴的CODAG系统等。德国海军在其新型的F124级护卫舰上采用了基于LM2500的CODAG装置。,31,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,3、燃燃联合动力装置（COGAG或COGOG）,燃燃联合动力有两种运行方式：COGAG燃燃共同使用联合推进装置（如采用四台相同型号的燃气轮机组成的推进装置方案，巡航是使用一台或两台燃机，全速时使用四台燃机共同工作）；COG1OG2燃燃交替使用联合推进装置（如采用小型燃气轮机或复杂循环燃气轮机作为巡航动力装置，采用大型简单循环燃机作为加速动力装置）。COGAG与COGOG系统相比，其好处是：COGAG模式下驱动齿轮箱具有并车和分车的功能，能满足任意一台动力装置投入或退出工作。具有更多的工作工况可供选择。在高航速时还可以将巡航燃机的功率并入，驱动螺旋桨以提高航速，并没有将巡航燃机“闲置”。并且COGAG系统通常采用的都是同型燃机，供油单一，备件通用，便于维护。,32,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,采用COGAG推进的舰艇：上世纪60年代，COGAG最早用在前苏联“卡辛”级驱逐舰上。70年代美国DD963级驱逐舰也采用双轴推进。日本16DDH直升飞机母舰，4台LM2500燃气轮机驱动两调距浆。意大利NUM新型航母，4台LM2500燃气轮机驱动两固定螺距螺旋桨。美海军高速支援舰，4台LM2500燃气轮机，双轴，驱动两定距浆。采用COGOG推进的舰艇：英国的42型导弹驱逐舰、女将型（21型）和大刀型（22型）护卫舰等，都是采用双轴调距浆，加速主机用奥林普斯燃气轮机，巡航机组是太因燃气轮机。,33,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,4、柴柴联合动力装置（CODAD）,在巡航时使用两台柴油机带动两个螺旋桨，全速时四台柴油机共同工作。特点:动力装置经济性好，最大功率适宜。维护和后勤方面具有优越性。,34,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,4、柴柴联合动力装置（CODAD）,35,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,采用CODAD的舰船：（1）法国海军的“卡萨尔级”驱逐舰、“A69级”护卫舰（2）日本的“峰云级”、“山云级”驱逐舰（3）意大利的“贝尔加米尼级”、“智慧女神”护卫舰,36,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,5、燃蒸联合动力装置（COGAS）,在燃气轮机排烟道中加装余热锅炉，利用高温烟气余热产生过热蒸汽，推进一台蒸汽轮机，就构成“兰肯循环”能量回收系统，可节省燃料25%。,37,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,5、燃蒸联合动力装置（COGAS）,美国“伯克”级驱逐舰从第五艘开始和日本“金刚”级，荷兰海军的M级都采用能量回收系统。,38,6.1.2 联合动力装置的分类和应用,5、燃蒸联合动力装置（COGAS）,这种燃蒸联合动力装置在地面发电厂中获得广泛的应用，发电总效率可达60%以上。,39,联合动力装置的控制,满足舰船对于全速航行时功率的要求的同时,单一种动力装置的功率不能超过限制,也就是保证功率平衡的技术。,对于交替使用的联合动力装置在主机切换过程的控制问题。要保证在主机切换过程中,接入主机能平稳可靠地接替离线主机提供推进功率；还需保证在线主机能平稳地脱离同并车齿轮箱的联接,逐渐降低到惰转转速后停车。,40,6.1.4 XX舰的联合动力装置,41,6.2 联合动力装置推进系统的组成和性能,6.2.1 CODAG动力装置的组成和性能特点,42,2000吨级护卫舰的主推进装置柴燃并车联合动力装置。一台燃机LM2500 30型，功率20000kW，两台MTU的20VI163TB82柴油机，单机持续功率4045kW。两台柴油机加一台燃机最大功率30000kW。,三种工作方式：两台柴油机工作，最大航速21.8kn一台燃机工作，最大航速28kn，最小航速可达5kn两台柴油机和一台燃机共同工作，最大航速30.3kn,6.2.1 CODAG动力装置的组成和性能特点,43,6.2 联合动力装置推进系统的组成和性能,6.2.2 CODAD装置的组成和性能特点,44,6.2 联合动力装置推进系统的组成和性能,2000吨级护卫舰主推力动力装置柴柴并车联合动力装置。4台同种型号的柴油机，每两台带动一轴一桨。巡航时每轴一台发动机工作，高速时每轴两台发动机工作。,CODAG和CODAD比较：从占据机舱空间尺寸方面：两种要求差不多，但后者要求机舱上面甲板面积要大一些。最低航速：前者5kn，后者11.5kn机械重量：前者比后者少加速性：由于燃机从冷态启动到全功率需要约2min，而柴油机所需时间更长，所以前者加速性优于后者。,45,6.3 船舶电力推进和电磁推进动力装置,1、电力推进装置的组成,Y-原动机 G-发电机 M-电动机 J-螺旋桨 K-控制设备,水下潜艇通常包括蓄电池组，因为水下无空气工作条件。,电力推进装置的组成性能特点,46,6.3 船舶电力推进和电磁推进动力装置,德国海军装备的世界上第一艘复合使用常规蓄电池及燃料电池的212A型柴电潜艇U31号。长56米，宽7米，高6米，潜航排水量1830吨，水上排水量1524吨，满载时最大潜航速度20节，水面速度12节，最大下潜深度400米。,47,6.3 船舶电力推进和电磁推进动力装置,2、电力推进装置的特点,操作灵活，机动性好易于获得理想的拖动特性，提高船舶的战术技术性能 a、低速特性好 b、机动性好 c、良好的恒功率特性，利于原动机的恒功率工作，发挥原动机的潜力 d、电流特性好 e、良好的“堵转特性”,48,推进装置总功率可以由好几个机组承担，增加了设备选择的灵活性，提高了船舶的生命力原动机与螺旋桨无硬性联接，有利于减低振动，降低噪声；可使原动机与螺旋桨分别在各自最佳转速下工作电力推进装置重量大，中间损耗大，初投资大，需要维护和运行人员的技术水平高。,6.3 船舶电力推进和电磁推进动力装置,49,6.3.2 超导电磁推进船舶,磁流体推进原理 磁流体推进可以算作电力推进的范畴。同常规机械推进是根本不同的。利用海水含盐量较高（海水平均含盐量是3.5），海水可以导电的特性，当导电海水通过船体管道内相互垂直的电场与磁场时，海水就会受到电磁力的作用而在管道内运动，船体管道就将受到海水运动方向相反的反作用力。此反作用力就可推动船舶前进。,50,6.3.2 超导电磁推进船舶,电磁推进船舶是一种无螺旋桨的水下推进船舶，具有振动噪声小，航行速度快，控制灵活等特点。和传统的螺旋桨推进受到空泡腐蚀的限制不同，电磁推进船舶推进装置之内部没有转动机械，不会受到类似“空泡”问题的限制。因而可以大大提高主机的功率。理论分析认为电磁推进船舶的航行速度可以达到100节以上。,