轮机导论-第3讲-船舶动力装置4-核动力装置&联合动力装置

如下表所示，巡航速度所需功率不超过全功率的25%，
航行时间（%总航行时间） 80 17
>28
80~100
3
3、排水量小、装置功率大 成为舰艇的主要矛盾——排水量问题更加突出。 4、续航力大 大、中型水面战斗舰艇是海军舰艇中的主要支柱，这 类舰艇的续航力一般为 4000~6000 海里。要保证这样大的 续力，不得不占用很大的排水量来储备燃料。要想显著地 减少燃料的储备量，行之有效的办法是降低舰艇巡航工况 时的燃料消耗量。而对任何形式的单一装置，为了控制装 置的重量与尺寸，通常以全速作为设计工况，其结果必然 导至巡航工况时的经济性甚差。因为偏离设计工况越远， 其经济性越差，所以无法达到降低巡航工况时燃料消耗量 的目的。
四．核动力装置的应用
目前，核动力装置主要应用于潜艇上。此外，在航空
母舰、巡洋舰、原子破冰船上等也有应用的例子，在民用 船舶上的应用进展不大。
2.5 联合动力装置
联合动力装置的构思是二十世纪初为满足水面舰艇战
术性能的要求而提出的。
一．水面舰艇航行工况特点 1、高速性
高速性包括舰艇的战略速度和战术速度。前者是指长
2）简单工作原理
汽轮机的功率输出端与减速器相连，通过减速器驱 动螺旋桨推动舰船。 同样，为了维持蒸汽轮机的正常运行，还设有若干 辅助系统，如主蒸汽排放系统、汽轮机抽汽系统、冷凝 水、给水系统、润滑油系统、水化学处理系统等。
三． 核动力装置的特点
1、优点： 1）核动力装置以消耗极少量的核燃料而释放出巨 大的能量，就可以保证船舶以较高的航速航行极远的 距离。美国第一艘核潜艇“鹦鹅螺”号可不补充燃料 在水下环球一周（水下航速20kn，续航力30000海里）， 该潜艇从编入舰队历时二年零二个月，总共航行60000 多海里未添加燃料。 2）核动力装置在限定舱室空间内所能供给的能量， 比一切其他形式的动力装置要大得多，也就是说，它 能发出极大的功率，可以设计出50～100kn以上的核动 力舰艇，目前只是受到主机制造及螺旋桨所能吸收功 率的限制。
能量。
二．压水堆核动力装置
1、核动力装置基本原理
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 作的一种装置。目前，舰船上几乎全部采用压力水型的 反应堆（简称压水堆），即以压力水作冷却剂（也称载 热剂），蒸汽作为工质的核动力装置。
2、压水堆核动装置
1 摩尔的铀 -235 重 235g ，因此 1g 铀 -235 完全裂变所释
放出的能量为：
5.36 106 2.28 104 KW .h 235 0.95MW .d
这就是说，如果反应堆每天能烧掉1克铀-235核燃料 ，那么它所发出的功率就是约1兆瓦。 1Kg铀-235完全裂变时，释放出来的能量为： 2.28×104×1000=2.28×107 KW.h
时间的持续航速，通常称为战备巡航速度，一般为17~22kn。
后者是指短时间的最大航速，通称为最大航速，一般为
30~35 kn。
2、各种航速航行时间的差异甚大
运行时间却占总航行时间的80%，最大航速所需功率为全 功率的80~100%，而运行时间仅占总航行时间的3%。
表 大、中型水面舰艇航行工况概况 航速 （kn） <20 20~28 航行工况（%全功率) <25 25~80
2.4 核动力装置
它包括核反应堆、为产生功率推动船舶前进所必需的有关
设备以及为提供装置正常运行，保证对人员健康和安全不
核动力装置以原子核裂变能作为产生推进动力的能源。
会造成特别危害的那些结构、系统和部件。
1954年，美国“鹦鹅螺”号 （Nautilus）核潜艇
2013年9月，美国弗吉尼亚级核潜 艇“北达科他”号下水
二、联合动力装置的组成形式
1、联合动力装置概念
针对水面舰艇的性能特点，构思出在同一舰艇上，
采用二种具有不同特点的发动机及装置，组成由双型发动
机构成的动力装置，称为联合动力装置。
由于两型发动机充分发挥其各自的优点，相互取长补
短，因此能很好地满足舰艇的战术技术性能的要求。
2、联合动力装置的构思
联合动力装置通常在低速工况航行时由一型发动 机单独工作，而在某航速以上直至全速工况范围内由另 一型发动机单独工作或者二型发动机共同工作。 在低工况下，单独工作的发动机组称为巡航机组， 在高速工况时，单独工作或者与巡航机组联合工作的发 动机称为加速机组。巡航机组通常采用耗油率低，使用 寿命 长 ，功 率 不大的 发动机 ，其功 率约占 总功率 的 25~50%。加速机组采用起动迅速，单机组功率大，单位 重量尺寸小的发动机。这样，使舰艇既能在短时间内发 出最大功率达到全航速，又能在巡航中减小燃料消耗量， 增加续航力，还能减少装置的重量尺寸，机动性得到提 高。
2）简单工作原理
二回路 二回路是将蒸汽的热能转换为机械能或电能的装置。 二回路系统主要是由蒸汽发生器二次侧、蒸汽轮机、主冷 凝器、冷凝水泵、给水加热器，除氧器、给水泵，循环水 泵、中间汽水分离器和相应的阀门、管道组成。
二回路系统的蒸汽发生器给水，通过蒸汽发生器大 量 U 型管的管壁，吸收一回路高温高压水从反应堆带来 的热量，在蒸汽发生器里蒸发形成饱和蒸汽，蒸汽从蒸 汽发生器顶部出口通过蒸汽管，流进蒸汽轮机的高压汽 缸，推动叶轮作功后自高压缸出来的蒸汽流经中间汽水 分离器，提高干度后的蒸汽再进入汽轮机低压缸，驱动 低压汽轮机作功后的乏汽，全部排入位于低压缸下的主 冷凝器，通过冷凝器的传热管壁，乏汽经过循环冷却水 的冷却后凝结成水，冷凝水由冷凝水泵驱动进入低压加 热器加热，再到除氧器加热除氧，而后经给水泵送到高 压加热器再加热，提高温度后重新返回蒸汽发生器，作 为蒸汽发生器给水，再进行上述循环。
1971年，中国091型“汉级” 核动力攻击型潜艇
中国094型“晋”级核动力弹道导弹潜艇
中国092型“夏”级核动力弹道 导弹核潜艇
一． 核反应堆原理
1、基本原理
一个可裂变物质的原子核（称为靶原子核）受到一个
有一定的能量的中子轰击以后发生分裂，在分裂成为两个 较轻的初级裂变产物（称为裂变碎片）的部分的同时，放 出了巨大的能量和两到三个新中子。这种现象就是原子核 裂变，也就是（n，f）反应现象。其过程平均所需时间约 为10-12秒。
3）讨论
与普通的石化燃料发热量相比较，体积仅为一块香
皂大小的这样 1kg 铀 -235 核燃料全部分裂时所产生的约
837×108KJ 的热量，即相当体积极为庞大的 2800 吨优质
煤，或者是2100吨的燃油燃烧所发出的热量。
从这里可以清楚的看到，人们之所以热衷于发展核
能，正是基于铀燃料含有几百万倍重量于它的常规燃料
2、典型的核裂变反应
235 92
U n
1 0

236 92
U

137 56
B K r 2 n E
97 36 1 0
2）释放出的能量计算 一个铀 -235 原子核每次裂变放出的可用能为 200 兆 电子伏，而由阿伏加德罗数可知1摩尔的铀-235全部裂变 所释放出的能量为： 6.023×1023×200 MeV=6.023×1023×200×1.6×10-13 J=1.93×1013 J=5.36×106 KW.h
三．核动力装置的特点
2、缺点
1 ）核动力装置的重量尺寸较大。由于核燃料裂
变反应时释放出大量的放射性物质，对人体有严重的
杀伤作用，污染环境，因此必须对核反应堆及第一回 路周围设置多层屏蔽系统。同时考虑到意外灾害对核 动力船的损坏，应对整个动力装置设置屏蔽系统，以 阻止及截留放射性物质逃离反应堆外，不致污染海洋。
1）主要组成 （压水堆核动装置的主要组成如下图）
图2-21 压水堆核动力装置原理流程图
2）简单工作原理 第一回路
在第一回路的反应堆里面有反应堆芯存放着核燃料和
控制棒可控制核裂变速度及释放出的能量，同时用控制棒
起动或停堆。核裂变时释放出的热能被压力水带走，压力
水由冷却剂循环主泵供给，压力水经过反应堆被加热后温
动力船舶上还必须设置专门的器械和设备装卸核燃料
和排除反应堆中载有放射性之排泄物。
三．核动力装置的特点
3）核动力装置造价昂贵。由于反应堆活性区的材料 都须价格很贵的稀有高级合金，据统计建造一个潜艇核反 应堆比同样排水量潜艇的柴油机电动装置，造价要高10倍。 另一方面，核燃料亦昂贵，尤其浓缩铀，浓缩度愈高价格 就愈贵。如核动力潜艇反应堆加满一次核燃料（约用二年 至二年半）要比载有一般动力装置潜艇在同一时间内所需 的燃料，其费用要高10倍左右。 4 ）核动力装置的热效率较低。由于第一回路的压力 水的温度和压力受到反应堆中材料和核燃料的耐高温性能 的限制，而不能提得太高（目前压力水的压力已达 14.719.6MPa），否则对反应堆的构造和强度设计带来较大困 难，工作可靠性与安全性受到影响。因此，第二回路蒸汽 参数（压力和温度）受到限制，致使热效率较低。
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。因而是潜艇极为理想的动
力装置，它能大大提高潜艇的战斗力，使潜艇能长期隐
蔽在深水中，不易被敌舰所发现。同样．此特点对水面
舰艇也有较大意义，因不需要进排气口，没有烟囱减少
甲板开口，并在核战争中减少从烟囱及通风机中进入放 射性杂质的危险性．易于核防御，而且能减少敌人观察 器材和热反应器材的发现及避免红外线自导武器攻击的 危险性。
度升高，然后经蒸汽发生器将热量传递给第二回路的水，
而本身温度下降。压力水放热后进入冷却剂循环泵，被送
入反应堆加热，这样形成一个放射性的密闭循环回路。
为了安全可靠的工作，一回路系统包括一些必需设 置的辅助系统。如为了稳定和限制一回路系统冷却剂压 力波动，设有稳压器的压力安全和压力卸放系统。稳压 器的底部通过波动管接于反应堆出口的热管段上，冷却 剂可以从主回路涌入稳压器，或从稳压器返回主回路中。 在堆的入口冷管段上，引出一个能够改变和调节流量的 喷雾管接在稳压器顶部喷嘴上，喷射主回路中冷管段的 冷却剂。系统运行时，如果工作压力超过整定的压力的 上限时，压力传感系统自动开启稳压器顶部的雾化喷嘴 的压力控制阀，则主回路冷管段的冷却剂在反应堆进， 出口的自身压差作用下，喷射到稳压器上部蒸汽空间内， 由于部分蒸汽冷凝的结果，使得回路系统逐渐恢复到其 正常压力限工作，从而保障了系统的安全、稳定运行。